国外宇航机构太阳电池阵研制标准及试验验证体系概述

姜东升，杜 红，付林春，王 磊，杨 东

(1.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094；2.北京空间科技信息研究所，北京 100086)

太阳电池阵是卫星供配电系统的重要单机，负责将太阳光能转换为电能，是卫星供配电系统安全、可靠供电的首要环节。太阳电池阵由结构部分、机构部分和太阳电池电路组成，是机电合一的复杂产品[1]。太阳电池阵的研制过程需要通过电学的、力学的和热学的试验对其技术条件、材料、生产工艺和产品的质量进行测试、检验和试验验证。对2000 年1月至2012 年9 月期间79 颗在轨卫星发生的114 次太阳电池阵故障事件进行了分类统计分析，结合我国卫星太阳电池阵设计及制造工艺技术，提出了加强出厂前的测试和试验验证[2]。

本文对卫星太阳电池阵研制标准及其验证试验开展研究，对国外卫星太阳电池阵在研制阶段完成的测试和试验进行分析，重点研究太阳电池片的生产、鉴定测试和试验；太阳电池板的生产和鉴定过程中完成的测试和试验；同时，对太阳电池板装配成翼后进行的测试和试验验证体系进行调研与分析研究，与国内卫星太阳电池阵研制过程的各项试验开展对比分析，为后续太阳电池阵的研制过程试验提供参考[3]。

1 国外卫星太阳电池阵研制标准调研

针对美国AIAA(美国航空航天学会)标准，欧洲ESA 的ECSS(欧洲空间标准化合作组织)标准和日本JAXA(日本宇宙航空研究开发机构)标准中与卫星太阳电池阵研制相关的标准进行调研和分析。

1.1 美国AIAA 太阳电池阵研制标准

美国航空航天学会(American Institute of Aeronautics and Astronautics,AIAA)于1963 年由美国火箭学会和美国宇航科学学会合并而成。发展至今，AIAA 已经是全球最大的致力于航空、航天、国防领域的科学与技术进步和发展的专业性非政府、非赢利的学会。AIAA 是ISO/TC20/SC14 秘书处，同时是美国国家标准(ANSI)所认定机构。

AIAA 在国际航天标准化活动中有举足轻重的地位，它与ECSS 共同主导了国际航天标准化的“潮流”。AIAA 标准体系的结构按照专业技术领域划分，包括：航天学类、工程与技术管理类、信息与综合后勤保障类、宇航与导弹系统类、推进与发动机类以及结构、设计和试验类，共6 个专业技术领域，又进一步细分为26 个分技术委员会，如图1 所示。

图1 AIAA分技术委员会构成

目前可查询到AIAA 标准项目76 项，其中与太阳电池阵相关标准参见表1。这些标准主要分为以下四类，即指南G(guide)、标准S(standard)、推荐性操作规程R(recommended practice)和专门课题SP(special project)。

表1 AIAA与太阳电池阵相关标准

1.2 欧洲ECSS 太阳电池阵研制标准

欧洲空间标准化合作组织(European Cooperation for Space Standardization，ECSS)标准体系分为空间项目管理、空间产品保证、空间工程和空间可持续四个子体系。通过对欧洲ESA 的ECSS 产品保证标准体系调研分析和ESA 的相关文献可以看出，ECSS 标准体系是自顶向下实施的结构，建立顶层指导性规范后，建立工程的顶层规范文件，然后建立2 级和3 级产品实现和工程活动的方法、程序和工具。以ESA 太阳电池阵产品相关标准体系为例，如图2。

图2 ESA与太阳电池阵相关的标准体系

对于太阳电池阵产品来说1 级文件为电源与供配电系统的指导性规范文件，描述产品保证、工程的方针和原则、要求和包含的内容；根据太阳电池阵的组成结构，2 级划分为结构、机构和太阳光伏组件规范，描述太阳电池阵产品或工程中各活动的要求和作用；3 级设定为太阳电池组件规范，下面包括具体的盖片玻璃、裸电池、保护二极管产品实现活动的方法、程序和工具。表2 为ECSS 与太阳电池阵相关标准。

表2 ECSS与太阳电池阵相关标准

1.3 日本JAXA 太阳电池阵研制标准

日本宇宙航空研究开发机构(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA)成立于2003 年10 月，是在原宇宙开发事业团(NASDA)、航空宇宙技术研究所(NAL)和宇宙科学研究所(ISAS)基础上合并而来，其主要人员也来自这三个机构。JAXA 的标准体系建设、运行和维护工作由JAXA 下设的安全和任务保证部(S&MA)负责。JAXA 编制和使用的标准主要包括JMR(管理要求)和JERG(工程要求及指南)两类。JERG包含4 个系列，分别是：JERG-0(产品保证标准)、JERG-1(工程标准)、JERG-2(航天器设计标准)、JERG-3(地面设备标准)。截至2018 年，JAXA 对外公布的有效技术标准共28 项，其中与卫星太阳电池阵相关标准见表3。JAXA 还专门建立了层级结构清晰的标准体系，具体如图3 所示。

表3 JAXA与太阳电池阵相关的标准

图3 JAXA航天器设计标准体系

2 国外卫星太阳电池阵试验验证体系分析

2.1 美国AIAA 太阳电池阵试验验证体系分析

从2005 年开始，为了提高卫星供配电的可靠性，AIAA 陆续发布了一系列空间电源系统设计、太阳电池阵方面的AIAA 标准，其中包括：AIAA S-111A-2014《空间太阳电池鉴定和质量要求》[4]、AIAA S-112A-2013《空间太阳电池板鉴定和质量要求》[5]、AIAA S-122-2007《无人航天器电源系统》[6]。

AIAA S-111A-2014 规定了空间用硅太阳电池、单结砷化镓太阳电池、三结砷化镓太阳电池的质量和鉴定要求，包括太阳电池的性能要求和对太阳电池生产商的质量保证要求。AIAA S-112A-2013 规定了太阳电池板的质量要求和鉴定要求，包括太阳电池板的性能要求和对太阳电池板制造商的质量保证要求。

2.1.1 AIAA S-111A-2014 太阳电池片鉴定要求

AIAA S-111A-2014《空间太阳电池鉴定和质量要求》标准明确规定了空间用单晶硅和砷化镓单结、双结、三结太阳电池的鉴定和质量要求。它的前身是TOR2004(8583)-3554《空间太阳电池鉴定和质量要求》，包括对太阳电池特性要求和太阳电池生产商的质量保证体系要求。其中，第7 章规定了为保证空间用太阳电池的质量和可靠性而必须进行的测试。

表4 中列出了太阳电池片鉴定试验和性能试验项目以及对应本标准的章条号。

表4 太阳电池片鉴定试验和性能试验要求

2.1.2 AIAA S-112A-2013 太阳电池板鉴定要求

AIAA S-112A-2013《空间太阳电池板鉴定和质量要求》规定了太阳电池板的设计具体要求，包括应如何确定功率裕度，如何给出太阳电池阵的功率计算结果。表5 中列出了太阳电池板的鉴定和性能试验以及对应本标准的章条号。

表5 太阳电池板鉴定和性能试验要求

2.2 欧洲ECSS 太阳电池阵试验验证体系分析

ECSS-E-20-08B《光伏组件和元器件》[7]标准概述了空间太阳电池阵电路板主要组件的质量鉴定、采购、储藏以及运输的规格，主要组件包括：光电组件、太阳电池组件、太阳电池裸片以及盖片玻璃。

本标准的主要部分(第5～8 条)分为4 个详细部分，每一部分对应着各自的组件：光电组件、太阳电池组件、太阳电池裸片以及盖片玻璃的对照标准，而且包括了核对数据、力学和电学特征、其它额定值以及验收和质量评定的详细规格，这些都和空间工程上用到的规格有所不同(表6)。

表6 太阳电池组件质量认证测试方案

2.3 日本JAXA 太阳电池阵试验验证体系分析

日本JAXA 机构与国际标准化组织ISO 有良好的合作，开展了太阳电池阵质量保证指南标准化项目工作。该项目的目标是建立太阳电池阵质量保证的方法。《太阳电池阵》JAXA-JERG-2-215A[8],该指南提供了太阳电池阵的飞行件制造过程、材料、元器件质量保证的一般要求。在第3 章给出了鉴定试验项目，规定了热真空试验、热真空循环试验、噪声试验的实施，同时参考充电设计WG1 给出了ESD 试验的测试方法(表7)。

表7 太阳电池板鉴定和性能试验要求

3 卫星太阳电池阵研制试验及试验验证体系启示

通过对美国AIAA 标准、欧洲ECSS 标准和日本JAXA 标准的调研，重点分析AIAA S-111A-2014《空间太阳电池鉴定和质量要求》、AIAA S-112A-2013《空间太阳电池板鉴定和质量要求》和ECSS-E-20-08B《光伏组件和元器件》的分析，梳理了各国在卫星太阳电池阵研制过程中开展的试验项目的细节要求：

(1)从前面的分析可以看出美国AIAA 和ECSS 的太阳电池阵标准体系架构是基于产品结构的，分为顶层设计的指导性规范文件，第2 级结构、机构和太阳光伏组件规范，第3 级盖片玻璃、裸电池、保护二极管产品规范。ECSS 标准以产品结构为基础，与他们的研制模式是密切相关的，研制组织机构为公司制，提供货架产品，以各级最终交付的产品状态为单位制定研制标准是合理的，面向产品的。

(2)国外的标准特别强调了试件上的太阳电池样本数量，如美国《AIAA S-112A-2013 Qualification and Quality Requirements for Space Solar Panels》标准规定疲劳热循环试验的小试件上的太阳电池应不少于231 片，静电放电试验的小试件上的太阳电池应不少于12 片。ECSS-E-20-08B《光伏组件和元器件》也对分组测试的裸太阳电池和太阳电池组件的样本数进行了规定。

(3)美国的AIAA S-111A-2014 标准和日本JAXA 机构的标准采取的是相同的鉴定试验验证体系，即对不同的试验项目选用相应样本独立试验，单独根据判据判断试验结果。而欧洲ECSS 组织的ECSS-E-20-08B《光伏组件和元器件》标准采取的是试验组合验证体系,将试样样本分为5 组，5 组样本分别开展对应的组合试验，根据试验结果，判定是否合格。

4 结束语

本文通过对国外卫星太阳电池阵研制标准及其验证试验开展研究，对国外卫星太阳电池阵在研制阶段完成的试验进行分析，重点探讨太阳电池片的生产、鉴定测试和试验；太阳电池板的生产和鉴定过程中完成的测试和试验；并对太阳电池板装配成翼后进行的测试和试验验证体系进行调研与分析研究，总结了对国外太阳电池阵各项研制试验的启示，为国内未来卫星太阳电池阵的研制过程试验提供参考，对确保卫星供配电安全可靠，圆满完成飞行任务具有重要意义。