激光誘導(dǎo)航天器太陽電池陣放電電弧特性的研究與分析

（1.北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院， 北京 100191;

2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部， 北京 100094）

摘 要： 太陽電池陣空間放電電弧嚴(yán)重威脅航天器的可靠運(yùn)行和安全壽命?；谔栯姵仃囋诳臻g等離子體環(huán)境放電電弧理論，對(duì)高能脈沖激光誘導(dǎo)太陽電池陣放電電弧機(jī)理進(jìn)行分析，采用空間放電地面模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究3種不同工況下的太陽電池陣放電電弧特性，得到3種工況下激光誘導(dǎo)放電電弧的功率密度閾值分別約為1.8×108 W/cm2、1.45×108 W/cm2和1.08×108 W/cm2。在近地軌道等離子體環(huán)境下每次施加脈沖激光誘導(dǎo)放電電弧的概率達(dá)到約60%，且激光誘導(dǎo)放電電弧電流峰值為5.4 A，平均持續(xù)時(shí)間達(dá)到16.68 μs，極易對(duì)太陽電池陣造成較大危害。

關(guān)鍵詞： 太陽電池陣; 激光; 等離子體; 放電電弧特性

中圖分類號(hào)： TM501+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）02-0001-05

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.02.001

Research and Analysis on Laser-Induced Discharge Arc Characteristics of Spacecraft Solar Array

WEI Dejie ZHU Liying WU Jianwen TONG Ziang1

（1.School of Automation Science and Electrical Engineering， Beihang University， Beijing 10019 China;

2.Institute of Spacecraft System Engineering CAST， Beijing 100094， China）

Abstract： The discharge arc of solar array seriously threatens the reliable operation and safe life of spacecraft. Based on the discharge arc theory of solar array in space plasma environment， the discharge arc mechanism of high-energy pulse laser-induced solar array was analyzed. The discharge arc characteristics of solar array under three different working conditions were studied by using space discharge ground simulation experiment system. The energy density thresholds of laser-induced discharge arc under three working conditions were obtained， which were about 1.8×108 W/cm 1.45×108 W/cm2 and1.08×108 W/cm respectively. In the Low-Earth-Orbit plasma environment， the probability of each pulse laser-induced discharge arc is about 60%， and the peak value of the laser-induced discharge arc current is 5.4 A， and the average duration is 16.68 μs， which is very easy to cause great harm to the solar array.

Key words： solar array; laser; plasma; discharge arc characteristics

0 引 言

隨著空間站和衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)電源系統(tǒng)的供電需要不斷提高，目前主要使用的是太陽電池陣+蓄電池組合供電方式，太陽電池陣作為主要的能量來源，對(duì)整個(gè)航天器的可靠運(yùn)行和安全壽命起著決定性作用［1-3］?？臻g站使用的太陽電池陣主要是三結(jié)砷化鎵太陽電池，具有效率高、耐高溫、抗輻射強(qiáng)的特點(diǎn)，與近地軌道（LEO）等離子體環(huán)境相互作用會(huì)產(chǎn)生不等量充電效應(yīng)，容易發(fā)生靜電放電現(xiàn)象，引起弧光放電，破壞太陽電池陣的絕緣強(qiáng)度，甚至造成短路引發(fā)永久持續(xù)電弧，直至太陽電池陣局部燒毀或整體失效［4-9］。

激光具有高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性的特點(diǎn)，在空間傳感、空間無限傳能和清除空間軌道碎片等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，尤其是清除空間軌道碎片時(shí)，激光能量高，傳輸距離大，極易對(duì)傳輸過程中的其他物體造成損傷［10-12］，而太陽電池陣大面積暴露于空間中，因此高能激光極易對(duì)太陽電池陣造成巨大損傷，嚴(yán)重威脅航天器的安全運(yùn)行。文獻(xiàn)［13］針對(duì)納秒脈沖激光輻照太陽電池片的損傷特性及光電轉(zhuǎn)化特性開展了研究，分別從材料燒蝕形貌、電性能輸出和內(nèi)部損傷3個(gè)方面對(duì)電池光電性能下降進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)激光輻照太陽電池柵線部位的損傷效果要強(qiáng)于輻照非柵線部位。文獻(xiàn)［14］研究了532 nm、20 ns和300 ps超短脈沖激光對(duì)單晶硅太陽電池陣的損傷效應(yīng)，對(duì)比分析了超短脈沖、長(zhǎng)脈沖和連續(xù)激光損傷機(jī)理的異同，指出激光對(duì)太陽電池陣破壞主要是熱效應(yīng)損傷。文獻(xiàn)［15］開展了808 nm和10.6 um的連續(xù)激光輻照實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)相同激光耦合強(qiáng)度下兩種激光對(duì)太陽電池陣的損傷模式相似，且隨著耦合強(qiáng)度提高，太陽電池陣的最大輸出功率呈“階梯狀”下降。綜上，目前研究主要集中于激光對(duì)太陽電池陣的直接熱效應(yīng)損傷，但是對(duì)于激光誘導(dǎo)太陽電池陣放電電弧及其造成的二次損傷鮮有報(bào)道。

本文基于太陽電池陣在LEO等離子體環(huán)境的放電電弧理論，對(duì)高能脈沖激光誘導(dǎo)太陽電池陣放電電弧機(jī)理進(jìn)行了分析。采用空間放電地面模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)激光+真空環(huán)境、激光+真空等離子體環(huán)境和激光+真空等離子體環(huán)境+偏壓電路3種不同工況下的太陽電池陣放電電弧進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到了不同工況下激光誘導(dǎo)放電電弧的能量閾值，并探究不同空間環(huán)境下激光誘導(dǎo)放電電弧的特性。

1 太陽電池陣空間放電電弧機(jī)理分析

LEO等離子體環(huán)境具有低溫稠密特點(diǎn)，等離子體溫度約為20 000～30 000 K，密度高達(dá)1010～1012 m-3，高壓太陽電池陣與等離子體相互作用，會(huì)產(chǎn)生不等量充電效應(yīng)，充電電位可達(dá)幾百至上千伏，導(dǎo)致太陽電池陣負(fù)端結(jié)構(gòu)體相對(duì)于空間等離體子懸浮于較高的負(fù)電位，從而在玻璃蓋片表面、互連片和基底材料之間形成“反向電位梯度”［16-17］，在電勢(shì)差和空間等離子體綜合作用下，會(huì)產(chǎn)生放電電弧現(xiàn)象。具體放電電弧機(jī)理可總結(jié)如下：

（1）太陽電池陣結(jié)構(gòu)體與等離子體相互作用，使基板充電到較高的負(fù)電位，而玻璃蓋片表面在空間等離子體和光照作用下會(huì)發(fā)射電子，使其表面電位相對(duì)于基板處于正電位，即形成反向電位梯度。當(dāng)其間的電勢(shì)差達(dá)到一定值時(shí)，在金屬互連片、空間等離子體和介質(zhì)界面之間會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象，也叫一次放電。三結(jié)合處放電如圖1所示。放電時(shí)間只有百納秒到微秒級(jí)，能量較小，對(duì)太陽電池陣危害較小，但是在局部區(qū)域會(huì)產(chǎn)生高濃度的等離子體。

（2）由于太陽電池串間電勢(shì)差較大，在高濃度等離子體作用下，會(huì)在高、低電位串間形成耦合通路，產(chǎn)生串間放電電弧，也叫二次放電，且太陽電池陣會(huì)對(duì)放電電弧供能，使其更加劇烈，能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一次放電。

（3）串間放電電弧會(huì)產(chǎn)生較大熱量嚴(yán)重破壞太陽電池陣的絕緣層，甚至使太陽電池串與基板之間的RTV硅膠和聚酰亞胺膜熱解碳化，形成低阻通路，發(fā)生短路現(xiàn)象，使太陽電池陣部分燒毀或整體失效。當(dāng)激光功率密度達(dá)到一定值時(shí)，輻照靶材會(huì)產(chǎn)生一定濃度等離子體，其作用過程可以大致分為升溫、熔融、氣化、等離子體4個(gè)階段。當(dāng)激光輻照到靶材時(shí)，靶材吸收激光能量使其溫度迅速升高，由于作用時(shí)間較短，熱傳遞較慢，在蒸發(fā)、材料膨脹和相爆炸等不同物理機(jī)制作用下，材料會(huì)迅速熔化和氣化，并脫離靶體；當(dāng)激光強(qiáng)度超過材料的光學(xué)擊穿閾值時(shí)，脫離的材料會(huì)繼續(xù)吸熱，從而電離形成等離子體。因此當(dāng)高能脈沖激光輻照太陽電池陣時(shí)，除了對(duì)其造成熱應(yīng)力損傷外，極易在串間區(qū)域產(chǎn)生高濃度的等離體子，在電勢(shì)差和空間環(huán)境綜合作用下，誘導(dǎo)太陽電池陣發(fā)生放電電弧現(xiàn)象。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意如圖2所示。采用真空罐+等離子體源的方式模擬LEO環(huán)境，太陽電池樣件固定于真空罐內(nèi)的支架上，通過法蘭盤與外電路連接，在罐內(nèi)安裝等離子體探針以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)部等離子體密度，同時(shí)使用Nikon Eclipse Lv150相機(jī)對(duì)試件拍照錄像以觀察放電電弧位置。實(shí)驗(yàn)時(shí)罐內(nèi)壓強(qiáng)為5×10-3 Pa，等離子體源采用電子回旋共振型，等離子體密度為1×1011～1×1012 m-3，電子溫度為2 eV。激光器采用的是納秒脈沖型激光器，波長(zhǎng)為532 nm，脈沖寬度為5 ns，單脈沖激光能量可調(diào)，最大可達(dá)110 mJ，光斑直徑約為1 mm。光束通過真空罐的玻璃舷窗垂直照射三結(jié)GaAs太陽電池樣件表面，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，激光光束能量透過玻璃舷窗后衰減約15%。

航天器太陽電池樣件如圖3所示。使用3×2的三結(jié)GaAs太陽能電池樣件，P1N1和P2N2兩串樣件的間距為1 mm，玻璃蓋片厚度為0.09 mm，電池片之間通過銀互連片進(jìn)行連接，并使用RTV硅膠固定于鋁蜂窩基板上。

太陽電池陣放電實(shí)驗(yàn)電路如圖4所示。采用恒流源I1和電壓源U1來模擬航天器太陽能電池供電，太陽電池樣件串聯(lián)于電路中。當(dāng)電路接通時(shí)，工作在正偏置區(qū)，處于發(fā)光狀態(tài)，通過肉眼觀察即可判斷其是否正常工作?？勺冸娮鑂L用于模擬航天器負(fù)載，二極管VD1、VD2和VD3用于保護(hù)電路中的器件。實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)置恒流源I1為0.6 A，調(diào)節(jié)可變電阻RL使負(fù)載兩端電壓為100 V，即模擬空間負(fù)載母線電壓100 V，并設(shè)置電壓源為99.5 V，使正常工作時(shí)負(fù)載由電流源供電；當(dāng)發(fā)生串間放電電弧短路時(shí)，負(fù)載由電壓源供電。虛線框中偏壓電路模擬航天器的帶電現(xiàn)象，通過改變Ub實(shí)現(xiàn)不同帶電情況的偏壓模擬，Rb為Ub的限流電阻，起保護(hù)作用。

電容C1、C2和C3為太陽電池陣的補(bǔ)償電容，C1為太陽電池片串間補(bǔ)償電容，C2和C3為夾層補(bǔ)償電容。CP1～CP4為霍爾電流傳感器，用于檢測(cè)電路中的電流變化，當(dāng)正常工作時(shí)，電流I1經(jīng)二極管VD1流入上電池串P1NI、負(fù)載RL和下電池串P2N2，最后回到電流源I1，此時(shí)電流探頭CP1～CP4均可檢測(cè)到正常工作時(shí)的電流，并且U1兩端電壓低于負(fù)載兩端電壓，因此U1處于不工作狀態(tài)。當(dāng)上電池串P1NI和下電池串P2N2之間發(fā)生串間放電時(shí)，串間發(fā)生短路，此時(shí)電流I1經(jīng)二極管VD1后流入P1端，然后經(jīng)放電通道回到N2端，此時(shí)RL兩端電壓低于電壓源U1，因此電壓源U1為負(fù)載RL進(jìn)行供電，而電流源I1的電流則全部流向放電位置。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具體參數(shù)如表1所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了分析激光誘發(fā)太陽電池陣放電電弧特性，進(jìn)行了工況1～工況3的太陽電池陣放電電弧試驗(yàn)，分別為激光+真空環(huán)境、激光+真空等離子體環(huán)境和激光+真空等離子體環(huán)境+偏壓電路共3種不同實(shí)驗(yàn)工況。不同能量下脈沖激光束的能量密度和功率密度如表2所示。由表2可見，脈沖激光功率密度達(dá)到1×108 W/cm2，輻照太陽電池片串間可以產(chǎn)生一定濃度的等離子體，從而誘發(fā)串間放電電弧。

通過改變脈沖激光的能量大小，對(duì)激光+真空環(huán)境、激光+真空等離子體環(huán)境和激光+真空等離子體環(huán)境+偏壓電路3種工況下可以誘發(fā)放電電弧的激光能量閾值進(jìn)行了測(cè)試，可以得到工況1～工況3的激光能量閾值分別為7.06 mJ、5.70 mJ和4.25 mJ，對(duì)應(yīng)功率密度分別為1.80×108 W/cm2、1.45×108 W/cm2和1.08×108 W/cm2。隨著太陽電池樣件工作環(huán)境的進(jìn)一步惡化，產(chǎn)生放電電弧的激光能量閾值降低，即更容易發(fā)生放電電弧現(xiàn)象。

工況1～工況3放電時(shí)各支路電流波形分別如圖5～圖7所示。其中工況1監(jiān)測(cè)CP1～CP4支路電流，工況2監(jiān)測(cè)CP1～CP3支路電流，工況3監(jiān)測(cè)CP1、CP2和CP4支路電流。

由圖5～圖7可見，正常工作時(shí)，CP1～CP4支路的電流均為工作電流0.6 A;當(dāng)太陽電池樣件上電池串PINI和下電池串P2N2發(fā)生串間放電電弧現(xiàn)象時(shí)，串間發(fā)生短路，由于太陽電池陣與空間等離子體存在分布電容即電路中的補(bǔ)償電容，CP1和CP4支路電流增大，維持時(shí)間約為20 μs，此時(shí)CP2和CP3支路電流為零，電流源I1不再給負(fù)載進(jìn)行供電，全部流向放電燃弧位置。由于有保護(hù)二極管的作用，電壓源U1給負(fù)載進(jìn)行供電。當(dāng)放電電弧結(jié)束后，CP1～CP4支路恢復(fù)到正常工作電流，此時(shí)由于負(fù)載正常工作電壓略高于電壓源電壓，因此電流源I1恢復(fù)給負(fù)載供電，電壓源U1則處于待供電狀態(tài)。因此可通過CP1～CP4支路電流工作狀態(tài)判斷是否發(fā)生串間放電電弧現(xiàn)象。基于太陽電池樣件產(chǎn)生放電的激光能量閾值測(cè)試，對(duì)工況1～工況3進(jìn)行不同激光能量的誘導(dǎo)放電電弧試驗(yàn)，每個(gè)條件下進(jìn)行20次有效實(shí)驗(yàn)。不同工況下放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。其中定義放電電弧電流持續(xù)時(shí)間為電弧電流峰值的10%～電弧電流峰值～電弧電流峰值10%。

由表3和圖5、圖6可得，在工況1和工況2中，隨著激光能量的增加，放電電弧全波時(shí)間和電流峰值均增大;比較工況1和工況2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增加等離子體環(huán)境后激光誘發(fā)放電電弧的能量閾值降低，且放電電弧時(shí)間和放電電弧電流均呈現(xiàn)不同程度的增大，經(jīng)分析主要是因?yàn)榈入x子體環(huán)境的存在使放電前等離子濃度增加。在工況3時(shí)，放電電弧持續(xù)時(shí)間和電流峰值分別增大到16.68 μs和5.4 A，二者明顯增大的原因是增加了偏壓電路，模擬太陽電池陣在LEO等離子體環(huán)境的帶電情況，為放電電弧提供了一部分能量。且在工況3實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)施加激光誘發(fā)后，每施加一次高能脈沖激光，產(chǎn)生放電電弧的概率約為60%，大大增加了太陽電池陣產(chǎn)生放電電弧的風(fēng)險(xiǎn)，主要原因是脈沖激光輻照在串間產(chǎn)生了高濃度的等離子體，如放電電弧機(jī)理分析所述，高濃度的等離子體為串間放電電弧提供了電流通路。綜上，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)高能脈沖激光輻照到太陽電池串間時(shí)極易誘發(fā)放電電弧現(xiàn)象，從而形成激光輻照熱效應(yīng)損傷和放電電弧造成二次損傷的疊加，對(duì)太陽電池陣的危害更大。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)高能脈沖激光誘導(dǎo)太陽電池陣放電電弧現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅航天器安全運(yùn)行問題，對(duì)LEO等離子體環(huán)境下激光誘導(dǎo)太陽電池陣放電電弧機(jī)理進(jìn)行了分析，并對(duì)3種不同工況下的太陽電池陣放電電弧進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分析，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)高能脈沖激光功率密度超過108 W/cm2時(shí)，在LEO等離子環(huán)境和串間電勢(shì)差綜合作用下，太陽電池串間可以產(chǎn)生一定濃度等離子體，可以誘導(dǎo)串間放電電弧。

（2）通過改變脈沖激光的能量大小，得到激光+真空環(huán)境、激光+真空等離子體環(huán)境和激光+真空等離子體環(huán)境+偏壓電路3種工況下可以誘導(dǎo)放電電弧的脈沖激光功率密度閾值分別約為1.8×108 W/cm2、1.45×108 W/cm2和1.08×108 W/cm2。

（3）在工況1～工況3中，隨著空間環(huán)境的惡劣程度增加，放電電弧時(shí)間和放電電弧電流均呈現(xiàn)不同程度的增大。在LEO等離子體環(huán)境中，每次施加脈沖激光誘導(dǎo)放電電弧的概率達(dá)到了約60%，且施加激光誘導(dǎo)放電電弧的平均持續(xù)時(shí)間為16.68 μs，極易對(duì)太陽電池陣造成較大損害。

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收稿日期： 20231220