CN111431481A - 太阳电池电路空间碎片模拟及在线测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳电池电路空间碎片模拟及在线测试系统，涉及太阳能电池阵技术领域，其包含：碎片发射系统、碎片检测及光源系统、电池电路吊挂装置、真空及碎片检测系统、电池电路负载系统、电池电路性能检测系统、摄像监测系统；所述的碎片检测及光源系统、电池电路吊挂装置、真空及碎片检测系统组成试验舱体。本发明可以解决太阳电池电路空间碎片模拟试验难题，及早对太阳电池电路的性能进行测试验证，为产品的可靠性进行考核，推动了太阳电池阵工程应用进度。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池阵技术领域，具体涉及一种太阳电池电路空间碎片模拟及在线测试系统。
背景技术
太阳电池阵是一种利用光生伏特效应将光能直接转换为电能的半导体器件。随着航天器功率需求不断增加，太阳电池阵的面积也不断增大，大面积成为大功率太阳电池阵应用的方向。近年来空间碎片数量不断增加，特别是低地球轨道，空间碎片数量近30年来已经增加了几个数量级，因而太阳电池电路空间碎片试验验证成为工程应用必要的支撑项目。
目前本技术领域中有关太阳电池电路空间碎片试验验证系统报道较少。张书峰等《超高速碰撞太阳电池阵诱发放电效应的实验研究》对碎片撞击后太阳电池电路的放电性能进行验证，未提及太阳电池电路碎片撞击在线测试及监控装置。郑建东等《太阳电池超高撞击实验研究进展》对太阳电池电路碎片撞击相关报道进行分析，未提及太阳电池电路碎片撞击在线测试及监控装置。陈萌炯等《太阳电池防空间碎片撞击试验及其改进方向探讨》对太阳电池电路的碎片试验结果及改进措施进行报道，未提及太阳电池电路碎片撞击在线测试及监控装置。马子良等《微米级空间碎片撞击太阳电池研究》对碎片撞击后太阳电池的性能进行报道，未提及太阳电池电路碎片撞击在线测试及监控装置。宋瑞海等《微小碎片超高速撞击太阳电池阵的试验初探》对太阳电池电路碎片撞击后等离子体环境及试验前后的性能进行测试，未提及太阳电池电路碎片撞击在线测试及监控装置。
代福等《CAST激光驱动飞片超高速撞击实验研究进展》对激光驱动飞片模拟的微米级碎片对航天器撞击性能及效应进行研究，未提及太阳电池电路相关测试及监控装置。武强等《超高速撞击下PTFE/Al含能材料薄板的载荷特性分析》对不同撞击条件下PTFE/AL材料的性能进行研究，未提及太阳电池电路相关测试及监控装置。张永强等《大于8kms速度飞片超高速撞击铝防护结构实验研究》对高速Mylar、LY12铝材等撞击铝结构的性能进行研究，未提及太阳电池电路相关测试及监控装置。柳森等《弹丸超高速撞击单层和多层板结构的碎片特征研究》对单层和多次板的撞击性能进行研究，未提及太阳电池电路相关测试及监控装置。
关于太阳电池电路空间碎片试验及在线监测系统未见详细报道。为了在地面研制阶段及早暴露太阳电池电路空间碎片适应能力，开展地面空间碎片模拟试验成为型号研制的必要途径之一。因此，业界急需一种太阳电池电路空间碎片模拟及在线测试系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳电池电路空间碎片模拟及在线测试系统，以解决太阳电池电路空间碎片模拟试验的问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种太阳电池电路空间碎片模拟及在线测试系统，其包含：碎片发射系统、碎片检测及光源系统、电池电路吊挂装置、真空及碎片检测系统、电池电路负载系统、电池电路性能检测系统、摄像监测系统；所述的碎片检测及光源系统、电池电路吊挂装置、真空及碎片检测系统组成试验舱体；所述的碎片发射系统能够对不同规格的碎片进行发射，发射的碎片用于撞击试样；所述的碎片检测及光源系统包含：光源系统、第一碎片检测系统及第二碎片检测系统；所述的光源系统能够对所述的试样进行光照及摄像记录，所述的第一碎片检测系统能够对所述碎片发射系统发射碎片的数量进行记录；所述的第二碎片检测系统能对碎片撞击部位的温度进行探测；所述的电池电路吊挂装置用于对试样进行吊挂和调节；所述的真空及碎片检测系统包含：真空系统、第三碎片检测系统和第四碎片检测系统；所述的真空系统能够对所述的试验舱体进行抽真空；所述的第三碎片检测系统能对撞击试样后的碎片数量进行记录；所述的第四碎片检测系统能对碎片瞬时温度进行探测；所述的电池电路负载系统能够对所述的试样进行供电调节，及对试样的电池电路回路放电电流进行检测；所述的电池电路性能检测系统能够对所述试样的电池电路性能进行检测；所述的摄像监测系统能对碎片撞击过程进行摄像监测。
较佳地，所述的摄像监测系统对碎片撞击过程进行摄像监测的内容包括：经数据处理对撞击试样前后的碎片的速度进行计算、对等离子体放电及碎片云进行摄像记录。
较佳地，所述的碎片发射系统能够对碎片的发射速度进行调节，所述碎片的发射速度为1km/s～16km/s。
较佳地，所述的碎片发射系统能够选择碎片单发或多发。
较佳地，所述的碎片发射系统能够对碎片发射的角度进行调节，调节角度为0°～60°。
较佳地，所述的电池电路吊挂装置设有若干层用于吊挂试样的吊挂区域。
较佳地，所述的电池电路吊挂装置能够对吊挂的试样进行移动。
较佳地，所述的碎片检测及光源系统中，所述的光源系统发出光的波长范围为300nm～1800nm。
较佳地，所述的真空系统能够使所述的试验舱体的真空度达10-6Pa。
较佳地，所述的电池电路性能检测系统对所述试样的电池电路性能进行检测的范围包括：太阳电池电路回路上导通阻值、绝缘阻值及抗电强度。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明可以解决太阳电池电路空间碎片试验模拟的难题，及早对太阳电池电路的性能进行测试验证，为产品的可靠性进行考核，推动了太阳电池阵工程应用进度。
本发明所提供的太阳电池电路空间碎片模拟及在线测试系统，将为太阳电池阵工程化应用提供保障，将为低轨观测卫星、高轨卫星、我国空间站等一系列的飞行器提供广阔的应用市场，为国防做出贡献。
附图说明
图1为本发明实施例提供的太阳电池电路空间碎片模拟及在线测试系统的结构示意图。
图2为本发明实施例中碎片检测及光源系统的结构示意图。
图3为本发明实施例中电池电路吊挂装置的结构示意图。
图4为本发明实施例中真空及碎片检测系统的结构示意图。
图5为本发明实施例中电池电路吊挂装置、电池电路负载系统、电池电路性能检测系统位置的相对关系图。
图6a和图6b为本发明实施例中电池电路光照输出IV性能检测系统原理图。
图7为本发明实施例中电池电路无光照输出性能检测系统原理图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
实施例
如图1所示，本发明的太阳电池电路空间碎片模拟及在线测试系统包含：碎片发射系统1、碎片检测及光源系统2、电池电路吊挂装置3、真空及碎片检测系统4、电池电路负载系统5、电池电路性能检测系统6、摄像监测系统7。碎片检测及光源系统2、电池电路吊挂装置3、真空及碎片检测系统4依次设置并组成试验舱体。
碎片发射系统1能够对不同规格的碎片进行发射，碎片发射系统1设于试验舱体外，通过管路与试验舱体连接，碎片发射系统1发射的碎片通过管路进入试验舱体内并撞击试样。
一些实施例中，碎片发射速度1km/s～16km/s可调节。
一些实施例中，碎片发射系统1可以对发射能量进行调节，选择碎片单发或多发。碎片发射系统1每次发射出的碎片为单个。碎片单发时，发射一次单个碎片即结束。碎片多发时，依次发射若干个碎片。
一些实施例中，碎片发射系统1还可以对碎片发射的角度进行调节，调节角度为0°～60°。
如图2所示，碎片检测及光源系统2包含：光源系统21、第一碎片检测系统22及第二碎片检测系统23。光源系统21能够对试样进行光照及高速摄像记录，第一碎片检测系统22能够对碎片发射系统1发射碎片的数量进行记录；第二碎片检测系统23能对碎片撞击部位的温度进行探测。
一些实施例中，光源系统21发出光的波长范围为300nm～1800nm。
请参阅图3，电池电路吊挂装置3用于对试验样品进行吊挂和调节，模拟太阳电池电路在轨受力状态。
一些实施例中，电池电路吊挂装置3设有若干层用于吊挂试样的吊挂区域。吊挂区域能对试样进行移动调节。一些实施例中，吊挂区域设为三层，分别为吊挂区域31、吊挂区域32和吊挂区域33。
如图4所示，真空及碎片检测系统4包含：真空系统43、第三碎片检测系统41和第四碎片检测系统42。真空系统43能够对试验舱体进行抽真空。一些实施例中，真空系统43能够使试验舱体的真空度达10-6Pa。第三碎片检测系统41能对撞击试样后的碎片数量进行记录；第四碎片检测系统42能对碎片瞬时温度进行探测。
请参阅图5，电池电路负载系统5连接于电池电路吊挂装置3，能够对试样进行供电调节，及对试样的电池电路回路放电电流进行检测。
电池电路性能检测系统6连接于电池电路吊挂装置3，能够对试样的电池电路性能进行检测，检测的范围包括：太阳电池电路回路上导通阻值、绝缘阻值及抗电强度。导通阻值监测精度优于0.01Ω；绝缘阻值探测能力不低于1010Ω；抗电强度测试电压能力优于250V。
请参阅图1，摄像监测系统7能对碎片撞击过程进行摄像监测，摄像监测的内容包括：经数据处理对撞击试样前后的碎片的速度进行计算、对等离子体放电及碎片云进行摄像记录。
摄像监测系统7安装在试验舱体外，试验舱体上有观测窗口，摄像监测系统7从侧面进行摄像记录，能得到碎片撞击速度、等离子体放电及碎片云等记录。碎片检测及光源系统2安装在试验件前方，高速摄像记录撞击部位(从试验件正面摄像记录)。
本发明还提供了一种基于上述的太阳电池电路空间碎片模拟及在线测试系统的太阳电池电路空间碎片试验模拟方法，其包括以下步骤：
步骤1：将试验件3-1、3-2和3-3安装在电池电路吊挂装置3上，所述电池电路吊挂装置3能够模拟太阳电池电路试验件3-1、3-2和3-3在轨受力状态，能对试样进行移动调节，吊挂装置具有多层结构，可对不同层结构上的试验件进行吊挂。连接好电池电路负载系统5、电池电路性能检测系统6，关闭试验舱体，并对试验舱体进行抽真空以达到试验所需真空度，设备抽真空能力可达10-6Pa量级；
步骤2：打开碎片检测及光源系统2对试样进行光照并进行试验摄像及拍照记录，对试样表面的温度进行监测；
步骤3：打开电池电路负载系统5和电池电路性能检测系统6，检测太阳电池电路3-1、3-2和3-3的电性能输出，并对电池电路的导通阻值、绝缘性能和抗电强度进行测试；光照性能测试原理如图6a和图6b所示，光照下进行I-V测试，通过调节负载电阻R，使得太阳电池电路输出功率变化，其中a线：最大功率工作状态，b线：低压工作状态，c线：高压工作状态。其中：Isc：短路电流，Voc：开路电压，Pmax：最佳功率，Jmax：最佳功率下的电流，Vmax：最佳功率下的电压，根据太阳电池电路光照工作状态方程得到I-V曲线。
无光照下进行I-V测试，如附图7所示，V电压；P：p极，正极，Rs：串联电阻；Rsh，并联电阻，根据太阳电池电路暗特性方程得到I-V曲线。
步骤4：打开碎片发射系统1和摄像监测系统7，选择空间碎片尺寸、材料并设计碎片发射速度、发射数量等参数，开始试验；
步骤5：启动所有系统，进行试验过程监测和记录。
综上所述，实验已经证明，本发明能够通过碎片发射系统对不同规格的空间碎片进行模拟撞击太阳电池电路，通过碎片监测系统对碎片的速度、角度等进行检测；通过光照、无光照测试太阳电池电路在空间碎片撞击前后的性能进行测试；真空系统对太阳电池电路试验舱进行抽真空，通过电池电路负载系统和电池电路性能检测系统对电池电路在不同光照条件下太阳电池电路输出性能进行考核。
本发明可以解决太阳电池电路空间碎片试验模拟的难题，及早对太阳电池电路的性能进行测试验证，为产品的可靠性及冗余设计进行分析，推动了太阳电池阵工程应用进度。
本发明所提供的一种太阳电池电路空间碎片模拟装置及在线测试系统，将为太阳电池阵工程化应用提供保障，将为低轨观测卫星、高轨卫星、我国空间站等一系列的飞行器提供广阔的应用市场，为国防做出贡献。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种太阳电池电路空间碎片模拟及在线测试系统，其特征在于，包含：碎片发射系统、碎片检测及光源系统、电池电路吊挂装置、真空及碎片检测系统、电池电路负载系统、电池电路性能检测系统、摄像监测系统；所述的碎片检测及光源系统、电池电路吊挂装置、真空及碎片检测系统组成试验舱体；
所述的碎片发射系统能够对不同规格的碎片进行发射，发射的碎片用于撞击试样；
所述的碎片检测及光源系统包含：光源系统、第一碎片检测系统及第二碎片检测系统；所述的光源系统能够对所述的试样进行光照及摄像记录，所述的第一碎片检测系统能够对所述碎片发射系统发射碎片的数量进行记录；所述的第二碎片检测系统能对碎片撞击部位的温度进行探测；
所述的电池电路吊挂装置用于对试样进行吊挂和调节；
所述的真空及碎片检测系统包含：真空系统、第三碎片检测系统和第四碎片检测系统；所述的真空系统能够对所述的试验舱体进行抽真空；所述的第三碎片检测系统能对撞击试样后的碎片数量进行记录；所述的第四碎片检测系统能对碎片瞬时温度进行探测；
所述的电池电路负载系统能够对所述的试样进行供电调节，及对试样的电池电路回路放电电流进行检测；
所述的电池电路性能检测系统能够对所述试样的电池电路性能进行检测；
所述的摄像监测系统能对碎片撞击过程进行摄像监测。
2.根据权利要求1所述的太阳电池电路空间碎片模拟及在线测试系统，其特征在于，所述的摄像监测系统对碎片撞击过程进行摄像监测的内容包括：经数据处理对撞击试样前后的碎片的速度进行计算、对等离子体放电及碎片云进行摄像记录。
3.根据权利要求1所述的太阳电池电路空间碎片模拟及在线测试系统，其特征在于，所述的碎片发射系统能够对碎片的发射速度进行调节，所述碎片的发射速度为1km/s～16km/s。
4.根据权利要求1所述的太阳电池电路空间碎片模拟及在线测试系统，其特征在于，所述的碎片发射系统能够选择碎片单发或多发。
5.根据权利要求1所述的太阳电池电路空间碎片模拟及在线测试系统，其特征在于，所述的碎片发射系统能够对碎片发射的角度进行调节，调节角度为0°～60°。
6.根据权利要求1所述的太阳电池电路空间碎片模拟及在线测试系统，其特征在于，所述的电池电路吊挂装置设有若干层用于吊挂试样的吊挂区域。
7.根据权利要求1所述的太阳电池电路空间碎片模拟及在线测试系统，其特征在于，所述的电池电路吊挂装置能够对吊挂的试样进行移动。
8.根据权利要求1所述的太阳电池电路空间碎片模拟及在线测试系统，其特征在于，所述的碎片检测及光源系统中，所述的光源系统发出光的波长范围为300nm～1800nm。
9.根据权利要求1所述的太阳电池电路空间碎片模拟及在线测试系统，其特征在于，所述的真空系统能够使所述的试验舱体的真空度达10-6Pa。
10.根据权利要求1所述的太阳电池电路空间碎片模拟及在线测试系统，其特征在于，所述的电池电路性能检测系统对所述试样的电池电路性能进行检测的范围包括：太阳电池电路回路上导通阻值、绝缘阻值及抗电强度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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