CN102540093A - 航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置，包括真空容器、模拟静电放电源、与设置在真空容器内的太阳电池阵电连接的二次电弧工作电路、与太阳电池阵电连接的负载模拟电路以及静电放电模拟电路。也公开了使用该装置进行的地面模拟试验方法。本发明的系统和方法保证了太阳电池阵二次电弧地面模拟试验的有效和准确，满足了卫星太阳电池阵二次电弧地面评价的需求。

Description

航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于航天器空间环境效应的地面试验领域，具体涉及航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置及使用该装置进行的模拟试验方法。

背景技术

卫星太阳电池阵在空间等离子体中会发生静电放电效应，并可能会引起二次电弧，进而使工作的太阳电池阵短路失效。对于其二次电弧的情况，需要进行地面的模拟来验证其在轨可能产生的风险。对于太阳电池阵二次电弧的地面模拟方法，主要包括产生静电放电和模拟二次电弧两个部分。通过在地面的模拟环境产生静电放电，并利用产生的静电放电模拟二次电弧效应，是该试验的主要流程。目前该试验主要采取以下几种方式模拟静电放电：

1)采用低能电子束辐照太阳电池阵表面，太阳电池阵通过补偿电容接地。通过电子束充电使其表面产生负电位，从而引发静电放电；

2)采用低能电子束辐照太阳电池阵表面，太阳电池阵通过负偏压接地，并联补偿电容，通过电子束充电使其表面产生正电位，从而引发静电放电；

3)采用等离子体浸没太阳电池阵表面，太阳电池阵通过负偏压接地，并联补偿电容，通过等离子体充电使其表面产生正电位，从而引发静电放电；

对于二次电弧模拟中，主要有以下几种：

1)在电池串一端串联一个恒流源，另一端串联一个负载，恒流源的工作电流设置为电池串的工作电流，调节负载改变电池串间电压；

2)在电池串一端串联一个恒压源，另一端开路，恒压源的短路电流设置为电池串工作电流，调节恒压源改变电池串间电压。

对于静电放电的引发方法，目前几种有限的方法限制了实际地面的试验条件，同时对于静电放电效应不能很好的模拟实际空间中发生的情况，而只是对实际空间经历环境的初步模拟，对于二次电弧模拟部分，现有两种方法也不够全面，对于实际工作情况的模拟也不到位。

因此，为了确保太阳电池阵二次电弧地面模拟试验的有效和准确，必须提出更为全面、准确的试验装置及试验方法，满足卫星太阳电池阵二次电弧地面评价的需求，同时解决上述工程问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置，为卫星太阳电池阵的地面放电效应模拟试验评价提供更全面、完善的试验条件。

此外，本发明的另一目的在于提供一种航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验方法，相比已有的试验方法更准确，有效。

一种航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置，包括真空容器、模拟静电放电源、与设置在真空容器内的太阳电池阵电连接的二次电弧工作电路、与太阳电池阵电连接的负载模拟电路以及静电放电模拟电路，其中，二次电弧工作电路输出端分别与串间补偿电容C1，C2连接，C1、C2电容值均为实际太阳电池阵串间补偿电容的一半，C1与C2串联，两电容连接点与静电放电模拟电路间通过夹层补偿电容C3连接，C3电容值为实际太阳电池阵的夹层补偿电容；二次电弧输出端与电池阵试样通过二极管连接，确保其电流方向，电池阵试样的另一端与负载模拟电路连接，使二次电弧工作电路、负载模拟电路与电池阵试样构成回路，而静电放电模拟电路通过与电池阵试样其中一个输出端连接，模拟静电放电源通过在真空容器内对太阳电池阵试样施加。

其中，模拟静电放电源包括：等离子体源、电子枪、放电电极、激光束和高速飞片撞击放电源。

其中，二次电弧工作电路通过模拟太阳电池阵的在轨工作状态，来检验静电放电能否触发二次电弧。

进一步地，太阳电池阵的模拟方式包括：1)通过太阳模拟器对大尺寸太阳电池阵进行照射来发电，将太阳电池阵的输出接入受试验电池串；2)通过太阳电池阵模拟器输出模拟电池阵工作的电流接入受试验电池串；3)通过在直流横流电源输出端串接恒流二极管，并输出模拟电池阵工作的电流，接入受试电池串。

其中，静电放电模拟电路由补偿集总电路构成，还可增加直流恒压电源做为偏置电源，用于模拟静电放电的能量及电压。

其中，负载模拟电路包括使用直流恒压电源和大容量电容两种方式。

一种航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验方法，包括以下步骤：

将太阳电池阵试样放入真空容器，并按模拟试验装置的连接方式接好；

开启二次电弧工作电路及负载模拟电路中必要的电源，并调节二次电弧工作电路及负载模拟电路，使太阳电池阵试样的电池串上产生试验用的恒定电流及电压。

开启静电放电模拟电路中必要的电源，开启模拟静电放电源中必要的仪器，对太阳电池阵试样施加静电放电。

监测是否有二次电弧发生，并逐步提高二次电弧工作电路提供的电压，直至发生二次电弧，可更换多组电流值进行，获得太阳电池阵的二次电弧阈值区间。每次发生二次电弧后，通过原位对电池阵进行伏安特性测试确定电池串的状态。若二次电弧后发生持续短路现象，应停止试验并更换同样状态的新试样继续试验直至完成。

试验结束后，关闭二次电弧工作电路及负载模拟电路中必要的电源，关闭其他电源及提供静电放电的仪器，停止真空系统并使真空容器复压至大气压，打开容器取出太阳电池阵试样并对电弧产生的损伤情况进行测试。

本发明的系统和方法保证了太阳电池阵二次电弧地面模拟试验的有效和准确，满足了卫星太阳电池阵二次电弧地面评价的需求。

附图说明

图1为本发明的航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置的示意图。

图中：1为真空容器，2为试验的太阳电池阵，3为模拟静电放电源，4为二次电弧工作电路，5为负载模拟电路，6为静电放电模拟电路(可根据模拟的静电放电源来选择)。

图2为本发明的航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置中使用的三种二次电弧工作电路，其中，7为太阳模拟器，8为大太阳帆板，9为太阳电池阵模拟器，10为恒流二极管，11为直流恒流电源。

图3为本发明的航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置中使用的静电放电模拟电路，其中，12为脉冲补偿回路，用于模拟静电放电能量，13为直流稳压电源，14为保护电阻。

图4为本发明的航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置中使用的两种负载模拟电路，其中，15为可调负载，16为耐高压二极管，17为直流稳压电源，18为大容量电容。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的可调整真空容器内试件角度的运动支架作进一步的说明。

图1示出了本发明的航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置的示意图。本发明的航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置的示意图包括1真空容器、3模拟静电放电源、与设置在1真空容器内的2太阳电池阵电试样连接的4二次电弧工作电路、与2太阳电池阵试样电连接的5负载模拟电路以及6静电放电模拟电路，其中，二次电弧工作电路输出端分别与串间补偿电容C1，C2连接，C1、C2电容值均为实际太阳电池阵串间补偿电容的一半，C1与C2串联，两电容连接点与静电放电模拟电路间通过夹层补偿电容C3连接，C3电容值为实际太阳电池阵的夹层补偿电容。二次电弧输出端与电池阵试样通过二极管连接，确保其电流方向，电池阵试样的另一端与负载模拟电路连接，使二次电弧工作电路、负载模拟电路与电池阵试样构成回路，而静电放电模拟电路通过与电池阵试样其中一个输出端连接，模拟静电放电源通过在真空容器内对太阳电池阵试样施加。

图2示出了本发明的航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置中使用的三种二次电弧工作电路的示意图，其中，三种二次电弧工作电路为通过7太阳模拟器辐照8完整太阳帆板输出来实现；通过9太阳电池串模拟器直接输出来实现；通过10恒流二极管和11直流恒压恒流电源串联输出来实现。

图3示出了本发明的航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置中使用的静电放电模拟电路的示意图，其中，静电放电模拟电路由12静电放电补偿集总电路并联必要的14直流恒压电源来实现，使用恒压电源时，需要串联13保护电阳。

图4示出了本发明的航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置中使用的两种负载模拟电路，其中，负载模拟电路由16二极管、15可调负载和17直流恒压电源或18大容量电容组成。

太阳电池阵试样：太阳电池阵试样的最低要求是包含2串并联的电池串，每串电池串至少包含2片电池片，试样中电池片的选择、电池片基底材料、粘接剂牌号及人工粘贴工艺等均应与实际在轨航天器工艺状态相同。将试样放置于真空容器内，并将各串电池串两极的输出引线通过真空密封连接件引出真空容器外部，如果基底包含导电材料，基底也需要通过真空密封连接件将导电部分引出，并根据实际航天器状态，在引出导线上串联相应阻值的电阻。如果基底不包含导电材料，则无需引出。

真空容器及模拟静电放电源：试验应在真空容器中进行，对于模拟静电放电源，主要包括：

1，等离子体源：使真空容器中充满冷稠等离子体，等离子体中电子温度不能高于10eV，离子密度不超过1013m-3。将太阳电池试样悬浮在直流稳压电源提供的负偏压上。直流稳压电源的可调节输出电压要覆盖0～400V范围。将直流稳压电源的正极与地连接，电源应串联保护电阻。在电源和保护电阻组成的回路两端，并联一个补偿电路，整个补偿电路的作用是模拟航天器太阳电池阵在轨期间可能发生的最恶劣一次放电。补偿电路的击穿电压不能低于400V，不能选取带有极性的器件。

2，电子枪：通过低能电子束来模拟，电子束的电子能量不高于10keV，电子束流密度在不影响试样表面温度的情况下即可，不需要与空间环境实际电子束流一致。将太阳电池阵试样悬浮在直流稳压高压电源提供的负偏压上，直流稳压高压电源的可调节输出电压要覆盖电子枪电源的输出电压。将直流稳压高压电源的正极与地连接，电源应串联保护电阻。在电源和保护电阻组成的回路两端，并联一个补偿电路，整个补偿电路的作用是模拟航天器太阳电池阵在轨期间可能发生的最恶劣一次放电。补偿电路的击穿电压不能低于直流稳压高压电源输出电压，不能选取带有极性的器件。

3，放电电极：通过放电电极来模拟，采用针状放电电极，电极固定于太阳电池阵试样电池串上方，电极间距离不多于0.5mm，距离电池阵不多于0.5mm，使用高压直流电源进行充电，并使其产生静电放电，高压直流电源的可调节输出电压要覆盖0～10kV范围。将高压直流电源正极与地连接，电源应串联保护电阻。在电源和保护电阻组成的回路两端，并联一个补偿电路，整个补偿电路的作用是模拟航天器太阳电池阵在轨期间可能发生的最恶劣一次放电。补偿电路的击穿电压不能低于高压直流电源的输出电压，不能选取带有极性的器件。

4，激光束：通过激光来模拟，激光器脉宽不高于10ns，波长为近红外(1.6μm)，聚焦后在电池串间产生光斑，大小不超过1mm，通过脉冲激光发射产生静电放电，单脉冲的能量范围是模拟航天器太阳电池阵在轨期间可能发生的最恶劣一次放电能量。

5，高速飞片撞击：通过高速飞片撞击来模拟，飞片可采用激光或其他方式驱动，飞片速度不低于6km/s，通过飞片撞击到太阳电池阵的电池串间来产生放电。

二次电弧工作电路：通过模拟太阳电池阵的在轨工作状态，来检验静电放电能否触发二次电弧。对于太阳电池阵的模拟，主要方式有：

1，使用太阳电池阵：通过太阳模拟器对大尺寸太阳电池阵进行照射来发电，将太阳电池阵的输出接入受试验电池串；

2，使用太阳电池阵模拟器：通过太阳电池阵模拟器输出模拟电池阵工作的电流接入受试验电池串；

3，使用直流恒流电源：通过在直流横流电源输出端串接恒流二极管，并输出模拟电池阵工作的电流，接入受试电池串。

对于负载，采用可调节电阻，电阻可通过电流不低于太阳电场串工作电流。在负载两端并联一个直流稳压电源，直流稳压电源的可调节输出电压要覆盖0～200V范围，也可使用电容值较大的电容代替，电容值一般不低于10mH，耐压范围不低于200V。对于补偿电容，分别选取恰当电容来模拟电池串串间电容和电池与绝缘基底电容，连接于受试电池串末端。

试验过程：将试样放置在真空环境中，首先使用二次电弧工作电路给试样提供给定的串间短路电流，然后通过调节模拟负载控制试样的串间电压。在确定上述参数后，利用模拟静电放电源在电池串串间产生合适频率的静电放电。试验开始时，串间电压应从安全的电压开始，如20V。如果在产生一定数量的静电放电的过程中没有监测到二次电弧，则提高试样的串间电压，继续试验；如果在发生一定数量的静电放电的过程中首次监测到二次电弧，则认为此电压为该试样的二次电弧阈值电压。判定二次电弧的依据是通过模拟负载的电流有一定持续时间的下降，而且持续时间不得少于一次放电的持续时间。

如图1所示，在真空容器内部放入太阳电池阵试样。将其P、N极对应的接出，二次电弧工作电路部分给试样的太阳电池串提供稳恒电流。负载模拟电路用于在试验中出现二次电弧的情况下给模拟负载提供稳恒电流。在电池串间增加电容用于模拟太阳电池串的模拟节电容和太阳电池串对基板的电容。耐高压二极管控制电流的流向。通过控制模拟负载能在其上通过稳恒电流时给太阳电池串之间提供不同的串间电压。

测试试验开始时，通过必要的静电放电模拟电路和模拟静电放电源产生静电放电，可以采用电子枪，等离子体源，尖端放电，激光或飞片撞击等方式。直流恒流电源输出调节为太阳电池阵的工作电流，通过模拟负载调节串间电压到20V，调节直流恒流电源使得其恒流输出为太阳电池阵的工作电流。然后将直流稳压电源正极接地，调节直流稳压电源和补偿电路，在电路中使用电流探头监测并判定是否发生静电放电和二次电弧，并控制放电频率。在试验过程中，在每一个串间电压条件下，需要产生40次静电放电，如果没有发生二次电弧，则以5V电压为步长通过调节模拟负载逐步提高串间电压，直至在40次静电放电内监测到二次电弧。对应的串间电压为试样的二次电弧阈值电压。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置，包括真空容器、模拟静电放电源、与设置在真空容器内的太阳电池阵电连接的二次电弧工作电路、与太阳电池阵电连接的负载模拟电路以及静电放电模拟电路，其中，二次电弧工作电路输出端分别与串间补偿电容C1，C2连接，C1、C2电容值均为实际太阳电池阵串间补偿电容的一半，C1与C2串联，两电容连接点与静电放电模拟电路间通过夹层补偿电容C3连接，C3电容值为实际太阳电池阵的夹层补偿电容；二次电弧输出端与电池阵试样通过二极管连接，确保其电流方向，电池阵试样的另一端与负载模拟电路连接，使二次电弧工作电路、负载模拟电路与电池阵试样构成回路，而静电放电模拟电路通过与电池阵试样其中一个输出端连接，模拟静电放电源通过在真空容器内对太阳电池阵试样施加。

2.如权利要求1所述的航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置，其中，模拟静电放电源包括等离子体源、电子枪、放电电极、激光束和高速飞片撞击放电源。

3.如权利要求1所述的航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置，其中，二次电弧工作电路通过模拟太阳电池阵的在轨工作状态，来检验静电放电能否触发二次电弧。

4.如权利要求3所述的航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置，太阳电池阵的模拟方式包括：1)通过太阳模拟器对大尺寸太阳电池阵进行照射来发电，将太阳电池阵的输出接入受试验电池串；2)通过太阳电池阵模拟器输出模拟电池阵工作的电流接入受试验电池串；3)通过在直流横流电源输出端串接恒流二极管，并输出模拟电池阵工作的电流，接入受试电池串。

5.如权利要求1所述的航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置，其中，静电放电模拟电路由补偿集总电路构成，还可增加直流恒压电源做为偏置电源，用于模拟静电放电的能量及电压。

6.如权利要求1所述的航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验装置，其中，负载模拟电路包括使用直流恒压电源和大容量电容两种方式。

7.一种航天用太阳电池阵二次电弧地面模拟试验方法，包括以下步骤：

将太阳电池阵试样放入真空容器，并按模拟试验装置的连接方式接好；

开启二次电弧工作电路及负载模拟电路中必要的电源，并调节二次电弧工作电路及负载模拟电路，使太阳电池阵试样的电池串上产生试验用的恒定电流及电压；

开启静电放电模拟电路中必要的电源，开启模拟静电放电源，对太阳电池阵试样施加静电放电；

监测是否有二次电弧发生，并逐步提高二次电弧工作电路提供的电压，直至发生二次电弧，可更换多组电流值进行，获得太阳电池阵的二次电弧阈值区间；每次发生二次电弧后，通过原位对电池阵进行伏安特性测试确定电池串的状态；若二次电弧后发生持续短路现象，应停止试验并更换同样状态的新试样继续试验直至完成；

试验结束后，关闭二次电弧工作电路及负载模拟电路中必要的电源，关闭其他电源及提供静电放电的仪器，停止真空系统并使真空容器复压至大气压，打开容器取出太阳电池阵试样并对电弧产生的损伤情况进行测试。

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