航天器高压太阳电池阵列ESD检测用柔性天线传感器

为完善地球同步轨道(GEO)航天器静电放电(ESD)风险评估手段,文章根据空间ESD辐射电磁波频带特性,利用三维电磁场仿真软件ANSYSS HFSS,采用矩形贴片天线等效技术、梯形地平面技术和CPW馈线指数渐近线化技术开展航天器高压太阳电池阵列ESD检测用柔性天线传感器研究。采用聚酰亚胺(PI)作为柔性天线基底,其厚度为0.28 mm;柔性天线在弯曲半径分别为100、300、500 mm以及不弯曲条件下,300 MHz~2 GHz频带范围电压驻波比(VSWR)小于3,其中在650 MHz~2 GHz频段范围VSWR小于2。通过搭建的ESD模拟试验平台对传感器的电磁脉冲(EMP)信号检测性能进行实测分析,结果表明传感器能够有效地检测到高压太阳电池阵列表面的ESD EMP信号,具有用于航天器ESD故障预警的潜力。

低轨道高压太阳电池阵充放电效应试验

针对我国空间站采用的高压太阳电池,开展低轨道等离子体环境下高压太阳阵样品充放电效应试验,在实验室复现了高压太阳电池阵静电放电和二次放电现象。结果表明,高压太阳电池偏置电压为-70 V时开始出现静电放电,且静电放电次数随着偏置电压的减小而增大,并在高密度的等离子体环境下更容易发生静电放电。当偏置电压为-100 V,串间电压为80 V时观测到了二次放电。

地球同步轨道高压太阳电池阵充放电效应研究

地球同步轨道(GEO)高压太阳电池阵表面静电放电(ESD)引起二次放电可能导致太阳电池阵永久性短路损坏。文章主要针对GEO高压太阳电池阵充放电效应问题,重点分析了高压太阳电池阵表面ESD和二次放电产生的物理过程,并利用负高压偏置方法开展了GEO高压太阳电池阵表面ESD和二次放电地面模拟试验。试验验证了反转电位梯度电场是导致GEO高压太阳电池阵表面产生ESD的触发因素之一,同时得到了GaAs高压太阳电池阵样品表面产生ESD和二次放电的电压阈值。

低轨道高压太阳电池阵电流收集效应研究

建立了低地球轨道(low earth orbit,LEO)等离子体环境下,高压太阳电池阵收集电流的计算方法,计算获得了不同等离子体环境和卫星工作状况下,高压太阳电池的收集电流。分析表明,等离子体密度越高,温度越小,高压太阳电池收集电流非线性增加;同时,太阳电池收集电流随卫星功率和工作电压的增加而迅速增加。

高压太阳电池电流收集效应仿真分析研究

高压太阳电池阵与低轨道空间等离子体相互作用产生的电流收集效应能够导致太阳电池的功率损失,降低并限制电池的供电效率。因此,针对低轨道高压太阳电池的电流收集效应,首先基于充电平衡过程分析了高压太阳电池电流收集增强效应的机理。然后建立简化的太阳电池模型,通过PIC(Particle-In-Cell)方法研究了不同工作电压下电池玻璃盖片发射二次电子以及太阳电池收集电流过程,研究结果表明,盖片发射二次电子参与了太阳电池的电流收集,导致了太阳电池的闪弧效应。

低轨道高压太阳电池阵充放电效应防护薄膜技术研究

星用高压太阳电池阵已得到越来越多的应用,但其充放电效应防护问题仍未得到彻底解决,限制了其在低轨道航天器的应用。提出了一种星用高压太阳电池阵充放电防护薄膜技术,通过隔离太阳电池表面与空间等离子体的相互作用,从而防止充放电效应发生。防护薄膜具有ITO/硅氧烷/透明基底的复合结构,其透过率超过90%。验证试验结果表明,防护薄膜可以有效防止高压太阳电池阵在低轨道环境中发生充放电现象。

二次电子对高压太阳电池阵裸露互联鞘层的影响研究

低轨道高压太阳电池阵与空间冷稠等离子体相互作用是复杂的非线性过程,对该相互作用占支配影响地位的是电池阵裸露互联附近的鞘层特性,而电池盖片的二次电子发射又影响着电池阵裸露互联附近的鞘层特性。基于介质-导体结构的简化模型,通过PIC仿真分析和一阶渐进边界条件研究了介质二次电子发射对裸露导体鞘层的影响,仿真分析结果表明,二次电子发射主要通过影响介质表面充电电位来影响鞘层结构,对鞘层的影响随着导体偏置电压增加而增大。

新型高压太阳电池阵在低轨等离子体环境中的适应性分析和研究

空间实验室所处的低地球轨道,空间环境复杂多样,高压太阳电池阵的空间等离子体效应突出。等离子体效应和防护是采用高压太阳电池阵必须解决的关键技术。分析了低轨等离子体环境,研究了新型高压太阳电池阵弧光放电的机理及其产生的影响,模拟了低轨道等离子体环境试验,验证了半刚性太阳电池阵和柔性太阳电池阵在该空间环境中的适应性。

高压太阳电池阵诱发的航天器充电及放电机理

介绍了关于高压太阳电池阵引发的充电和放电效应的机理、模型及测试结果.空间站等低轨道航天器由于采用高压太阳电池阵会诱发结构体带电,主要包括正常充电和快速充电现象,以国际空间站为研究对象在分析充电机理的基础上分别建立了快速充电的物理模型,计算得到典型环境下的快速充电脉冲特征以及正常充电电位幅度与观测结果十分吻合.结果表明,快速充电是由出地影瞬间高压电池阵的帆板电压的快速启动所驱动的,而环境等离子体对玻璃盖片的充电未能快速响应并及时堵塞帆板的电子收集通道,从而导致了悬浮电位瞬间快速上升;快速充电是一种非平衡的充电过程,当发展到平衡态时即表现为正常充电.高压电池阵诱发的放电则与电池阵的结构特征密切相关,在电池阵上"金属-介质-等离子体"构成的三结合部存在负电位梯度时会发生一次放电,若一次放电出现于存在高电压梯度的相邻电池串之间时会诱发二次放电,二者都依赖于电池的结构参数.通过实验研究了一次放电和二次放电的阈值条件及其对电池结构参数的依赖关系,结果表明采用宽电池间隙、涂RTV胶对减缓两种放电均有显著效果;但对于二次放电而言,RTV胶的使用在延缓二次放电的发生同时也增加了二次放电的严重性.

高压砷化镓太阳电池阵在地球同步轨道环境下的二次放电现象

高压(HV)部件是引起整星失效的单点故障源,其可靠性对于卫星在轨安全运行至关重要;充放电导致高压部件的二次放电已成为制约卫星研制和安全使用的瓶颈问题。为此,通过地面模拟高压砷化镓太阳电池阵在轨实际的带电环境,复现了高压砷化镓太阳电池阵在此环境下一次静电放电和二次放电的产生过程,并对采用被动防护方法、不同结构尺寸高压砷化镓太阳电池阵的充放电性能进行了研究。研究结果表明:局部充电不平衡是引起高压砷化镓太阳电池阵样品产生一次静电放电的原因;未涂覆室温硫化型硅橡胶(简称RTV)的三结砷化镓高压太阳电池阵样品在80 V工作电压下触发二次放电事件,导致高压太阳电池阵串电路永久性短路击穿。涂覆RTV可降低高压砷化镓太阳电池阵一次静电放电产生的放电次数和放电能量,进而减少二次放电的产生。

空间等离子体环境模拟与地面试验技术

为了研究电离层等离子体环境与航天器的相互作用，北京卫星环境工程研究所研究了一台空间等离子体模拟试验设备。设备尺寸为Φ1500mm×3000mm，采用微波电子回旋共振等离子体源，试验容器的等离子体密度为10^4／cm^3—10^6／cm^3可调，等离子体温度-1eV，等离子体不均匀度小于25％。在这台设备上进行了高压太阳电池阵模块等离子体带电试验研究，观察到了互连片与玻璃盖片三角区的触发放电及相邻电池串间的二次放电现象，获得了放电阈值、放电率及放电波形等参数，为高压太阳电池阵等离子体带电防护设计提供了试验数据。

空间站带电效应分析及对策

低轨航天器会因太阳帆板接地方式从空间等离子体中收集电荷并产生带电效应影响航天器正常的工作。通过评估空间站100 V太阳电池阵,进而在轨带电效应并对基于等离子体电流收集特性对仿真计算获得的悬浮电位值进行分析,可知其能引起包括交会对接放电、舱外活动电击、太阳电池阵电弧短路以及表面材料退化等问题。为此提出空间站带电效应防护减缓的对策,认为主动发射电子进行悬浮电位的控制是目前最有效的办法,需要电位控制装置具备至少1 A电子束流的发射能力,确保我国空间站任务。

表面带电对航天员出舱活动的影响及对策分析

根据我国某载人航天器在轨飞行时的空间环境和航天器表面带电的机理,对航天器表面带电进行了仿真,并对结构切割地磁场的感应电势进行计算。在此基础上,分析了表面带电对航天员出舱的影响,以及出舱安全性防护措施,计算出主动电位控制系统最大发射电流。研究结果可为航天员出舱安全防护提供参考。

LEO大面积柔性HVSA一次放电研究

在低地球轨道(LEO)中充满着高度稠密的电离层等离子体,在此环境中,高压太阳电池阵(HVSA)更容易发生静电放电,引起太阳电池和电路的性能衰降。在阐述一次放电机理的基础上,介绍了对采用防护措施的实验件进行一次放电损伤实验的情况。实验结果表明,在LEO上15年寿命中发生的一次放电不会对HVSA造成损伤。

空间站快速充电事件的机理研究

空间站等大型航天器由于采用高压太阳电池阵而引发的带电问题成为近年来航天器带电研究领域的热点问题.近年来观测到国际空间站(ISS)在出地影瞬间产生的"快速带电"事件(也称"异常带电"),再度引起了对低轨道航天器充电效应的深入研究."快速带电"事件的特征为,集中出现在出地影的瞬间,在几秒内快速上升到较高电位(30—70V),然后在几十秒时间内缓慢衰降,相对高压电池阵本身引起的结构体带电(称为"正常带电",一般在30V以下)严重得多.目前国际上对"快速带电"的研究尚不充分.本文在Furguson等人机理研究工作的基础上,首次建立了描述"快速带电"事件的物理模型,定量揭示了其充电过程的主要机理.根据该模型对国际空间站的"快速带电"进行计算,结果与观测到的典型充电脉冲符合,模型预测的快速带电事件的统计规律也与观测结果基本一致.

空间站快速充电效应的物理过程及特征

"快速充电事件"是国际空间站2006年首次观测到的一种充电现象,在出地影瞬间的1—3 s内航天器结构体被迅速充到30—70 V的负电位,显著超过空间站的安全设计标准,一度引起国际航天界的关注.目前国际上对"快速带电"的研究尚不充分.基于Furguson等的研究,本文建立了快速充电的物理模型,对快速充电的机理和规律给出了合理的解释.计算及分析结果表明:快速充电是在航天器出地影瞬间由高压太阳电池阵的光伏激发过程驱动的,是一种非平衡态的充电过程;快速充电脉冲主要是由于在太阳帆板电压的快速启动过程中帆板上的电子充电电流未及时被玻璃盖片的充电所阻塞而导致的,当快速充电过程达到平衡时便表现为"正常充电事件";快速充电的幅度主要取决于太阳帆板电压的启动时间、启动方式等,因此表现出一定的离散性,但随着等离子体密度的增大而衰减,与国际空间站观测结果一致.

大型低轨道载人航天器电位主动控制

采用高电压太阳电池阵供电系统的低轨道(LEO)大型航天器会收集周围空间环境电子电流,使其被充电到较高的负电位,从而对航天器交会对接和航天员出舱产生严重的危害,因此对这种航天器表面电位进行主动控制可有效降低航天器运行风险和保障航天员安全。采用地面模拟试验的方法,利用空心阴极等离子体接触器发射电子的手段,模拟太空环境下对带负电航天器表面电位进行有效控制。研究结果表明,最小工质流率大于4.0sccm时空心阴极发射的电子电流可以抵消航天器吸收的电子电流,实现航天器电位的自适应控制,将航天器表面电位钳制在20V之内;且随着氙气流率的增加,钳位电压会更小。这一方法将有效避免航天员出舱活动和航天器交会对接时的放电危险,对中国航天器带电效应防护具有很重要的意义。