LEO航天器太陽電池陣激光誘導(dǎo)電弧放電試驗(yàn)與分析

尉德杰 朱立穎 武建文 劉業(yè)楠 王志浩 王思展 聶翔宇 杜嘉余

(1 北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京 100191)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)(3 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094)

激光輻照太陽電池串間激發(fā)等離子體從而誘導(dǎo)放電,是等效太陽電池陣在低地球軌道(LEO)等離子體環(huán)境、地球靜止軌道(GEO)電子環(huán)境等工況下的放電試驗(yàn)的一種方法,成為研究太陽電池陣充放電試驗(yàn)的一種新型手段。同時(shí),太陽電池陣作為航天器的主要能量來源,其大面積展開工作的特點(diǎn)極易受到激光輻照損傷,嚴(yán)重威脅航天器的可靠運(yùn)行和安全[1-3]。太陽電池陣在LEO等離子體環(huán)境下會產(chǎn)生充電效應(yīng),形成反向電位梯度,容易發(fā)生靜電放電并引起串間二次放電[4-7],因此當(dāng)納秒脈沖激光輻照太陽電池陣串間產(chǎn)生高濃度的等離子體后極易誘發(fā)串間電弧放電,造成激光輻照熱效應(yīng)損傷和電弧放電引起二次損傷的疊加。

目前,關(guān)于激光輻照對太陽電池的損傷研究主要有連續(xù)激光輻照損傷和脈沖激光輻照表面損傷。對于連續(xù)激光輻照損傷效應(yīng),文獻(xiàn)[8]中采用1070nm連續(xù)激光開展n-on-1模式三結(jié)砷化鎵(GaAs)太陽電池輻照效應(yīng)試驗(yàn),探究了激光誘導(dǎo)太陽電池短路或電流增大現(xiàn)象與機(jī)理,結(jié)果顯示短路電流增加的原因是激光導(dǎo)致限流層并聯(lián)電阻減小,使其限流失效。文獻(xiàn)[9]中對比分析1070nm連續(xù)激光在空氣和真空中對三結(jié)GaAs的損傷效應(yīng),發(fā)現(xiàn)三結(jié)GaAs太陽電池的底電池最容易受到破壞,且在真空中比空氣中更容易受到損傷。關(guān)于脈沖激光輻照損傷效應(yīng),文獻(xiàn)[10]中研究了波長532nm、頻率為20ns及300ps脈沖激光對太陽電池的輻照效應(yīng),對比分析了不同類型激光的損傷機(jī)理,得出脈沖激光對太陽電池的破壞主要是熱效應(yīng)損傷。文獻(xiàn)[11]中首次采用飛秒超短脈沖探究對硅太陽電池的損傷閾值,發(fā)現(xiàn)與相同波長的連續(xù)激光相比,飛秒激光的損傷閾值略高。上述研究主要集中于激光對太陽電池片的熱效應(yīng)損傷,而激光誘導(dǎo)太陽電池串間放電特性及造成的疊加損傷未見報(bào)道。激光誘導(dǎo)太陽電池陣放電電弧,涉及等離子體的產(chǎn)生包括激光與材料作用、激光與等離子體作用和等離子體相互作用,是一個(gè)極其復(fù)雜的非線性物理過程,采用試驗(yàn)研究激光誘導(dǎo)太陽電池陣電弧放電特性及損傷作用,對于激光防護(hù)及太陽電池陣設(shè)計(jì)具有很高的工程實(shí)際意義。

本文針對納秒脈沖激光誘導(dǎo)太陽電池陣串間放電,結(jié)合太陽電池陣在LEO等離子體環(huán)境中空間電弧放電理論,對LEO空間環(huán)境下脈沖激光誘導(dǎo)放電機(jī)理進(jìn)行分析。采用空間放電模擬試驗(yàn)系統(tǒng),對LEO等離子體環(huán)境下太陽電池陣的放電進(jìn)行試驗(yàn)測試,探究空間環(huán)境下施加納秒脈沖激光前后的放電特性,并對比分析空間環(huán)境下太陽電池陣串間放電、納秒脈沖激光輻照太陽電池表面和納秒脈沖激光誘導(dǎo)太陽電池陣電弧放電3種工況下的損傷效應(yīng),可為航天器太陽電池陣放電試驗(yàn)的措施及試驗(yàn)參數(shù)選取提供參考。

1 激光誘導(dǎo)太陽電池陣放電機(jī)理分析

當(dāng)激光功率密度達(dá)到一定值時(shí),輻照靶材會產(chǎn)生一定濃度等離子體,其作用過程可以大致分為升溫、熔融、氣化、形成等離子體4個(gè)階段,如圖1所示。當(dāng)激光輻照到靶材時(shí),靶材吸收激光能量使其溫度迅速升高,由于作用時(shí)間較短,熱傳遞較慢,在蒸發(fā)、材料膨脹和相爆炸等不同物理機(jī)制作用下,材料會迅速熔化和氣化,并脫離靶體;當(dāng)激光強(qiáng)度超過材料的光學(xué)擊穿閾值時(shí),脫離的材料會繼續(xù)吸熱,從而電離形成等離子體。

圖1 激光等離子體產(chǎn)生過程

LEO等離子體環(huán)境具有低溫稠密的特點(diǎn),等離子體溫度為20000～30000K,密度高達(dá)1×1010～1×1012m-3,航天器結(jié)構(gòu)體與等離子體相互作用,充電電位可達(dá)上百伏至上千伏[12]。采用納秒脈沖激光輻照太陽電池陣串間誘導(dǎo)串間放電機(jī)理可總結(jié)如下。

(1)充電效應(yīng)使太陽電池陣負(fù)端結(jié)構(gòu)體相對于空間等離體子懸浮于較高的負(fù)電位,且空間環(huán)境等離子體密度較高,高壓太陽電池陣工作時(shí)太陽電池陣串間存在一定的電勢差,因此形成了惡劣的放電環(huán)境。

(2)當(dāng)納秒激光輻照太陽電池串間時(shí),產(chǎn)生高濃度的等離子體,形成串間電弧放電的耦合通路,在較大的電勢差和空間等離子體環(huán)境綜合作用下,發(fā)生電弧放電現(xiàn)象。

(3)太陽電池陣串間電弧放電能量由電源和空間分布電容共同提供,因此放電能量較大,嚴(yán)重破壞太陽電池陣的絕緣層,甚至使太陽電池串與基板之間的室溫硫化硅橡膠(RTV)和聚酰亞胺膜熱解碳化,形成低阻通路,發(fā)生短路現(xiàn)象,從而使太陽電池陣部分燒毀或整體失效。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示,采用真空罐+等離子體源的方式模擬LEO環(huán)境,太陽電池樣件(見圖3)固定于真空罐內(nèi)的支架上,通過法蘭盤與外電路連接,在罐內(nèi)安裝等離子體探針以實(shí)時(shí)監(jiān)測內(nèi)部等離子體密度,同時(shí)使用相機(jī)對試件拍攝以觀察放電電弧位置。試驗(yàn)系統(tǒng)具體參數(shù)如表1所示。光束通過真空罐的玻璃舷窗垂直照射三結(jié)GaAs太陽電池樣件表面,經(jīng)試驗(yàn)測量,激光光束能量透過玻璃舷窗后衰減約15%。太陽電池樣件采用3×2的三結(jié)GaAs太陽電池,樣件電池串P1N1和P2N2的串間距為1mm,玻璃蓋片厚度為0.09mm,電池片之間通過銀互連片連接,并使用RTV膠固定于鋁蜂窩基板上。

表1 試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖3 太陽電池樣件

試驗(yàn)電路見圖4,采用恒流源I1和電壓源V1來模擬航天器太陽電池供電,太陽電池樣件串聯(lián)于電路中,當(dāng)電路接通時(shí),工作在正偏置區(qū),處于發(fā)光狀態(tài),通過觀察即可判斷其是否正常工作。可變電阻RL用于模擬航天器負(fù)載,二極管D1,D2,D3用于保護(hù)電路中的器件。試驗(yàn)時(shí)設(shè)置恒流源I1為0.6A,調(diào)節(jié)可變電阻RL,使負(fù)載兩端電壓為100V,即模擬空間負(fù)載母線電壓100V,并設(shè)置電壓源為99.5V,使正常工作時(shí)負(fù)載由電流源供電,當(dāng)發(fā)生串間放電短路時(shí),負(fù)載由電壓源供電。虛線框中偏壓電路模擬航天器的帶電現(xiàn)象,通過改變Vb實(shí)現(xiàn)不同帶電情況的偏壓模擬,Rb為Vb的限流電阻,起保護(hù)作用。電容C1,C2,C3為太陽電池陣的補(bǔ)償電容,C1為太陽電池串間補(bǔ)償電容,C2和C3為夾層補(bǔ)償電容。CP1～CP3為霍爾電流傳感器,用于檢測電路中的電流變化。當(dāng)正常工作時(shí),電流I1經(jīng)二極管D1流入上電池串P1N1、負(fù)載RL和下電池串P2N2,最后回到電流源I1;此時(shí),CP1～CP3均可檢測到正常工作時(shí)的電流,并且電壓源V1兩端電壓低于負(fù)載兩端電壓,因此電壓源V1處于不工作狀態(tài)。當(dāng)上電池串P1N1和下電池串P2N2之間發(fā)生串間放電時(shí),串間短路,此時(shí)電流I1經(jīng)二極管D1后流入P1端,然后經(jīng)放電通道回到N2端;此時(shí),RL兩端電壓低于電壓源V1,因此電壓源V1為負(fù)載RL供電,而電流源I1的電流則全部流向放電位置。

圖4 試驗(yàn)電路

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了分析激光誘發(fā)太陽電池陣放電特性,進(jìn)行LEO等離子體模擬環(huán)境下有無激光輻照2種工況下的太陽電池陣放電試驗(yàn),通過改變脈沖激光束的能量大小可測得產(chǎn)生放電的脈沖激光能量閾值。同時(shí),為了比較激光直接輻照太陽電池玻璃蓋片表面與激光輻照串間誘發(fā)放電造成的損傷程度,進(jìn)行不同輻照位置的對比試驗(yàn)。

3.1 2種不同工況的電弧放電特性

通過一次放電試驗(yàn)可得放電偏壓閾值約為190V,為了更好地模擬試驗(yàn)放電現(xiàn)象,本次試驗(yàn)選擇220V偏壓和50nF電容,此時(shí)可觀察到較好的放電現(xiàn)象和電流波形,測得電流波形如圖5所示。正常工作時(shí),CP1～CP3支路的電流均為工作電流0.6A;當(dāng)太陽電池樣件上電池串P1N1和下電池串P2N2發(fā)生串間放電現(xiàn)象時(shí),CP1和CP3支路電流增大,串間發(fā)生短路,維持時(shí)間約為20μs,此時(shí)CP2支路電流為零,電流源I1不再給負(fù)載供電,全部流向放電燃弧位置。由于有保護(hù)二極管的作用,電壓源V1給負(fù)載供電。當(dāng)放電結(jié)束后,CP1～CP3支路恢復(fù)到正常工作電流,此時(shí)由于負(fù)載正常工作電壓略高于電壓源V1電壓,因此電流源I1恢復(fù)給負(fù)載供電,電壓源V1則處于待供電狀態(tài)。因此,可通過CP1～CP3支路電流工作狀態(tài)判斷是否發(fā)生串間放電現(xiàn)象。為了對比分析LEO環(huán)境施加激光誘導(dǎo)條件后的影響,在相同的LEO等離子體環(huán)境下進(jìn)行施加納秒脈沖激光誘導(dǎo)的串間放電試驗(yàn)。通過調(diào)節(jié)脈沖激光輻照能量可得,當(dāng)激光輻照誘導(dǎo)太陽電池串間放電的能量閾值約為4.25mJ時(shí),輻照功率密度為1.08×108W/cm2,測得放電電流波形如圖6所示。在2種工況下各進(jìn)行20次有效試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示,定義放電電流持續(xù)時(shí)間為電流峰值的上升沿10%到下降沿10%,上升時(shí)間為電流峰值的10%～90%。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

圖5 LEO等離子體環(huán)境下太陽電池串間放電電流波形

圖6 納秒脈沖激光誘導(dǎo)放電電流波形

結(jié)合圖5、圖6和表2可得:增加激光誘導(dǎo)前后放電電流波形相似;但增加激光誘導(dǎo)條件后,放電電流持續(xù)時(shí)間由13.9μs增加到16.68μs,增加了20%,而上升時(shí)間則由5.91μs減小到5.02μs,因此激光誘導(dǎo)放電電流在峰值附近持續(xù)時(shí)間更長,造成的危害更大。經(jīng)分析,主要原因是納秒脈沖激光的功率密度高,輻照太陽電池串間時(shí)可以產(chǎn)生高濃度的等離子體,為串間放電提供了較好的耦合通路。同時(shí),在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在LEO等離子體環(huán)境下,發(fā)生放電的頻率約為1.6次/分鐘,而增加激光誘導(dǎo)后,每次施加脈沖激光發(fā)生放電的概率約為60%,大大增加了太陽電池陣放電的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 太陽電池樣件損傷分析

對LEO等離子體環(huán)境下太陽電池串間放電試驗(yàn)后的樣件進(jìn)行放大觀察,使用金相顯微鏡放電165倍后(如圖7所示),觀察到對角串間有明顯的燒蝕痕跡,且上下對角燒蝕面積約為0.243mm2和0.820mm2,對絕緣層造成了一定的破壞,但此時(shí)并未發(fā)生短路,太陽電池陣仍可正常工作。

圖7 LEO等離子體環(huán)境下放電后放大165倍觀察結(jié)果

納秒脈沖激光輻照太陽電池陣造成的損傷有2種形式:①納秒脈沖激光直接輻照太陽電池片表面造成的熱應(yīng)力損傷效應(yīng)。納秒脈沖激光的功率密度較高,在短時(shí)間內(nèi)可在太陽電池片表面積累巨大的能量,由于短時(shí)間不能將能量傳導(dǎo)出去,因此會出現(xiàn)局部高溫現(xiàn)象,造成巨大的溫度梯度,從而產(chǎn)生熱應(yīng)力,再加上太陽電池片蓋玻片和GaAs材料屬于脆性材料,塑性區(qū)窄,很容易對太陽電池片造成破裂損傷,導(dǎo)致蓋玻片破裂或PN結(jié)失效。②納秒脈沖激光輻照太陽電池串間誘發(fā)太陽電池陣放電,造成的損傷是激光輻照熱應(yīng)力損傷與放電電弧燃燒造成二次損傷的疊加。常見的損傷有破壞絕緣層、造成PN結(jié)短路、太陽電池與基板短路或串間短路,使太陽電池陣輸出功率大幅衰減,嚴(yán)重時(shí)可產(chǎn)生永久電弧,直至整個(gè)太陽電池陣燒毀,失去供電能力。

針對納秒脈沖激光造成的2種不同損傷類型,在進(jìn)行激光誘發(fā)放電試驗(yàn)時(shí)改變激光輻照位置,進(jìn)行對比。能量為4.25mJ的脈沖激光連續(xù)輻照3次(間隔約1 s)太陽電池片表面,造成太陽電池片熱應(yīng)力損傷,圖8為使用金相顯微鏡放大165倍觀察到的結(jié)果。可以看到:太陽電池片表面有明顯的熔融痕跡,直徑約為1.1mm,略大于激光光斑直徑。圖9為1號和6號電池串間放大圖。可以看出:串間不同部位均有明顯的放電燒蝕痕跡,嚴(yán)重破壞了絕緣層。結(jié)合圖10可得,1號電池片蓋玻片表面有多處明顯的熱應(yīng)力導(dǎo)致的碎裂情況,且在通電情況下碎裂處不發(fā)光,即熱應(yīng)力損傷造成了PN結(jié)斷路失效。6號電池片在通電情況下不再發(fā)光,主要原因是在試驗(yàn)過程中脈沖激光誘發(fā)串間放電,引起放電電弧造成二次損傷,與脈沖激光輻照產(chǎn)生熱應(yīng)力損傷疊加,造成6號電池片邊緣部分發(fā)生了PN結(jié)短路失效,導(dǎo)致整個(gè)6號電池片無法正常工作。比較LEO空間環(huán)境串間放電、納秒激光輻照太陽電池陣表面和納秒脈沖激光誘導(dǎo)放電3種工況下造成的損傷,結(jié)果為:納秒脈沖激光輻照太陽電池串間誘發(fā)放電破壞絕緣層最嚴(yán)重,且極易造成太陽電池片中部分PN結(jié)短路失效,其損壞程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空間環(huán)境串間放電燒痕損壞和蓋玻片表面熱應(yīng)力損傷造成的PN結(jié)斷路失效。因此,進(jìn)行航天器太陽電池陣防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),需要著重考慮高功率密度脈沖激光誘導(dǎo)放電的影響。

圖8 放大165倍的表面熱效應(yīng)損傷

圖9 激光誘導(dǎo)放電后串間放大圖

圖10 激光誘導(dǎo)放電試驗(yàn)后太陽電池通電工作圖

4 結(jié)論

本文基于LEO高壓太陽電池陣電弧放電理論,對納秒脈沖激光誘導(dǎo)太陽電池串間電弧放電機(jī)理進(jìn)行分析,試驗(yàn)研究了空間環(huán)境太陽電池串間電弧放電與納秒脈沖激光誘導(dǎo)電弧放電的特性變化,對比分析了不同工況下太陽電池陣損傷效應(yīng),得出結(jié)論如下。

(1)納秒脈沖激光誘導(dǎo)太陽電池串間電弧放電是因?yàn)榧{秒脈沖激光功率密度較高,輻照串間可以產(chǎn)生較高濃度的等離子體,在空間等離子體環(huán)境和串間電勢差的綜合作用下可以誘導(dǎo)太陽電池串間電弧放電現(xiàn)象。相比于空間環(huán)境下太陽電池陣電弧放電,放電平均持續(xù)時(shí)間增加了20.0%,且每施加1次納秒脈沖,激光誘導(dǎo)電弧放電發(fā)生的概率約為60%,大大增加了太陽電池陣放電的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)對比分析不同工況下的損傷效應(yīng)發(fā)現(xiàn):納秒脈沖激光輻照太陽電池串間誘發(fā)放電破壞絕緣層最嚴(yán)重,且極易造成太陽電池陣中部分PN結(jié)短路失效,其損壞程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空間環(huán)境串間放電燒蝕損壞和蓋玻片表面熱應(yīng)力損傷造成的PN結(jié)斷路失效。

(3)LEO等離子體環(huán)境下激光誘導(dǎo)太陽電池陣電弧放電的功率密度閾值約為1.08×108W/cm2,可為空間激光器的功率設(shè)計(jì)提供一定的參考;同時(shí),激光誘導(dǎo)放電對太陽電池陣的損害程度更高,進(jìn)行航天器太陽電池陣防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)著重考慮對高功率密度脈沖激光的防護(hù)。