LEO航天器太阳电池阵激光诱导电弧放电试验与分析

尉德杰 朱立颖 武建文 刘业楠 王志浩 王思展 聂翔宇 杜嘉余

(1 北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院,北京 100191)(2 北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)(3 北京卫星环境工程研究所,北京 100094)

激光辐照太阳电池串间激发等离子体从而诱导放电,是等效太阳电池阵在低地球轨道(LEO)等离子体环境、地球静止轨道(GEO)电子环境等工况下的放电试验的一种方法,成为研究太阳电池阵充放电试验的一种新型手段。同时,太阳电池阵作为航天器的主要能量来源,其大面积展开工作的特点极易受到激光辐照损伤,严重威胁航天器的可靠运行和安全[1-3]。太阳电池阵在LEO等离子体环境下会产生充电效应,形成反向电位梯度,容易发生静电放电并引起串间二次放电[4-7],因此当纳秒脉冲激光辐照太阳电池阵串间产生高浓度的等离子体后极易诱发串间电弧放电,造成激光辐照热效应损伤和电弧放电引起二次损伤的叠加。

目前,关于激光辐照对太阳电池的损伤研究主要有连续激光辐照损伤和脉冲激光辐照表面损伤。对于连续激光辐照损伤效应,文献[8]中采用1070nm连续激光开展n-on-1模式三结砷化镓(GaAs)太阳电池辐照效应试验,探究了激光诱导太阳电池短路或电流增大现象与机理,结果显示短路电流增加的原因是激光导致限流层并联电阻减小,使其限流失效。文献[9]中对比分析1070nm连续激光在空气和真空中对三结GaAs的损伤效应,发现三结GaAs太阳电池的底电池最容易受到破坏,且在真空中比空气中更容易受到损伤。关于脉冲激光辐照损伤效应,文献[10]中研究了波长532nm、频率为20ns及300ps脉冲激光对太阳电池的辐照效应,对比分析了不同类型激光的损伤机理,得出脉冲激光对太阳电池的破坏主要是热效应损伤。文献[11]中首次采用飞秒超短脉冲探究对硅太阳电池的损伤阈值,发现与相同波长的连续激光相比,飞秒激光的损伤阈值略高。上述研究主要集中于激光对太阳电池片的热效应损伤,而激光诱导太阳电池串间放电特性及造成的叠加损伤未见报道。激光诱导太阳电池阵放电电弧,涉及等离子体的产生包括激光与材料作用、激光与等离子体作用和等离子体相互作用,是一个极其复杂的非线性物理过程,采用试验研究激光诱导太阳电池阵电弧放电特性及损伤作用,对于激光防护及太阳电池阵设计具有很高的工程实际意义。

本文针对纳秒脉冲激光诱导太阳电池阵串间放电,结合太阳电池阵在LEO等离子体环境中空间电弧放电理论,对LEO空间环境下脉冲激光诱导放电机理进行分析。采用空间放电模拟试验系统,对LEO等离子体环境下太阳电池阵的放电进行试验测试,探究空间环境下施加纳秒脉冲激光前后的放电特性,并对比分析空间环境下太阳电池阵串间放电、纳秒脉冲激光辐照太阳电池表面和纳秒脉冲激光诱导太阳电池阵电弧放电3种工况下的损伤效应,可为航天器太阳电池阵放电试验的措施及试验参数选取提供参考。

1 激光诱导太阳电池阵放电机理分析

当激光功率密度达到一定值时,辐照靶材会产生一定浓度等离子体,其作用过程可以大致分为升温、熔融、气化、形成等离子体4个阶段,如图1所示。当激光辐照到靶材时,靶材吸收激光能量使其温度迅速升高,由于作用时间较短,热传递较慢,在蒸发、材料膨胀和相爆炸等不同物理机制作用下,材料会迅速熔化和气化,并脱离靶体;当激光强度超过材料的光学击穿阈值时,脱离的材料会继续吸热,从而电离形成等离子体。

图1 激光等离子体产生过程

LEO等离子体环境具有低温稠密的特点,等离子体温度为20000～30000K,密度高达1×1010～1×1012m-3,航天器结构体与等离子体相互作用,充电电位可达上百伏至上千伏[12]。采用纳秒脉冲激光辐照太阳电池阵串间诱导串间放电机理可总结如下。

(1)充电效应使太阳电池阵负端结构体相对于空间等离体子悬浮于较高的负电位,且空间环境等离子体密度较高,高压太阳电池阵工作时太阳电池阵串间存在一定的电势差,因此形成了恶劣的放电环境。

(2)当纳秒激光辐照太阳电池串间时,产生高浓度的等离子体,形成串间电弧放电的耦合通路,在较大的电势差和空间等离子体环境综合作用下,发生电弧放电现象。

(3)太阳电池阵串间电弧放电能量由电源和空间分布电容共同提供,因此放电能量较大,严重破坏太阳电池阵的绝缘层,甚至使太阳电池串与基板之间的室温硫化硅橡胶(RTV)和聚酰亚胺膜热解碳化,形成低阻通路,发生短路现象,从而使太阳电池阵部分烧毁或整体失效。

2 试验系统

试验系统如图2所示,采用真空罐+等离子体源的方式模拟LEO环境,太阳电池样件(见图3)固定于真空罐内的支架上,通过法兰盘与外电路连接,在罐内安装等离子体探针以实时监测内部等离子体密度,同时使用相机对试件拍摄以观察放电电弧位置。试验系统具体参数如表1所示。光束通过真空罐的玻璃舷窗垂直照射三结GaAs太阳电池样件表面,经试验测量,激光光束能量透过玻璃舷窗后衰减约15%。太阳电池样件采用3×2的三结GaAs太阳电池,样件电池串P1N1和P2N2的串间距为1mm,玻璃盖片厚度为0.09mm,电池片之间通过银互连片连接,并使用RTV胶固定于铝蜂窝基板上。

表1 试验系统参数

图2 试验系统

图3 太阳电池样件

试验电路见图4,采用恒流源I1和电压源V1来模拟航天器太阳电池供电,太阳电池样件串联于电路中,当电路接通时,工作在正偏置区,处于发光状态,通过观察即可判断其是否正常工作。可变电阻RL用于模拟航天器负载,二极管D1,D2,D3用于保护电路中的器件。试验时设置恒流源I1为0.6A,调节可变电阻RL,使负载两端电压为100V,即模拟空间负载母线电压100V,并设置电压源为99.5V,使正常工作时负载由电流源供电,当发生串间放电短路时,负载由电压源供电。虚线框中偏压电路模拟航天器的带电现象,通过改变Vb实现不同带电情况的偏压模拟,Rb为Vb的限流电阻,起保护作用。电容C1,C2,C3为太阳电池阵的补偿电容,C1为太阳电池串间补偿电容,C2和C3为夹层补偿电容。CP1～CP3为霍尔电流传感器,用于检测电路中的电流变化。当正常工作时,电流I1经二极管D1流入上电池串P1N1、负载RL和下电池串P2N2,最后回到电流源I1;此时,CP1～CP3均可检测到正常工作时的电流,并且电压源V1两端电压低于负载两端电压,因此电压源V1处于不工作状态。当上电池串P1N1和下电池串P2N2之间发生串间放电时,串间短路,此时电流I1经二极管D1后流入P1端,然后经放电通道回到N2端;此时,RL两端电压低于电压源V1,因此电压源V1为负载RL供电,而电流源I1的电流则全部流向放电位置。

图4 试验电路

3 试验结果及分析

为了分析激光诱发太阳电池阵放电特性,进行LEO等离子体模拟环境下有无激光辐照2种工况下的太阳电池阵放电试验,通过改变脉冲激光束的能量大小可测得产生放电的脉冲激光能量阈值。同时,为了比较激光直接辐照太阳电池玻璃盖片表面与激光辐照串间诱发放电造成的损伤程度,进行不同辐照位置的对比试验。

3.1 2种不同工况的电弧放电特性

通过一次放电试验可得放电偏压阈值约为190V,为了更好地模拟试验放电现象,本次试验选择220V偏压和50nF电容,此时可观察到较好的放电现象和电流波形,测得电流波形如图5所示。正常工作时,CP1～CP3支路的电流均为工作电流0.6A;当太阳电池样件上电池串P1N1和下电池串P2N2发生串间放电现象时,CP1和CP3支路电流增大,串间发生短路,维持时间约为20μs,此时CP2支路电流为零,电流源I1不再给负载供电,全部流向放电燃弧位置。由于有保护二极管的作用,电压源V1给负载供电。当放电结束后,CP1～CP3支路恢复到正常工作电流,此时由于负载正常工作电压略高于电压源V1电压,因此电流源I1恢复给负载供电,电压源V1则处于待供电状态。因此,可通过CP1～CP3支路电流工作状态判断是否发生串间放电现象。为了对比分析LEO环境施加激光诱导条件后的影响,在相同的LEO等离子体环境下进行施加纳秒脉冲激光诱导的串间放电试验。通过调节脉冲激光辐照能量可得,当激光辐照诱导太阳电池串间放电的能量阈值约为4.25mJ时,辐照功率密度为1.08×108W/cm2,测得放电电流波形如图6所示。在2种工况下各进行20次有效试验,试验数据统计结果如表2所示,定义放电电流持续时间为电流峰值的上升沿10%到下降沿10%,上升时间为电流峰值的10%～90%。

表2 试验结果

图5 LEO等离子体环境下太阳电池串间放电电流波形

图6 纳秒脉冲激光诱导放电电流波形

结合图5、图6和表2可得:增加激光诱导前后放电电流波形相似;但增加激光诱导条件后,放电电流持续时间由13.9μs增加到16.68μs,增加了20%,而上升时间则由5.91μs减小到5.02μs,因此激光诱导放电电流在峰值附近持续时间更长,造成的危害更大。经分析,主要原因是纳秒脉冲激光的功率密度高,辐照太阳电池串间时可以产生高浓度的等离子体,为串间放电提供了较好的耦合通路。同时,在试验中发现,在LEO等离子体环境下,发生放电的频率约为1.6次/分钟,而增加激光诱导后,每次施加脉冲激光发生放电的概率约为60%,大大增加了太阳电池阵放电的风险。

3.2 太阳电池样件损伤分析

对LEO等离子体环境下太阳电池串间放电试验后的样件进行放大观察,使用金相显微镜放电165倍后(如图7所示),观察到对角串间有明显的烧蚀痕迹,且上下对角烧蚀面积约为0.243mm2和0.820mm2,对绝缘层造成了一定的破坏,但此时并未发生短路,太阳电池阵仍可正常工作。

图7 LEO等离子体环境下放电后放大165倍观察结果

纳秒脉冲激光辐照太阳电池阵造成的损伤有2种形式:①纳秒脉冲激光直接辐照太阳电池片表面造成的热应力损伤效应。纳秒脉冲激光的功率密度较高,在短时间内可在太阳电池片表面积累巨大的能量,由于短时间不能将能量传导出去,因此会出现局部高温现象,造成巨大的温度梯度,从而产生热应力,再加上太阳电池片盖玻片和GaAs材料属于脆性材料,塑性区窄,很容易对太阳电池片造成破裂损伤,导致盖玻片破裂或PN结失效。②纳秒脉冲激光辐照太阳电池串间诱发太阳电池阵放电,造成的损伤是激光辐照热应力损伤与放电电弧燃烧造成二次损伤的叠加。常见的损伤有破坏绝缘层、造成PN结短路、太阳电池与基板短路或串间短路,使太阳电池阵输出功率大幅衰减,严重时可产生永久电弧,直至整个太阳电池阵烧毁,失去供电能力。

针对纳秒脉冲激光造成的2种不同损伤类型,在进行激光诱发放电试验时改变激光辐照位置,进行对比。能量为4.25mJ的脉冲激光连续辐照3次(间隔约1 s)太阳电池片表面,造成太阳电池片热应力损伤,图8为使用金相显微镜放大165倍观察到的结果。可以看到:太阳电池片表面有明显的熔融痕迹,直径约为1.1mm,略大于激光光斑直径。图9为1号和6号电池串间放大图。可以看出:串间不同部位均有明显的放电烧蚀痕迹,严重破坏了绝缘层。结合图10可得,1号电池片盖玻片表面有多处明显的热应力导致的碎裂情况,且在通电情况下碎裂处不发光,即热应力损伤造成了PN结断路失效。6号电池片在通电情况下不再发光,主要原因是在试验过程中脉冲激光诱发串间放电,引起放电电弧造成二次损伤,与脉冲激光辐照产生热应力损伤叠加,造成6号电池片边缘部分发生了PN结短路失效,导致整个6号电池片无法正常工作。比较LEO空间环境串间放电、纳秒激光辐照太阳电池阵表面和纳秒脉冲激光诱导放电3种工况下造成的损伤,结果为:纳秒脉冲激光辐照太阳电池串间诱发放电破坏绝缘层最严重,且极易造成太阳电池片中部分PN结短路失效,其损坏程度远远大于空间环境串间放电烧痕损坏和盖玻片表面热应力损伤造成的PN结断路失效。因此,进行航天器太阳电池阵防护设计时,需要着重考虑高功率密度脉冲激光诱导放电的影响。

图8 放大165倍的表面热效应损伤

图9 激光诱导放电后串间放大图

图10 激光诱导放电试验后太阳电池通电工作图

4 结论

本文基于LEO高压太阳电池阵电弧放电理论,对纳秒脉冲激光诱导太阳电池串间电弧放电机理进行分析,试验研究了空间环境太阳电池串间电弧放电与纳秒脉冲激光诱导电弧放电的特性变化,对比分析了不同工况下太阳电池阵损伤效应,得出结论如下。

(1)纳秒脉冲激光诱导太阳电池串间电弧放电是因为纳秒脉冲激光功率密度较高,辐照串间可以产生较高浓度的等离子体,在空间等离子体环境和串间电势差的综合作用下可以诱导太阳电池串间电弧放电现象。相比于空间环境下太阳电池阵电弧放电,放电平均持续时间增加了20.0%,且每施加1次纳秒脉冲,激光诱导电弧放电发生的概率约为60%,大大增加了太阳电池阵放电的风险。

(2)对比分析不同工况下的损伤效应发现:纳秒脉冲激光辐照太阳电池串间诱发放电破坏绝缘层最严重,且极易造成太阳电池阵中部分PN结短路失效,其损坏程度远远大于空间环境串间放电烧蚀损坏和盖玻片表面热应力损伤造成的PN结断路失效。

(3)LEO等离子体环境下激光诱导太阳电池阵电弧放电的功率密度阈值约为1.08×108W/cm2,可为空间激光器的功率设计提供一定的参考;同时,激光诱导放电对太阳电池阵的损害程度更高,进行航天器太阳电池阵防护设计时,应着重考虑对高功率密度脉冲激光的防护。