空间环境下高压太阳电池阵放电电弧产生及关键行为机理研究

With the demand of spacecraft energy increasing, the bus voltage higher than 100V has been an inevitable option in spacecraft. Solar array arcing appears frequently after the adoption of high power system in spacecraft. Currently, High voltage solar array arcing is becoming one of the major restrictions on the increasing of spacecraft bus voltage. The project intends to study the mechanism of high voltage solar array arcing under specific but complicated conditions, such as space plasma environment. Firstly, the simulated space environment experimental platform equipped with CCD, colorimetric temperature measurement and other related test systems will be utilized to study the mechanism of solar array arcing, including the arcing occurrence, materials pyrolysis and sustain arcing. The impact of abnormal current collection and gas deflating to the transport coefficient of solar array arcing will be studied in the plasma environment. Secondly, the MHD model under space environment will be established and the characteristic of the arcing key behavior will be analyzed. Finally, a reliable model will be proposed and built to simulate the solar array arcing. The results of this project will fill the research gaps domestically, and provide theoretical basis for the design of high voltage power supply systems in spacecraft.

随着航天器对供电容量需求的不断提高，100V以上高压母线电源系统成为了必然选择，但由此出现了太阳电池阵放电电弧现象，成为制约航天器电压等级提高的重要因素之一。本项目拟研究空间等离子体环境多种因素作用下，高压太阳电池阵放电电弧产生及关键行为的机理。首先利用模拟空间等离子体环境的实验装置，结合高速摄像机、比色测温等测试系统进行实验研究，深入揭示放电电弧的发生频率、材料热解、持续燃弧等关键行为；理论分析高压太阳电池阵在等离子体环境中的异常电流收集、材料放气等对放电电弧的产生及输运的影响；建立空间环境条件下的电弧磁流体动力学模型，仿真分析电弧关键行为特征及影响因素；最终全面掌握放电电弧发生及关键行为的机理，提出能够可靠模拟太阳电池阵放电电弧产生的模型，提出最优抑制太阳电池阵放电电弧产生的方案。本项目的研究结果将填补航天供电系统国内研究空白，为航天器高压电源系统的设计提供理论依据和技术支撑。

航天器采用100V母线电源系统以来，太阳电池阵频繁出现放电电弧，对航天器安全构成威胁，高压太阳电池阵放电电弧问题成为制约航天器电压等级提高的重要因素之一。本项目通过理论分析、仿真建模和实验研究等多角度揭示了放电电弧产生及其关键行为的机理，取得了如下研究成果：.1) 研究了空间太阳电池阵组成材料、玻璃盖片、硅橡胶材料的放气特性，得到太阳电池阵材料中硅橡胶，聚酰亚胺膜和聚四氟乙烯等材料放气特性对太阳电池阵放电电弧产生的作用机理。.2) 提出了空间环境下太阳电池阵充电特性物理模型，对卫星表面整体充电电位进行分析，所建立的模型可获得静电放电最高电压范围，模型已应用于了某型号卫星的充电特性分析中。.3) 提出了抑制太阳电池阵一次电弧及二次电弧产生的方案，采用多种防护方式进行静电放电电弧抑制，试验研究抑制作用结果，分析了一次放电电弧和二次放电电弧的产生机理，方案为某型号卫星高压太阳电池阵设计提供了依据。.4) 分析了太阳电池阵一次电弧与二次电弧（持续燃弧）之间的作用关系，发现二次电弧形成存在着过渡时间，试验研究得到太阳电池阵串电流、串电压对于二次电弧形成的过渡过程无影响的结论。通过控制二次电弧形成的过渡时间实现对二次电弧的产生的控制，得到了抑制二次电弧的方法及途径。.5) 试验研究了太阳电池阵放电电弧关键行为，发现一次电弧电压存在两个阶梯，两个阶梯的形成与电弧形态相关，电弧数量变化为引起电弧电压变化的原因之一。发现了一次电弧与二次电弧关键参数伏安特性与电弧形态关系，通过对电弧伏安特性的研究表明，一次电弧具有气体电弧的特征，二次电弧则为真空电弧。提出表征二次电弧电压与电池串间隙关系的数学模型。.6) 完善了空间高压太阳电池阵放电电弧试验研究系统，全面研究太阳电池阵材料、电池串并联间隙、空间环境条件等对持续电弧阈值的影响，形成了阈值分布图，验证了放电电弧抑制方法的有效性。.此外，在本项目资助下，课题组在国内外期刊、会议共计发表学术论文8篇，其中SCI或EI收录论文5篇；申请国家发明专利2项；获软件著作权1项。