超高速碰撞供电太阳能电池阵产生等离子体的放电特性研究

The study on discharge characteristics generated by hypervelocity impact solar array with power, involving in material dynamics, impact dynamics, condensed state physics and other fields, has an important application value in the field of protection solar array from space debris. This project takes solar array with power as the research object, systemtic research on discharge characteristics created by hypervelocity impact solar array with power through the experimental study and theoretical analysis. The key points are placed on the establishments of the external circuit power supplying system， discharge measurement system and the diagnostic system for plasma characteristic parameters . Change rules of discharge voltage and current with impact parameters generated by hypervelocity impact solar array can be obtained under given supplying power and different impact parameters through the external circuit power supplying system and discharge measurement system,meanwhile, Critical impact velocity of hypervelocity impact solar array with power can be determined. Plasma characteristic parameters created by hypervelocity impact solar array can be obtained by using Langmuir probe diagnostic system. Fourthermore,temporal and spatial distribution theoretical model of plasma characteristic parameters can be established. Temperature field near collision point would be recombined by ultra high speed camera to take experimental photos, and using image processing technique of double color measurement temperature methods. Discharge characteristics of plasma generated by hypervelocity impact solar array with power can be revealed .All these research production will Provide a valuable references for condensed matter physics, impact dynamics and protection solar array from space debris.

超高速碰撞供电太阳能电池阵产生等离子体的放电特性研究，涉及材料动力学、冲击动力学、凝聚态物理等学科领域，在太阳能电池阵对空间碎片的防护方面具有重要应用价值。本项目以供电太阳能电池阵为研究对象，通过实验研究和理论分析，系统研究超高速碰撞供电太阳能电池阵产生等离子体的放电特性。重点建立外电路供电系统、放电测试系统以及等离子体特征参量的诊断系统。利用对太阳能电池阵供电的外电路系统及放电测试系统，得到给定供电功率、不同碰撞条件下产生放电的放电电压、放电电流随碰撞参数的变化规律并确定产生放电的临界碰撞速度；利用探针诊断系统，得到产生等离子体的特征参量，进而建立等离子体特征参量时空分布的理论模型；利用超高速相机采集的实验照片，采用数字图像处理技术重组碰撞点附近的温度场分布，进而揭示超高速碰撞供电太阳能电池阵产生等离子体的放电特性。为凝聚态物理、冲击动力学及太阳能电池阵对空间碎片的防护提供有价值的参考。

随着人类对太空的不断探索导致空间环境日渐恶化，太阳能电池阵作为航天器的主要动力来源，同时也是航天器最大的暴露部件，时刻会有遭到空间微小碎片的超高速撞击的风险。特别是微小碎片超高速撞击太阳能电池阵产生的放电将会对其造成严重毁伤，该项目的开展更好地揭示空间碎片撞击航天器诱发的电磁效应和放电对航天器供电系统的严重威胁，最终为太阳能电池阵的防护设计和材料选择提供有价值的参考。本课题通过实验得到的超高速碰撞太阳能电池阵产生的冲击压力测试是冲击动力学领域的难点，课题突破了球形弹丸超高速撞击复合结构靶的冲击压力测试的技术难点和数据处理方法，所得结果与数值模拟结果高度一致，取得的研究成果得到了国外专家的高度认可。本课题通过实验得到的相近碰撞速度、不同弹丸入射角度下超高速碰撞供电太阳能电池阵产生等离子体诱发的多单元太阳能电池阵放电，尤其得到的太阳能电池阵单元与单元间、单元与基板间出现的初级放电、次级放电的峰值、持续时间与碰撞参数的关联规律，对于认识空间碎片超高速撞击在轨航天器多单元串联电池阵导致的供电能力下降具有重要指导意义。尤其基于实验得到的超高速碰撞供电太阳能电池阵产生等离子体的空间分布模型，对于深刻揭示超高速碰撞供电太阳能电池阵产生等离子体的膨胀速度、等离子体密度的空间分布特征具有重要的理论意义，为全面系统地揭示超高速碰撞太阳能电池阵产生等离子体的电磁特性研究提供了全新的分析方法。同时，通过实验得到的超高速碰撞供电太阳能电池阵产生等离子体诱生磁场的演化规律、建立的不同空间距离处磁场的演化模型以及等离子体诱生磁场的空间分布模型，可从宏观的角度揭示超高速撞击供电太阳能电磁阵产生等离子体诱生磁场的空间分布特性，获取空间碎片撞击太阳能电池阵产生等离子体膨胀的波及范围和影响区域，为航天器供电太阳能电池阵供电能力的冗余设计提供有价值的参考。此外，超高速碰撞供电太阳能电池阵产生闪光的闪光辐射强度、辐射温度、辐射源面积以及蒸气云的平均膨胀速率等辐射特征的演化，对于进一步揭示超高速碰撞产生闪光的物理机制、建立不同材料撞击产生闪光的演化特征数据库具有重要的理论意义和实际工程应用价值，必将为航天器的在轨故障诊断和风险评估提供有价值的参考。此外，超高速碰撞产生闪光的辐射特征及其演化规律研究将在导弹拦截、天体物理及深空探测领域具有重要的工程应用价值。