姜東升，杜 紅，付林春，王 磊，楊 東

(1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；2.北京空間科技信息研究所，北京 100086)

太陽(yáng)電池陣是衛(wèi)星供配電系統(tǒng)的重要單機(jī)，負(fù)責(zé)將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為電能，是衛(wèi)星供配電系統(tǒng)安全、可靠供電的首要環(huán)節(jié)。太陽(yáng)電池陣由結(jié)構(gòu)部分、機(jī)構(gòu)部分和太陽(yáng)電池電路組成，是機(jī)電合一的復(fù)雜產(chǎn)品[1]。太陽(yáng)電池陣的研制過(guò)程需要通過(guò)電學(xué)的、力學(xué)的和熱學(xué)的試驗(yàn)對(duì)其技術(shù)條件、材料、生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試、檢驗(yàn)和試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)2000 年1月至2012 年9 月期間79 顆在軌衛(wèi)星發(fā)生的114 次太陽(yáng)電池陣故障事件進(jìn)行了分類(lèi)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合我國(guó)衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)及制造工藝技術(shù)，提出了加強(qiáng)出廠前的測(cè)試和試驗(yàn)驗(yàn)證[2]。

本文對(duì)衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣研制標(biāo)準(zhǔn)及其驗(yàn)證試驗(yàn)開(kāi)展研究，對(duì)國(guó)外衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣在研制階段完成的測(cè)試和試驗(yàn)進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究太陽(yáng)電池片的生產(chǎn)、鑒定測(cè)試和試驗(yàn)；太陽(yáng)電池板的生產(chǎn)和鑒定過(guò)程中完成的測(cè)試和試驗(yàn)；同時(shí)，對(duì)太陽(yáng)電池板裝配成翼后進(jìn)行的測(cè)試和試驗(yàn)驗(yàn)證體系進(jìn)行調(diào)研與分析研究，與國(guó)內(nèi)衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣研制過(guò)程的各項(xiàng)試驗(yàn)開(kāi)展對(duì)比分析，為后續(xù)太陽(yáng)電池陣的研制過(guò)程試驗(yàn)提供參考[3]。

1 國(guó)外衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣研制標(biāo)準(zhǔn)調(diào)研

針對(duì)美國(guó)AIAA(美國(guó)航空航天學(xué)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)，歐洲ESA 的ECSS(歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織)標(biāo)準(zhǔn)和日本JAXA(日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu))標(biāo)準(zhǔn)中與衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣研制相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)研和分析。

1.1 美國(guó)AIAA 太陽(yáng)電池陣研制標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)(American Institute of Aeronautics and Astronautics,AIAA)于1963 年由美國(guó)火箭學(xué)會(huì)和美國(guó)宇航科學(xué)學(xué)會(huì)合并而成。發(fā)展至今，AIAA 已經(jīng)是全球最大的致力于航空、航天、國(guó)防領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展的專(zhuān)業(yè)性非政府、非贏利的學(xué)會(huì)。AIAA 是ISO/TC20/SC14 秘書(shū)處，同時(shí)是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(ANSI)所認(rèn)定機(jī)構(gòu)。

AIAA 在國(guó)際航天標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)中有舉足輕重的地位，它與ECSS 共同主導(dǎo)了國(guó)際航天標(biāo)準(zhǔn)化的“潮流”。AIAA 標(biāo)準(zhǔn)體系的結(jié)構(gòu)按照專(zhuān)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域劃分，包括：航天學(xué)類(lèi)、工程與技術(shù)管理類(lèi)、信息與綜合后勤保障類(lèi)、宇航與導(dǎo)彈系統(tǒng)類(lèi)、推進(jìn)與發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)以及結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)類(lèi)，共6 個(gè)專(zhuān)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，又進(jìn)一步細(xì)分為26 個(gè)分技術(shù)委員會(huì)，如圖1 所示。

圖1 AIAA分技術(shù)委員會(huì)構(gòu)成

目前可查詢(xún)到AIAA 標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目76 項(xiàng)，其中與太陽(yáng)電池陣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參見(jiàn)表1。這些標(biāo)準(zhǔn)主要分為以下四類(lèi)，即指南G(guide)、標(biāo)準(zhǔn)S(standard)、推薦性操作規(guī)程R(recommended practice)和專(zhuān)門(mén)課題SP(special project)。

表1 AIAA與太陽(yáng)電池陣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1.2 歐洲ECSS 太陽(yáng)電池陣研制標(biāo)準(zhǔn)

歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織(European Cooperation for Space Standardization，ECSS)標(biāo)準(zhǔn)體系分為空間項(xiàng)目管理、空間產(chǎn)品保證、空間工程和空間可持續(xù)四個(gè)子體系。通過(guò)對(duì)歐洲ESA 的ECSS 產(chǎn)品保證標(biāo)準(zhǔn)體系調(diào)研分析和ESA 的相關(guān)文獻(xiàn)可以看出，ECSS 標(biāo)準(zhǔn)體系是自頂向下實(shí)施的結(jié)構(gòu)，建立頂層指導(dǎo)性規(guī)范后，建立工程的頂層規(guī)范文件，然后建立2 級(jí)和3 級(jí)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)和工程活動(dòng)的方法、程序和工具。以ESA 太陽(yáng)電池陣產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系為例，如圖2。

圖2 ESA與太陽(yáng)電池陣相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系

對(duì)于太陽(yáng)電池陣產(chǎn)品來(lái)說(shuō)1 級(jí)文件為電源與供配電系統(tǒng)的指導(dǎo)性規(guī)范文件，描述產(chǎn)品保證、工程的方針和原則、要求和包含的內(nèi)容；根據(jù)太陽(yáng)電池陣的組成結(jié)構(gòu)，2 級(jí)劃分為結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)和太陽(yáng)光伏組件規(guī)范，描述太陽(yáng)電池陣產(chǎn)品或工程中各活動(dòng)的要求和作用；3 級(jí)設(shè)定為太陽(yáng)電池組件規(guī)范，下面包括具體的蓋片玻璃、裸電池、保護(hù)二極管產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)活動(dòng)的方法、程序和工具。表2 為ECSS 與太陽(yáng)電池陣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 ECSS與太陽(yáng)電池陣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 日本JAXA 太陽(yáng)電池陣研制標(biāo)準(zhǔn)

日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA)成立于2003 年10 月，是在原宇宙開(kāi)發(fā)事業(yè)團(tuán)(NASDA)、航空宇宙技術(shù)研究所(NAL)和宇宙科學(xué)研究所(ISAS)基礎(chǔ)上合并而來(lái)，其主要人員也來(lái)自這三個(gè)機(jī)構(gòu)。JAXA 的標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)工作由JAXA 下設(shè)的安全和任務(wù)保證部(S&MA)負(fù)責(zé)。JAXA 編制和使用的標(biāo)準(zhǔn)主要包括JMR(管理要求)和JERG(工程要求及指南)兩類(lèi)。JERG包含4 個(gè)系列，分別是：JERG-0(產(chǎn)品保證標(biāo)準(zhǔn))、JERG-1(工程標(biāo)準(zhǔn))、JERG-2(航天器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn))、JERG-3(地面設(shè)備標(biāo)準(zhǔn))。截至2018 年，JAXA 對(duì)外公布的有效技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)共28 項(xiàng)，其中與衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。JAXA 還專(zhuān)門(mén)建立了層級(jí)結(jié)構(gòu)清晰的標(biāo)準(zhǔn)體系，具體如圖3 所示。

表3 JAXA與太陽(yáng)電池陣相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)

圖3 JAXA航天器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系

2 國(guó)外衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣試驗(yàn)驗(yàn)證體系分析

2.1 美國(guó)AIAA 太陽(yáng)電池陣試驗(yàn)驗(yàn)證體系分析

從2005 年開(kāi)始，為了提高衛(wèi)星供配電的可靠性，AIAA 陸續(xù)發(fā)布了一系列空間電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)、太陽(yáng)電池陣方面的AIAA 標(biāo)準(zhǔn)，其中包括：AIAA S-111A-2014《空間太陽(yáng)電池鑒定和質(zhì)量要求》[4]、AIAA S-112A-2013《空間太陽(yáng)電池板鑒定和質(zhì)量要求》[5]、AIAA S-122-2007《無(wú)人航天器電源系統(tǒng)》[6]。

AIAA S-111A-2014 規(guī)定了空間用硅太陽(yáng)電池、單結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池、三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的質(zhì)量和鑒定要求，包括太陽(yáng)電池的性能要求和對(duì)太陽(yáng)電池生產(chǎn)商的質(zhì)量保證要求。AIAA S-112A-2013 規(guī)定了太陽(yáng)電池板的質(zhì)量要求和鑒定要求，包括太陽(yáng)電池板的性能要求和對(duì)太陽(yáng)電池板制造商的質(zhì)量保證要求。

2.1.1 AIAA S-111A-2014 太陽(yáng)電池片鑒定要求

AIAA S-111A-2014《空間太陽(yáng)電池鑒定和質(zhì)量要求》標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了空間用單晶硅和砷化鎵單結(jié)、雙結(jié)、三結(jié)太陽(yáng)電池的鑒定和質(zhì)量要求。它的前身是TOR2004(8583)-3554《空間太陽(yáng)電池鑒定和質(zhì)量要求》，包括對(duì)太陽(yáng)電池特性要求和太陽(yáng)電池生產(chǎn)商的質(zhì)量保證體系要求。其中，第7 章規(guī)定了為保證空間用太陽(yáng)電池的質(zhì)量和可靠性而必須進(jìn)行的測(cè)試。

表4 中列出了太陽(yáng)電池片鑒定試驗(yàn)和性能試驗(yàn)項(xiàng)目以及對(duì)應(yīng)本標(biāo)準(zhǔn)的章條號(hào)。

表4 太陽(yáng)電池片鑒定試驗(yàn)和性能試驗(yàn)要求

2.1.2 AIAA S-112A-2013 太陽(yáng)電池板鑒定要求

AIAA S-112A-2013《空間太陽(yáng)電池板鑒定和質(zhì)量要求》規(guī)定了太陽(yáng)電池板的設(shè)計(jì)具體要求，包括應(yīng)如何確定功率裕度，如何給出太陽(yáng)電池陣的功率計(jì)算結(jié)果。表5 中列出了太陽(yáng)電池板的鑒定和性能試驗(yàn)以及對(duì)應(yīng)本標(biāo)準(zhǔn)的章條號(hào)。

表5 太陽(yáng)電池板鑒定和性能試驗(yàn)要求

2.2 歐洲ECSS 太陽(yáng)電池陣試驗(yàn)驗(yàn)證體系分析

ECSS-E-20-08B《光伏組件和元器件》[7]標(biāo)準(zhǔn)概述了空間太陽(yáng)電池陣電路板主要組件的質(zhì)量鑒定、采購(gòu)、儲(chǔ)藏以及運(yùn)輸?shù)囊?guī)格，主要組件包括：光電組件、太陽(yáng)電池組件、太陽(yáng)電池裸片以及蓋片玻璃。

本標(biāo)準(zhǔn)的主要部分(第5～8 條)分為4 個(gè)詳細(xì)部分，每一部分對(duì)應(yīng)著各自的組件：光電組件、太陽(yáng)電池組件、太陽(yáng)電池裸片以及蓋片玻璃的對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)，而且包括了核對(duì)數(shù)據(jù)、力學(xué)和電學(xué)特征、其它額定值以及驗(yàn)收和質(zhì)量評(píng)定的詳細(xì)規(guī)格，這些都和空間工程上用到的規(guī)格有所不同(表6)。

表6 太陽(yáng)電池組件質(zhì)量認(rèn)證測(cè)試方案

2.3 日本JAXA 太陽(yáng)電池陣試驗(yàn)驗(yàn)證體系分析

日本JAXA 機(jī)構(gòu)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 有良好的合作，開(kāi)展了太陽(yáng)電池陣質(zhì)量保證指南標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目工作。該項(xiàng)目的目標(biāo)是建立太陽(yáng)電池陣質(zhì)量保證的方法?！短?yáng)電池陣》JAXA-JERG-2-215A[8],該指南提供了太陽(yáng)電池陣的飛行件制造過(guò)程、材料、元器件質(zhì)量保證的一般要求。在第3 章給出了鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目，規(guī)定了熱真空試驗(yàn)、熱真空循環(huán)試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)的實(shí)施，同時(shí)參考充電設(shè)計(jì)WG1 給出了ESD 試驗(yàn)的測(cè)試方法(表7)。

表7 太陽(yáng)電池板鑒定和性能試驗(yàn)要求

3 衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣研制試驗(yàn)及試驗(yàn)驗(yàn)證體系啟示

通過(guò)對(duì)美國(guó)AIAA 標(biāo)準(zhǔn)、歐洲ECSS 標(biāo)準(zhǔn)和日本JAXA 標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)研，重點(diǎn)分析AIAA S-111A-2014《空間太陽(yáng)電池鑒定和質(zhì)量要求》、AIAA S-112A-2013《空間太陽(yáng)電池板鑒定和質(zhì)量要求》和ECSS-E-20-08B《光伏組件和元器件》的分析，梳理了各國(guó)在衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣研制過(guò)程中開(kāi)展的試驗(yàn)項(xiàng)目的細(xì)節(jié)要求：

(1)從前面的分析可以看出美國(guó)AIAA 和ECSS 的太陽(yáng)電池陣標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)是基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的，分為頂層設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性規(guī)范文件，第2 級(jí)結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)和太陽(yáng)光伏組件規(guī)范，第3 級(jí)蓋片玻璃、裸電池、保護(hù)二極管產(chǎn)品規(guī)范。ECSS 標(biāo)準(zhǔn)以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，與他們的研制模式是密切相關(guān)的，研制組織機(jī)構(gòu)為公司制，提供貨架產(chǎn)品，以各級(jí)最終交付的產(chǎn)品狀態(tài)為單位制定研制標(biāo)準(zhǔn)是合理的，面向產(chǎn)品的。

(2)國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)特別強(qiáng)調(diào)了試件上的太陽(yáng)電池樣本數(shù)量，如美國(guó)《AIAA S-112A-2013 Qualification and Quality Requirements for Space Solar Panels》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定疲勞熱循環(huán)試驗(yàn)的小試件上的太陽(yáng)電池應(yīng)不少于231 片，靜電放電試驗(yàn)的小試件上的太陽(yáng)電池應(yīng)不少于12 片。ECSS-E-20-08B《光伏組件和元器件》也對(duì)分組測(cè)試的裸太陽(yáng)電池和太陽(yáng)電池組件的樣本數(shù)進(jìn)行了規(guī)定。

(3)美國(guó)的AIAA S-111A-2014 標(biāo)準(zhǔn)和日本JAXA 機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)采取的是相同的鑒定試驗(yàn)驗(yàn)證體系，即對(duì)不同的試驗(yàn)項(xiàng)目選用相應(yīng)樣本獨(dú)立試驗(yàn)，單獨(dú)根據(jù)判據(jù)判斷試驗(yàn)結(jié)果。而歐洲ECSS 組織的ECSS-E-20-08B《光伏組件和元器件》標(biāo)準(zhǔn)采取的是試驗(yàn)組合驗(yàn)證體系,將試樣樣本分為5 組，5 組樣本分別開(kāi)展對(duì)應(yīng)的組合試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，判定是否合格。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)國(guó)外衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣研制標(biāo)準(zhǔn)及其驗(yàn)證試驗(yàn)開(kāi)展研究，對(duì)國(guó)外衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣在研制階段完成的試驗(yàn)進(jìn)行分析，重點(diǎn)探討太陽(yáng)電池片的生產(chǎn)、鑒定測(cè)試和試驗(yàn)；太陽(yáng)電池板的生產(chǎn)和鑒定過(guò)程中完成的測(cè)試和試驗(yàn)；并對(duì)太陽(yáng)電池板裝配成翼后進(jìn)行的測(cè)試和試驗(yàn)驗(yàn)證體系進(jìn)行調(diào)研與分析研究，總結(jié)了對(duì)國(guó)外太陽(yáng)電池陣各項(xiàng)研制試驗(yàn)的啟示，為國(guó)內(nèi)未來(lái)衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣的研制過(guò)程試驗(yàn)提供參考，對(duì)確保衛(wèi)星供配電安全可靠，圓滿(mǎn)完成飛行任務(wù)具有重要意義。