鮑偉豐，崔新宇，薛梅，鄒世純

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

地面輻照實驗與空間遙測數(shù)據(jù)對比分析

鮑偉豐，崔新宇，薛梅，鄒世純

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

收集、整理了基于地球同步軌道(以下簡稱GEO軌道)運行的中星10號太陽電池陣的在軌遙測數(shù)據(jù)，并與地面輻照實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對，初步摸索出了太陽電池陣在GEO軌道輻照條件下的性能變化趨勢。分析了現(xiàn)有地面輻照實驗方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

GEO軌道；太陽電池陣；遙測；地面輻照實驗；輻照衰降

太陽電池陣是航天器電源系統(tǒng)的重要組成部分，通過光生伏特效應(yīng)將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能，滿足衛(wèi)星平臺及有效載荷功率需求，同時為蓄電池充電，滿足陰影期衛(wèi)星功率需求。我國自行研制的GEO軌道通信衛(wèi)星具有整星功率大、承載能力強、服務(wù)壽命長等特點，位于衛(wèi)星艙外的太陽電池陣在整個壽命期內(nèi)將經(jīng)受GEO軌道空間帶電粒子輻照和紫外輻照等環(huán)境影響，使太陽電池陣的功率輸出能力隨著衛(wèi)星在軌時間的推移而逐漸降低。因此，分析在軌衛(wèi)星太陽電池陣的衰降變化并與現(xiàn)有地面實驗數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對比分析，將對后續(xù)太陽電池產(chǎn)品的耐輻照設(shè)計、考核工作具有很好的指導(dǎo)意義。

本文針對在軌運行的GEO軌道衛(wèi)星開展了三結(jié)砷化鎵太陽電池陣在軌遙測數(shù)據(jù)的收集、整理和分析，并將遙測值與地面輻照實驗前后測試數(shù)據(jù)及分析結(jié)果相比較，據(jù)此對太陽電池陣在軌衰降情況、地面輻照實驗的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行評估。

1 太陽電池陣的主要技術(shù)參數(shù)

各衛(wèi)星太陽電池陣的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

太陽電池陣相關(guān)的在軌遙測參數(shù)如表2所示。

2 在軌遙測數(shù)據(jù)分析

2.1 在軌功率分析

根據(jù)遙測數(shù)據(jù)VN4計算出太陽電池陣的分流級，再依據(jù)南、北太陽翼輸出總電流和分流狀態(tài)，推導(dǎo)出太陽電池陣工作電流，以此計算太陽電池陣輸出到母線的功率值，即：

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式中：Po為太陽電池陣輸出到母線的功率值；Io為太陽翼輸出到母線的電流值。

分流級采用如下公式推導(dǎo)：

式中：VMEA為遙測值VN4；nS3R為處于調(diào)節(jié)狀態(tài)的分流電路序號。

工作電流采用如下公式推導(dǎo)：

式中：ΔI分流-工作為電路分流電流與工作電流的差。

以發(fā)射時間最長的中星10號為例，分析其遙測數(shù)據(jù)，通過計算得到太陽電池陣在軌輸出特性，見表3。

太陽電池陣在軌輸出特性遙測值與預(yù)計值對比結(jié)果如圖1所示。

圖1 中星10號太陽電池陣輸出功率遙測值與預(yù)計值對比曲線圖

對比曲線表明，功率遙測值與預(yù)計值變化趨勢基本一致，表明衛(wèi)星在軌工作狀態(tài)良好，太陽電池陣輸出穩(wěn)定。

2.2 輸出性能變化趨勢分析

衛(wèi)星在軌運行期間，空間輻照環(huán)境會造成太陽電池陣的電性能衰降，表現(xiàn)在遙測數(shù)據(jù)上即為輸出電流呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。

通過對遙測數(shù)據(jù)VN1和VN4進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：衛(wèi)星在軌運行期間，太陽電池陣分流級變動不大，母線電壓保持穩(wěn)定，因此可以用太陽翼輸出電流的變化情況表征太陽電池陣電性能衰降情況，結(jié)果列入表4。

觀察表中太陽電池電路的輸出電流變化率和變化趨勢表明，太陽電池陣在軌初期的性能衰降較為明顯，特別是前兩年，性能衰降約為每年2%～3%，而后明顯趨于平緩，數(shù)據(jù)顯示，第3年較第2年衰降只有大約1%左右。

分析初期性能衰降較明顯的原因，主要是由于空間輻照環(huán)境以及太陽電池輻照衰降規(guī)律的影響，其中紫外輻照環(huán)境會造成太陽電池蓋片及其膠粘劑的透光率下降，從而導(dǎo)致了太陽電池輸出電流的降低，但這種對透光率的影響在初期一經(jīng)形成，后期便不會繼續(xù)加劇，將基本只受到粒子輻照的影響；而三結(jié)砷化鎵太陽電池的粒子輻照衰降也是呈現(xiàn)初期大后期小的規(guī)律。故太陽電池的衰降變化會逐漸趨緩。

圖2顯示了中星10號衛(wèi)星太陽電池陣在軌輸出電流的變化趨勢。

圖2 南北太陽翼輸出總電流變化趨勢圖

3 地面實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 地面實驗原理

電子對電池的穿透本領(lǐng)遠(yuǎn)大于質(zhì)子的穿透本領(lǐng)。同質(zhì)子一樣，如果只考慮一種復(fù)合中心，且處于能隙中心，少數(shù)載流子的壽命與電子劑量的關(guān)系為:

式中：Ke為電子輻照少數(shù)載流子壽命的退化常數(shù)，由實驗確定。

少數(shù)載流子的擴散長度與電子劑量有類似式(4)的關(guān)系，只是損傷系數(shù)不同。

電子輻照引起太陽電池性能的損傷與劑量有一定的關(guān)系，對GaAs太陽電池這一關(guān)系可表達(dá)為：

式中：R為電池輻照后的短路電流、開路電壓或最大輸出功率與輻照前的相應(yīng)量之比；α和β是跟材料有關(guān)的兩個常量。

影響太陽電池效率的主要因素是電池工作時的少數(shù)載流子的復(fù)合壽命t(ms)及其擴散長度L(mm)。當(dāng)載流子壽命和擴散長度改變時，電池的輸出性能也跟著發(fā)生變化，載流子壽命和擴散長度是電池性能改變的內(nèi)因。在入射波長范圍一定的條件下，少數(shù)載流子的壽命越長，擴散長度越大，其復(fù)合前生存的時間和擴散的距離就越大，電池的效率就越高，性能越好。

對不同研究階段的太陽電池進(jìn)行電子輻射實驗是太陽電池分析抗輻射性能的基本方法，在實驗中使用電子槍作為電子源，通過控制束流和實驗時間來控制輻照劑量。實驗前后通過對電池進(jìn)行電性能測試和光譜測試，分別得到砷化鎵太陽電池電性能及各結(jié)層的衰降情況。

3.2 地面實驗數(shù)據(jù)

針對太陽電池的耐輻照性能，除進(jìn)行研究性的電子及質(zhì)子輻照之外，每個生產(chǎn)批次的電池，均進(jìn)行質(zhì)量一致性檢驗，檢驗內(nèi)容中就包括電子輻照實驗。中星10號為我國首顆發(fā)射的采用批產(chǎn)三結(jié)砷化鎵太陽電池的大功率、大面積太陽電池陣，其采用的三結(jié)砷化鎵太陽電池批次進(jìn)行了詳細(xì)的地面輻照實驗。實驗結(jié)果見表5。

典型能級輻照前后I-V曲線對比：

(1)1 MeV電子3.0×1013

圖3為1 MeV電子3.0×1013輻照前后I-V特性對比圖。

圖3 1MeV電子3.0×1013輻照前后I-V特性對比圖

(2)1 MeV電子1.0×1014

圖4為1 MeV電子1.0×1014輻照前后I-V特性對比圖。

(3)1 MeV電子5.0×1014

圖5為1 MeV電子5.0×1014輻照前后I-V特性對比圖。

(4)1 MeV電子1.0×1015

圖6為1 MeV電子1.0×1015輻照前后I-V特性對比圖。

圖4 1MeV電子1.0×1014輻照前后I-V特性對比圖

圖5 1MeV電子5.0×1014輻照前后I-V特性對比圖

圖6 1MeV電子1.0×1015輻照前后I-V特性對比圖

(5)1 MeV電子3.0×1015

圖7為1 MeV電子3.0×1015輻照前后I-V特性對比圖。

圖7 1MeV電子3.0×1015輻照前后I-V特性對比圖

典型能級輻照前后量子效率圖如圖8所示。

圖8 1MeV電子輻照實驗后量子效率數(shù)據(jù)

三結(jié)砷化鎵太陽電池輻射衰減理論分析和輻射實驗結(jié)果表明，中間電池抗輻射性能是決定整體電池抗輻射性能的主要因素。三結(jié)砷化鎵太陽電池輻射前，電流受頂電池即GaInP2電池的限制，輻射后的電流受中間電池GaAs電池的限制，而頂電池的抗輻射性能明顯優(yōu)于中間電池，因此太陽電池中間電池電流在輻照前后的變化率可反映完整電池的抗輻照能力。

4 數(shù)據(jù)對比分析

將地面測試數(shù)據(jù)取通常使用的等效1 MeV的測試數(shù)據(jù)，刨除峰年等影響，可以均勻擬合成一條曲線，顯示出在壽命期內(nèi)不同時間的太陽電池輻照衰降情況(圖9)。

圖9 地面實驗預(yù)計15年壽命太陽電池陣功率衰降曲線

將中星10號遙測下來的數(shù)據(jù)進(jìn)行衰降分析，得到不同時間的衰降數(shù)據(jù)，并將衰降數(shù)據(jù)擬合成一條衰降曲線(圖10)。

將地面遙測的中星10號的數(shù)據(jù)擬合的曲線與地面實驗得到的輻照曲線進(jìn)行對比，可以看出二者非常接近，充分證明了地面實驗的準(zhǔn)確性和有效性。而遙測數(shù)據(jù)普遍在地面遙測擬合曲線之上，更驗證了地面實驗的可靠性。

5 結(jié)論

地面實驗得到的衰降數(shù)據(jù)，與空間遙測數(shù)據(jù)相比(圖11)，非常接近，刨除1%的紫外輻照衰降，還留有一定的余量，證明了現(xiàn)在采用的地面模擬實驗方法是準(zhǔn)確、有效以及可靠的?？梢杂脕韺θY(jié)砷化鎵太陽電池進(jìn)行空間粒子輻照衰降分析及預(yù)計[1-2]。

圖10 中星10號太陽電池陣在軌衰降曲線

圖11 遙測衰降曲線地面實驗衰降曲線對比

[1]漢斯·S·勞申巴赫.太陽電池陣設(shè)計手冊[M].張金熹，廖春發(fā)，傅德棣，等譯.北京.宇航出版社，1987.

[2]穆肯德·R·帕特爾.航天器電源系統(tǒng)[M].韓波，陳琦，崔曉婷，譯.北京：中國宇航出版社，2010.

Analysis of ground irradiation test result and space remote sensing data

BAO Wei-feng,CUI Xin-yu,XUE Mei,ZOU Shi-chun
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

The remote sensing data of the solar array on geosynchronous orbit(GEO)was collected.The data was compared with ground irradiation test result.The variation tendency of the solar array under GEO irradiation condition was groped,and the accuracy and reliability of the ground irradiation testing method were analyzed.

GEO orbit;solar array;remote sensing,ground irradiation test;irradiation decline

TM 914

A

1002-087 X(2016)08-1653-04

2016-03-08

鮑偉豐(1990—)，男，天津市人，學(xué)士，主要研究方向為太陽電池。