航天器典型部件超高速撞擊失效模式

鄭世貴 閆軍 宮偉偉 （中國空間技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部）

1 引言

現(xiàn)代航天器部件種類、數(shù)量繁多，包括機(jī)械部件、電子和電氣設(shè)備，其中電子和電氣設(shè)備數(shù)量越來越多，已遠(yuǎn)超過機(jī)械部件。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)電子和電氣故障占航天器故障總數(shù)的54%，機(jī)械和熱故障約占航天器故障總數(shù)的27%，軟件故障占航天器故障總數(shù)的12%，其余故障原因不明?？臻g環(huán)境是造成衛(wèi)星故障的主要因素之一，包括：太陽輻射、宇宙射線、電磁風(fēng)暴和空間碎片。前三種因素主要影響電子和電氣設(shè)備，而空間碎片既能造成機(jī)械故障，也能造成電子和電氣設(shè)備故障。

本文針對航天器平臺的典型電氣設(shè)備：功率電纜、數(shù)據(jù)電纜、射頻電纜、太陽電池陣、鋰電池在超高速撞擊下的損傷進(jìn)行了梳理，給出了主要失效模式，為航天器的超高速撞擊風(fēng)險(xiǎn)評估和防護(hù)設(shè)計(jì)提供支撐。

2 典型部件失效模式

電纜

航天器艙內(nèi)外會布局有大量功率電纜、數(shù)據(jù)電纜、射頻電纜，以進(jìn)行電力輸送、信號傳輸。如國際空間站艙外有幾千米的功率電纜，評估與減少超高速撞擊導(dǎo)致的功率電纜失效一直是國際空間站任務(wù)的焦點(diǎn)。

美國國家航空航天局（NASA）和恩斯特馬赫研究所（EMI）對電纜開展了一系列超高速撞擊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，電纜短路與開路是實(shí)驗(yàn)中最常出現(xiàn)的兩種失效模式，而且短路比開路更常出現(xiàn)，因?yàn)殡娎|開路需要更大的彈丸動能；影響撞擊結(jié)果的主要因素不是撞擊角而是撞擊位置。

NASA開展了25次功率電纜、97次雙絞數(shù)據(jù)電纜、12次同軸射頻電纜超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，撞擊角度0?和45?，彈丸為鋁球與鋼球，彈丸直徑1.984~3.57mm，速度5.7~6.9km/s。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)鋁彈丸直徑2.38~3.1785mm且速度6.9km/s時，電纜發(fā)生短路概率高。

NASA功率電纜

同軸射頻電纜

數(shù)據(jù)電纜

EMI對功率電纜、雙絞數(shù)據(jù)電纜、射頻電纜各開展了10次超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，撞擊角度0°，彈丸直徑1.5~4.0mm，速度6.42~7.70km/s。電纜處于熱控多層（MLI）防護(hù)或MLI+蜂窩板防護(hù)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了短路與開路兩種失效模式，與NASA實(shí)驗(yàn)結(jié)論基本一致。

日本針對先進(jìn)對地觀測衛(wèi)星（ADEOSII）在軌失效（電纜功率在3min內(nèi)突然從6kW降低到1kW）研究表明，一旦電纜導(dǎo)線裸露，并在導(dǎo)線與導(dǎo)線之間或?qū)Ь€與其他表面之間電位差達(dá)60V時，會形成持續(xù)放電，導(dǎo)致臨近所有電纜都被燒毀。地面實(shí)驗(yàn)表明，10對電纜都在30s內(nèi)被燒毀，導(dǎo)致電纜短路或開路，與在軌功率損失的遙測數(shù)據(jù)非常匹配。

針對我國衛(wèi)星常用功率電纜的撞擊實(shí)驗(yàn)表明，直徑0.8mm的鋁彈丸在3.172km/s就能切斷導(dǎo)線，形成開路，臨近的電纜絕緣層破壞、導(dǎo)線輕微損傷，撞擊瞬間電壓出現(xiàn)很大波動（正常電壓6.3V，撞擊波動范圍4.5~9.5V）。

我國某低軌遙感衛(wèi)星太陽翼功率電纜遭受撞擊后，供電能力在短時間內(nèi)逐步散失，地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明功率電纜在遭受撞擊后，形成持續(xù)放電導(dǎo)致整束電纜燒毀，與衛(wèi)星在軌功率損失的遙測數(shù)據(jù)非常匹配。

綜合超高速撞擊實(shí)驗(yàn)與在軌故障情況，可知功率電纜遭受空間碎片撞擊后存在四類失效類型：

1）電纜導(dǎo)線被切斷導(dǎo)致的開路；

2）電纜火線與零線貫通導(dǎo)致的短路，或?qū)Ь€與接地設(shè)備之間的貫通，接地設(shè)備包括電纜本身的接地防護(hù)或電纜連接的接地結(jié)構(gòu)；

3）短路或其他原因引起的電纜持續(xù)放電，放電產(chǎn)生的熱量會燒毀鄰近電纜的絕緣表層，直到所有電纜都被燒毀；

4）電纜無機(jī)械損傷，但電壓波動超過一定數(shù)值，如波動超過工作電壓的40%，導(dǎo)致設(shè)備損壞，在設(shè)計(jì)時增加電路斷路器。

數(shù)據(jù)電纜、射頻電纜遭受空間碎片撞擊后存在兩類失效類型：

1）電纜導(dǎo)線被切斷導(dǎo)致的開路；

2）電纜絕緣層破壞，金屬導(dǎo)線裸露，可能導(dǎo)致短路。

功率電纜、數(shù)據(jù)電纜、射頻電纜典型撞擊實(shí)驗(yàn)

太陽電池陣

空間碎片撞擊到太陽電池陣，不僅有機(jī)械損傷，如電池片與絕緣層的破壞，還有撞擊引起的局部高密度等離子體導(dǎo)致的電損傷。

太陽電池陣結(jié)構(gòu)由硅電池片和基板組成，太陽電池片上粘貼玻璃蓋片組成疊層太陽電池片，以提高抗輻射和抗微小空間碎片撞擊損傷能力；疊層太陽電池片經(jīng)串并聯(lián)后組成太陽電池電路，并通過硅膠粘接在基板上。在太陽電池片和基板之間粘有一層聚酰亞胺薄膜，起絕緣作用。在太陽電池陣的背面敷設(shè)電路引出線，組成了板電纜和板間電纜，通過電連接器將板間電纜連接，以把電流傳輸進(jìn)入衛(wèi)星。

NASA開展的多個撞擊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了超高速撞擊太陽電池陣會誘發(fā)放電效應(yīng)。NASA把超高速撞擊太陽電池陣的放電效應(yīng)分為三個類型：初級放電、瞬間持續(xù)放電和持續(xù)放電。初級放電為撞擊過程中發(fā)生的放電，撞擊結(jié)束放電結(jié)束；瞬間持續(xù)放電為放電電流等于外電路電流的情況至少持續(xù)2μs；持續(xù)放電為撞擊后形成的永久短路通路產(chǎn)生的放電。

瞬間持續(xù)放電和持續(xù)放電的機(jī)理：撞擊穿孔后，撞擊產(chǎn)生的等離子體在電池片與基板間持續(xù)放電。等離子體擴(kuò)散時，進(jìn)入基板的離子相互碰撞，產(chǎn)生了中性氣體與二次電子，此時基板成為了陰極。由于離子碰撞（取決于一定條件）導(dǎo)致基板局部溫度升高，又發(fā)生了熱電子發(fā)射現(xiàn)象。這些過程把中性氣體與電弧離子化，導(dǎo)致能不斷產(chǎn)生新的離子與電子，這是撞擊產(chǎn)生的等離子擴(kuò)散結(jié)束后仍能維持電弧存在的原因。如果在絕緣層被熱量碳化之前放電停止，那么該放電被稱為瞬間持續(xù)放電，否則就是持久放電。

基于以上認(rèn)識，基板在撞擊點(diǎn)累積的離子電流密度對持續(xù)放電起著極其重要的作用，實(shí)驗(yàn)表明離子電流密度正比于彈丸動能，更高的撞擊速度更易引發(fā)永久持續(xù)放電，但實(shí)驗(yàn)表明，即使撞擊速度為2.1km/s也能引發(fā)永久持續(xù)放電。

初級放電和瞬間持續(xù)放電引起的太陽電池電路故障一般局限于超高速撞擊機(jī)械損傷范圍，即幾個太陽電池片失效；而永久持續(xù)放電則有更大概率燒毀撞擊周圍的電纜、電連接器，從而造成幾個太陽電池電路失效。

鋰電池

鋰電池芯結(jié)構(gòu)由鋁蜂窩板和纖維層組成。鋰電池芯在遭到彈丸撞擊時，受損鋰電池會發(fā)生熱泄漏，而且可能傳導(dǎo)到鄰近的電池芯，導(dǎo)致鄰近未受損的電池芯也可能過熱，并發(fā)生熱泄漏。

NASA針對國際空間站鋰電池開展了5次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電池芯結(jié)構(gòu)被穿透時，電池芯溫度升高、芯內(nèi)物質(zhì)噴出、某些情況還出現(xiàn)自打火，多數(shù)情況下，鄰近電池芯也出現(xiàn)溫度升高，溫度升高本質(zhì)上會導(dǎo)致未受損電池芯由于熱泄漏而失效。因此，鋰電池設(shè)計(jì)應(yīng)不允許電池殼穿透，防止電池芯受到撞擊破壞，導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

3 小結(jié)

本文梳理了功率電纜、數(shù)據(jù)電纜、射頻電纜、太陽電池陣、鋰電池在超高速撞擊下的主要失效模式，其中功率電纜持續(xù)放電導(dǎo)致的整束電纜燒毀、太陽電池陣持續(xù)放電導(dǎo)致的電池片大面積燒毀會對航天器造成嚴(yán)重后果。航天器設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這兩個失效模式，研究其發(fā)生條件、作用機(jī)理，采取必要措施減少該失效模式發(fā)生概率。