空间原子氧环境对太阳电池阵的影响分析

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1、航天器环境工程第27卷第4期429SPA(’12(1RAFTEN＼7IRONMENTENGINEERING2010年8』】空间原子氧环境对太阳电池阵的影响分析李涛，姜利祥，郭亮，刘向鹏，冯伟泉，翟睿琼(北京卫星环境．F程研究所，北京100094)摘要：空间原子氧是危害低地球轨道(LEO)航天器在轨性能的最主要空间环境因素之一，其强氧化性能够对包括太阳电池阵在内的航天器外表面暴露材料和组件造成危害。文章分析了某载人航天器在轨原子氧环境、原子氧对不同结构太阳电池阵所用材料的影响以及对太阳电池阵组件电性能的影响，结果表明原子氧对材料的作用能够引起太阳电池阵基板强度

2、降低、电连接可靠性下降及电缆线护套失效等风险，材料的损伤会导致太阳电池组件电性能的下降。鉴于以上结果，作者建议在今后LEO长寿命航天器太阳电池阵研制中，应对原子氧环境条件进行详细设计；同时开展组件级试验，以对电池阵原子氧防护设计的有效性进行验证。关键词：原子氧；太阳电池阵；氧化腐蚀：电性能中图分类号：V520．2：V416．5文献标识码：A文章编号：1673-1379(2010)04-0428-06DOI：10．3969／j．issn．1673—1379．2010．04．0050引言距地球表面200～700km的低地球轨道(LEO)空间环境恶劣，航天器在此轨

3、道将受到高真空、太阳电磁辐射、空间碎片撞击、原子氧轰击与氧化等空间环境作用的影响，其中空间原f氧是危害LEO航天器在轨性能的最主要空间环境因素之一【1’21。航天器用材料种类众多，如结构材料、粘结材料、导电材料等，LEO空间使用时若直接暴露于外环境中，都会受到不同程度原子氧侵蚀作用的影响，出现质量及厚度的损失、功能退化等现象。材料的损伤进而会影响剑其所属组件的功能，最终威胁到航天器在轨运行的可靠性。太阳电池阵作为大多数航天器电源系统的主体，其空间环境适应性对于航天器的在轨可靠性而言意义重大。由于功能需要，LEO航天器太阳电池阵上所使用的大多数材料都町能直接暴

4、露，从而遭受原子氧的侵蚀，最终导致太阳电池组件电性能退化。本文从在轨工作环境、原子氧对材料的侵蚀效应、组件电性能的退化等3个方面，对空间太阳电池阵的原子氧效应及其危害进行分析研究。l在轨原子氧环境分析多数太阳电池阵具有对日定向的特征，这种工作特性决定了航天器围地球绕行一周的过程中，太阳电池阵的正、反面各有半个刷期的时间处于迎风状态，如图1昕示。图l对【j定向人阳电池板卒fu]乜仃状态不意图Fig．1Flightstatesofsolar-orientedsolararrayinspace某载人航天器以近圆轨道绕地球飞行，其轨道高度为400km，倾角为430。

5、以此条件为输入，利用MISSE90模型进行计算分析，中性大气中原子氧的数密度计算结果为3×107～4×108atom／cm3。太阳活动高年与低年时，大气密度值会相差数倍。若按照太阳高年计算该航天器运行10年外表面原子氧积分通量，最大值为7．33x1022atom／cm2，其中太阳电池板．12的积分通量在0．4×1022～2．3×1022atom／cm2之间，约为航天器表面原子氧积分通量最大值的1／3，如图2所示。太阳电池阵正、反面原子氧移{分通最稍有差异，反面稍大，这主要是由于大气密度随当地时间变化引起的。收稿日期：2009．10—27：修回日期：2010．

6、07．15基金项目：航天科技基金资助项目作者简介：李涛(1981一)，男，硕士学位，主要从事空间环境试验技术研究工作。E．mail：litaohit@163．corn．第4期李涛等：窄I．日J原f氧环境对太阳电池阵的影响分析429图2某LEO航天器表面原了氧积分通最分析结果Fig．2ResultsofAOenvironmentanalysisonspacecraftsurface2原子氧对太阳电池阵用材料的影响分析为了满足小同航天器的需要，日前的太阳电池阵结构主要有刚性、半刚性及柔性3种，它们之间的区别主要在于基板的形式小同。2．1刚性太阳电池阵图3为常见刚

7、性太阳电池阵的构成示意图。下面按太阳电池阵的构成，从基板、电池单元及电线电缆3个部分分析太阳电池阵用材料的原子氧效应及其危害。f原土f维图3刚件太阳电池阵示意图Fig．3Crosssectionofrigidsolararray2．1．1基板刚性太阳电池目前多采用蜂窝必层板结构。夹层板的面板材料通常为铝合金、碳纤维／环氧复合材料、凯荚拉／环氧复合材料、玻璃／环氧复合材料。原子氧会侵蚀复合材料中的有机粘结剂，导致其机械性能降低(强度、模最值F降可达30％以上13])，从而引起电池阵基板结构可靠性的F降。日前常见的碳纤维复合材料的原子氧反应率为0．8×10。24

8、～3．O×10之4cm3／atom，在400km轨道