磁潔凈太陽(yáng)電池電路技術(shù)進(jìn)展與關(guān)鍵技術(shù)分析

趙文祺，楊 寧，梁一林，肖少龍，于振海，徐 軍

（空間電源全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海空間電源研究所，上海 200245）

0 引言

地球的重力、電磁場(chǎng)及其變化反映了地球物質(zhì)與結(jié)構(gòu)的分布與運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地球的重力與電磁場(chǎng)變化對(duì)于災(zāi)害預(yù)測(cè)、資源探測(cè)以及基礎(chǔ)科學(xué)進(jìn)步具有重大意義。為此，國(guó)內(nèi)外先后發(fā)射挑戰(zhàn)性小衛(wèi)星有效載荷衛(wèi)星CHAMP（德國(guó)，2000 年）［1］、重力恢復(fù)和氣候?qū)嶒?yàn)衛(wèi)星GRACE（美國(guó)/德國(guó)，2002 年）［2］及其后繼衛(wèi)星GRACE-FO（美國(guó)/德國(guó)，2018 年）［3］等衛(wèi)星進(jìn)行重力場(chǎng)探測(cè)，以及地震區(qū)電磁發(fā)射發(fā)射衛(wèi)星DEMETER（法國(guó)，2004 年）［4］、電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星張衡一號(hào)CSES（中國(guó)，2018 年）［5］等進(jìn)行電磁場(chǎng)探測(cè)。此外，電磁場(chǎng)等物理場(chǎng)探測(cè)也是行星探測(cè)的必要任務(wù)的研究?jī)?nèi)容之一，包括火星全球探勘者M(jìn)GS（美國(guó)，1996 年）［6］、螢火一號(hào)火星探測(cè)器YH-1（中國(guó)，2011 年）［7］、木星冰月探測(cè)器JUICE（歐空局，2023 年）［8］等。

在航天器在軌運(yùn)行期間，航天器平臺(tái)、載荷以及太陽(yáng)電池陣等均存在電流流動(dòng)，因電磁感應(yīng)必然產(chǎn)生磁場(chǎng)擾動(dòng)，這些低頻電磁輻射雖然并不影響航天器的姿態(tài)控制，但嚴(yán)重影響重力、電磁場(chǎng)等空間環(huán)境磁場(chǎng)探測(cè)，即重力場(chǎng)探測(cè)、電磁場(chǎng)探測(cè)要求航天器具備高磁潔凈度。對(duì)于航天器剩磁分布，根據(jù)“地球空間探測(cè)雙星計(jì)劃”地面測(cè)試磁場(chǎng)波動(dòng)分析儀探測(cè)數(shù)據(jù)，光照期航天器太陽(yáng)電池陣光生電流產(chǎn)生的電磁輻射是整個(gè)航天器電磁輻射的主要來(lái)源，約占整個(gè)航天器電磁輻射的87%（低頻 段<100 Hz）和94%（高頻段>100 Hz）［9］。因此，光照條件下實(shí)現(xiàn)磁潔凈太陽(yáng)電池電路對(duì)于重力場(chǎng)探測(cè)與電磁場(chǎng)探測(cè)航天器至關(guān)重要。

針對(duì)磁潔凈太陽(yáng)電池電路技術(shù)，本文介紹了國(guó)內(nèi)外航天器磁潔凈太陽(yáng)電池電路技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用情況，并闡述了實(shí)現(xiàn)磁潔凈太陽(yáng)電池電路的關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑，為后續(xù)我國(guó)重力、電磁場(chǎng)以及引力波探測(cè)航天器磁潔凈太陽(yáng)電池電路設(shè)計(jì)、研制與應(yīng)用提供參考。

1 磁潔凈太陽(yáng)電池電路技術(shù)進(jìn)展

航天器在軌工作時(shí)，要使太陽(yáng)電池電路表面及電纜回路網(wǎng)周圍的磁場(chǎng)減少到最低程度，并使可磁化的部件產(chǎn)生的感應(yīng)磁力矩達(dá)到最小，才能使航天器在運(yùn)行的過(guò)程中盡可能的少受帶電低能粒子及其他因素的干擾和影響。在笛卡爾坐標(biāo)系中，在導(dǎo)體元素（太陽(yáng)電池電路中主要是指太陽(yáng)電池元素）中dl的長(zhǎng)度上流過(guò)電流為I時(shí)產(chǎn)生的磁矩dB為：

式中：μ0為真空空間的導(dǎo)磁率；r為電流元素Idl到某點(diǎn)坐標(biāo)為（X，Y，Z）處的矢量。

通過(guò)將所有的電流元素積分即可得到總的磁矩B。在實(shí)際設(shè)計(jì)和計(jì)算中很少用上述的辦法。傳統(tǒng)和簡(jiǎn)化的磁矩計(jì)算方法是設(shè)定電路中通過(guò)的電流為Ii，電路所圍的面積為Si，則該電路所產(chǎn)生的剩磁矩為

在航天器太陽(yáng)電池電路設(shè)計(jì)中，必須充分考慮消磁設(shè)計(jì)。目前常用的消磁方法為通過(guò)“鏡像映射法”，使相鄰和相對(duì)的電路組件設(shè)計(jì)電流值相同或近似，電路電流所通過(guò)的面積也要相同，也就是電路的串并聯(lián)間隔要求相同和等距，收集電流的方式也完全相同，進(jìn)而使每個(gè)電路產(chǎn)生的磁矩與相鄰、相對(duì)電路的磁矩相抵消，實(shí)現(xiàn)降低剩磁矩的目標(biāo)［10］。

但是，在實(shí)際航天器太陽(yáng)電池電路設(shè)計(jì)中，太陽(yáng)翼基板尺寸及機(jī)械結(jié)構(gòu)往往使太陽(yáng)電池電路設(shè)計(jì)中存在無(wú)法進(jìn)行鏡像對(duì)稱的太陽(yáng)電池組件及導(dǎo)線，尤其在考慮厚度方向消磁的情況下。為此，國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量研究，并應(yīng)用于MGS、JUICE、TC-1、TC-2、GRACE、GRACE-FO、CSES等航天器中。1996 年11 月，美國(guó)NASA 研制的MGS 發(fā)射入軌，其任務(wù)之一是探測(cè)火星磁場(chǎng)，因此要求極高的整器磁潔凈度，其磁場(chǎng)探測(cè)器安裝在太陽(yáng)翼外板邊緣。MGS 太陽(yáng)翼由雙翼共4 塊尺寸為1.70 m×1.85 m 的太陽(yáng)電池板組成，外板采用14.6% 效率的Si 太陽(yáng)電池，內(nèi)板采用18.9% 效率的GaAs/Ge 太陽(yáng)電池［6］。為降低太陽(yáng)電池電路剩磁矩，MGS 通過(guò)在太陽(yáng)電池串旁邊設(shè)計(jì)相反電流方向的平行導(dǎo)線進(jìn)行消磁，MGS 鏡像消磁途徑如圖1（a）所示。但是，由于兩串太陽(yáng)電池串距離磁場(chǎng)探測(cè)器距離不同，距離磁場(chǎng)探測(cè)器較近的太陽(yáng)電池串回路在磁場(chǎng)探測(cè)器處產(chǎn)生的剩磁大于其相鄰太陽(yáng)電池串回路產(chǎn)生的剩磁，因此在距離磁場(chǎng)探測(cè)器較遠(yuǎn)的太陽(yáng)電池串設(shè)計(jì)增大補(bǔ)償電路，通過(guò)增大電流回路面積以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償消磁，如圖1（b）所示。對(duì)于距離磁場(chǎng)探測(cè)器較遠(yuǎn)的單串太陽(yáng)電池組件，可以通過(guò)在太陽(yáng)電池串兩側(cè)引出相反電流走向的平行導(dǎo)線進(jìn)行消磁，如圖1（c）所示，太陽(yáng)電池串兩側(cè)回路因與磁場(chǎng)探測(cè)器距離細(xì)微差異產(chǎn)生的剩磁微乎其微；但是對(duì)于距離磁場(chǎng)探測(cè)器60 cm之內(nèi)的單串太陽(yáng)電池組件，距離磁場(chǎng)探測(cè)器較近的回路在磁場(chǎng)探測(cè)器處產(chǎn)生的剩磁大于太陽(yáng)電池串另一側(cè)回路產(chǎn)生的剩磁，因此通過(guò)增大距離磁場(chǎng)探測(cè)器較近回路的導(dǎo)線長(zhǎng)度進(jìn)而增大其回路電阻，即通過(guò)降低距離磁場(chǎng)探測(cè)器距離較近的回路剩磁以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償消磁，如圖1（d）所示［11］。通過(guò)上述消磁方法，MGS 太陽(yáng)電池電路光照情況下在磁場(chǎng)探測(cè)器位置剩磁矩測(cè)試為0.6 nT。

圖1 MGS 太陽(yáng)電池電路消磁技術(shù)［11］Fig.1 Magnetic field cancellation techniques for the MGS solar array［11］

2002 年3 月，美國(guó)NASA 與德國(guó)DLR 聯(lián)合研制的GRACE 雙星發(fā)射入軌，其主要任務(wù)是分析和繪制地球重力場(chǎng)及其隨時(shí)間的變化，兩顆衛(wèi)星在相距220 km 的同一軌道運(yùn)行，需時(shí)刻精確測(cè)量星間距離，以保證重力場(chǎng)模型的高精度，因此需要特別關(guān)注太陽(yáng)電池電路相關(guān)的磁干擾。GRACE 衛(wèi)星初始軌道高度約為490 km，壽命末期軌道高度降至約330 km。衛(wèi)星整體構(gòu)型為梯形結(jié)構(gòu)，在頂板和2 個(gè)側(cè)板采用體裝式太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)，頂板尺寸為3 120 mm×691 mm，兩個(gè)側(cè)板尺寸為3 120 mm×969 mm，太陽(yáng)電池電路選用2PR/200 型Si 太陽(yáng)電池。根據(jù)GARCE 研制經(jīng)驗(yàn)［12］，其主要通過(guò)2 個(gè)方面實(shí)現(xiàn)磁潔凈：一方面選用無(wú)磁材料，避免鐵磁材料的磁化。綜合考慮高磁潔凈度要求與高劑量原子氧劑量，GRACE 衛(wèi)星太陽(yáng)電池間選用金材料進(jìn)行互連。另一方面是通過(guò)鏡像對(duì)稱和線纜絞合進(jìn)行剩磁抵消，對(duì)于正面無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)稱消磁的太陽(yáng)電池組件回路，則通過(guò)在基板背面鋪設(shè)相反電流方向的線纜進(jìn)行抵消。2018 年5 月，GRACE 的后續(xù)任務(wù)GRACEFO 發(fā)射升空，其將GRACE 采用的Si 電池更新為28%效率的三結(jié)GaAs 電池，太陽(yáng)電池電路磁潔凈設(shè)計(jì)方面則基本保持一致［13］。

此外，2023 年4 月發(fā)射的JUICE 探測(cè)器同樣進(jìn)行了磁潔凈太陽(yáng)電池電路設(shè)計(jì)。JUICE 探測(cè)器采用雙翼結(jié)構(gòu)，太陽(yáng)翼面積為85 m2，壽命末期在木星軌道附近仍可提供730 W 以上的輸出功率［14］。除鏡像對(duì)稱消磁外，為了降低磁場(chǎng)探測(cè)器附近太陽(yáng)電池電路的剩磁，每條組件均在基板背面進(jìn)行了補(bǔ)償電纜設(shè)計(jì)，并在正、負(fù)線重合區(qū)域進(jìn)行了絞合處理［15］。

國(guó)內(nèi)自從與中歐政府合作空間項(xiàng)目“地球空間探測(cè)雙星計(jì)劃”［16］開(kāi)始，進(jìn)行了系統(tǒng)的磁潔凈太陽(yáng)電池電路技術(shù)研究。探測(cè)雙星為圓筒構(gòu)型，采用體裝式太陽(yáng)電池電路。TC-1 衛(wèi)星任務(wù)軌道為79 000×480 km 大橢圓軌道，于2003 年12 月發(fā)射，通過(guò)TC-1 衛(wèi)星的磁強(qiáng)計(jì)和磁場(chǎng)波動(dòng)分析儀在軌觀察到信號(hào)周期約4 s（衛(wèi)星自旋速率為15 r/min）的干擾信號(hào)，其主要是由于太陽(yáng)電池電路正、負(fù)母線在探測(cè)器位置產(chǎn)生的磁場(chǎng)未能完全抵消，同時(shí)分流控制引起電路布局從對(duì)稱變?yōu)椴粚?duì)稱，從而產(chǎn)生非對(duì)稱干擾，通過(guò)變更電纜位置和電纜安裝工藝，使得太陽(yáng)電池電路的準(zhǔn)正弦干擾信號(hào)降低。2004 年7 月發(fā)射入軌的TC-2 在軌測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，在衛(wèi)星表面磁強(qiáng)計(jì)伸桿2.5 m 處衛(wèi)星的剩磁干擾信號(hào)降為0.5 nT［17］。特別地，探測(cè)雙星太陽(yáng)電池電路采用“8”字型連接的鏡像對(duì)稱進(jìn)行正面電路消磁，如圖2 所示。太陽(yáng)電池電路分陣回線焊接于太陽(yáng)電池殼內(nèi)壁的環(huán)氧覆銅布電纜表面，正母、負(fù)母、充電母、涓流和分流線等5 條線纜迭層粘貼，使電纜正、負(fù)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消；對(duì)于分流態(tài)無(wú)法自身抵消的太陽(yáng)電池組件回路，通過(guò)在太陽(yáng)電池殼內(nèi)壁鋪設(shè)電流方向相反的補(bǔ)償電纜進(jìn)行消磁［18］。

螢火一號(hào)探測(cè)器是我國(guó)獨(dú)立研制的第一顆火星探測(cè)器，其采用整星低剩磁控制技術(shù)。太陽(yáng)翼總貼片面積4.92 m2，雙翼結(jié)構(gòu)，包括6 塊展開(kāi)式太陽(yáng)電池板和探測(cè)器頂部2 塊體裝式太陽(yáng)電池板，均采用26.8% 效率的GaInP2/InGaAs/Ge 太陽(yáng)電池［19］。為避免太陽(yáng)電池電路光生電流引入的雜散剩磁，太陽(yáng)電池電路除常規(guī)鏡像對(duì)稱外，電纜走線布成扁S形，沿帆板與磁傳感器連線走向盡可能長(zhǎng)，垂向盡可能短；同時(shí)利用背面鋪線將電流的返回導(dǎo)線直接布于太陽(yáng)電池背面，以抵消流出電流。即使電池陣中某部分元件損壞，其磁場(chǎng)也不會(huì)顯著改變［20］。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，太陽(yáng)電池電路剩磁矩小于0.06 A·m2。

作為我國(guó)第1 顆專業(yè)進(jìn)行電離層電磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星，張衡一號(hào)于2018 年2 月發(fā)射入軌，軌道高度507 km，太陽(yáng)翼采用單翼三塊板結(jié)構(gòu)［21］。太陽(yáng)電池電路正面采用“8”字布片，背面線纜進(jìn)行絞合并基于中軸線進(jìn)行鏡面對(duì)稱布局。考慮太陽(yáng)電池電路分陣工作狀態(tài)，各分陣采用分流級(jí)分布同樣沿太陽(yáng)翼中軸線鏡面對(duì)稱，盡可能降低太陽(yáng)電池電路子陣工作狀態(tài)切換引起的剩磁。此外，張衡一號(hào)通過(guò)磁試驗(yàn)?zāi)M件進(jìn)行了磁試驗(yàn)。經(jīng)測(cè)試，在太陽(yáng)翼法線方向上，距離1 m 處的雜散磁場(chǎng)最大為0.96 nT；在太陽(yáng)翼同一個(gè)平面上，距離模擬件邊緣1 m 處的雜散磁場(chǎng)最大為1.4 nT。由此推算，在軌太陽(yáng)光垂直入射情況下，在高精度磁強(qiáng)計(jì)位置產(chǎn)生的雜散磁場(chǎng)小于0.011 nT。根據(jù)在軌測(cè)試結(jié)果，張衡一號(hào)衛(wèi)星本體磁潔凈度達(dá)到0.33 nT［22］，滿足不大于0.5 nT的要求。

2 磁潔凈太陽(yáng)電池電路關(guān)鍵技術(shù)分析

通過(guò)對(duì)磁潔凈太陽(yáng)電池電路發(fā)展進(jìn)行分析，識(shí)別出實(shí)現(xiàn)磁潔凈太陽(yáng)電池電路的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：選用低磁材料、鏡像對(duì)稱布局與自由端線纜控制、補(bǔ)償電纜。從太陽(yáng)電池電路正面布局、背面線纜走向以及基板厚度方向這3 個(gè)方面綜合考慮，進(jìn)行太陽(yáng)電池電路的三維消磁。

2.1 選用低磁材料

太陽(yáng)電池電路主要包括太陽(yáng)電池、互連片、導(dǎo)線和電連接器等，其中，太陽(yáng)電池大部分為Si 電池或GaAs 電池，導(dǎo)線大部分為銅鍍銀材料，因此太陽(yáng)電池電路所用大多數(shù)材料為無(wú)磁材料，可能存在鐵磁或順磁性的材料主要為互連片。目前國(guó)外主流的太陽(yáng)電池互連片包括可伐互連片和鉬互連片［23-24］，由于可伐互連片中包含鐵、鎳等鐵磁材料，因此對(duì)磁潔凈度要求較高的航天任務(wù)，可以選用鉬互連片代替可伐互連片。在不可避免需應(yīng)用少量磁性材料的情況下，應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行消磁處理以最大限度地減少殘余磁場(chǎng)。10 cm 處的可伐互連片和鉬互連片的磁性測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1，盡管鉬互連片表面可能含有少量的用于增強(qiáng)表面可焊性的鎳鍍層，但其并沒(méi)有顯示出明顯的剩磁?？煞セミB片的磁性可以通過(guò)消磁處理實(shí)現(xiàn)消磁，但仍存在材料被重新磁化的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 可伐互連片和鉬互連片10 cm 距離處的磁性測(cè)量結(jié)果［25］Tab.1 Magnetism at the distance of 10 cm between the kovar and molybdenum interconnectors［25］

需要注意的是：可伐材料為軟磁材料，其本身不帶磁性，當(dāng)外磁場(chǎng)強(qiáng)度低于10 000 G（1 T）以下時(shí)，可伐材料的磁化率恒定為220。在地球低軌低磁環(huán)境下，太陽(yáng)電池電路可伐互連片感生磁矩不超過(guò)9.9×10-5A·m2，遠(yuǎn)小于一般航天器剩磁指標(biāo)要求。除可伐互連片外，在電連接器選用方面，建議選用低磁型電連接器，如J36W 等。

2.2 鏡像對(duì)稱布局與自由端線纜控制

在太陽(yáng)電池電路設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)磁潔凈目標(biāo)，應(yīng)遵循鏡像對(duì)稱布局設(shè)計(jì)，包括正面太陽(yáng)電池組件布局、背面線纜走向、電連接器處線纜引線和分陣布局等。太陽(yáng)電池電路正面組件布局應(yīng)遵循電流走向鏡像對(duì)稱設(shè)計(jì)的原則，且應(yīng)盡量縮短正、負(fù)極引出線的距離，減小引線環(huán)路面積，同時(shí)保證引出線電流方向?qū)ΨQ。在太陽(yáng)電池電路背面線纜走向設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證線纜走向?qū)ΨQ設(shè)計(jì)，尤其對(duì)于二極管板區(qū)域、負(fù)極匯流銀片區(qū)域等應(yīng)在對(duì)稱設(shè)計(jì)的前提下盡量縮短二極管、匯流銀片等引出線的距離。對(duì)于分陣正、負(fù)引線，應(yīng)布置于同一線纜束中。

在太陽(yáng)電池電路正面組件布局、背面線纜布局設(shè)計(jì)中，應(yīng)整體考慮電流走向，在基板厚度方面電流環(huán)路進(jìn)行對(duì)稱設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池電路厚度方向的剩磁抵消。在太陽(yáng)電池電路連接器區(qū)域，一般情況下，為提高可靠性同時(shí)降低工藝實(shí)施難度，常采用正負(fù)極性接點(diǎn)物理隔離排布，形成較大的正、負(fù)線間開(kāi)口面積。為減小正、負(fù)線在電連接器上產(chǎn)生的電流環(huán)路面積，可進(jìn)行正、負(fù)極性接點(diǎn)鏡像對(duì)稱設(shè)計(jì)，使得正、負(fù)接點(diǎn)距離產(chǎn)生的剩磁相互抵消［26］。

此外，考慮太陽(yáng)電池電路分陣在軌工作狀態(tài)，避免因分陣工作模式調(diào)整引起的剩磁變化，在太陽(yáng)電池電路布局設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮分陣布局，進(jìn)行分陣對(duì)稱布局設(shè)計(jì)，并順序控制分陣工作模式切換。

2.3 補(bǔ)償電纜設(shè)計(jì)

在實(shí)際航天器太陽(yáng)電池電路設(shè)計(jì)中，太陽(yáng)翼基板尺寸及機(jī)械結(jié)構(gòu)通常使太陽(yáng)電池電路設(shè)計(jì)中存在無(wú)法進(jìn)行鏡像對(duì)稱的太陽(yáng)電池組件，為此，可在正面無(wú)法消磁組件的基板背面位置設(shè)置與正面組件電流方向相反的補(bǔ)償線纜進(jìn)行剩磁抵消，補(bǔ)償線纜位置應(yīng)與正面組件中心線保持一致。出于可靠性考慮，對(duì)于雙線設(shè)計(jì)太陽(yáng)電池電路，補(bǔ)償電纜應(yīng)沿正面組件中心線對(duì)稱走線，無(wú)論兩根導(dǎo)線在中心位置鋪設(shè)或間隔一段距離鋪設(shè)，均可實(shí)現(xiàn)剩磁抵消［25］。

但是，補(bǔ)償電纜通常會(huì)在基板厚度方面引入新的剩磁，針對(duì)此問(wèn)題，可在基板正面進(jìn)行兩折組件布局設(shè)計(jì)，此時(shí)，基板厚度方向兩個(gè)電流環(huán)路方向相反，理想情況下，剩磁完全抵消。此外，通過(guò)預(yù)埋電路也可解決基板厚度方向消磁問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于MGS、GRACE、GRACE-FO、探測(cè)雙星、螢火一號(hào)、張衡一號(hào)等國(guó)內(nèi)外重力、電磁場(chǎng)科學(xué)探測(cè)型號(hào)任務(wù)對(duì)國(guó)內(nèi)外磁潔凈太陽(yáng)電池電路技術(shù)的發(fā)展歷程、實(shí)現(xiàn)方式以及型號(hào)應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹，并從正面布局、背面線纜走向以及基板厚度方向等方面，系統(tǒng)分析了太陽(yáng)電池電路三維消磁的關(guān)鍵技術(shù)，包括選用低磁材料、鏡像對(duì)稱布局與自由端線纜控制、補(bǔ)償電纜，為后續(xù)磁潔凈太陽(yáng)電池電路技術(shù)的進(jìn)一步突破提供參考。