太阳电池电路深空探测服役环境与关键技术分析*

2020-08-31王文强仇恒抗陈达兴杨洪东王训春

飞控与探测 2020年4期

王文强，仇恒抗，程晨，陈达兴，杨洪东，王训春

(1.上海空间电源研究所·上海·200245；2.中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室·合肥·230031)

0 引言

深空探测器电源分系统供电设备可以分为太阳电池电路和同位素电源两种，美国凤凰号及观察者号火星着陆器、火星大气与挥发演化探测器、日本隼鸟号小行星探测器均选用了太阳电池电路供电；美国伽利略号木星探测器、旅行者号探测器均选择了同位素核电源供电。一方面，我国高效多结砷化镓太阳电池被广泛应用，有着长期在轨服役经验，但其需机械太阳翼作为支撑，总质量较大，同时，在深空探测中，距离太阳越远发电越少；另一方面，同位素电源质量较小，发电功率随轨道变化较小，国际上应用较为成熟，但国内原料受限、温差发电器件成熟度较低，成本远高于太阳电池阵，产品在轨应用相对较少[1]。综合国内外资料可知，在木星探测距离内选择太阳电池电路作为深空探测主能源具有较高的工程应用价值。

经过多年的发展，我国现阶段形成了以GJB 2602、GJB 7392等为代表的标准规范，以指导空间太阳电池电路及太阳电池单片产品的设计。但是通过对比深空探测用太阳电池电路与一般地球卫星太阳电池电路任务剖面发现，深空探测环境与常规地球轨道环境差异较大，需要面临特殊的在轨服役环境。以木星探测用太阳电池电路为例，其在轨发电低温可达约-130℃，远超出了常规近地轨道(Low Earth Orbit, LEO)约80℃～90℃的发电温度范围。故本文结合下一步深空探测需求，通过梳理深空探测在轨服役环境，结合工程经验，分析了深空探测用太阳电池电路的关键技术，为相关产品研制队伍提供了参考。

1 深空探测环境

深空探测工程按照探测目标可以分为月球探测、火星探测及木星探测等，不同探测目标在轨环境差异较大，分别介绍如下。

(1)月球表面探测环境

月球没有大气层，月面光照条件以月昼、月夜发生周期性变化，一个周期约29天，月表温度变化剧烈。月面工作用太阳电池电路在轨环境的突出特点为由极端温度造成的冷热冲击次数少，温度范围极大，其中月昼期在轨发电工作高温可达+100℃以上，其月夜期不工作进入存储，低温可低至-190℃。

即月面工作用太阳电池电路需承受极端低温贮存条件，并且需经长期贮存后唤醒高温工作。

图1 嫦娥三号探测器

(2)火星探测环境

①火星环绕探测环境

在火星环绕探测工程中，探测器与运载分离入轨后，需经过约7个月的长时间飞行，随后进入环火轨道。在整个飞行过程中，探测器距离太阳越来越远，光照强度越来越低，太阳翼温度越来越低。

在地球端，太阳光照强度约1353(W/m2)，此时太阳电池工作温度较高，约+80℃～+90℃；在火星端，太阳光照强度约为490～717(W/m2)，此时太阳电池工作温度较高，约为±30℃。

即火星环绕探测用太阳电池电路需在较低的光照强度下工作。

图2 火星大气与挥发演化(MAVEN)探测器

②火星表面探测环境

火星表面存在大气，大气比地球大气稀薄得多，火星表面的大气压约为5.6mbar，主要成分是CO2，大气有季节性变化。火星表面大气中存在大量尘埃，大气尘埃一般小于60μm，无尘暴时大气尘埃密度约为1.8×10-7(kg/m3)，有尘暴时大气尘埃密度约为7×10-5(kg/m3)[2-3]。

火星表面大气中的CO2、尘埃的存在导致太阳光在通过火星表面大气后造成火星表面光谱与地球轨道空间中AM0光谱存在明显区别。火星表面光谱短波减少，中长波增加，进而造成现广泛应用的典型空间用AM0光谱三结砷化镓太阳电池顶电池、中电池电流失配增加，太阳电池效率降低[4]。

即火面工作用太阳电池电路需在火星表面光谱、火星尘埃的复杂条件下工作。

图3 凤凰号探测器太阳翼

(3)木星探测环境

在木星环绕探测工程中，探测器距离太阳距离高达5.2AU，光照强度仅为约50(W/m2)[5]，太阳电池在轨发电工作温度低至约-130℃。

木星探测环境的辐射强度远超出一般地球轨道卫星，一般认为地球轨道电子最高能量小于10MeV，而木星轨道电子最高能量可达1GeV[6-7]。

即木星环绕探测用太阳电池电路需在低温低光强、高辐射环境下工作。

图4 朱诺号探测器

2 不同探测任务关键技术分析

(1)月球表面探测关键技术分析

月面工作用太阳电池电路设计有低温环境适应性设计及地面环境试验验证共两项关键技术，具体分析如下：

① 低温环境适应性设计

在进行产品设计时，考虑到极端空间环境及材料的可获得性，月面工作用太阳电池电路替换了地球轨道卫星常用的黏接剂，使用了具有低脆性转变温度(约-110℃)、低真空放气性能(TML约0.2%～0.3%，)、低热膨胀系数(-180℃约-7.5×10-15K-1)[8]的由国产科学院化学研究所研制的新型硅橡胶黏接剂，用于太阳电池与太阳翼基板聚酰亚胺薄膜之间的粘贴。

典型铅锡共晶焊料在-196℃低温环境下被贮存后，焊点界面金属间化合物(简称IMC)生长更快，IMC总厚度增加，造成焊点剪切力逐渐下降；随着极端温度冷热冲击次数的增加，焊点拉伸强度逐渐下降[9]。在进行产品设计时，月面工作用太阳电池电路采用了较为新型的电阻焊接工艺替代了传统的锡焊工艺，通过施加压力、电压，在不需要铅锡焊料的情况下实现导线或元器件管脚的焊接，避免了焊料在极端环境下的可靠性问题。

② 低温环境适应性地面环境试验验证

在工程实施过程中，按照飞行件产品采用的材料、工艺制作了太阳电池电路地面环境试验件，采用液氮降温、烘箱升温，覆盖了低温-190℃、高温+100℃的极端工作温度范围，通过了全任务周期的地面冷热冲击试验。

目前我国探月二期工程月面、月背的着陆与巡视任务均获得圆满成功，太阳电池电路工作正常，进一步说明了太阳电池电路低温环境适应性设计的正确性，以及地面环境试验验证的有效性。

(2)火星探测关键技术分析

①火星环绕探测关键技术分析

在火星环绕探测任务中，太阳电池电路需在较低的光照强度下工作，故可以参考GB/T 6494《航天用太阳电池电性能测试方法》、GB/T 6496《航天用太阳电池标定方法》进行地面测试工作，具体如下：以微分光谱响应法为基础对标准电池短路电流进行计量标定，以标准电池为基础调节稳态小太阳模拟器产生的地面模拟光源各波段光谱，随后对砷化镓太阳电池进行低光强下电性能测试。

国外ISRO等[10]采用空间用AM0光谱砷化镓太阳电池进行了低光强测试，在火星轨道约0.38AM0(约514W/m2)的光照强度下未发现异常情况，验证了将地球轨道AM0光谱砷化镓太阳电池用于火星环绕任务的可行性。

②火星表面探测关键技术分析

火星表面探测用太阳电池电路设计有光谱、太阳电池及除尘共三项关键技术，具体分析如下：

(a)火星表面光谱获得

火星表面大气状况随季节、纬度等变化，状态复杂。火星大气数据库主要有NASA的火星全球参考大气模型(Mars Global Reference Atmospheric Model, Mars-GRAM)和欧洲的火星气候数据库(Mars Climate Database, MCD)。Mars-GRAM和MCD包含了大气密度、温度、压强等多项大气参数，是目前能够比较精确、全面地反映火星大气特性的数据库。然而由于数据庞大，调用过程繁琐，耗时长，此类数据库不适用于实时仿真。由此可知，需要以Mars-GRAM或MCD数据库为基础，建立火星表面大气模式简化模型，通过简化模型对火星表面大气进行快速计算。在得到火星表面大气模式简化模型后，太阳光在火星表面直射及多次散射的过程可以通过蒙特卡罗方法建立三维辐射传输模型、模拟光子传输过程进行解决。同时需要注意的是，为了加快计算速度，在蒙特卡罗方法模拟过程中，需采用轮盘对赌等技术加快收敛速度。

(b)火星光谱太阳电池设计

由于火星表面光谱随大气状态变化，为解决典型空间用AM0光谱三结砷化镓太阳电池在火星光谱下出现的效率下降问题[4]，首先需根据火星表面着陆巡视任务的具体要求，明确火星表面科学任务的经纬度、光学厚度等基本条件，采用火星光谱计算模型明确火星光谱。以火星光谱为基础，根据现有的砷化镓太阳电池技术，调整顶电池、中电池对于火星光谱的响应，使得各子结电流输出更加匹配，获得砷化镓太阳电池更高的火星光谱光电转换效率。

(c)火星表面除尘技术

火星表面大气中存在大量尘埃，随着时间积累，尘埃降落在探测器太阳电池或光学器件，造成不良影响。现阶段的除尘技术主要分为被动除尘和主动除尘两大类。其中被动除尘包含风吹、表面涂层等，主动除尘包含电帘、机械振动等，分别介绍如下。

火星表面一般风速仅为5～15(m/s)，而火星表面尘埃100μm粒径的启动风速需达到30(m/s)[11]，故一般仅在风暴后探测器表面尘埃会有明显变化。科学院硅酸盐研究所通过制备超微结构的纳米晶复合涂层,降低了火星环境中灰尘颗粒在玻璃表面的黏附，通过翻转清除了大量样品表面灰尘，恢复了太阳电池的发电能力[12],可以作为火星表面被动除尘技术的备选方案。

我国清华大学[13-14]等单位对火星灰尘在电帘技术下的表现进行了研究，试验说明电压对尘埃颗粒宏观输运影响较大，电压越高清除率越高，频率选择75Hz～120Hz比较合适；地面光伏组件[15-17]采用压缩空气、机械臂等技术用于清除火星探测器太阳电池等装置上累积的尘埃，所用电气、机械设备体积大，质量大，对供电要求高。

通过以上分析可知，在火星表面着陆巡视任务中采用涂层或电帘作为除尘技术的可行性较高。

(3)木星探测关键技术分析

木星环绕探测用太阳电池电路设计有低温低光强测试及抗辐射设计共两项关键技术，具体分析如下：

① 太阳电池低温低光强测试

NASA及加州理工学院等机构研究了太阳电池在低温低光强下的性能表现[18～22]，其结果并不完全相同。一方面，Paul Stella等人发现从1AU到5AU，随着距离增加，光强变弱，温度变低，效率逐渐增加；另一方面，Dave Scheiman等人发现，三结砷化镓太阳电池在低温低光强下的填充因子降低的异常情况可能与光强变化密切相关。

由此可知，现阶段空间常用的AM0光谱三结砷化镓太阳电池I-V曲线在低温低光强下(如木星探测光强为50(W/m2)，温度为-130℃)可能由于子电池或隧穿结等电池设计或制造缺陷原因造成效率异常降低，对探测任务的顺利完成具有较大影响，有待进一步对其开展分析工作。

② 抗辐射设计

以朱诺号木星探测器为例，其在轨33圈总辐射剂量已高达1.32×15e/cm2[5]，但是仍远高于一般地球轨道卫星3～5年在轨辐射总剂量(约1×14e/cm2)。这直接造成了现有的砷化镓太阳电池寿命末期在轨效率衰降，输出电流衰降可超过10%；故可以考虑使用更厚的抗辐射玻璃盖片粘贴在太阳电池上，以降低强辐射剂量对太阳电池的损伤[23]。

在太阳电池结构方面，磷化锢太阳电池抗辐射能力强，但其光电转换效率较低，衬底昂贵、机械强度低、质量密度大，距离工程应用尚有距离；砷化镓太阳电池抗辐射能力较弱，但是考虑到现阶段在轨使用的效率30%晶格匹配砷化镓太阳电池、在研的效率32%晶格失配砷化镓太阳电池抗辐射性能差异并不显著[23]，可以考虑在工程上采用效率32%晶格失配砷化镓太阳电池进行方案设计。

故木星环绕探测任务总体需优化木星探测轨道设计，降低对星上电子设备及太阳电池等单机的辐射影响；太阳电池电路需根据在轨情况选用厚度更厚的抗辐射玻璃盖片、更高效率的砷化镓太阳电池，根据环境条件输入完成高辐射剂量下的太阳电池抗辐射性能摸底测试工作。

3 地面测试设备分析

目前我国多将空间用AM0光谱太阳电池用于地球轨道或月面环境，采用AM0光谱稳态小太阳模拟器、AM0光谱瞬态大太阳模拟器对太阳电池单片及整板进行功率测试。通过对以上深空探测太阳电池电路关键技术分析可知，我国更远距离的后续探测任务可能采用新型太阳电池以适应新的环境条件，或采用常规的AM0光谱太阳电池在特殊的环境条件下工作。这均对现阶段常用的功率测试技术提出了新的要求与挑战。本章节对火星及木星探测地面功率测试设备及相关技术进行了分析。

(1)火星探测功率测试分析

火星环绕任务太阳电池电路可以对空间用AM0单片太阳电池在低光强下的性能表现进行摸底，随后对批产太阳电池进行筛选，剔除性能较差的太阳电池。完成太阳电池整板研制后，参考黎明号探测器[22]在室温25℃下进行低光强(如500(W/m2))整板输出功率测试；或在进行AM0光强整板输出功率测试后计算相应低光强条件下的整板输出功率。

火星着陆巡视任务太阳电池电路需要根据在轨具体光谱条件设计标准太阳电池、火星光谱稳态小太阳模拟器、火星光谱瞬态大太阳模拟器，分别按照GB/T 6496《航天用太阳电池标定方法》、JJF 1615《太阳模拟器校准规范》等标准完成标准电池、太阳模拟器计量，随后按照GB/T 6494《航天用太阳电池电性能测试方法》对单片太阳电池、整板太阳电池电路进行测试；由于火星光谱瞬态大太阳模拟器研制难度大，成本高，周期长，在工程研制过程中以串联电流相同、并联电压相同、太阳电池及元器件温度/特性曲线不变为前提，以插值法为工具，建立通用的整板功率计算模型。具体流程实施以下图为例，采用AM0光谱单片太阳电池测试数据，结合串联工艺等效阻值计算单串输出数据，以各单串计算输出数据，结合并联工艺等效阻值及元器件电参数、组合损失因子等计算多条并联的整板太阳电池输出数据，进一步以实测的整板太阳电池输出数据验证通用的整板功率计算模型的正确性，最后采用火星光谱单片太阳电池数据代入通用的整板功率计算模型计算火星光谱整板输出性能，以规避火星光谱瞬态大太阳模拟器设备的研制风险。

图5 太阳电池板功率计算流程

(2)木星探测功率测试分析

木星环绕探测用太阳电池在轨工作环境条件与一般卫星差异过大，需长期在光强50(W/m2)、温度-130℃条件下服役。故需重新设计现有的AM0稳态小太阳模拟器供电系统、光学系统及真空测试系统，通过更换透镜、调整距离等方式降低光学强度，通过新增低温真空系统实现低温测试条件并解决水蒸气低温结霜问题。此低温低光强稳态小太阳模拟器研制涉及光学、电气、低温及真空等多学科，少有文献报道，国内研究基础薄弱，研制难度较大；低温低光强瞬态大太阳模拟器研制难度更大，可以采用单片太阳电池性能测试数据输入通用的整板功率计算模型，结合串联、并联工艺等效阻值及元器件电参数、组合损失因子数据，经过计算获得整板输出功率。