空间碎片超高速撞击下太阳电池阵伏安特性

作     者：郑建东 周江 皮晓丽 邹晨 李一帆 徐坤博 龚自正 胡帼杰 Zheng Jian-Dong;Zhou Jiang;Pi Xiao-Li;Zou Chen;Li Yi-Fan;Xu Kun-Bo;Gong Zi-Zheng;Hu Guo-Jie

作者机构：中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部北京100094 北京卫星环境工程研究所可靠性与环境工程技术国防科技重点试验室北京100094 

出 版 物：《物理学报》 (Acta Physica Sinica)

年 卷 期：2021年第70卷第18期

页      面：360-368页

核心收录：

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0704[理学-天文学] 

基　　金：国家国防科工局空间碎片专项(批准号:KJSP06209)资助的课题. 

主　　题：太阳电池阵 超高速撞击 伏安特性 功率损失方程 失效面积方程 空间碎片 

摘      要：太阳电池阵是航天器的电力来源,时常受到微流星体和空间碎片撞击而损伤,导致太阳电池阵输出功率下降.采用二级轻气炮对航天器太阳电池阵开展了空间碎片超高速撞击地面模拟试验,研究了不同撞击速度、弹丸直径、撞击点位置工况下太阳电池阵伏安特性的衰减规律.共进行了12次试验,其中5次因弹托撞击试件而无效,7次试验数据有效.试验结果显示,弹丸的直径和撞击速度、撞击位置三者均对伏安特性影响较大,地面模拟试验与在轨飞行试验产生的损伤形貌符合良好.通过数据分析了电池阵失效面积与剥落区面积、穿孔面积、弹丸动能、撞击位置四者之间的关系.研究发现,电池阵失效面积与剥落区面积两者之比介于7-37,电池阵失效面积与穿孔面积两者之比介于50-150.撞击在电池片中心区域,失效面积明显高于撞击在电池片边缘或者连接处.电池阵失效面积△S_(SA)与动能E(E=πρd^(3)v^(2)/12)的立方根比较吻合.为了建立功率损失面积与弹丸直径和撞击速度的准确方程,首先假设三者存在幂指数关系,再通过数据拟合方法求解待定系数,最终建立了适用于国内太阳电池阵的功率损失△P_(max)方程和△S_(SA)方程.当撞击在电池片中心区域△P_(max)=0.047dv^(2/3)时,△S_(SA)=260dv^(2/3).当撞击在电池片边缘或者连接处△P_(max)=0.033dv^(2/3)时,△S_(SA)=180dv^(2/3).方程预测偏差在±13.3%以内,平均偏差为7.6%.该方程可用于描述在0°撞击角条件下电池阵功率损失或失效面积两者与弹丸的直径、撞击速度、撞击位置的函数关系.本文的研究方法对我国航天器太阳帆板超高速撞击环境下性能退化评估有借鉴意义,所建立的功率损失方程和失效面积方程,能够预测空间碎片造成的太阳电池阵的功率下降规律和失效面积规律,对我国航天工程实践具有重要的工程应用价值.