鄭世貴 閆軍 宮偉偉 (中國(guó)空間技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部)
現(xiàn)代航天器部件種類(lèi)、數(shù)量繁多,包括機(jī)械部件、電子和電氣設(shè)備,其中電子和電氣設(shè)備數(shù)量越來(lái)越多,已遠(yuǎn)超過(guò)機(jī)械部件。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)電子和電氣故障占航天器故障總數(shù)的54%,機(jī)械和熱故障約占航天器故障總數(shù)的27%,軟件故障占航天器故障總數(shù)的12%,其余故障原因不明??臻g環(huán)境是造成衛(wèi)星故障的主要因素之一,包括:太陽(yáng)輻射、宇宙射線、電磁風(fēng)暴和空間碎片。前三種因素主要影響電子和電氣設(shè)備,而空間碎片既能造成機(jī)械故障,也能造成電子和電氣設(shè)備故障。
本文針對(duì)航天器平臺(tái)的典型電氣設(shè)備:功率電纜、數(shù)據(jù)電纜、射頻電纜、太陽(yáng)電池陣、鋰電池在超高速撞擊下的損傷進(jìn)行了梳理,給出了主要失效模式,為航天器的超高速撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防護(hù)設(shè)計(jì)提供支撐。
航天器艙內(nèi)外會(huì)布局有大量功率電纜、數(shù)據(jù)電纜、射頻電纜,以進(jìn)行電力輸送、信號(hào)傳輸。如國(guó)際空間站艙外有幾千米的功率電纜,評(píng)估與減少超高速撞擊導(dǎo)致的功率電纜失效一直是國(guó)際空間站任務(wù)的焦點(diǎn)。
美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)和恩斯特馬赫研究所(EMI)對(duì)電纜開(kāi)展了一系列超高速撞擊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明,電纜短路與開(kāi)路是實(shí)驗(yàn)中最常出現(xiàn)的兩種失效模式,而且短路比開(kāi)路更常出現(xiàn),因?yàn)殡娎|開(kāi)路需要更大的彈丸動(dòng)能;影響撞擊結(jié)果的主要因素不是撞擊角而是撞擊位置。
NASA開(kāi)展了25次功率電纜、97次雙絞數(shù)據(jù)電纜、12次同軸射頻電纜超高速撞擊實(shí)驗(yàn),撞擊角度0?和45?,彈丸為鋁球與鋼球,彈丸直徑1.984~3.57mm,速度5.7~6.9km/s。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)鋁彈丸直徑2.38~3.1785mm且速度6.9km/s時(shí),電纜發(fā)生短路概率高。
NASA功率電纜
同軸射頻電纜
數(shù)據(jù)電纜
EMI對(duì)功率電纜、雙絞數(shù)據(jù)電纜、射頻電纜各開(kāi)展了10次超高速撞擊實(shí)驗(yàn),撞擊角度0°,彈丸直徑1.5~4.0mm,速度6.42~7.70km/s。電纜處于熱控多層(MLI)防護(hù)或MLI+蜂窩板防護(hù)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了短路與開(kāi)路兩種失效模式,與NASA實(shí)驗(yàn)結(jié)論基本一致。
日本針對(duì)先進(jìn)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星(ADEOSII)在軌失效(電纜功率在3min內(nèi)突然從6kW降低到1kW)研究表明,一旦電纜導(dǎo)線裸露,并在導(dǎo)線與導(dǎo)線之間或?qū)Ь€與其他表面之間電位差達(dá)60V時(shí),會(huì)形成持續(xù)放電,導(dǎo)致臨近所有電纜都被燒毀。地面實(shí)驗(yàn)表明,10對(duì)電纜都在30s內(nèi)被燒毀,導(dǎo)致電纜短路或開(kāi)路,與在軌功率損失的遙測(cè)數(shù)據(jù)非常匹配。
針對(duì)我國(guó)衛(wèi)星常用功率電纜的撞擊實(shí)驗(yàn)表明,直徑0.8mm的鋁彈丸在3.172km/s就能切斷導(dǎo)線,形成開(kāi)路,臨近的電纜絕緣層破壞、導(dǎo)線輕微損傷,撞擊瞬間電壓出現(xiàn)很大波動(dòng)(正常電壓6.3V,撞擊波動(dòng)范圍4.5~9.5V)。
我國(guó)某低軌遙感衛(wèi)星太陽(yáng)翼功率電纜遭受撞擊后,供電能力在短時(shí)間內(nèi)逐步散失,地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明功率電纜在遭受撞擊后,形成持續(xù)放電導(dǎo)致整束電纜燒毀,與衛(wèi)星在軌功率損失的遙測(cè)數(shù)據(jù)非常匹配。
綜合超高速撞擊實(shí)驗(yàn)與在軌故障情況,可知功率電纜遭受空間碎片撞擊后存在四類(lèi)失效類(lèi)型:
1)電纜導(dǎo)線被切斷導(dǎo)致的開(kāi)路;
2)電纜火線與零線貫通導(dǎo)致的短路,或?qū)Ь€與接地設(shè)備之間的貫通,接地設(shè)備包括電纜本身的接地防護(hù)或電纜連接的接地結(jié)構(gòu);
3)短路或其他原因引起的電纜持續(xù)放電,放電產(chǎn)生的熱量會(huì)燒毀鄰近電纜的絕緣表層,直到所有電纜都被燒毀;
4)電纜無(wú)機(jī)械損傷,但電壓波動(dòng)超過(guò)一定數(shù)值,如波動(dòng)超過(guò)工作電壓的40%,導(dǎo)致設(shè)備損壞,在設(shè)計(jì)時(shí)增加電路斷路器。
數(shù)據(jù)電纜、射頻電纜遭受空間碎片撞擊后存在兩類(lèi)失效類(lèi)型:
1)電纜導(dǎo)線被切斷導(dǎo)致的開(kāi)路;
2)電纜絕緣層破壞,金屬導(dǎo)線裸露,可能導(dǎo)致短路。
功率電纜、數(shù)據(jù)電纜、射頻電纜典型撞擊實(shí)驗(yàn)
空間碎片撞擊到太陽(yáng)電池陣,不僅有機(jī)械損傷,如電池片與絕緣層的破壞,還有撞擊引起的局部高密度等離子體導(dǎo)致的電損傷。
太陽(yáng)電池陣結(jié)構(gòu)由硅電池片和基板組成,太陽(yáng)電池片上粘貼玻璃蓋片組成疊層太陽(yáng)電池片,以提高抗輻射和抗微小空間碎片撞擊損傷能力;疊層太陽(yáng)電池片經(jīng)串并聯(lián)后組成太陽(yáng)電池電路,并通過(guò)硅膠粘接在基板上。在太陽(yáng)電池片和基板之間粘有一層聚酰亞胺薄膜,起絕緣作用。在太陽(yáng)電池陣的背面敷設(shè)電路引出線,組成了板電纜和板間電纜,通過(guò)電連接器將板間電纜連接,以把電流傳輸進(jìn)入衛(wèi)星。
NASA開(kāi)展的多個(gè)撞擊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了超高速撞擊太陽(yáng)電池陣會(huì)誘發(fā)放電效應(yīng)。NASA把超高速撞擊太陽(yáng)電池陣的放電效應(yīng)分為三個(gè)類(lèi)型:初級(jí)放電、瞬間持續(xù)放電和持續(xù)放電。初級(jí)放電為撞擊過(guò)程中發(fā)生的放電,撞擊結(jié)束放電結(jié)束;瞬間持續(xù)放電為放電電流等于外電路電流的情況至少持續(xù)2μs;持續(xù)放電為撞擊后形成的永久短路通路產(chǎn)生的放電。
瞬間持續(xù)放電和持續(xù)放電的機(jī)理:撞擊穿孔后,撞擊產(chǎn)生的等離子體在電池片與基板間持續(xù)放電。等離子體擴(kuò)散時(shí),進(jìn)入基板的離子相互碰撞,產(chǎn)生了中性氣體與二次電子,此時(shí)基板成為了陰極。由于離子碰撞(取決于一定條件)導(dǎo)致基板局部溫度升高,又發(fā)生了熱電子發(fā)射現(xiàn)象。這些過(guò)程把中性氣體與電弧離子化,導(dǎo)致能不斷產(chǎn)生新的離子與電子,這是撞擊產(chǎn)生的等離子擴(kuò)散結(jié)束后仍能維持電弧存在的原因。如果在絕緣層被熱量碳化之前放電停止,那么該放電被稱(chēng)為瞬間持續(xù)放電,否則就是持久放電。
基于以上認(rèn)識(shí),基板在撞擊點(diǎn)累積的離子電流密度對(duì)持續(xù)放電起著極其重要的作用,實(shí)驗(yàn)表明離子電流密度正比于彈丸動(dòng)能,更高的撞擊速度更易引發(fā)永久持續(xù)放電,但實(shí)驗(yàn)表明,即使撞擊速度為2.1km/s也能引發(fā)永久持續(xù)放電。
初級(jí)放電和瞬間持續(xù)放電引起的太陽(yáng)電池電路故障一般局限于超高速撞擊機(jī)械損傷范圍,即幾個(gè)太陽(yáng)電池片失效;而永久持續(xù)放電則有更大概率燒毀撞擊周?chē)碾娎|、電連接器,從而造成幾個(gè)太陽(yáng)電池電路失效。
鋰電池芯結(jié)構(gòu)由鋁蜂窩板和纖維層組成。鋰電池芯在遭到彈丸撞擊時(shí),受損鋰電池會(huì)發(fā)生熱泄漏,而且可能傳導(dǎo)到鄰近的電池芯,導(dǎo)致鄰近未受損的電池芯也可能過(guò)熱,并發(fā)生熱泄漏。
NASA針對(duì)國(guó)際空間站鋰電池開(kāi)展了5次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)電池芯結(jié)構(gòu)被穿透時(shí),電池芯溫度升高、芯內(nèi)物質(zhì)噴出、某些情況還出現(xiàn)自打火,多數(shù)情況下,鄰近電池芯也出現(xiàn)溫度升高,溫度升高本質(zhì)上會(huì)導(dǎo)致未受損電池芯由于熱泄漏而失效。因此,鋰電池設(shè)計(jì)應(yīng)不允許電池殼穿透,防止電池芯受到撞擊破壞,導(dǎo)致嚴(yán)重后果。
本文梳理了功率電纜、數(shù)據(jù)電纜、射頻電纜、太陽(yáng)電池陣、鋰電池在超高速撞擊下的主要失效模式,其中功率電纜持續(xù)放電導(dǎo)致的整束電纜燒毀、太陽(yáng)電池陣持續(xù)放電導(dǎo)致的電池片大面積燒毀會(huì)對(duì)航天器造成嚴(yán)重后果。航天器設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這兩個(gè)失效模式,研究其發(fā)生條件、作用機(jī)理,采取必要措施減少該失效模式發(fā)生概率。