國外宇航機構太陽電池陣研制標準及試驗驗證體系概述

姜東升，杜 紅，付林春，王 磊，楊 東

(1.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；2.北京空間科技信息研究所，北京 100086)

太陽電池陣是衛星供配電系統的重要單機，負責將太陽光能轉換為電能，是衛星供配電系統安全、可靠供電的首要環節。太陽電池陣由結構部分、機構部分和太陽電池電路組成，是機電合一的復雜產品[1]。太陽電池陣的研制過程需要通過電學的、力學的和熱學的試驗對其技術條件、材料、生產工藝和產品的質量進行測試、檢驗和試驗驗證。對2000 年1月至2012 年9 月期間79 顆在軌衛星發生的114 次太陽電池陣故障事件進行了分類統計分析，結合我國衛星太陽電池陣設計及制造工藝技術，提出了加強出廠前的測試和試驗驗證[2]。

本文對衛星太陽電池陣研制標準及其驗證試驗開展研究，對國外衛星太陽電池陣在研制階段完成的測試和試驗進行分析，重點研究太陽電池片的生產、鑒定測試和試驗；太陽電池板的生產和鑒定過程中完成的測試和試驗；同時，對太陽電池板裝配成翼后進行的測試和試驗驗證體系進行調研與分析研究，與國內衛星太陽電池陣研制過程的各項試驗開展對比分析，為后續太陽電池陣的研制過程試驗提供參考[3]。

1 國外衛星太陽電池陣研制標準調研

針對美國AIAA(美國航空航天學會)標準，歐洲ESA 的ECSS(歐洲空間標準化合作組織)標準和日本JAXA(日本宇宙航空研究開發機構)標準中與衛星太陽電池陣研制相關的標準進行調研和分析。

1.1 美國AIAA 太陽電池陣研制標準

美國航空航天學會(American Institute of Aeronautics and Astronautics,AIAA)于1963 年由美國火箭學會和美國宇航科學學會合并而成。發展至今，AIAA 已經是全球最大的致力于航空、航天、國防領域的科學與技術進步和發展的專業性非政府、非贏利的學會。AIAA 是ISO/TC20/SC14 秘書處，同時是美國國家標準(ANSI)所認定機構。

AIAA 在國際航天標準化活動中有舉足輕重的地位，它與ECSS 共同主導了國際航天標準化的“潮流”。AIAA 標準體系的結構按照專業技術領域劃分，包括：航天學類、工程與技術管理類、信息與綜合后勤保障類、宇航與導彈系統類、推進與發動機類以及結構、設計和試驗類，共6 個專業技術領域，又進一步細分為26 個分技術委員會，如圖1 所示。

圖1 AIAA分技術委員會構成

目前可查詢到AIAA 標準項目76 項，其中與太陽電池陣相關標準參見表1。這些標準主要分為以下四類，即指南G(guide)、標準S(standard)、推薦性操作規程R(recommended practice)和專門課題SP(special project)。

表1 AIAA與太陽電池陣相關標準

1.2 歐洲ECSS 太陽電池陣研制標準

歐洲空間標準化合作組織(European Cooperation for Space Standardization，ECSS)標準體系分為空間項目管理、空間產品保證、空間工程和空間可持續四個子體系。通過對歐洲ESA 的ECSS 產品保證標準體系調研分析和ESA 的相關文獻可以看出，ECSS 標準體系是自頂向下實施的結構，建立頂層指導性規范后，建立工程的頂層規范文件，然后建立2 級和3 級產品實現和工程活動的方法、程序和工具。以ESA 太陽電池陣產品相關標準體系為例，如圖2。

圖2 ESA與太陽電池陣相關的標準體系

對于太陽電池陣產品來說1 級文件為電源與供配電系統的指導性規范文件，描述產品保證、工程的方針和原則、要求和包含的內容；根據太陽電池陣的組成結構，2 級劃分為結構、機構和太陽光伏組件規范，描述太陽電池陣產品或工程中各活動的要求和作用；3 級設定為太陽電池組件規范，下面包括具體的蓋片玻璃、裸電池、保護二極管產品實現活動的方法、程序和工具。表2 為ECSS 與太陽電池陣相關標準。

表2 ECSS與太陽電池陣相關標準

1.3 日本JAXA 太陽電池陣研制標準

日本宇宙航空研究開發機構(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA)成立于2003 年10 月，是在原宇宙開發事業團(NASDA)、航空宇宙技術研究所(NAL)和宇宙科學研究所(ISAS)基礎上合并而來，其主要人員也來自這三個機構。JAXA 的標準體系建設、運行和維護工作由JAXA 下設的安全和任務保證部(S&MA)負責。JAXA 編制和使用的標準主要包括JMR(管理要求)和JERG(工程要求及指南)兩類。JERG包含4 個系列，分別是：JERG-0(產品保證標準)、JERG-1(工程標準)、JERG-2(航天器設計標準)、JERG-3(地面設備標準)。截至2018 年，JAXA 對外公布的有效技術標準共28 項，其中與衛星太陽電池陣相關標準見表3。JAXA 還專門建立了層級結構清晰的標準體系，具體如圖3 所示。

表3 JAXA與太陽電池陣相關的標準

圖3 JAXA航天器設計標準體系

2 國外衛星太陽電池陣試驗驗證體系分析

2.1 美國AIAA 太陽電池陣試驗驗證體系分析

從2005 年開始，為了提高衛星供配電的可靠性，AIAA 陸續發布了一系列空間電源系統設計、太陽電池陣方面的AIAA 標準，其中包括：AIAA S-111A-2014《空間太陽電池鑒定和質量要求》[4]、AIAA S-112A-2013《空間太陽電池板鑒定和質量要求》[5]、AIAA S-122-2007《無人航天器電源系統》[6]。

AIAA S-111A-2014 規定了空間用硅太陽電池、單結砷化鎵太陽電池、三結砷化鎵太陽電池的質量和鑒定要求，包括太陽電池的性能要求和對太陽電池生產商的質量保證要求。AIAA S-112A-2013 規定了太陽電池板的質量要求和鑒定要求，包括太陽電池板的性能要求和對太陽電池板制造商的質量保證要求。

2.1.1 AIAA S-111A-2014 太陽電池片鑒定要求

AIAA S-111A-2014《空間太陽電池鑒定和質量要求》標準明確規定了空間用單晶硅和砷化鎵單結、雙結、三結太陽電池的鑒定和質量要求。它的前身是TOR2004(8583)-3554《空間太陽電池鑒定和質量要求》，包括對太陽電池特性要求和太陽電池生產商的質量保證體系要求。其中，第7 章規定了為保證空間用太陽電池的質量和可靠性而必須進行的測試。

表4 中列出了太陽電池片鑒定試驗和性能試驗項目以及對應本標準的章條號。

表4 太陽電池片鑒定試驗和性能試驗要求

2.1.2 AIAA S-112A-2013 太陽電池板鑒定要求

AIAA S-112A-2013《空間太陽電池板鑒定和質量要求》規定了太陽電池板的設計具體要求，包括應如何確定功率裕度，如何給出太陽電池陣的功率計算結果。表5 中列出了太陽電池板的鑒定和性能試驗以及對應本標準的章條號。

表5 太陽電池板鑒定和性能試驗要求

2.2 歐洲ECSS 太陽電池陣試驗驗證體系分析

ECSS-E-20-08B《光伏組件和元器件》[7]標準概述了空間太陽電池陣電路板主要組件的質量鑒定、采購、儲藏以及運輸的規格，主要組件包括：光電組件、太陽電池組件、太陽電池裸片以及蓋片玻璃。

本標準的主要部分(第5～8 條)分為4 個詳細部分，每一部分對應著各自的組件：光電組件、太陽電池組件、太陽電池裸片以及蓋片玻璃的對照標準，而且包括了核對數據、力學和電學特征、其它額定值以及驗收和質量評定的詳細規格，這些都和空間工程上用到的規格有所不同(表6)。

表6 太陽電池組件質量認證測試方案

2.3 日本JAXA 太陽電池陣試驗驗證體系分析

日本JAXA 機構與國際標準化組織ISO 有良好的合作，開展了太陽電池陣質量保證指南標準化項目工作。該項目的目標是建立太陽電池陣質量保證的方法。《太陽電池陣》JAXA-JERG-2-215A[8],該指南提供了太陽電池陣的飛行件制造過程、材料、元器件質量保證的一般要求。在第3 章給出了鑒定試驗項目，規定了熱真空試驗、熱真空循環試驗、噪聲試驗的實施，同時參考充電設計WG1 給出了ESD 試驗的測試方法(表7)。

表7 太陽電池板鑒定和性能試驗要求

3 衛星太陽電池陣研制試驗及試驗驗證體系啟示

通過對美國AIAA 標準、歐洲ECSS 標準和日本JAXA 標準的調研，重點分析AIAA S-111A-2014《空間太陽電池鑒定和質量要求》、AIAA S-112A-2013《空間太陽電池板鑒定和質量要求》和ECSS-E-20-08B《光伏組件和元器件》的分析，梳理了各國在衛星太陽電池陣研制過程中開展的試驗項目的細節要求：

(1)從前面的分析可以看出美國AIAA 和ECSS 的太陽電池陣標準體系架構是基于產品結構的，分為頂層設計的指導性規范文件，第2 級結構、機構和太陽光伏組件規范，第3 級蓋片玻璃、裸電池、保護二極管產品規范。ECSS 標準以產品結構為基礎，與他們的研制模式是密切相關的，研制組織機構為公司制，提供貨架產品，以各級最終交付的產品狀態為單位制定研制標準是合理的，面向產品的。

(2)國外的標準特別強調了試件上的太陽電池樣本數量，如美國《AIAA S-112A-2013 Qualification and Quality Requirements for Space Solar Panels》標準規定疲勞熱循環試驗的小試件上的太陽電池應不少于231 片，靜電放電試驗的小試件上的太陽電池應不少于12 片。ECSS-E-20-08B《光伏組件和元器件》也對分組測試的裸太陽電池和太陽電池組件的樣本數進行了規定。

(3)美國的AIAA S-111A-2014 標準和日本JAXA 機構的標準采取的是相同的鑒定試驗驗證體系，即對不同的試驗項目選用相應樣本獨立試驗，單獨根據判據判斷試驗結果。而歐洲ECSS 組織的ECSS-E-20-08B《光伏組件和元器件》標準采取的是試驗組合驗證體系,將試樣樣本分為5 組，5 組樣本分別開展對應的組合試驗，根據試驗結果，判定是否合格。

4 結束語

本文通過對國外衛星太陽電池陣研制標準及其驗證試驗開展研究，對國外衛星太陽電池陣在研制階段完成的試驗進行分析，重點探討太陽電池片的生產、鑒定測試和試驗；太陽電池板的生產和鑒定過程中完成的測試和試驗；并對太陽電池板裝配成翼后進行的測試和試驗驗證體系進行調研與分析研究，總結了對國外太陽電池陣各項研制試驗的啟示，為國內未來衛星太陽電池陣的研制過程試驗提供參考，對確保衛星供配電安全可靠，圓滿完成飛行任務具有重要意義。