地面辐照实验与空间遥测数据对比分析

鲍伟丰，崔新宇，薛梅，邹世纯

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

地面辐照实验与空间遥测数据对比分析

鲍伟丰，崔新宇，薛梅，邹世纯

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

收集、整理了基于地球同步轨道(以下简称GEO轨道)运行的中星10号太阳电池阵的在轨遥测数据，并与地面辐照实验数据进行了比对，初步摸索出了太阳电池阵在GEO轨道辐照条件下的性能变化趋势。分析了现有地面辐照实验方法的准确性和可靠性。

GEO轨道；太阳电池阵；遥测；地面辐照实验；辐照衰降

太阳电池阵是航天器电源系统的重要组成部分，通过光生伏特效应将太阳光能转换为电能，满足卫星平台及有效载荷功率需求，同时为蓄电池充电，满足阴影期卫星功率需求。我国自行研制的GEO轨道通信卫星具有整星功率大、承载能力强、服务寿命长等特点，位于卫星舱外的太阳电池阵在整个寿命期内将经受GEO轨道空间带电粒子辐照和紫外辐照等环境影响，使太阳电池阵的功率输出能力随着卫星在轨时间的推移而逐渐降低。因此，分析在轨卫星太阳电池阵的衰降变化并与现有地面实验数据结果进行对比分析，将对后续太阳电池产品的耐辐照设计、考核工作具有很好的指导意义。

本文针对在轨运行的GEO轨道卫星开展了三结砷化镓太阳电池阵在轨遥测数据的收集、整理和分析，并将遥测值与地面辐照实验前后测试数据及分析结果相比较，据此对太阳电池阵在轨衰降情况、地面辐照实验的准确性和可靠性进行评估。

1 太阳电池阵的主要技术参数

各卫星太阳电池阵的主要技术参数如表1所示。

太阳电池阵相关的在轨遥测参数如表2所示。

2 在轨遥测数据分析

2.1 在轨功率分析

根据遥测数据VN4计算出太阳电池阵的分流级，再依据南、北太阳翼输出总电流和分流状态，推导出太阳电池阵工作电流，以此计算太阳电池阵输出到母线的功率值，即：

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式中：Po为太阳电池阵输出到母线的功率值；Io为太阳翼输出到母线的电流值。

分流级采用如下公式推导：

式中：VMEA为遥测值VN4；nS3R为处于调节状态的分流电路序号。

工作电流采用如下公式推导：

式中：ΔI分流-工作为电路分流电流与工作电流的差。

以发射时间最长的中星10号为例，分析其遥测数据，通过计算得到太阳电池阵在轨输出特性，见表3。

太阳电池阵在轨输出特性遥测值与预计值对比结果如图1所示。

图1 中星10号太阳电池阵输出功率遥测值与预计值对比曲线图

对比曲线表明，功率遥测值与预计值变化趋势基本一致，表明卫星在轨工作状态良好，太阳电池阵输出稳定。

2.2 输出性能变化趋势分析

卫星在轨运行期间，空间辐照环境会造成太阳电池阵的电性能衰降，表现在遥测数据上即为输出电流呈现缓慢下降的趋势。

通过对遥测数据VN1和VN4进行分析，结果显示：卫星在轨运行期间，太阳电池阵分流级变动不大，母线电压保持稳定，因此可以用太阳翼输出电流的变化情况表征太阳电池阵电性能衰降情况，结果列入表4。

观察表中太阳电池电路的输出电流变化率和变化趋势表明，太阳电池阵在轨初期的性能衰降较为明显，特别是前两年，性能衰降约为每年2%～3%，而后明显趋于平缓，数据显示，第3年较第2年衰降只有大约1%左右。

分析初期性能衰降较明显的原因，主要是由于空间辐照环境以及太阳电池辐照衰降规律的影响，其中紫外辐照环境会造成太阳电池盖片及其胶粘剂的透光率下降，从而导致了太阳电池输出电流的降低，但这种对透光率的影响在初期一经形成，后期便不会继续加剧，将基本只受到粒子辐照的影响；而三结砷化镓太阳电池的粒子辐照衰降也是呈现初期大后期小的规律。故太阳电池的衰降变化会逐渐趋缓。

图2显示了中星10号卫星太阳电池阵在轨输出电流的变化趋势。

图2 南北太阳翼输出总电流变化趋势图

3 地面实验数据分析

3.1 地面实验原理

电子对电池的穿透本领远大于质子的穿透本领。同质子一样，如果只考虑一种复合中心，且处于能隙中心，少数载流子的寿命与电子剂量的关系为:

式中：Ke为电子辐照少数载流子寿命的退化常数，由实验确定。

少数载流子的扩散长度与电子剂量有类似式(4)的关系，只是损伤系数不同。

电子辐照引起太阳电池性能的损伤与剂量有一定的关系，对GaAs太阳电池这一关系可表达为：

式中：R为电池辐照后的短路电流、开路电压或最大输出功率与辐照前的相应量之比；α和β是跟材料有关的两个常量。

影响太阳电池效率的主要因素是电池工作时的少数载流子的复合寿命t(ms)及其扩散长度L(mm)。当载流子寿命和扩散长度改变时，电池的输出性能也跟着发生变化，载流子寿命和扩散长度是电池性能改变的内因。在入射波长范围一定的条件下，少数载流子的寿命越长，扩散长度越大，其复合前生存的时间和扩散的距离就越大，电池的效率就越高，性能越好。

对不同研究阶段的太阳电池进行电子辐射实验是太阳电池分析抗辐射性能的基本方法，在实验中使用电子枪作为电子源，通过控制束流和实验时间来控制辐照剂量。实验前后通过对电池进行电性能测试和光谱测试，分别得到砷化镓太阳电池电性能及各结层的衰降情况。

3.2 地面实验数据

针对太阳电池的耐辐照性能，除进行研究性的电子及质子辐照之外，每个生产批次的电池，均进行质量一致性检验，检验内容中就包括电子辐照实验。中星10号为我国首颗发射的采用批产三结砷化镓太阳电池的大功率、大面积太阳电池阵，其采用的三结砷化镓太阳电池批次进行了详细的地面辐照实验。实验结果见表5。

典型能级辐照前后I-V曲线对比：

(1)1 MeV电子3.0×1013

图3为1 MeV电子3.0×1013辐照前后I-V特性对比图。

图3 1MeV电子3.0×1013辐照前后I-V特性对比图

(2)1 MeV电子1.0×1014

图4为1 MeV电子1.0×1014辐照前后I-V特性对比图。

(3)1 MeV电子5.0×1014

图5为1 MeV电子5.0×1014辐照前后I-V特性对比图。

(4)1 MeV电子1.0×1015

图6为1 MeV电子1.0×1015辐照前后I-V特性对比图。

图4 1MeV电子1.0×1014辐照前后I-V特性对比图

图5 1MeV电子5.0×1014辐照前后I-V特性对比图

图6 1MeV电子1.0×1015辐照前后I-V特性对比图

(5)1 MeV电子3.0×1015

图7为1 MeV电子3.0×1015辐照前后I-V特性对比图。

图7 1MeV电子3.0×1015辐照前后I-V特性对比图

典型能级辐照前后量子效率图如图8所示。

图8 1MeV电子辐照实验后量子效率数据

三结砷化镓太阳电池辐射衰减理论分析和辐射实验结果表明，中间电池抗辐射性能是决定整体电池抗辐射性能的主要因素。三结砷化镓太阳电池辐射前，电流受顶电池即GaInP2电池的限制，辐射后的电流受中间电池GaAs电池的限制，而顶电池的抗辐射性能明显优于中间电池，因此太阳电池中间电池电流在辐照前后的变化率可反映完整电池的抗辐照能力。

4 数据对比分析

将地面测试数据取通常使用的等效1 MeV的测试数据，刨除峰年等影响，可以均匀拟合成一条曲线，显示出在寿命期内不同时间的太阳电池辐照衰降情况(图9)。

图9 地面实验预计15年寿命太阳电池阵功率衰降曲线

将中星10号遥测下来的数据进行衰降分析，得到不同时间的衰降数据，并将衰降数据拟合成一条衰降曲线(图10)。

将地面遥测的中星10号的数据拟合的曲线与地面实验得到的辐照曲线进行对比，可以看出二者非常接近，充分证明了地面实验的准确性和有效性。而遥测数据普遍在地面遥测拟合曲线之上，更验证了地面实验的可靠性。

5 结论

地面实验得到的衰降数据，与空间遥测数据相比(图11)，非常接近，刨除1%的紫外辐照衰降，还留有一定的余量，证明了现在采用的地面模拟实验方法是准确、有效以及可靠的。可以用来对三结砷化镓太阳电池进行空间粒子辐照衰降分析及预计[1-2]。

图10 中星10号太阳电池阵在轨衰降曲线

图11 遥测衰降曲线地面实验衰降曲线对比

[1]汉斯·S·劳申巴赫.太阳电池阵设计手册[M].张金熹，廖春发，傅德棣，等译.北京.宇航出版社，1987.

[2]穆肯德·R·帕特尔.航天器电源系统[M].韩波，陈琦，崔晓婷，译.北京：中国宇航出版社，2010.

Analysis of ground irradiation test result and space remote sensing data

BAO Wei-feng,CUI Xin-yu,XUE Mei,ZOU Shi-chun
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

The remote sensing data of the solar array on geosynchronous orbit(GEO)was collected.The data was compared with ground irradiation test result.The variation tendency of the solar array under GEO irradiation condition was groped,and the accuracy and reliability of the ground irradiation testing method were analyzed.

GEO orbit;solar array;remote sensing,ground irradiation test;irradiation decline

TM 914

A

1002-087 X(2016)08-1653-04

2016-03-08

鲍伟丰(1990—)，男，天津市人，学士，主要研究方向为太阳电池。