JPH11274542A

JPH11274542A - 静止軌道に位置する宇宙船用のソーラーアレイ

Info

Publication number: JPH11274542A
Application number: JP10321745A
Authority: JP
Inventors: C F Hoeber; エフ．ホーバークリストファー; Howard E Pollard; イー．ポラードハワード; Michael J Mcvey; ジェイ．マクヴィマイケル; Robert E Neff; イー．ネフロバート
Original assignee: Space Systems Loral LLC; Loral Space Systems Inc
Current assignee: Maxar Space LLC
Priority date: 1998-02-21
Filing date: 1998-11-12
Publication date: 1999-10-08
Also published as: EP0938141A3; EP0938141A2; CA2253529A1; US6248950B1

Abstract

(57)【要約】【課題】静止軌道の宇宙船に設置されたソーラーアレ
イを静電放電から保護する改良された太陽電池配置とセ
ル構造とを提供する。【解決手段】例えばＲＴＶ接着剤等の絶縁材料が、太
陽電池の間の内部セル間隙に配置されるバリアとして使
用される。絶縁材料を使用すると、静電放電によって生
じる間隙のスパークを修正し、故に、スパークが未だ発
生している間、それは別の非破壊特性を有する。絶縁材
料の使用によって、例えば、太陽電池を支持するために
使用されるカプトン絶縁層や基板等の他の太陽電池材料
への損傷が生じない。さらに、隣接太陽電池間の電圧を
５０Ｖ以下に制限する太陽電池配線計画が、提供され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、宇宙船で使用され
るソーラーアレイ(solar arrays)に関し、特に、静止軌
道に位置する宇宙船のソーラーアレイを静電放射から保
護する改良された太陽電池(solar cell)回路配置及び太
陽電池構造に関する。

【０００２】

【背景技術】１９９７年に、本発明の譲受人は、最初に
に１０ｋＷ以上の電力を生成する５機の高電力宇宙船を
打ち上げた。それらの宇宙船のうちの２機に、最初の年
にソーラーアレイに損傷があった。広範囲の分析および
地上テストによって、ソーラーアレイの太陽電池とカバ
ーガラスとの間に生じた静電放電が、ソーラーアレイ自
身からの電流によって維持されていることに、損傷機構
が存在することが証明された。アレイの物理的な構成に
依存して、局部的な加熱によって、太陽電池を伝導性基
板から分離する絶縁の熱分解（pyrolization）が生じ、
一連の太陽電池の短絡につながる。宇宙船電力の増加に
よって、ソーラーアレイはより高電圧で作動してより大
型になるので、この現象の発生の度合いは、産業界全体
にわたって増加する傾向がある。しかしながら、分析的
なモデリングおよび研究室での実験によって、この現象
を証明して、本発明の譲受人によって取られた予防動作
を実証し、故に、この現象は今後の宇宙船において制御
される。

【０００３】故に、静電放電によって生じる損傷から、
静止軌道宇宙船の太陽電池を保護する技術を提供するこ
とが望ましい。従って、本発明の目的は、静止軌道にあ
る宇宙船に配置された太陽電池を静電放電から保護する
改良された太陽電池回路レイアウトと太陽電池構造とを
提供することである。

【０００４】

【発明の概要】上記および他の目的を達成するために、
本発明は、静止軌道に配置された宇宙船のソーラーアレ
イを静電放電から保護する改良された太陽電池配置及び
セル構造からなる。本発明は、太陽電池の間の内部間隙
に配置された、例えば、ＲＴＶ接着剤や絶縁材料などを
使用して、バリアとしての絶縁材料の使用を提供するも
のである。かかる絶縁材料の使用は、静電放電によって
生じる間隙でのスパークを修正し、故に、スパークが生
じている間、それは別の非破壊特性を有する。かかる絶
縁材料の使用によって、太陽電池と基板との間に配置さ
れてセルを支持するカプトン絶縁材料等の、他の太陽電
池材料に傷害が生じない。さらに、隣接セル間の電圧を
５０Ｖ以下に制限する太陽電池配線計画が提供される。

【０００５】本発明を実施する際に、大なる静止軌道通
信衛星の太陽電池は、太陽電池のカバーガラスが宇宙船
本体よりも負に充電されない「逆電位勾配」を呈するこ
とを示すモデルが、宇宙船充電に対して作成された。逆
電位勾配の量は、カバーガラスの体積抵抗率に強く依存
する。この電位勾配の結果として生じたアーク放電のモ
デルは、放電によって生成されたプラズマはアレイその
ものから供給される電流によって維持アークをトリガす
ることを示していることも表す。維持アークを生成でき
ない、セル対セルの電位差の閾値が存在することが見い
だされた。これは、それが従来の宇宙船では問題でなか
ったからである。

【０００６】アーク放電モデルは、ＮＡＳＡルイスリサ
ーチセンタでのテストによって検証された。この確認
は、長期に亘り高い信頼性で飛行したアレイ（例えばイ
ンテルサットＶＩＩ）が、十分に高いセル対セル電圧で
動作する場合に故障することがあることを明らかにし
た。伝統的な組立プロセスが使用されてきたが、本発明
の譲受人によって作成された高電力１００ＶのＧａＡｓ
およびＳｉアレイの両方に対して、損傷の閾値は、通常
の動作範囲の限度にあることを示した。実際に使用され
ている高電力Ｓｉアレイは損傷されていないという事実
は、詳細な構造の差に寄与し、それは、比較的低固体抵
抗率を有するカバーガラスの使用によって強く影響され
る。

【０００７】本発明を実行する際に、多数の組立技術
が、第二のアークから障害に対するマージン（margin）
を提供するために開発された。障害機構が分かると、こ
れらの技術を組み合わせて、放電現象が今後発生するこ
とを防止するかなり大なるマージンが提供される。本発
明の譲受人により発射される今後の宇宙船で実行される
調整作用は、長期に亘り順調に動作した以前のソーラー
アレイよりもかなり高い安全マージンを提供する。

【０００８】本発明の好ましい実施例のソーラーアレイ
を製造する際の特性に関して、内部セル電位差は、太陽
電池板を配線し直すことによって６２．５％低下し、損
傷が発生する電圧閾値は、セルの間に絶縁材料バリアを
加えることによって３分の１ないし４分の１に増加し、
アークに利用される電流は、太陽電池ストリング分離ダ
イオードを加えることによって、２分の１ないし３分の
１に減少する。

【０００９】静電損傷に対するソーラーアレイの故障発
生度は、構成の詳細に依存し、これは、それらが損傷に
対してどのくらい影響されやすいかを判別する。しか
し、本発明の原理を使用して、今日の１０ｋＷレベルで
動作して、近い将来使用される相当の高電力レベルでも
動作するソーラーアレイが安全に製作されうる。

【００１０】

【実施例】本発明のさまざまな特徴および効果を、添付
図面と共に以下の詳細な説明を参照しながら説明する。
尚、同じ参照番号は、同一の素子を指し示すものであ
る。図面、特に図１を参照すると、本発明の譲受人によ
り配備される宇宙船１０に対して観測された異常は、ソ
ーラーアレイ１３（ソーラーパネル１３）の太陽電池１
２のストリング１１の傷害と一致する。傷害の症状は、
ストリング１１内の異なる点での太陽電池１２の間の低
インピーダンスショートと、高電圧太陽電池１２とアレ
イのグランドとの間のショートである。他の器具を取り
付けた衛星が太陽あらしの充電環境特性を測定するとき
に、全ての異常が生じた。

【００１１】カッツ（Katz）等の「ＧＥＯのソーラーア
レイの宇宙船充電初期破壊の機構」（第３６回、ＡＩＡ
Ａ航空科学会議・展示会（Aerospace Sciences Meetin
g and Exhibit）１９９８年）と題された論文におい
て、理論および支援実験データが提示され、ソーラーア
レイの小さく且つ低エネルギの宇宙船充電アークがより
大なる維持放電につながり、やがてソーラーアレイ１３
の永久損傷に至ることを示した。何となれば、カッツ等
の刊行物、本発明の譲受人により実行されたさらなる研
究によって、現象や、維持アークが発生できないセル対
セルの電圧閾値の存在、適切な予防作業の理解に至っ
た。この理論的な理解の各行程は、経験的に確かめられ
た。

【００１２】本発明の譲受人によって設置された宇宙船
１０の２機は、ガリウム・砒素（ＧａＡｓ）太陽電池１
２を使用する。これらは、８０の回路のうち１８の回路
（２２％）が損傷されている、損害を受けた２機の宇宙
船１０である。図２に、宇宙船の打ち上げからの時間の
関数として、累積する故障履歴を示す。分かるように、
故障の割合は、時間とともに減少している。

【００１３】残りの３つのアレイ１３は、シリコン（Ｓ
ｉ）太陽電池１２を使用する。これらの宇宙船１０の１
２０の回路のうちの一つが異常を被った。そのサイン
（signature）は、ここに記載された他のものとは異な
り、それが同じ原因からであるか否かを地上で利用でき
るデータから判断することは不可能である。後述するよ
うに、損傷の可能性は、アレイ１３の多数の詳細な構造
パラメータの関数である。本発明において議論されるア
レイ１３は、ＧａＡｓおよびＳｉであるが、ＧａＡｓそ
のものがＳｉよりも故障しやすいと結論すべきではな
い。

【００１４】ＮＡＳＡ充電分析プログラム（ＮＡＳＣＡ
Ｐ）を使用する宇宙船充電分析が、カッツ等の「ＮＡＳ
Ａ充電分析プログラムの能力」と題された論文（Ｒ．
Ｃ．フィンク（R.C.Fincke）及びＣ．Ｐ．パイク（C.P.
Pike）編集の宇宙船充電技術１９７８年、ＮＡＳＡＣ
Ｐ‐２０７１、ＡＦＧＬ‐ＴＲ‐７９‐００８２）に論
じられている。この論文は、宇宙船を充電する初期アー
クの生じうる場所として、ソーラーアレイ１３を確認し
た。

【００１５】数十年の間に、磁気圏の３０‐５０ｋｅＶ
の電子によって、数千Ｖの静電電位が生じて、同じ宇宙
船１０上の異なる面の間に現れることが分かっている。
飛行観察によって、大なる電位差がアーク放電につなが
ることが示された。この現象が、デフォーレスト（DeFo
rest）による「静止軌道での宇宙船の充電」と題された
論文（J.Geophys. Res., 77、第６５１頁、１９７２
年）、ミューレン（Mullen）等の「太陽光線の中での高
レベル宇宙船充電のＳＣＡＴＨＡ調査」と題された論文
（J.Geophys. Res., 91、第１４７４頁、１９８６
年）、コーンス（Koons）の「Ｐ７８−２（ＳＣＡＴＨ
Ａ）衛星での環境誘起電気放電の概要」と題された論文
（J.Spacecraft and Rockets, 22, 第４２５頁、１９８
３年）に論じられている。現代の静止通信衛星の多く
は、表面電位差およびアーク発生を防ぐために導電面で
被覆されている。不伝導性面は、通常、太陽電池カバー
ガラス１６部分（図７乃至図１１、鮮明には図１９参
照）のみである。

【００１６】ＮＡＳＣＡＰプログラムが使用されて、宇
宙船１０において予測される電気充電を分析し、可能性
のある放電場所を探す。実際の環境は未知であるので、
計算は、パーヴィス（Purvis）等による「宇宙船充電を
評価して制御する設計ガイドライン」と題された論文
（ＮＡＳＡＴＰ２３６１，１９８４年）において論じ
られたＮＡＳＡが推薦する「最悪事態」の充電環境を使
用して行われた。「最悪事態」充電環境のパラメータ
は、ｎ_e＝１．１２×１０⁶ｍ^-3、Ｔ_e＝１２ｋｅＶ、ｎ_i
＝２．３６×１０⁵ｍ^-3、Ｔ_I＝２９．５ｋｅＶである。

【００１７】分析によって、宇宙船１０は、太陽光線に
晒されているときでも、あらしの間充電されることが示
された。その理由は、ソーラーアレイ１３の前面が太陽
に向けられる場合、太陽に照らされている比較的小なる
導電領域からの光電子放出は、闇にある大なる導電領域
への充電電流によって越えられているからである。充電
環境がある場合、宇宙船１０のシャーシは、図３に示す
ように、およそ(−５)Ｖ／秒の初期速度で負に充電され
る。

【００１８】しかし、ソーラーアレイ１３の前面は、常
に太陽に面し、カバーガラス１６からの充電は、光電子
放出を通して絶えず放出される（食以外の間、アレイ１
３が電力を生産しないとき）。これは、カバーガラス１
６が下層のセル材料よりも負に充電されない逆電位勾配
（inverted potential gradient）につながり、金属的
に相互に接続する。図４に示すように、カバーガラス１
６と下層のセルとの間の電位差は、約３Ｖ／秒の初期速
度で増加する。光電子放出電流は、周辺電位近傍にカバ
ーガラス１６を維持する。

【００１９】最初に、カバーガラス１６の抵抗率は、無
限であるものとしてモデル化された。しかしながら、更
なる調査によって、カバーガラス１６の体積抵抗率ρが
約１０¹³Ω‐ｍ未満であれば、最大充電は、静電放電の
閾値以下に維持されることが明らかになった。例えば、
１０¹³Ω‐ｍの抵抗率を有するカバーガラス１６に対し
て、最大電圧は、次式で制限される。

【００２０】Ｖ＝（ρｘｔ）Ｉ＝８×１０¹²×１２５×１０^-6）１０^-6 ＝１０００Ｖ但し、ρ＝カバーガラス及び接着剤の重み付き平均抵抗
率（Ω−ｍ）、ｔ＝（ガラスの１００μ）及び（接着剤
の２５μ）、Ｉ＝１０^-6Ａ／ｍ^-2である。

【００２１】図５は、カバーガラス１６において、使用
されるさまざまな材料の体積抵抗率を示す。分かるよう
に、ＣＭＺカバーガラス１６は、本発明の譲受人によっ
て作成されたＧａＡｓアレイ１３に使用され、その抵抗
率は、十分に高いので、充電電圧を制限しない。０２１
３カバーガラス１６は、本発明の譲受人によって現在作
成中のＳｉアレイおよびＧａＡｓアレイの両方において
使用され、その抵抗率は、十分に低いので、最大充電電
圧を減らしている。正確な値は、そのときのソーラーア
レイ１３の正確な温度と同様に、充電環境の関数であ
る。これは、Ｓｉアレイ１３が軌道上で問題を経験しな
かったという事実に対する１つの可能性のある説明であ
る。今後の宇宙船１０に対して、本発明の譲受人は、規
格としてＣＭＸまたは他の低抵抗率カバーガラス１６へ
の切替を調査している。

【００２２】充電分析の最終行程は、静電電位が、アレ
イ１３に沿って一定ではなく、宇宙船１０の本体からの
距離が増加するにつれて増加することを認めることであ
る。図６は、これ、すなわち、カバーガラスの抵抗率が
無限大であると仮定して、充電の開始からの２分後を示
す。図６から分かるように、第４パネル１３の電圧は３
００Ｖ以上あり、第１パネル１３では１４０Ｖに減少し
ている。軌道での１８の障害のうち、７つが第４パネル
１３、すなわち最外周のパネルに生じ、４つが第３パネ
ル１３で、２つが第１パネル１３で起こった。残りの５
つの障害の位置は正確にはわからないが、第１パネル１
３ではないことは分かっている。この推論は明らかであ
り、すなわち、放電は、最外周のパネル１３で最初に起
きる。放電が起きると、宇宙船１０は無力になり、充電
は再び初期化される。放電の発生が、最外周のパネル１
３で継続すれば、これは内側のパネル１３を保護する。
障害が最外周のパネル１３で初期に発生してその回数が
減少したという事実は、ソーラーアレイ１３の残りの部
分が宇宙船１０の残りの寿命において通常の動作を継続
することを示唆している。

【００２３】上記アークでは、宇宙船１０の電力システ
ムの永久の障害となるエネルギや電流は不十分である。
更なる分析によって、短時間宇宙船充電アークは、太陽
電池１２の間の長時間放電をトリガーし、これらの放電
は太陽電池電流そのものによって維持されることが示唆
された。長時間放電は、相当量のエネルギを散逸し、太
陽電池１２が取り付けられるされるカプトン（Kapton）
絶縁材料１９（図１９）に、永久的な損傷を生成する。
カプトン材料１９への作用は、この高抵抗ポリマを低抵
抗炭化灰に変えることである。このプロセス、熱分解
は、スチューバー（Stueber）等による「カプトン熱分
解、アーク追跡、ＳｉＯ_xコートのポリイミド、すなわ
ちＳＳＦに対するフラット可撓性電流キャリアの絶縁サ
ンプルでのフラッシュオーバの評価」と題する論文（Ｎ
ＡＳＡ‐ＣＲ１９１１０６、１９９３年）に以前報告
された。影響は、図１に示すように、高電圧セル１２と
低電圧セル１２との間の、または、宇宙船のシャーシ接
地電位にある下層の基板１８とストリング１１において
異なる位置にあるセル１２の間で、太陽電池１２のスト
リング１１の短絡である。

【００２４】太陽電池１２とそのカバーガラス１６との
間の放電によってプラズマを生成する簡単な理論モデル
を作成する。図７乃至図９に、何が起きているかを順に
説明する。最初に、ソーラーアレイ１３は、宇宙環境で
充電を行う（図７）。絶縁カバーガラス１６は、電子の
光電子放出により放電され、これは、カバーガラス１６
と太陽電池１２との間の電位差につながる。次に、静電
放電が、カバーガラス１６と太陽電池１２との間で発生
する（図８）。この「トリガーアーク」１７は、数百Ｖ
の電位差で発生することが分かっている。この放電は、
殆どエネルギを含まず、それ自体無害である。

【００２５】しかし、トリガアーク１７によって生成さ
れたプラズマは、アレイ１３そのものから電流を集める
ことができ、「維持アーク」１７ａになる（図９）。こ
の放電のエネルギ、すなわち放電電流とプラズマ電圧と
の積は、相当であり、カプトン絶縁材料１９を熱分解す
るには十分である。このように、現象は、後述するＮＡ
ＳＡルイスリサーチセンタ（ＬｅＲＣ）試験のフィルム
に捕らえられ、壮大である。

【００２６】トリガ電流モデルは、太陽電池放電の間に
生成されるプラズマの球形膨張用である。放電のエネル
ギ、すなわち、放電電流と充電電圧との積は、イオン化
によってアークの場所でプラズマを生成する。プラズマ
は、他の実験調査に基づいた値、３×１０⁴ｍ／ｓの速
度でアークの場所から球状に膨張すると仮定される。電
子およびイオンプラズマ密度は、（ｌ／ｒ²）で変化す
る。但し、ｒは、アークの場所からの距離である。

【００２７】アーク放電プラズマから収集される飽和電
流密度は、プラズマ中の電子が１．５ｅＶの温度を有す
るマックスウェルの速度分布を有すると仮定して評価さ
れ、これは、低放電生成プラズマに対する代表例であ
る。飽和電流は、収集太陽電池１２の電位がプラズマ電
位よりも高ければ、ソーラーアレイ１３からプラズマへ
と流れることのできる最大電流である。飽和電流がソー
ラーアレイ１３の最大電流より大きければ、それは電流
を制限する。

【００２８】トリガーアーク１７により運ばれる最大電
流は、図１０に示すように、隣接セル１２の露出伝導表
面面積に対してプラズマ熱電子電流密度を積分すること
によって、分かる。最大回路電流は、ｘに対する積分に
よってわかり、セルに沿った距離は、次式で表される。

【００２９】

【数１】

【００３０】但し、ｈはセルの高さ、ｇは内部セルの間
隙距離、ｊ_e（１）はアークの場所からの１メートル離
れたところの電流密度である。本発明の譲受人によって
実現された軌道のソーラーアレイ１３の形態に対して、
放電電圧を５００Ｖと仮定する場合、飽和電流は２．６
Ａとなることが分かった。同時に、ソーラーアレイ１３
から利用可能な最大電流は、ほとんど同一である（Ｇａ
Ａｓアレイ１３の回路毎に２．１〜２．６Ａ、Ｓｉアレ
イ１３の回路毎に２．３から３．４Ａ）。

【００３１】図１１に、本発明の原理によりセル１２の
間の間隙２３に取り付けられる保護絶縁バリア２０（Ｒ
ＴＶ接着剤２０）を示す。同一のモデル化と、本発明の
譲受人によって実現したＧａＡｓアレイ１３の形態とを
使用して、最大電流は、２．６Ａから０．１５Ａまで減
少し、１７分の１に減少した。本発明の譲受人によって
実施された維持電流モデルの概要を以下に示す。

【００３２】ステップ１：プラズマは、直径約１０μｍ
のスポット（アークの位置）から球状に膨張する。

【００３３】

【数２】

【００３４】ステップ２：アーク電子電流は、半球を流
れる。

【００３５】

【数３】

【００３６】ステップ３：散乱は、古典電子・イオン衝
突によって支配される。

【００３７】

【数４】

【００３８】ステップ４：古典伝導率は、次式によって
得られる。

【００３９】

【数５】

【００４０】ステップ５：電圧降下は、半径に対して積
分することによって分かる。

【００４１】

【数６】

【００４２】内部セル電圧閾値効果を論じる。上記ステ
ップ５において計算された電圧降下は、放電電流に対す
るプラズマのオーミック抵抗によるプラズマの電位低下
である。電圧低下は、放射スポット径およびイオン電流
の合理的な仮定により、４０Ｖの範囲である。セル対セ
ルのバイアス電圧がアークプラズマの抵抗低下よりも大
なる場合、ソーラーアレイ１３は、電子電流のみを集め
る。集められた電流は、ローカルプラズマ電位よりも小
さいバイアス電圧に対して指数関数的に低下する。

【００４３】この理論を確認するとともに含まれる機構
の更なる理解につながる実験室テストを行なった。この
テストは、軌道にて観測される障害の症状を上手に再生
し、制御機構の詳細の大きな洞察を提供した。このよう
にして、太陽電池１２に対してカバーガラス１６のトリ
ガーアーク放電によるプラズマ生成の簡単なモデルが表
された。この分析モデルは、ＮＡＳＡルイスリサーチセ
ンタで実行されるテストからの実験的データによって支
援されている。これらのテストにおいて、太陽パネルク
ーポンは、セル１２間の電位が外部で調整可能な熱真空
チャンバに入れられている。

【００４４】図１２に示すように、試験設備（setup）
は、カバーガラス１６と太陽電池１２と基板１８と間に
逆電圧勾配を提供する。バイアス源２５が使用されて、
基板およびセルを、チャンバグランドに対して負のグラ
ンドリターンに設定する。プラズマ源２６が使用され
て、カバーガラス１６を低エネルギ（１−２ｅＶ）の低
密度プラズマで満たし、故に、カバーガラス１６の電位
をチャンバグランドに維持する。ソーラーアレイシミュ
レータ（ＳＡＳ）２７が使用されて、ソーラーアレイ１
３からの電圧および電流をシミュレーションして、維持
アークの生成に必要なセルの電位差を提供する。バイア
ス源２５は、コンデンサ２８を充電する。コンデンサ２
８の値およびバイアス源電圧によって、アーク放電に有
効なエネルギが測定される。

【００４５】この構成は、低地球軌道環境を実際によく
表現したものであり、静止地球軌道の最悪のシナリオを
表していると考えられる。静止軌道では殆ど発生しない
障害が組織的に誘起され、保護的な測定の迅速な確認に
つながる。静止軌道環境も、本譲受人の太陽熱真空チャ
ンバにおいてシミュレーションされた。しかしながら、
数千Ｖ以下の電圧でのアーク発生は、誘起されなかっ
た。この現象は、完全な真空では発生しないことが明ら
かになり、プラズマ媒体がアークを生成するためには存
在しなければならない。

【００４６】宇宙船充電中に保存されるエネルギ量は、
太陽電池１２およびカバーガラス１６の合成の静電容量
と比例する。図１２に示すテスト器具においてコンデン
サ２８が使用されて、トリガーアークのエネルギを制御
する。全太陽パネル１３の容量を最大２倍にする容量の
値が使用されて、マージンを明らかにする。３０分間の
アークの数が、バイアス源電圧に対してプロットされ
る。これらのテストから、カバーガラス１６および太陽
電池１２の間のアーク閾値電圧が測定される。テスト
も、全アーク放電に対する電流波形を測定する。計測に
よって、初期トリガーアークを見ることができ、維持の
有無を観測できる。ＳＡＳ電圧も増加して、安全内部セ
ル電圧動作範囲を判別する。

【００４７】軌道宇宙船１０のと同一な構成を備えたＧ
ａＡｓ太陽電池クーポンに対するソーラーアレイ１２か
らのテストの結果を、図１３に示す。より詳細には、図
１３は、障害につながるソーラーアレイ増大放電を示
す。ソーラーセルバイアスは８０Ｖに設定され、ソーラ
ーアレイ電流限界は、実際の軌道動作状態の限界に近
い、２．２５Ａに設定される。ソーラーアレイ１３によ
り供給される電流は、電流限界値まで急速に上昇する。
収集セル１２でのこの大なる初期回路電流の消滅は、ト
リガアークの１００μ秒を越える放電の維持と過熱とに
つながる。この結果は、セル対セルとセル対基板との短
絡である。

【００４８】上記テストと同様な多数のテストが実行さ
れる。結果は、障害が、本発明の譲受人によって発射さ
れたタイプのＳｉ及びＧａＡｓアレイ１３の両方に誘起
されることを示す。モデルにより予測されるように、そ
れ未満ではトリガーアーク自身が数μ秒の間に消える電
圧閾値が存在する。但し、閾値の正確な値は測定できな
い。何となれば、それは、アークの位置の正確な形態に
依存するからである。

【００４９】図１４および図１５は、障害の発生がちょ
うど軌道セル動作範囲（regime）の境界にあることを示
す。太陽電池１２に流れる電流は、６０Ｖ未満のセル電
圧に対するＮＡＳＡＬｅＲＣテストにおいて、観測さ
れず、これは、上記モデルにより予測される閾値の大き
さと一致する。図１１に示すように、セル１２間の間隙
に取り付けられた絶縁（ＲＴＶ）バリア２０を備えたサ
ンプルのテストは、絶縁（ＲＴＶ）バリア２０の有効性
を示し、障害の閾値は、動作範囲を越えてかなり増大す
る。これを、図１６および図１７に示す。現時点では、
ＳｉおよびＧａＡｓの両クーポンは、今後の飛行に使用
される本発明の原理により製作され、ＮＡＳＡＬｅＲ
Ｃでテストを受けている。試験手順が組み立てられて、
電圧において少なくとも２分の１、且つ放電エネルギに
おいて少なくとも２分の１の維持アークの発生に関し
て、安全のマージンを示している（全パネル１３に等し
い静電容量の２倍）。最小２４０のアークが、テストマ
トリックスの各事例に対して記録される。

【００５０】絶縁（ＲＴＶ）バリア２０がインストール
されたＧａＡｓクーポンのテストが、完了した。放電
は、２９０〜５３０Ｖの逆電圧勾配で生じ、放電電圧
は、「より弱い」位置で生じるアークに続いて閾値が増
加することを示す時間とともに増加する。クーポンは、
１０００以上のアーク放電を経験した。放電中の電流記
録は、絶縁（ＲＴＶ）バリア２０が、トリガーアークに
より形成されるプラズマへの電流の流れを制限すること
に成功していることを示した。ソーラーアレイシミュレ
ータからの電流は、５０−１００μ秒の放電期間の間、
０．２から０．４Ａの範囲にあった。セル対セルの短
絡、またはセル対基板の短絡は無く、ソーラーアレイシ
ミュレータによって供給されるべき維持アークの発生も
無かった。結論は、絶縁（ＲＴＶ）バリア２０は、理論
によって予測されたように、維持アークの発生予防に有
効である、ということである。実際、より高電圧でのテ
ストを受けた以前の実験サンプルは、最後の損傷が絶縁
（ＲＴＶ）バリア２０を越えて発生し、かかる損傷を生
ぜしむるためにセル間により高い電圧が必要であること
を示していた。

【００５１】本発明の譲受人により打ち上げられる今後
の高電力宇宙船に対して、３つの調整動作が着手され、
そのいずれかは、損傷をこの論文に記載された現象から
保護するには十分である。一緒に、重大なマージンが示
される。最初に、図１８に示すように、ソーラーアレイ
パネル１３は、本発明の原理により配線され、故に、隣
接セル１２間の電圧は５０Ｖ以下である。以前の高電力
宇宙船１０は、隣接セル間の電位差が８０Ｖ（ＧａＡ
ｓ）および７５Ｖ（Ｓｉ）であった。広範囲の分析が使
用されて、この差の限界が、太陽電池１２のシャント及
びアンシャントストリング１１、陰の場合、ストリング
１１が故障した場合、のさまざまな組合せに対して越え
ないことを保証する。本発明の譲受人は、優れた信頼性
の結果によって、最大５０Ｖまでの電圧でアレイを操作
する。

【００５２】次に、図１１に示すように、詳細には図１
９に示すように、ＲＴＶ接着剤２０や絶縁材料２０など
の絶縁バリア２０が、セル１２の間の全ての間隙２３
に、直列に接続されたセル１２の間の間隙の少なくとも
１０ｍｍの距離に対して挿入される。図１９に示すよう
に、改良されたソーラーアレイ１３の構造は、グラファ
イトスキン３２によって包囲されているアルミニウムコ
ア３１を有する基板３０からなる。カプトン絶縁層１９
は、基板３０の上部に配置される。絶縁材料（ＲＴＶ）
２０は、カプトン絶縁層１９と太陽電池１２の底面との
間と、さらに、太陽電池１２間の間隙２３とに、配置さ
れる。カバーガラス１６は、太陽電池１２の露出面をカ
バーする。この方法の開発の間のサンプルソーラーアレ
イ１３のテストは、それが損傷に対する閾値を約２００
Ｖまで増やすことを示した。

【００５３】第３に、図２０に示すように、軌道のアレ
イ１３に対して、並列の３つのＳｉストリング１１と同
様に多数の並列の５つのＧａＡｓストリング１１が存在
して、「回路」を形成する。各回路は、ソーラーアレイ
ドライブアセンブリ（ＳＡＤＡ）スリップリングの各々
を利用し、各スイッチングシャント素子に接続されてい
る（図１参照）。この装置は、放電のために最大３．４
Ａ（Ｓｉ）及び２．６Ａ（ＧａＡｓ）を提供する。

【００５４】今後のＧａＡｓアレイは、個々のストリン
グ１１がＳｉアレイ１３とほぼ同じ電流特性を有するよ
うな、より大きなセル１２を使用する。並列ストリング
１１は、図２０に示すように、未発射の全ての宇宙船１
０においてダイオード２２により分離され、故に、アー
クに利用される最大電流は、ＳｉおよびＧａＡｓパネル
１３の両方に対して１．１Ａになる。これは、ソーラー
アレイ１３の効率の小さな代償として、この論文に記載
されている現象を考慮せずとも、計算された信頼性の相
当の増大という固有の効果を有する。

【００５５】図１８乃至図２０を参照して論議される構
造に関して、詳細を以下に示す。特に、２つの高電圧の
ソーラーアレイ設計を図２１および図２２にそれぞれ示
す。本発明は、高電力レベルで使用に対してソーラーパ
ネル１３を設計する技術を提供する。前述のように、従
来のソーラーパネルは、宇宙環境によって静電放電が生
じた時に例えば７０Ｖよりも大なる電圧で動作して故障
するような電位を有するように設計されている。本発明
によって、７０Ｖを越えるソーラーパネル電圧の使用が
可能になる。本発明の原理によって製作されたソーラー
パネル１３は、静電放電に対して強力である。

【００５６】静電放電に対抗する本発明による第１の回
路構成を、図２１に示す。宇宙船電力システムに対して
使用される太陽電池回路は、シリコン、砒化ガリウム、
マルチバンドギャップセルを含む、全て共通に使用され
る光起電力装置から組み立てられる。図２１に示すよう
に、太陽電池１２は、隣接太陽電池１２が５０Ｖを超え
る電位を有するのを妨ぐパターンに、ソーラーパネル１
３上に配置される。スパイラル相互接続装置が使用され
て、太陽電池１２を１つに直列に接続する。さらに、分
離、すなわちブロックダイオード２２が使用されて、短
絡回路からの逆電流を制限している。

【００５７】図２２を参照する。図２２に、静電放電電
流制限を行う本発明による太陽電池回路構成の一例を示
す。回路が並列に接続されているとき、短絡回路からの
逆電流の防止は、１．５Ａ未満に制限されるべきであ
る。分離、すなわちブロックダイオード２２の使用は、
短絡回路からの逆電流を制限する１つの手段である。図
２２に示す回路構成は、静電放電電流制限を行う。例え
ば、図１９に示すように、ＲＴＶ絶縁材料２０や接着剤
２０等の、太陽電池１２の間に配置された絶縁材料（絶
縁バリア２０）の追加は、１００Ｖを超える電圧に対す
る静電放電からの更なる保護を形成する。

【００５８】このように、静止軌道に配置された宇宙船
に位置するソーラーアレイを静電放電から保護する手段
を含む改良された太陽電池回路構成を開示する。尚、上
記実施例は、本発明の原理の適用を表す多数の特定の実
施例のうちの一部を単に図示するのみである。他の多数
の構成が、当業者によって本発明の請求項を逸脱せずに
容易に導き出されることは、明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により訂正される宇宙船の異常を示す図
である。

【図２】打ち上げからの時間の関数としての宇宙船の障
害率を示す図である。

【図３】カバーガラス抵抗率の関数としての宇宙船の充
電を示す図である。

【図４】カバーガラス抵抗率の関数としてのカバーガラ
スの差充電（differential charging）を示す図であ
る。

【図５】カバーガラス抵抗率を示す図である。

【図６】宇宙船本体からの距離の関数としてのカバーガ
ラス充電電位を示す図である。

【図７】宇宙環境に応答した太陽電池充電を示す図であ
る。

【図８】宇宙船充電によって小アークが太陽電池間の間
隙に発生する様子を説明する図である。

【図９】宇宙船充電アークが、アレイストリング電流お
よび電圧により駆動される維持放電をトリガする様子を
示す図である。

【図１０】内部セル間隙を示すアレイの平面図である。

【図１１】本発明の原理によるセル間の絶縁バリアの使
用を示す図である。

【図１２】本発明をテストするために使用されるテスト
構成を示す図である。

【図１３】障害につながるソーラーアレイ増大放電の例
を示すグラフである。

【図１４】測定されたＧａＡｓクーポン障害閾値を示す
図である。

【図１５】測定されたＳｉクーポン障害閾値を示す図で
ある。

【図１６】本発明の絶縁バリアがインストールされたＧ
ａＡｓクーポン障害閾値を示す図である。

【図１７】本発明の絶縁バリアがインストールされたＳ
ｉクーポン障害閾値を示す図である。

【図１８】セル対セルの電圧が５０Ｖ以下に制限される
本発明の太陽電池構成を示す図である。

【図１９】絶縁バリアが露出したカプトン絶縁体を保護
する様子を説明する図である。

【図２０】各太陽電池ストリングがダイオードによって
分離されてアークに利用される電流を制限する様子を示
す図である。

【図２１】静電放電に対抗する本発明による太陽電池回
路構成を示す図である。

【図２２】静電放電電流を制限する本発明による太陽電
池回路構成を示す図である。

【符号の簡単な説明】

１０宇宙船１１ストリング１２太陽電池１３ソーラーアレイ１６カバーガラス１８基板２０絶縁バリア

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ハワードイー．ポラードアメリカ合衆国カリフォルニア州 95070 サラトガウェリントンコート 19975 (72)発明者マイケルジェイ．マクヴィアメリカ合衆国カリフォルニア州 94303 パロアルトヴァンオーケンサークル 946 (72)発明者ロバートイー．ネフアメリカ合衆国カリフォルニア州 94536 フレモントポートラドライヴ 4664

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、間隙によって互いに分離されている複数の太陽電池と、直列接続された太陽電池間の横断間隙において所定距離
に亘り基板と太陽電池との間に配置されるとともに太陽
電池間の間隙に配置される絶縁バリアと、複数の前記太陽電池の上に配置されてその露出面を被覆
するカバーガラスと、からなることを特徴とするソーラ
ーアレイ。
【請求項２】前記基板は、グラファイトスキンによっ
て包囲されているアルミニウムコア(３１)からなること
を特徴とする請求項１記載のソーラーアレイ。
【請求項３】前記絶縁バリアは、絶縁接着剤からなる
ことを特徴とする請求項１記載のソーラーアレイ。
【請求項４】前記絶縁接着剤は、ＲＴＶ接着剤からな
ることを特徴とする請求項１記載のソーラーアレイ。
【請求項５】複数の前記太陽電池と前記基板との間に
配置される絶縁層を更に有することを特徴とする請求項
１記載のソーラーアレイ。
【請求項６】絶縁層は、カプトン（Kapton）材料から
なることを特徴とする請求項１記載のソーラーアレイ。
【請求項７】前記所定距離は、直列セル間の横断間隙
において少なくとも１０ｍｍであることを特徴とする請
求項１記載のソーラーアレイ。
【請求項８】前記太陽電池は、隣接セル間の電圧が５
０Ｖ以下になるように配線されることを特徴とする請求
項１記載のソーラーアレイ。
【請求項９】前記太陽電池は、スパイラル相互接続パ
ターンに直列に配線されて太陽電池を相互に接続し、隣
接太陽電池が５０Ｖより大なる電圧を有することを防止
することを特徴とする請求項８記載のソーラーアレイ。
【請求項１０】相互に接続された太陽電池の出力の各
々に接続された分離ダイオードの複数をさらに有して、
短絡した太陽電池からの逆電流を制限することを特徴と
する請求項１記載のソーラーアレイ。
【請求項１１】基板と、前記基板に配置された絶縁層と、間隙によって互いに分離されている複数の太陽電池と、直列接続された太陽電池間の横断間隙において所定距離
に亘り、絶縁層と太陽電池との間に配置されるとともに
太陽電池間の間隙に配置される絶縁バリアと、複数の前記太陽電池の上に配置されてその露出面を被覆
するカバーガラスと、からなることを特徴とするソーラ
ーアレイ。
【請求項１２】前記基板は、グラファイトスキンによ
って包囲されているアルミニウムコアからなることを特
徴とする請求項１１記載のソーラーアレイ。
【請求項１３】前記絶縁バリアは、絶縁接着剤からな
ることを特徴とする請求項１１記載のソーラーアレイ。
【請求項１４】前記絶縁接着剤は、ＲＴＶ接着剤から
なることを特徴とする請求項１１記載のソーラーアレ
イ。
【請求項１５】絶縁層は、カプトン材料からなること
を特徴とする請求項１１記載のソーラーアレイ。
【請求項１６】前記所定距離は、直列セル間の横断間
隙において少なくとも１０ｍｍであることを特徴とする
請求項１１記載のソーラーアレイ。
【請求項１７】前記太陽電池は、隣接セル間の電圧が
５０Ｖ以下になるように、配線されていることを特徴と
する請求項１１記載のソーラーアレイ。
【請求項１８】前記太陽電池は、螺旋形の相互接続パ
ターンに配線されて太陽電池を互いに直列に接続し、隣
接太陽電池が５０Ｖより大なる電圧を有することを妨げ
ることを特徴とする請求項１７記載のソーラーアレイ。
【請求項１９】相互に接続された太陽電池の出力の各
々に接続された分離ダイオードの複数をさらに有し、短
絡太陽電池による逆電流を制限することを特徴とする請
求項１１記載のソーラーアレイ。