王文強，仇恒抗，程 晨，陳達興，楊洪東，王訓春

(1.上海空間電源研究所·上?！?00245；2.中國科學院通用光學定標與表征技術重點實驗室·合肥·230031)

0 引 言

深空探測器電源分系統(tǒng)供電設備可以分為太陽電池電路和同位素電源兩種，美國鳳凰號及觀察者號火星著陸器、火星大氣與揮發(fā)演化探測器、日本隼鳥號小行星探測器均選用了太陽電池電路供電；美國伽利略號木星探測器、旅行者號探測器均選擇了同位素核電源供電。一方面，我國高效多結砷化鎵太陽電池被廣泛應用，有著長期在軌服役經(jīng)驗，但其需機械太陽翼作為支撐，總質(zhì)量較大，同時，在深空探測中，距離太陽越遠發(fā)電越少；另一方面，同位素電源質(zhì)量較小，發(fā)電功率隨軌道變化較小，國際上應用較為成熟，但國內(nèi)原料受限、溫差發(fā)電器件成熟度較低，成本遠高于太陽電池陣，產(chǎn)品在軌應用相對較少[1]。綜合國內(nèi)外資料可知，在木星探測距離內(nèi)選擇太陽電池電路作為深空探測主能源具有較高的工程應用價值。

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國現(xiàn)階段形成了以GJB 2602、GJB 7392等為代表的標準規(guī)范，以指導空間太陽電池電路及太陽電池單片產(chǎn)品的設計。但是通過對比深空探測用太陽電池電路與一般地球衛(wèi)星太陽電池電路任務剖面發(fā)現(xiàn)，深空探測環(huán)境與常規(guī)地球軌道環(huán)境差異較大，需要面臨特殊的在軌服役環(huán)境。以木星探測用太陽電池電路為例，其在軌發(fā)電低溫可達約-130℃，遠超出了常規(guī)近地軌道(Low Earth Orbit, LEO)約80℃～90℃的發(fā)電溫度范圍。故本文結合下一步深空探測需求，通過梳理深空探測在軌服役環(huán)境，結合工程經(jīng)驗，分析了深空探測用太陽電池電路的關鍵技術，為相關產(chǎn)品研制隊伍提供了參考。

1 深空探測環(huán)境

深空探測工程按照探測目標可以分為月球探測、火星探測及木星探測等，不同探測目標在軌環(huán)境差異較大，分別介紹如下。

(1)月球表面探測環(huán)境

月球沒有大氣層，月面光照條件以月晝、月夜發(fā)生周期性變化，一個周期約29天，月表溫度變化劇烈。月面工作用太陽電池電路在軌環(huán)境的突出特點為由極端溫度造成的冷熱沖擊次數(shù)少，溫度范圍極大，其中月晝期在軌發(fā)電工作高溫可達+100℃以上，其月夜期不工作進入存儲，低溫可低至-190℃。

即月面工作用太陽電池電路需承受極端低溫貯存條件，并且需經(jīng)長期貯存后喚醒高溫工作。

圖1 嫦娥三號探測器

(2)火星探測環(huán)境

①火星環(huán)繞探測環(huán)境

在火星環(huán)繞探測工程中，探測器與運載分離入軌后，需經(jīng)過約7個月的長時間飛行，隨后進入環(huán)火軌道。在整個飛行過程中，探測器距離太陽越來越遠，光照強度越來越低，太陽翼溫度越來越低。

在地球端，太陽光照強度約1353(W/m2)，此時太陽電池工作溫度較高，約+80℃～+90℃；在火星端，太陽光照強度約為490～717(W/m2)，此時太陽電池工作溫度較高，約為±30℃。

即火星環(huán)繞探測用太陽電池電路需在較低的光照強度下工作。

圖2 火星大氣與揮發(fā)演化(MAVEN)探測器

②火星表面探測環(huán)境

火星表面存在大氣，大氣比地球大氣稀薄得多，火星表面的大氣壓約為5.6mbar，主要成分是CO2，大氣有季節(jié)性變化?；鹦潜砻娲髿庵写嬖诖罅繅m埃，大氣塵埃一般小于60μm，無塵暴時大氣塵埃密度約為1.8×10-7(kg/m3)，有塵暴時大氣塵埃密度約為7×10-5(kg/m3)[2-3]。

火星表面大氣中的CO2、塵埃的存在導致太陽光在通過火星表面大氣后造成火星表面光譜與地球軌道空間中AM0光譜存在明顯區(qū)別?；鹦潜砻婀庾V短波減少，中長波增加，進而造成現(xiàn)廣泛應用的典型空間用AM0光譜三結砷化鎵太陽電池頂電池、中電池電流失配增加，太陽電池效率降低[4]。

即火面工作用太陽電池電路需在火星表面光譜、火星塵埃的復雜條件下工作。

圖3 鳳凰號探測器太陽翼

(3)木星探測環(huán)境

在木星環(huán)繞探測工程中，探測器距離太陽距離高達5.2AU，光照強度僅為約50(W/m2)[5]，太陽電池在軌發(fā)電工作溫度低至約-130℃。

木星探測環(huán)境的輻射強度遠超出一般地球軌道衛(wèi)星，一般認為地球軌道電子最高能量小于10MeV，而木星軌道電子最高能量可達1GeV[6-7]。

即木星環(huán)繞探測用太陽電池電路需在低溫低光強、高輻射環(huán)境下工作。

圖4 朱諾號探測器

2 不同探測任務關鍵技術分析

(1)月球表面探測關鍵技術分析

月面工作用太陽電池電路設計有低溫環(huán)境適應性設計及地面環(huán)境試驗驗證共兩項關鍵技術，具體分析如下：

① 低溫環(huán)境適應性設計

在進行產(chǎn)品設計時，考慮到極端空間環(huán)境及材料的可獲得性，月面工作用太陽電池電路替換了地球軌道衛(wèi)星常用的黏接劑，使用了具有低脆性轉變溫度(約-110℃)、低真空放氣性能(TML約0.2%～0.3%，)、低熱膨脹系數(shù)(-180℃約-7.5×10-15K-1)[8]的由國產(chǎn)科學院化學研究所研制的新型硅橡膠黏接劑，用于太陽電池與太陽翼基板聚酰亞胺薄膜之間的粘貼。

典型鉛錫共晶焊料在-196℃低溫環(huán)境下被貯存后，焊點界面金屬間化合物(簡稱IMC)生長更快，IMC總厚度增加，造成焊點剪切力逐漸下降；隨著極端溫度冷熱沖擊次數(shù)的增加，焊點拉伸強度逐漸下降[9]。在進行產(chǎn)品設計時，月面工作用太陽電池電路采用了較為新型的電阻焊接工藝替代了傳統(tǒng)的錫焊工藝，通過施加壓力、電壓，在不需要鉛錫焊料的情況下實現(xiàn)導線或元器件管腳的焊接，避免了焊料在極端環(huán)境下的可靠性問題。

② 低溫環(huán)境適應性地面環(huán)境試驗驗證

在工程實施過程中，按照飛行件產(chǎn)品采用的材料、工藝制作了太陽電池電路地面環(huán)境試驗件，采用液氮降溫、烘箱升溫，覆蓋了低溫-190℃、高溫+100℃的極端工作溫度范圍，通過了全任務周期的地面冷熱沖擊試驗。

目前我國探月二期工程月面、月背的著陸與巡視任務均獲得圓滿成功，太陽電池電路工作正常，進一步說明了太陽電池電路低溫環(huán)境適應性設計的正確性，以及地面環(huán)境試驗驗證的有效性。

(2)火星探測關鍵技術分析

①火星環(huán)繞探測關鍵技術分析

在火星環(huán)繞探測任務中，太陽電池電路需在較低的光照強度下工作，故可以參考GB/T 6494《航天用太陽電池電性能測試方法》、GB/T 6496《航天用太陽電池標定方法》進行地面測試工作，具體如下：以微分光譜響應法為基礎對標準電池短路電流進行計量標定，以標準電池為基礎調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)小太陽模擬器產(chǎn)生的地面模擬光源各波段光譜，隨后對砷化鎵太陽電池進行低光強下電性能測試。

國外ISRO等[10]采用空間用AM0光譜砷化鎵太陽電池進行了低光強測試，在火星軌道約0.38AM0(約514W/m2)的光照強度下未發(fā)現(xiàn)異常情況，驗證了將地球軌道AM0光譜砷化鎵太陽電池用于火星環(huán)繞任務的可行性。

②火星表面探測關鍵技術分析

火星表面探測用太陽電池電路設計有光譜、太陽電池及除塵共三項關鍵技術，具體分析如下：

(a)火星表面光譜獲得

火星表面大氣狀況隨季節(jié)、緯度等變化，狀態(tài)復雜?；鹦谴髿鈹?shù)據(jù)庫主要有NASA的火星全球參考大氣模型(Mars Global Reference Atmospheric Model, Mars-GRAM)和歐洲的火星氣候數(shù)據(jù)庫(Mars Climate Database, MCD)。Mars-GRAM和MCD包含了大氣密度、溫度、壓強等多項大氣參數(shù)，是目前能夠比較精確、全面地反映火星大氣特性的數(shù)據(jù)庫。然而由于數(shù)據(jù)龐大，調(diào)用過程繁瑣，耗時長，此類數(shù)據(jù)庫不適用于實時仿真。由此可知，需要以Mars-GRAM或MCD數(shù)據(jù)庫為基礎，建立火星表面大氣模式簡化模型，通過簡化模型對火星表面大氣進行快速計算。在得到火星表面大氣模式簡化模型后，太陽光在火星表面直射及多次散射的過程可以通過蒙特卡羅方法建立三維輻射傳輸模型、模擬光子傳輸過程進行解決。同時需要注意的是，為了加快計算速度，在蒙特卡羅方法模擬過程中，需采用輪盤對賭等技術加快收斂速度。

(b)火星光譜太陽電池設計

由于火星表面光譜隨大氣狀態(tài)變化，為解決典型空間用AM0光譜三結砷化鎵太陽電池在火星光譜下出現(xiàn)的效率下降問題[4]，首先需根據(jù)火星表面著陸巡視任務的具體要求，明確火星表面科學任務的經(jīng)緯度、光學厚度等基本條件，采用火星光譜計算模型明確火星光譜。以火星光譜為基礎，根據(jù)現(xiàn)有的砷化鎵太陽電池技術，調(diào)整頂電池、中電池對于火星光譜的響應，使得各子結電流輸出更加匹配，獲得砷化鎵太陽電池更高的火星光譜光電轉換效率。

(c)火星表面除塵技術

火星表面大氣中存在大量塵埃，隨著時間積累，塵埃降落在探測器太陽電池或光學器件，造成不良影響。現(xiàn)階段的除塵技術主要分為被動除塵和主動除塵兩大類。其中被動除塵包含風吹、表面涂層等，主動除塵包含電簾、機械振動等，分別介紹如下。

火星表面一般風速僅為5～15(m/s)，而火星表面塵埃100μm粒徑的啟動風速需達到30(m/s)[11]，故一般僅在風暴后探測器表面塵埃會有明顯變化。科學院硅酸鹽研究所通過制備超微結構的納米晶復合涂層,降低了火星環(huán)境中灰塵顆粒在玻璃表面的黏附，通過翻轉清除了大量樣品表面灰塵，恢復了太陽電池的發(fā)電能力[12],可以作為火星表面被動除塵技術的備選方案。

我國清華大學[13-14]等單位對火星灰塵在電簾技術下的表現(xiàn)進行了研究，試驗說明電壓對塵埃顆粒宏觀輸運影響較大，電壓越高清除率越高，頻率選擇75Hz～120Hz比較合適；地面光伏組件[15-17]采用壓縮空氣、機械臂等技術用于清除火星探測器太陽電池等裝置上累積的塵埃，所用電氣、機械設備體積大，質(zhì)量大，對供電要求高。

通過以上分析可知，在火星表面著陸巡視任務中采用涂層或電簾作為除塵技術的可行性較高。

(3)木星探測關鍵技術分析

木星環(huán)繞探測用太陽電池電路設計有低溫低光強測試及抗輻射設計共兩項關鍵技術，具體分析如下：

① 太陽電池低溫低光強測試

NASA及加州理工學院等機構研究了太陽電池在低溫低光強下的性能表現(xiàn)[18～22]，其結果并不完全相同。一方面，Paul Stella等人發(fā)現(xiàn)從1AU到5AU，隨著距離增加，光強變?nèi)酰瑴囟茸兊?，效率逐漸增加；另一方面，Dave Scheiman等人發(fā)現(xiàn)，三結砷化鎵太陽電池在低溫低光強下的填充因子降低的異常情況可能與光強變化密切相關。

由此可知，現(xiàn)階段空間常用的AM0光譜三結砷化鎵太陽電池I-V曲線在低溫低光強下(如木星探測光強為50(W/m2)，溫度為-130℃)可能由于子電池或隧穿結等電池設計或制造缺陷原因造成效率異常降低，對探測任務的順利完成具有較大影響，有待進一步對其開展分析工作。

② 抗輻射設計

以朱諾號木星探測器為例，其在軌33圈總輻射劑量已高達1.32×15e/cm2[5]，但是仍遠高于一般地球軌道衛(wèi)星3～5年在軌輻射總劑量(約1×14e/cm2)。這直接造成了現(xiàn)有的砷化鎵太陽電池壽命末期在軌效率衰降，輸出電流衰降可超過10%；故可以考慮使用更厚的抗輻射玻璃蓋片粘貼在太陽電池上，以降低強輻射劑量對太陽電池的損傷[23]。

在太陽電池結構方面，磷化錮太陽電池抗輻射能力強，但其光電轉換效率較低，襯底昂貴、機械強度低、質(zhì)量密度大，距離工程應用尚有距離；砷化鎵太陽電池抗輻射能力較弱，但是考慮到現(xiàn)階段在軌使用的效率30%晶格匹配砷化鎵太陽電池、在研的效率32%晶格失配砷化鎵太陽電池抗輻射性能差異并不顯著[23]，可以考慮在工程上采用效率32%晶格失配砷化鎵太陽電池進行方案設計。

故木星環(huán)繞探測任務總體需優(yōu)化木星探測軌道設計，降低對星上電子設備及太陽電池等單機的輻射影響；太陽電池電路需根據(jù)在軌情況選用厚度更厚的抗輻射玻璃蓋片、更高效率的砷化鎵太陽電池，根據(jù)環(huán)境條件輸入完成高輻射劑量下的太陽電池抗輻射性能摸底測試工作。

3 地面測試設備分析

目前我國多將空間用AM0光譜太陽電池用于地球軌道或月面環(huán)境，采用AM0光譜穩(wěn)態(tài)小太陽模擬器、AM0光譜瞬態(tài)大太陽模擬器對太陽電池單片及整板進行功率測試。通過對以上深空探測太陽電池電路關鍵技術分析可知，我國更遠距離的后續(xù)探測任務可能采用新型太陽電池以適應新的環(huán)境條件，或采用常規(guī)的AM0光譜太陽電池在特殊的環(huán)境條件下工作。這均對現(xiàn)階段常用的功率測試技術提出了新的要求與挑戰(zhàn)。本章節(jié)對火星及木星探測地面功率測試設備及相關技術進行了分析。

(1)火星探測功率測試分析

火星環(huán)繞任務太陽電池電路可以對空間用AM0單片太陽電池在低光強下的性能表現(xiàn)進行摸底，隨后對批產(chǎn)太陽電池進行篩選，剔除性能較差的太陽電池。完成太陽電池整板研制后，參考黎明號探測器[22]在室溫25℃下進行低光強(如500(W/m2))整板輸出功率測試；或在進行AM0光強整板輸出功率測試后計算相應低光強條件下的整板輸出功率。

火星著陸巡視任務太陽電池電路需要根據(jù)在軌具體光譜條件設計標準太陽電池、火星光譜穩(wěn)態(tài)小太陽模擬器、火星光譜瞬態(tài)大太陽模擬器，分別按照GB/T 6496《航天用太陽電池標定方法》、JJF 1615《太陽模擬器校準規(guī)范》等標準完成標準電池、太陽模擬器計量，隨后按照GB/T 6494《航天用太陽電池電性能測試方法》對單片太陽電池、整板太陽電池電路進行測試；由于火星光譜瞬態(tài)大太陽模擬器研制難度大，成本高，周期長，在工程研制過程中以串聯(lián)電流相同、并聯(lián)電壓相同、太陽電池及元器件溫度/特性曲線不變?yōu)榍疤?，以插值法為工具，建立通用的整板功率計算模型。具體流程實施以下圖為例，采用AM0光譜單片太陽電池測試數(shù)據(jù)，結合串聯(lián)工藝等效阻值計算單串輸出數(shù)據(jù)，以各單串計算輸出數(shù)據(jù)，結合并聯(lián)工藝等效阻值及元器件電參數(shù)、組合損失因子等計算多條并聯(lián)的整板太陽電池輸出數(shù)據(jù)，進一步以實測的整板太陽電池輸出數(shù)據(jù)驗證通用的整板功率計算模型的正確性，最后采用火星光譜單片太陽電池數(shù)據(jù)代入通用的整板功率計算模型計算火星光譜整板輸出性能，以規(guī)避火星光譜瞬態(tài)大太陽模擬器設備的研制風險。

圖5 太陽電池板功率計算流程

(2)木星探測功率測試分析

木星環(huán)繞探測用太陽電池在軌工作環(huán)境條件與一般衛(wèi)星差異過大，需長期在光強50(W/m2)、溫度-130℃條件下服役。故需重新設計現(xiàn)有的AM0穩(wěn)態(tài)小太陽模擬器供電系統(tǒng)、光學系統(tǒng)及真空測試系統(tǒng)，通過更換透鏡、調(diào)整距離等方式降低光學強度，通過新增低溫真空系統(tǒng)實現(xiàn)低溫測試條件并解決水蒸氣低溫結霜問題。此低溫低光強穩(wěn)態(tài)小太陽模擬器研制涉及光學、電氣、低溫及真空等多學科，少有文獻報道，國內(nèi)研究基礎薄弱，研制難度較大；低溫低光強瞬態(tài)大太陽模擬器研制難度更大，可以采用單片太陽電池性能測試數(shù)據(jù)輸入通用的整板功率計算模型，結合串聯(lián)、并聯(lián)工藝等效阻值及元器件電參數(shù)、組合損失因子數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算獲得整板輸出功率。

4 結 論

本文通過月球、火星及木星探測太陽電池電路任務剖面環(huán)境分析，分析了不同任務目標下太陽電池電路的關鍵技術；結合工程研制經(jīng)驗，結合任務需求，說明了火星環(huán)繞及著陸巡視任務、木星探測任務太陽電池功率測試技術，指出了后續(xù)木星探測亟需低溫低光強穩(wěn)態(tài)小太陽模擬器的現(xiàn)狀，為我國深空探測領域工程技術人員提供了參考。