空间微小碎片撞击对太阳能电池性能影响

《空间微小碎片撞击对太阳能电池性能影响》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航天器环境工程第27卷第3期290SPlACECRAFTENVIRONMENTENGlNEERn、lG20l0年6月空间微小碎片撞击对太阳能电池性能影响李宏伟u，黄建国1，韩建伟1，蔡明辉一，李小银-，高著秀1，2(1．中国科学院空间科学与应用研究中心，北京100190；2．中国科学院研究生院，北京100049)摘要：文章利用中国科学院空间科学与应用研究中心的等离子体驱动微小碎片加速器，进行了空间微小碎片累积撞击太阳能电池的模拟试验。之后，利用体式显微镜统计出太阳能电池表面的撞击坑，并测量了撞击前后太阳能电池的开路电

2、压、短路电流、最大输出功率等参数的变化。试验结果与理论分析揭示了引起太阳能电池功率衰减的主要原因是碎片累积撞击导致的太阳能电池表面损伤．关键词：空间微小碎片；太阳能电池；累积撞击效应中图分类号：V416．5；TM914．4文献标识码：A文章编号：1673—1379(2010)03-0290-05DoI：10．3969／j．issn．1673-1379．2010．03．0040引言空间微小碎片数量巨大，其单次撞击对航天器一般不会带来严重后果，但是其累积撞击效应对长寿命、高可靠性航天器的危害则比较严重。俄罗斯的“和平号”

3、空间站在轨飞行15年，其70％的外体遭受到腐蚀，坚固程度下降了约60％；美国的“长期暴露装置”(LDEF)在轨运行了5．75年后回收，地面检测到的撞击坑达34000个，其中85％以上是微小碎片撞击形成的【l】。对航天器遭受空间微小碎片的累积撞击效应及其危害进行研究和评估，能够为航天器防护设计提供数据支持，进而提高航天器在轨运行的可靠性和寿命。空间微小碎片与航天器的暴露材料和部件如热控材料、光学镜头、太阳能电池等发生超高速撞击，会在表面形成大量微小撞击坑，加之撞击形成的溅射物质沉积在表面，将导致表面砂蚀以及相关材料和部

4、件的性能衰减，如热控材料抗原子氧涂层的结构破坏、太阳能电池损伤及光学镜头光学参数的变化等。特别是太阳能电池因面积巨大，并且长期暴露在外，在航天器在轨运行期间将不可避免地遭受大量空间微小碎片的撞击，使得其表面形成大量累积撞击坑，导致其性能衰减，且对于长寿命航天器这种影响将更加严重。随着国内空间碎片研究的发展，目前关于空间碎片对航天器可能造成的危害已经得到了足够的重视。从空间碎片对航天器部件的危害程度来看，碎片对太阳能电池的危害相对比较严型21。所以，开展空间微小碎片累积撞击效应研究，获得空间微小碎片对太阳能电池影响的试

5、验数据有重要的现实意义。目前国内用于超高速撞击试验的设备已经很多，中国空气动力发展与研究中心、哈尔滨工业大学、中国工程物理研究院流体物理研究所、北京卫星环境工程研究所、西北核技术研究所、北京理工大学等单位建立了轻气炮等设备[3。8】，这些设备的特点是发射的弹丸直径都在lmm以上，主要用于开展单次超高速撞击试验，进行航天器防护结构设计。关于微米到毫米级碎片超高速撞击试验设备，主要有中国科学院空间科学与应用研究中心的等离子体驱动微小碎片加速器⋯、北京卫星环境工程研究所的激光驱动微小碎片加速器【9】以及哈尔滨工业大学的静电

6、粉尘加速器【10】，其中激光驱动飞片加速器能把厚度为数岬、直径为毫米级的铝片加速到数km／s，静电粉尘加速器能把几岬到几十pm的带电颗粒加速到20km／s以上，等离子体加速器能把数肛m到数百岬l的颗粒加速到10km／s以上，并且每次可以加速多个微粒。由于微小碎片累积撞击对航天器影响主要是由微米到毫米级的碎片引起的，因此等离子体驱收稿日期：2010．03．08；修回日期：2010．05．04作者简介：李宏伟(1982一)，男，博士研究生，主要从事空间碎片、空间环境效应研究．E-maihIhw651@163．com。第3

7、期李宏伟等：空间微小碎片撞击对太阳能电池性能影响动微小碎片加速器非常适合微小碎片的累积撞击效应研究，因此本文选用该种装置开展微小碎片对太阳能电池累积撞击效应研究。1空间微小碎片的分布特点为了开展微小碎片对太阳能电池的撞击试验，首先要了解微小碎片在空间的分布情况以及太阳能电池的相关参数。利用欧空局的Master2005模型计算了同一轨道不同时间碎片的分布以及不同轨道上碎片的分布情况，分别如表l和表2所示。从表1可以看出，同一轨道上不同尺寸的碎片通量随时间变化很大，例如1～5gm的碎片在1988--1989年只有4790

8、个／m2，而在1990-～1991年则达到了48900个／m2。此外，碎片的数量随时间的变化并没有明显的规律。从表2可以看出，不同轨道上碎片的通量变化也很大，总体来说从800km轨道往上，碎片通量逐渐减少，但是在某些碎片尺寸范围也有一些波动。表1800kin轨道上不同时间碎片通量与尺寸的关系Table1Relationshipbetweende