國外宇航機構(gòu)太陽電池陣研制標(biāo)準(zhǔn)及試驗驗證體系概述

姜東升，杜 紅，付林春，王 磊，楊 東

(1.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094；2.北京空間科技信息研究所，北京 100086)

太陽電池陣是衛(wèi)星供配電系統(tǒng)的重要單機，負(fù)責(zé)將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能，是衛(wèi)星供配電系統(tǒng)安全、可靠供電的首要環(huán)節(jié)。太陽電池陣由結(jié)構(gòu)部分、機構(gòu)部分和太陽電池電路組成，是機電合一的復(fù)雜產(chǎn)品[1]。太陽電池陣的研制過程需要通過電學(xué)的、力學(xué)的和熱學(xué)的試驗對其技術(shù)條件、材料、生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行測試、檢驗和試驗驗證。對2000 年1月至2012 年9 月期間79 顆在軌衛(wèi)星發(fā)生的114 次太陽電池陣故障事件進(jìn)行了分類統(tǒng)計分析，結(jié)合我國衛(wèi)星太陽電池陣設(shè)計及制造工藝技術(shù)，提出了加強出廠前的測試和試驗驗證[2]。

本文對衛(wèi)星太陽電池陣研制標(biāo)準(zhǔn)及其驗證試驗開展研究，對國外衛(wèi)星太陽電池陣在研制階段完成的測試和試驗進(jìn)行分析，重點研究太陽電池片的生產(chǎn)、鑒定測試和試驗；太陽電池板的生產(chǎn)和鑒定過程中完成的測試和試驗；同時，對太陽電池板裝配成翼后進(jìn)行的測試和試驗驗證體系進(jìn)行調(diào)研與分析研究，與國內(nèi)衛(wèi)星太陽電池陣研制過程的各項試驗開展對比分析，為后續(xù)太陽電池陣的研制過程試驗提供參考[3]。

1 國外衛(wèi)星太陽電池陣研制標(biāo)準(zhǔn)調(diào)研

針對美國AIAA(美國航空航天學(xué)會)標(biāo)準(zhǔn)，歐洲ESA 的ECSS(歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織)標(biāo)準(zhǔn)和日本JAXA(日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu))標(biāo)準(zhǔn)中與衛(wèi)星太陽電池陣研制相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)研和分析。

1.1 美國AIAA 太陽電池陣研制標(biāo)準(zhǔn)

美國航空航天學(xué)會(American Institute of Aeronautics and Astronautics,AIAA)于1963 年由美國火箭學(xué)會和美國宇航科學(xué)學(xué)會合并而成。發(fā)展至今，AIAA 已經(jīng)是全球最大的致力于航空、航天、國防領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展的專業(yè)性非政府、非贏利的學(xué)會。AIAA 是ISO/TC20/SC14 秘書處，同時是美國國家標(biāo)準(zhǔn)(ANSI)所認(rèn)定機構(gòu)。

AIAA 在國際航天標(biāo)準(zhǔn)化活動中有舉足輕重的地位，它與ECSS 共同主導(dǎo)了國際航天標(biāo)準(zhǔn)化的“潮流”。AIAA 標(biāo)準(zhǔn)體系的結(jié)構(gòu)按照專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域劃分，包括：航天學(xué)類、工程與技術(shù)管理類、信息與綜合后勤保障類、宇航與導(dǎo)彈系統(tǒng)類、推進(jìn)與發(fā)動機類以及結(jié)構(gòu)、設(shè)計和試驗類，共6 個專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，又進(jìn)一步細(xì)分為26 個分技術(shù)委員會，如圖1 所示。

圖1 AIAA分技術(shù)委員會構(gòu)成

目前可查詢到AIAA 標(biāo)準(zhǔn)項目76 項，其中與太陽電池陣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參見表1。這些標(biāo)準(zhǔn)主要分為以下四類，即指南G(guide)、標(biāo)準(zhǔn)S(standard)、推薦性操作規(guī)程R(recommended practice)和專門課題SP(special project)。

表1 AIAA與太陽電池陣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1.2 歐洲ECSS 太陽電池陣研制標(biāo)準(zhǔn)

歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織(European Cooperation for Space Standardization，ECSS)標(biāo)準(zhǔn)體系分為空間項目管理、空間產(chǎn)品保證、空間工程和空間可持續(xù)四個子體系。通過對歐洲ESA 的ECSS 產(chǎn)品保證標(biāo)準(zhǔn)體系調(diào)研分析和ESA 的相關(guān)文獻(xiàn)可以看出，ECSS 標(biāo)準(zhǔn)體系是自頂向下實施的結(jié)構(gòu)，建立頂層指導(dǎo)性規(guī)范后，建立工程的頂層規(guī)范文件，然后建立2 級和3 級產(chǎn)品實現(xiàn)和工程活動的方法、程序和工具。以ESA 太陽電池陣產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系為例，如圖2。

圖2 ESA與太陽電池陣相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系

對于太陽電池陣產(chǎn)品來說1 級文件為電源與供配電系統(tǒng)的指導(dǎo)性規(guī)范文件，描述產(chǎn)品保證、工程的方針和原則、要求和包含的內(nèi)容；根據(jù)太陽電池陣的組成結(jié)構(gòu)，2 級劃分為結(jié)構(gòu)、機構(gòu)和太陽光伏組件規(guī)范，描述太陽電池陣產(chǎn)品或工程中各活動的要求和作用；3 級設(shè)定為太陽電池組件規(guī)范，下面包括具體的蓋片玻璃、裸電池、保護(hù)二極管產(chǎn)品實現(xiàn)活動的方法、程序和工具。表2 為ECSS 與太陽電池陣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 ECSS與太陽電池陣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 日本JAXA 太陽電池陣研制標(biāo)準(zhǔn)

日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA)成立于2003 年10 月，是在原宇宙開發(fā)事業(yè)團(NASDA)、航空宇宙技術(shù)研究所(NAL)和宇宙科學(xué)研究所(ISAS)基礎(chǔ)上合并而來，其主要人員也來自這三個機構(gòu)。JAXA 的標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、運行和維護(hù)工作由JAXA 下設(shè)的安全和任務(wù)保證部(S&MA)負(fù)責(zé)。JAXA 編制和使用的標(biāo)準(zhǔn)主要包括JMR(管理要求)和JERG(工程要求及指南)兩類。JERG包含4 個系列，分別是：JERG-0(產(chǎn)品保證標(biāo)準(zhǔn))、JERG-1(工程標(biāo)準(zhǔn))、JERG-2(航天器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn))、JERG-3(地面設(shè)備標(biāo)準(zhǔn))。截至2018 年，JAXA 對外公布的有效技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)共28 項，其中與衛(wèi)星太陽電池陣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表3。JAXA 還專門建立了層級結(jié)構(gòu)清晰的標(biāo)準(zhǔn)體系，具體如圖3 所示。

表3 JAXA與太陽電池陣相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)

圖3 JAXA航天器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系

2 國外衛(wèi)星太陽電池陣試驗驗證體系分析

2.1 美國AIAA 太陽電池陣試驗驗證體系分析

從2005 年開始，為了提高衛(wèi)星供配電的可靠性，AIAA 陸續(xù)發(fā)布了一系列空間電源系統(tǒng)設(shè)計、太陽電池陣方面的AIAA 標(biāo)準(zhǔn)，其中包括：AIAA S-111A-2014《空間太陽電池鑒定和質(zhì)量要求》[4]、AIAA S-112A-2013《空間太陽電池板鑒定和質(zhì)量要求》[5]、AIAA S-122-2007《無人航天器電源系統(tǒng)》[6]。

AIAA S-111A-2014 規(guī)定了空間用硅太陽電池、單結(jié)砷化鎵太陽電池、三結(jié)砷化鎵太陽電池的質(zhì)量和鑒定要求，包括太陽電池的性能要求和對太陽電池生產(chǎn)商的質(zhì)量保證要求。AIAA S-112A-2013 規(guī)定了太陽電池板的質(zhì)量要求和鑒定要求，包括太陽電池板的性能要求和對太陽電池板制造商的質(zhì)量保證要求。

2.1.1 AIAA S-111A-2014 太陽電池片鑒定要求

AIAA S-111A-2014《空間太陽電池鑒定和質(zhì)量要求》標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了空間用單晶硅和砷化鎵單結(jié)、雙結(jié)、三結(jié)太陽電池的鑒定和質(zhì)量要求。它的前身是TOR2004(8583)-3554《空間太陽電池鑒定和質(zhì)量要求》，包括對太陽電池特性要求和太陽電池生產(chǎn)商的質(zhì)量保證體系要求。其中，第7 章規(guī)定了為保證空間用太陽電池的質(zhì)量和可靠性而必須進(jìn)行的測試。

表4 中列出了太陽電池片鑒定試驗和性能試驗項目以及對應(yīng)本標(biāo)準(zhǔn)的章條號。

表4 太陽電池片鑒定試驗和性能試驗要求

2.1.2 AIAA S-112A-2013 太陽電池板鑒定要求

AIAA S-112A-2013《空間太陽電池板鑒定和質(zhì)量要求》規(guī)定了太陽電池板的設(shè)計具體要求，包括應(yīng)如何確定功率裕度，如何給出太陽電池陣的功率計算結(jié)果。表5 中列出了太陽電池板的鑒定和性能試驗以及對應(yīng)本標(biāo)準(zhǔn)的章條號。

表5 太陽電池板鑒定和性能試驗要求

2.2 歐洲ECSS 太陽電池陣試驗驗證體系分析

ECSS-E-20-08B《光伏組件和元器件》[7]標(biāo)準(zhǔn)概述了空間太陽電池陣電路板主要組件的質(zhì)量鑒定、采購、儲藏以及運輸?shù)囊?guī)格，主要組件包括：光電組件、太陽電池組件、太陽電池裸片以及蓋片玻璃。

本標(biāo)準(zhǔn)的主要部分(第5～8 條)分為4 個詳細(xì)部分，每一部分對應(yīng)著各自的組件：光電組件、太陽電池組件、太陽電池裸片以及蓋片玻璃的對照標(biāo)準(zhǔn)，而且包括了核對數(shù)據(jù)、力學(xué)和電學(xué)特征、其它額定值以及驗收和質(zhì)量評定的詳細(xì)規(guī)格，這些都和空間工程上用到的規(guī)格有所不同(表6)。

表6 太陽電池組件質(zhì)量認(rèn)證測試方案

2.3 日本JAXA 太陽電池陣試驗驗證體系分析

日本JAXA 機構(gòu)與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 有良好的合作，開展了太陽電池陣質(zhì)量保證指南標(biāo)準(zhǔn)化項目工作。該項目的目標(biāo)是建立太陽電池陣質(zhì)量保證的方法?！短栯姵仃嚒稪AXA-JERG-2-215A[8],該指南提供了太陽電池陣的飛行件制造過程、材料、元器件質(zhì)量保證的一般要求。在第3 章給出了鑒定試驗項目，規(guī)定了熱真空試驗、熱真空循環(huán)試驗、噪聲試驗的實施，同時參考充電設(shè)計WG1 給出了ESD 試驗的測試方法(表7)。

表7 太陽電池板鑒定和性能試驗要求

3 衛(wèi)星太陽電池陣研制試驗及試驗驗證體系啟示

通過對美國AIAA 標(biāo)準(zhǔn)、歐洲ECSS 標(biāo)準(zhǔn)和日本JAXA 標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)研，重點分析AIAA S-111A-2014《空間太陽電池鑒定和質(zhì)量要求》、AIAA S-112A-2013《空間太陽電池板鑒定和質(zhì)量要求》和ECSS-E-20-08B《光伏組件和元器件》的分析，梳理了各國在衛(wèi)星太陽電池陣研制過程中開展的試驗項目的細(xì)節(jié)要求：

(1)從前面的分析可以看出美國AIAA 和ECSS 的太陽電池陣標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)是基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的，分為頂層設(shè)計的指導(dǎo)性規(guī)范文件，第2 級結(jié)構(gòu)、機構(gòu)和太陽光伏組件規(guī)范，第3 級蓋片玻璃、裸電池、保護(hù)二極管產(chǎn)品規(guī)范。ECSS 標(biāo)準(zhǔn)以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，與他們的研制模式是密切相關(guān)的，研制組織機構(gòu)為公司制，提供貨架產(chǎn)品，以各級最終交付的產(chǎn)品狀態(tài)為單位制定研制標(biāo)準(zhǔn)是合理的，面向產(chǎn)品的。

(2)國外的標(biāo)準(zhǔn)特別強調(diào)了試件上的太陽電池樣本數(shù)量，如美國《AIAA S-112A-2013 Qualification and Quality Requirements for Space Solar Panels》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定疲勞熱循環(huán)試驗的小試件上的太陽電池應(yīng)不少于231 片，靜電放電試驗的小試件上的太陽電池應(yīng)不少于12 片。ECSS-E-20-08B《光伏組件和元器件》也對分組測試的裸太陽電池和太陽電池組件的樣本數(shù)進(jìn)行了規(guī)定。

(3)美國的AIAA S-111A-2014 標(biāo)準(zhǔn)和日本JAXA 機構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)采取的是相同的鑒定試驗驗證體系，即對不同的試驗項目選用相應(yīng)樣本獨立試驗，單獨根據(jù)判據(jù)判斷試驗結(jié)果。而歐洲ECSS 組織的ECSS-E-20-08B《光伏組件和元器件》標(biāo)準(zhǔn)采取的是試驗組合驗證體系,將試樣樣本分為5 組，5 組樣本分別開展對應(yīng)的組合試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，判定是否合格。

4 結(jié)束語

本文通過對國外衛(wèi)星太陽電池陣研制標(biāo)準(zhǔn)及其驗證試驗開展研究，對國外衛(wèi)星太陽電池陣在研制階段完成的試驗進(jìn)行分析，重點探討太陽電池片的生產(chǎn)、鑒定測試和試驗；太陽電池板的生產(chǎn)和鑒定過程中完成的測試和試驗；并對太陽電池板裝配成翼后進(jìn)行的測試和試驗驗證體系進(jìn)行調(diào)研與分析研究，總結(jié)了對國外太陽電池陣各項研制試驗的啟示，為國內(nèi)未來衛(wèi)星太陽電池陣的研制過程試驗提供參考，對確保衛(wèi)星供配電安全可靠，圓滿完成飛行任務(wù)具有重要意義。