宋瑞海，張書鋒，張明志，佘詠梅

(北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100029)

0 引言

按照IADC(Inter-Agency Space Debris Coordinatrion Committee，機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì))在《空間碎片減緩指南》中給出的定義，空間碎片系指軌道上的或重返大氣層的無功能人造物體，包括其殘塊和組件［1］。截至2005年5月30日，空間碎片總數(shù)量已經(jīng)有約4千萬個(gè)，總質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到數(shù)百萬千克。其中，空間碎片主要分布在低地球軌道以及同步軌道上。

對(duì)與空間碎片有關(guān)的問題進(jìn)行研究已經(jīng)受到充分的重視，各航天國家紛紛成立了專門的研究機(jī)構(gòu)，我國國防科技工業(yè)局也成立了空間碎片小組。2013年10月在昆明市召開了第七屆全國空間碎片會(huì)議，交流了我們國家空間碎片的研究成果和未來的工作重點(diǎn)。

空間碎片與航天器的平均碰撞速度為10 km/s，這類碰撞為超高速碰撞，撞擊會(huì)伴隨著相變以及等離子體的形成等過程。從空間碎片對(duì)航天器的各種部件和機(jī)構(gòu)的影響來看，撞擊危害度從高到低如下:太陽電池、壓力容器、熱控材料、熱管防護(hù)材料、蜂窩火層結(jié)構(gòu)、蓄電池、大型拋物面天線等［2］。1958年8月美國發(fā)射的“探險(xiǎn)者6號(hào)”衛(wèi)星首次采用展開式太陽電池陣以來，空間太陽電池陣一直用作宇宙飛船、人造衛(wèi)星的主要電源。太陽電池陣主要分為剛性太陽電池陣、柔性太陽電池陣和聚光太陽電池陣三種類型。目前普遍應(yīng)用的是剛性太陽電池陣，如我國的DFH－3系列衛(wèi)星、神舟飛船用太陽電池陣;柔性太陽電池陣主要是俄羅斯的衛(wèi)星在普遍應(yīng)用;現(xiàn)階段聚光太陽電池陣的研究也越來越受到重視。所以文章就重點(diǎn)討論空間碎片對(duì)太陽電池的效應(yīng)。

超高速碰撞的特點(diǎn)是在其碰撞的瞬間，初始沖擊波產(chǎn)生的高壓和高溫使部分材料發(fā)相變而出現(xiàn)固、液、氣共存的狀態(tài)［3］。對(duì)超高速碰撞所引起的許多問題，如沖擊加熱，材料的大變形流動(dòng)、穿透、斷裂或?qū)恿训臏?zhǔn)則與過程、材料的飛濺與微噴射、相變與衰變及高速碎片云對(duì)航天器造成的機(jī)械的、物理的和化學(xué)的累積損傷等，無論從宏觀角度還是從微觀角度都使其研究具有很高的難度。雖然超高速碰撞問題已經(jīng)研究了幾十年，定期召開的國際超高速碰撞會(huì)議匯集了該領(lǐng)域大量的研究成果，其中一些已經(jīng)在工程實(shí)際中得到應(yīng)用。但是新材料的出現(xiàn)也為超高速碰撞增加了新的研究內(nèi)容。對(duì)上述問題的深入了解有助于建立更先進(jìn)的撞擊效應(yīng)模型，輔之以數(shù)值模擬(有限差分法等)技術(shù)的研究，來研究各種局部的或整體的超高速碰撞現(xiàn)象。對(duì)于超高速碰撞的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)還有大量的工作要做。文章就微小碎片超高速碰撞太陽電池陣的效應(yīng)做了論述。

1 微小碎片超高速撞擊產(chǎn)生等離子體的研究

早在上世紀(jì)70年代初，有大約幾十顆地球同步衛(wèi)星出現(xiàn)了不同的異常現(xiàn)象，這些故障甚至使得有些衛(wèi)星完全損壞。這些衛(wèi)星包括DSCS II(Defense Satellite Communication SystemII)、DSP(Defense Support Program)，Intelsat III，Intelsat IV等。發(fā)生的故障包括衛(wèi)星自動(dòng)復(fù)位、衛(wèi)星供電故障、衛(wèi)星探測(cè)器信號(hào)噪音、高度控制系統(tǒng)錯(cuò)誤等。經(jīng)過科研人員進(jìn)一步的分析，結(jié)果表明這些衛(wèi)星發(fā)生的故障可以認(rèn)為是空間等離子體和衛(wèi)星相互作用使得衛(wèi)星充電所引起的，后來的理論和實(shí)驗(yàn)研究以及實(shí)際的衛(wèi)星觀測(cè)更證實(shí)了這一結(jié)論。

航天器的太陽電池陣，有較大面積裸露在空間等離子體中，使得太陽電池陣的充放電現(xiàn)象很常見。太陽電池陣的充放電會(huì)導(dǎo)致太陽電池功率損耗，降低電池陣的功率輸出;同時(shí)放電的產(chǎn)生也會(huì)引起太陽電池陣物理上的損傷，使得太陽電池陣的轉(zhuǎn)換效率降低，甚至不能正常工作。所以了解太陽電池陣的材料與空間等離子體之間相互作用的性質(zhì)就更顯得重要。

美國學(xué)者Frichtenicht和Slattery于1963年首次發(fā)現(xiàn)了超高速撞擊產(chǎn)生等離子體現(xiàn)象。在航天器空間環(huán)境中，空間微小碎片、流星體數(shù)量巨大在與航天器及組部件撞擊過程中，產(chǎn)生等離子體云，若此等離子體進(jìn)入航天器內(nèi)部電路，可造成航天器故障，嚴(yán)重地威脅在軌航天器的安全。

日本S.Fukushige博士介紹了空間碎片撞擊太陽陣引起的局部高密度等離子體［4－8］，試驗(yàn)裝置如圖1所示，該等離子體會(huì)引發(fā)太陽陣的二次放電，特別是引起永久持續(xù)電弧放電(permanent sustained arc，PSA)。試驗(yàn)時(shí)太陽電池陣放在真空靶室，碎片撞擊速度為2.08 ～4.82 km/s，碎片 直徑為3 mm的Al2017的圓球。通過測(cè)量獲得了超高速撞擊速度為3.78 km/s時(shí)產(chǎn)生的等離子體的電子密度如圖2所示、電子溫度如圖3所示。

圖1 KIT超高速撞擊試驗(yàn)裝置圖

圖2 電子濃度

圖3 電子溫度

2 微小碎片超高速撞擊試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

空間微小碎片高速撞擊太陽電池陣的效應(yīng)研究，最直接的手段是天基飛行實(shí)驗(yàn)，如美國航空航天局的長期暴露裝置LDEF。美國航空航天局/歐空局的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡HST等天基實(shí)驗(yàn)，就是利用航天器表面觀察器在軌原位觀察撞擊損傷特性或回收航天器表面實(shí)驗(yàn)樣品后，通過地面分析來測(cè)定空間微小碎片及撞擊損傷信息。

但是進(jìn)行實(shí)際空間飛行實(shí)驗(yàn)的代價(jià)非常大，因此很有必要在地面實(shí)驗(yàn)室開展有關(guān)太陽電池陣的材料在空間等離子體環(huán)境中性質(zhì)變化的研究。研究空間微小碎片高速撞擊太陽電池陣效應(yīng)最經(jīng)濟(jì)和最有效的手段是地面模擬實(shí)驗(yàn)，相應(yīng)的設(shè)備主要是等離子體加速器(微米級(jí)碎片的地面模擬設(shè)備)和二級(jí)輕氣炮(用于加速毫米級(jí)以上微粒)。

在等離子體診斷方面常用靜電探針，亦稱朗繆爾探針(Langmuir Probe)，是最早用來診斷等離子體特性的工具之一。它具有結(jié)構(gòu)簡單，測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。這種方法主要是測(cè)量流入探針的電流和加到探針的偏壓之間的關(guān)系，即探針I(yè)－V特性曲線，由其推導(dǎo)出等離子體的電子溫度、密度、能量分布和等離子體電位等重要參數(shù)。

超高速撞擊產(chǎn)生的等離子體具有壽命短暫性、粒子的波動(dòng)性和粒子分布的不勻性;加之被測(cè)對(duì)象處在極其惡劣的環(huán)境中，更增加了測(cè)量的難度。Langmuir三探針診斷技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量瞬態(tài)等離子體的電子溫度、電子密度等參數(shù)。典型的Langmuir三探針如圖4所示［9］。

圖4 Langmuir三探針電路測(cè)量等離子體示意圖

對(duì)于三探針技術(shù)，在探針P1和探針P2之間加恒定電壓Vd2，探針P2的電流為I2，有電壓表 V2測(cè)量;同理，在探針P1和探針P3之間加恒定電壓Vd3，探針P3的電流為I3，有電壓表V3測(cè)量。假定探針區(qū)域的空間電位是均勻的，且在無碰撞、無磁場條件下。

等離子體的電子溫度Te滿足以下公式:

式中:φd2=eVd2/κTe;φd3=eVd3/κTe;e 是基本電荷量;κ是玻耳茲曼常數(shù)。

最后可得到等離子體的電子密度Ne為:

式中:mi是等離子體的離子質(zhì)量;S是探針離子收集表面積;Ii是離子電流，且

式中:φΔV=Vd2+Vd3。

根據(jù)以上方案可以出測(cè)量瞬態(tài)等離子體的電子溫度、電子密度等參數(shù)。

3 放電檢測(cè)技術(shù)的初步分析

微小碎片撞擊太陽電池陣引發(fā)的二次放電的電流持續(xù)時(shí)間短，峰值較大，需要專門的測(cè)量裝置。S.Fukushige博士［4－8］介紹 KIT 實(shí)驗(yàn)室采用的太陽電池片外部電路如圖5所示，監(jiān)測(cè)到太陽電池二次放電情況如圖6所示。

圖5 太陽電池片外部電路圖

放電試驗(yàn)過程分析如下:

實(shí)驗(yàn)時(shí)，太陽電池陣樣品安裝在特制框架上，電池陣上有電池的一面朝向靶室的觀察窗口，電池陣盡量靠近罐的中軸線上。電池陣的引線單獨(dú)接到法蘭盤上，用靜電探針探測(cè)靶室容器中微小碎片高速撞擊太陽電池陣產(chǎn)生的等離子體，同時(shí)利用太陽模擬器電源(SAS)或直流電源為太陽電池串加上偏置電壓，為太陽電池提供工作電壓和工作電流，模擬工作狀態(tài)。試驗(yàn)中為了補(bǔ)償太陽電池陣小樣品板的對(duì)地低電容，在小樣品板上增加一個(gè)電容。采用多個(gè)電流傳感器(配合多通道高速示波器)檢測(cè)和記錄二次放電電流脈沖，測(cè)量二次放電的持續(xù)時(shí)間、電流幅值，以及放電能量等關(guān)鍵指標(biāo)［10－12］。

圖6 模擬實(shí)驗(yàn)中誘發(fā)放電結(jié)果

二次放電試驗(yàn)外電路參照國內(nèi)的研究成果設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)外電路設(shè)計(jì)圖

R1為 125 Ω，R2為20 kΩ，撞擊前，通過在直流電源上加上1 400 V的高壓，使得電路中的電容器帶上一定的電荷，在碎片超高速撞擊前的瞬間關(guān)掉電源。采用示波器分別在R1、R2上取信號(hào)，當(dāng)撞擊誘發(fā)放電發(fā)生時(shí)，示波器中就能采集到需要的信號(hào)。通過以上儀器的合理搭建，滿足了檢測(cè)和記錄二次放電的檢測(cè)技術(shù)［13］。

4 太陽電池相關(guān)參數(shù)的測(cè)試方法

試驗(yàn)中采用航天用的太陽電池如圖8所示，在試驗(yàn)前先對(duì)其電學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。太陽電池測(cè)試按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 6494—86《航天用太陽電池電性能測(cè)試方法》所規(guī)定的方法和標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。做完碎片超高速撞擊試驗(yàn)的太陽電池也在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試環(huán)境下，采用人造測(cè)試光源、電壓表、電流表、標(biāo)準(zhǔn)太陽電池、取樣電阻、可變電阻、函數(shù)記錄儀等，如圖9所示電路進(jìn)行測(cè)量，除短路電流、開路電壓可以直接從儀表讀取外，其余參數(shù)如最大輸出功率、最大輸出電壓、最大輸出電流、轉(zhuǎn)化效率等參數(shù)都可以通過測(cè)量待測(cè)電池的伏安特性而得到［14］。

圖8 28%三結(jié)砷化鎵太陽電池

圖9 實(shí)用伏安特性曲線測(cè)量系統(tǒng)示意圖

5 空間微小碎片撞擊太陽電池陣防護(hù)技術(shù)分析

2000年啟動(dòng)的“空間碎片行動(dòng)計(jì)劃”是我國系統(tǒng)開展空間碎片研究的開始，該計(jì)劃主要針對(duì)10 cm及其以上大空間碎片的監(jiān)測(cè)預(yù)警研究。2005年第二屆全國空間碎片專題研討會(huì)上，在有關(guān)專家的建議下，空間微小碎片的研究開始得到重視和支持，對(duì)于空間微小碎片的研究主要是防護(hù)技術(shù)。

為了保障大功率太陽電池陣在軌長壽命、高可靠運(yùn)行，防止空間微小碎片撞擊太陽電池陣放電損傷而失效，可以從以下幾個(gè)方面考慮［15－16］。

(1)使相臨兩個(gè)太陽電池片的間隙≥1 mm，并在邊緣填涂RTV膠，使空間碎片撞擊產(chǎn)生的等離子體和太陽電池之間建立了一個(gè)勢(shì)壘，阻止了二次放電的發(fā)生;

(2)采用多次往返布片的形式，減少相鄰兩個(gè)電池間的電壓差小于75 V;

(3)減少電路并聯(lián)數(shù)，減小每個(gè)電路的電流，使其小于1.6 A，降低發(fā)生靜電放電的幾率;

(4)在電池玻璃蓋片表面蒸鍍金屬氧化物涂層，并與衛(wèi)星“結(jié)構(gòu)地”連接，使沉積在蓋片表面的電荷得到泄放，消除軌道高壓靜電電荷的積累，徹底防止了靜電充/放電的發(fā)生。

6 結(jié)論

通過大量的試驗(yàn)，可以得出空間微小碎片撞擊太陽電池陣能夠產(chǎn)生大量等離子體，誘發(fā)放電故障機(jī)制不僅是存在的，而且已被列為空間碎片對(duì)航天器影響最為嚴(yán)重的一種機(jī)制，但由于衛(wèi)星上普遍不具備對(duì)微小碎片撞擊太陽電池陣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備、難以獲得撞擊誘發(fā)放電的直接證據(jù)，因此相關(guān)研究比較缺乏。就目前來看，完全掌握空間微小碎片撞擊引起的太陽能電池陣放電現(xiàn)象與機(jī)理及其太陽能電池陣的防護(hù)措施有一些困難。

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