空间环境引起太阳电池表面电弧放电现象的研究

　【摘　要】　论述了引发太阳电池电弧放电的空间环境因素特点。综述了等离子体中的质子、电子和航天器周围的特征气体环境对太阳电池的作用，以及高电压和低电压太阳电池的电弧放电行为。
    关键词：空间环境，太阳电池，电弧放电

1　引　言

　　自七十年代起，美国和原苏联在同步轨道上的许多卫星发生异常现象，包括：电源损坏，未得到指令；电子系统的逻辑状态发生变化，姿态控制系统出错，通讯中断等等。如1973年6月2日美国同步轨道上一颗卫星出了一次灾难性的电源事故，使其主要分系统失败。针对这些故障，各国专家们曾做了大量的研究和试验工作。在1972年以后，连续观测到卫星的异常与地磁亚爆的出现在时间上和空间上有着准确的联系，从而得出地磁亚爆可能引起卫星出现故障的初步结论。
　　目前为止，人们对空间用太阳电池进行的大量研究工作，主要还在高能粒子辐照对太阳电池损伤方面。由于各方面条件的制约，所进行的研究大部分是模拟单一空间环境因素对太阳电池的影响，而忽略了在实际空间环境中对太阳电池阵乃至整个卫星的作用是综合协作效应的结果。采取正确的地面模拟试验，对于保证太阳电池及太阳电池阵长期可靠地工作、保证按计划提供卫星需要的能源是至关重要的。
　　本文从带电粒子辐照、卫星特征气体环境和太阳电池结构与电性能等几方面，阐述结合环境效应引起太阳电池表面电弧放电的特性，从而为同步轨道上的长寿命卫星、太阳能发电卫星和太空站的设计与研究提供一定的依据，以寻求解决卫星表面充电、电弧放电问题的有效方法。

2　空间环境特点

　　卫星在地球同步轨道上运行会遭遇等离子体轰击而引起卫星表面充电，等离子体可来自以下四个区域：
　　（1）等离子体层是低能量和高密度的等离子体区域，它在磁球层的近地区域内占主要地位，它的外边界是等离子层顶。等离子体层的特征是，等离子体密度为每立方厘米几个粒子，等离子体温度为几个电子伏。如ATS－6卫星的实测数据为：等离子体温度为4eV，等离子体密度为6个／厘米3。但在磁球层亚爆期间，等离子层明显地向地球移动，而在同步轨道上再也观测不到这些低能等离子体成份。
　　（2）环电流是温度较高，而密度与等离子体层顶同量级的电子和离子区域。它的特征是密度为1个／厘米3，温度为20～40keV。这种等离子体成分几乎总存在于同步轨道上。
　　（3）捕获边界是能捕获40keV电子的稳态捕获粒子区域。可以认为，捕获边界是地球磁场作用下，粒子剧烈运动的区域和粒子动能为控制因素区域之间的分界线。
　　（4）等离子体片是地球磁尾上的高温等离子体区域，等离子体片的粒子温度约几千电子伏。在磁扰动区间，几千电子伏的等离子体注入到同步轨道中形成环电流，并伴随着等离子体层顶向内运动，使在同步轨道上没有低能量的粒子存在。这种综合效应会使卫星表面被充电到几千电子伏的电位。等离子体片内，平均质子能量比平均电子能量大六倍。

3　空间环境引起的太阳电池表面充电效应

　　当卫星离开地球阴影区进入太阳光照区域时，即处于所谓的半阴影状态，由于光子对太阳电池表面的轰击，从起初的中性原子中激发出光电子从而使原子变成质子。虽然被激发出的光电子只有几个电子伏的能量，但其速率通常大于等离子体的速率并且数量大，从而使太阳电池表面的某个部分产生放电现象。图1所示为模拟从阴影区进入太阳光照区时辐照充电的电介质材料被加温并释放在阴影区积累的电荷，造成表面放电。所用的粒子是能量为2MeV的电子，在77K的温度下进行辐照。另外，在地磁亚爆期间，在同步轨道热等离子体的作用下，太阳电池表面会被充电到几千伏甚至几万伏的电位，从而导致电弧放电现象的发生〔1，2〕。

　　由于航天器功能和发展的需要，对太阳电池的要求不断提高。随着太阳电池功率的增加，要求合理提高工作电压，从而降低欧姆消耗和电缆的重量。但是随着太阳电池工作电压的升高，发生电弧放电的危险性也就相对增加，从而使航天器使用寿命降低。低电压和高电压太阳电池的放电机理有所不同。高电压太阳电池通常应用在近地球或火星轨道，由于这些星际空间的带电粒子的作用导致了各种各样的放电和电物理学过程〔5－9〕。在近地轨道上高电压太阳电池的电弧放电现象，主要是等离子体区的正离子轰击太阳电池表面，使太阳电池相对于周围等离子体层处于负电位而产生电弧放电。放电强度与太阳电池的工作电压有着密切的关系，从暴露试验和飞行数据可知，在飞行条件下测得的放电域值电压比模拟条件下所获得的要低，如图2所示，模拟试验测得的放电域值电压偏离的原因，同在真空室内壁出现的第二次电子放射现象有关。从日本发射的人造地球卫星PIX－Ⅰ和PIX－Ⅱ所提供的资料可以看到，200伏左右的太阳电池表面电弧放电的域值电压，取决于等离子体层的密度，并和触点材料（Ag或Cu）及太阳电池的结构有关〔13〕，如图3所示。

　　大量的观测与研究表明〔10，11，12〕，由轨控发动机的排出物、材料解析析气产物等挥发性气体成份所构成航天器特征气体环境，不仅可对太阳电池、热控涂层、光学镜头等造成沉积污染，还可在辐照的作用下与材料表面产生辐照化学反应，甚至在辐照的作用下导致特征气团的气体分子电离，不但诱发荧光效应，而且还是造成航天器表面辐照带电的一个辅助因素。从太阳电池表面电弧放电的发射光谱可以看到，航天器特征气体环境中的水蒸汽起着极其重要的作用，如图4所示。而放电的强度主要取决于周围水蒸汽的压强，随着周围水蒸汽压强的不断增大，放电的强度和频率也不断增高，如图5所示。

　　对于低电压太阳电池的放电过程，前苏联学者ЛетинВ．А等人〔13〕曾用30～50keV的电子辐照太阳电池部件和电介质的结构材料表面，来模拟磁层干扰的瞬间太阳电池的电弧放电过程。通过电镜和X射线衍射等分析手段得出电池盖片表面的电弧放电对电池硅片有双重作用。首先，由于连续放电使电池盖片遭到破坏，从而对硅片的p－n结造成损伤。其次，在电弧放电的情况下，在电池盖片正面产生的冲击波不会对晶体产生损伤，但会在硅的基体中形成高密度位错变形区。众所周知，辐照充电的电解质表面（S）放电脉冲电流和它的寿命正比于S1／2。在时间t＝1～5μs的情况下，放电的电流值不大于50A。电子辐照太阳电池盖片表面产生瞬间放电时，同时伴有闪光现象，盖片表面电势发生明显变化，见图6。实验证明，同导体接触的电介质由于在其局部表面自由电荷的沉积和较高的电势，而促使了电弧放电的发生。

4　结束语

　　综上所述，研究空间环境引起太阳电池表面电弧放电时，除了考虑空间环境因素直接的影响外，还应注意到它同航天器特征气体环境、自身设备所发射的高频电磁波、太阳电池的工作电压及其自身结构等多方面因素所造成的综合协作效应的影响。

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