概述了空間環(huán)境下微小碎片超高速撞擊太陽(yáng)電池陣的影響，不僅對(duì)太陽(yáng)電池陣造成機(jī)械損傷，還誘發(fā)持久電弧放電，對(duì)其壽命和可靠性形成威脅。詳細(xì)介紹了日本、歐洲、中國(guó)等一些國(guó)家在本領(lǐng)域的研究狀態(tài)、研究特點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中涉及的對(duì)瞬態(tài)等離子體診斷和等離子體誘發(fā)二次放電進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。提出了加快我國(guó)空間碎片超高速撞擊特性研究的建議，這也是做好衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣防護(hù)的重要途徑。

0、引言

　　按照IADC(Inter Agency Space Debris Coordinatrion Committee，機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì))在《空間碎片減緩指南》中給出的定義，空間碎片系指軌道上的或重返大氣層的無(wú)功能人造物體，包括其殘塊和組件。截至2005年5月30日，空間碎片總數(shù)量已經(jīng)有約4千萬(wàn)個(gè)，總質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到數(shù)百萬(wàn)千克。其中，空間碎片主要分布在低地球軌道以及同步軌道上。

　　對(duì)與空間碎片有關(guān)的問(wèn)題進(jìn)行研究已經(jīng)受到充分的重視，各航天國(guó)家紛紛成立了專門的研究機(jī)構(gòu)，我國(guó)國(guó)防科技工業(yè)局也成立了空間碎片小組。2013年10月在昆明市召開(kāi)了第七屆全國(guó)空間碎片會(huì)議，交流了我們國(guó)家空間碎片的研究成果和未來(lái)的工作重點(diǎn)。

　　空間碎片與航天器的平均碰撞速度為10km/s，這類碰撞為超高速碰撞，撞擊會(huì)伴隨著相變以及等離子體的形成等過(guò)程。從空間碎片對(duì)航天器的各種部件和機(jī)構(gòu)的影響來(lái)看，撞擊危害度從高到低如下:太陽(yáng)電池、壓力容器、熱控材料、熱管防護(hù)材料、蜂窩火層結(jié)構(gòu)、蓄電池、大型拋物面天線等。1958年8月美國(guó)發(fā)射的“探險(xiǎn)者6號(hào)冶衛(wèi)星首次采用展開(kāi)式太陽(yáng)電池陣以來(lái)，空間太陽(yáng)電池陣一直用作宇宙飛船、人造衛(wèi)星的主要電源。太陽(yáng)電池陣主要分為剛性太陽(yáng)電池陣、柔性太陽(yáng)電池陣和聚光太陽(yáng)電池陣三種類型。目前普遍應(yīng)用的是剛性太陽(yáng)電池陣，如我國(guó)的DFH-3系列衛(wèi)星、神舟飛船用太陽(yáng)電池陣；柔性太陽(yáng)電池陣主要是俄羅斯的衛(wèi)星在普遍應(yīng)用；現(xiàn)階段聚光太陽(yáng)電池陣的研究也越來(lái)越受到重視。所以文章就重點(diǎn)討論空間碎片對(duì)太陽(yáng)電池的效應(yīng)。超高速碰撞的特點(diǎn)是在其碰撞的瞬間，初始沖擊波產(chǎn)生的高壓和高溫使部分材料發(fā)相變而出現(xiàn)固、液、氣共存的狀態(tài)。對(duì)超高速碰撞所引起的許多問(wèn)題，如沖擊加熱，材料的大變形流動(dòng)、穿透、斷裂或?qū)恿训臏?zhǔn)則與過(guò)程、材料的飛濺與微噴射、相變與衰變及高速碎片云對(duì)航天器造成的機(jī)械的、物理的和化學(xué)的累積損傷等，無(wú)論從宏觀角度還是從微觀角度都使其研究具有很高的難度。雖然超高速碰撞問(wèn)題已經(jīng)研究了幾十年，定期召開(kāi)的國(guó)際超高速碰撞會(huì)議匯集了該領(lǐng)域大量的研究成果，其中一些已經(jīng)在工程實(shí)際中得到應(yīng)用。但是新材料的出現(xiàn)也為超高速碰撞增加了新的研究?jī)?nèi)容。對(duì)上述問(wèn)題的深入了解有助于建立更先進(jìn)的撞擊效應(yīng)模型，輔之以數(shù)值模擬(有限差分法等)技術(shù)的研究，來(lái)研究各種局部的或整體的超高速碰撞現(xiàn)象。對(duì)于超高速碰撞的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)還有大量的工作要做。文章就微小碎片超高速碰撞太陽(yáng)電池陣的效應(yīng)做了論述。

1、微小碎片超高速撞擊產(chǎn)生等離子體的研究

　　早在上世紀(jì)70年代初，有大約幾十顆地球同步衛(wèi)星出現(xiàn)了不同的異常現(xiàn)象，這些故障甚至使得有些衛(wèi)星完全損壞。這些衛(wèi)星包括DSCSII(Defense Satellite Communication System II)、DSP(Defense Support Program)，Intelsat III，Intelsat IV等。發(fā)生的故障包括衛(wèi)星自動(dòng)復(fù)位、衛(wèi)星供電故障、衛(wèi)星探測(cè)器信號(hào)噪音、高度控制系統(tǒng)錯(cuò)誤等。經(jīng)過(guò)科研人員進(jìn)一步的分析，結(jié)果表明這些衛(wèi)星發(fā)生的故障可以認(rèn)為是空間等離子體和衛(wèi)星相互作用使得衛(wèi)星充電所引起的，后來(lái)的理論和實(shí)驗(yàn)研究以及實(shí)際的衛(wèi)星觀測(cè)更證實(shí)了這一結(jié)論。

　　航天器的太陽(yáng)電池陣，有較大面積裸露在空間等離子體中，使得太陽(yáng)電池陣的充放電現(xiàn)象很常見(jiàn)。太陽(yáng)電池陣的充放電會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)電池功率損耗，降低電池陣的功率輸出；同時(shí)放電的產(chǎn)生也會(huì)引起太陽(yáng)電池陣物理上的損傷，使得太陽(yáng)電池陣的轉(zhuǎn)換效率降低，甚至不能正常工作。所以了解太陽(yáng)電池陣的材料與空間等離子體之間相互作用的性質(zhì)就更顯得重要。

　　美國(guó)學(xué)者Frichtenicht和Slattery于1963年首次發(fā)現(xiàn)了超高速撞擊產(chǎn)生等離子體現(xiàn)象。在航天器空間環(huán)境中，空間微小碎片、流星體數(shù)量巨大在與航天器及組部件撞擊過(guò)程中，產(chǎn)生等離子體云，若此等離子體進(jìn)入航天器內(nèi)部電路，可造成航天器故障，嚴(yán)重地威脅在軌航天器的安全。

　　日本S.Fukushige博士介紹了空間碎片撞擊太陽(yáng)陣引起的局部高密度等離子體，試驗(yàn)裝置如圖1所示，該等離子體會(huì)引發(fā)太陽(yáng)陣的二次放電，特別是引起永久持續(xù)電弧放電(permanent sustained arc，PSA)。試驗(yàn)時(shí)太陽(yáng)電池陣放在真空靶室，碎片撞擊速度為2.08~4.82km/s，碎片直徑為3mm的Al2017的圓球。通過(guò)測(cè)量獲得了超高速撞擊速度為3.78km/s時(shí)產(chǎn)生的等離子體的電子密度如圖2所示、電子溫度如圖3所示。

圖1 KIT超高速撞擊試驗(yàn)裝置圖

1.外部電路；2.太陽(yáng)電池陣；3.三探針；4.聚酯薄膜；5.彈托分離板；6.速度測(cè)量階段；7.磁探測(cè)器；8.二級(jí)輕氣炮；9.彈丸爆破容器；10.彈托分離階段(10kPa)；11.三探針電路；12.靶室真空度(4×10^-2Pa)

圖2 電子濃度

圖3 電子溫度

5、空間微小碎片撞擊太陽(yáng)電池陣防護(hù)技術(shù)分析

　　2000年啟動(dòng)的“空間碎片行動(dòng)計(jì)劃冶是我國(guó)系統(tǒng)開(kāi)展空間碎片研究的開(kāi)始，該計(jì)劃主要針對(duì)10cm及其以上大空間碎片的監(jiān)測(cè)預(yù)警研究。2005年第二屆全國(guó)空間碎片專題研討會(huì)上，在有關(guān)專家的建議下，空間微小碎片的研究開(kāi)始得到重視和支持，對(duì)于空間微小碎片的研究主要是防護(hù)技術(shù)。為了保障大功率太陽(yáng)電池陣在軌長(zhǎng)壽命、高可靠運(yùn)行，防止空間微小碎片撞擊太陽(yáng)電池陣放電損傷而失效，可以從以下幾個(gè)方面考慮。

　　(1)使相臨兩個(gè)太陽(yáng)電池片的間隙逸1mm，并在邊緣填涂RTV膠，使空間碎片撞擊產(chǎn)生的等離子體和太陽(yáng)電池之間建立了一個(gè)勢(shì)壘，阻止了二次放電的發(fā)生；

　　(2)采用多次往返布片的形式，減少相鄰兩個(gè)電池間的電壓差小于75V；

　　(3)減少電路并聯(lián)數(shù)，減小每個(gè)電路的電流，使其小于1.6A，降低發(fā)生靜電放電的幾率；

　　(4)在電池玻璃蓋片表面蒸鍍金屬氧化物涂層，并與衛(wèi)星“結(jié)構(gòu)地冶連接，使沉積在蓋片表面的電荷得到泄放，消除軌道高壓靜電電荷的積累，徹底防止了靜電充/放電的發(fā)生。

6、結(jié)論

　　通過(guò)大量的試驗(yàn)，可以得出空間微小碎片撞擊太陽(yáng)電池陣能夠產(chǎn)生大量等離子體，誘發(fā)放電故障機(jī)制不僅是存在的，而且已被列為空間碎片對(duì)航天器影響最為嚴(yán)重的一種機(jī)制，但由于衛(wèi)星上普遍不具備對(duì)微小碎片撞擊太陽(yáng)電池陣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備、難以獲得撞擊誘發(fā)放電的直接證據(jù)，因此相關(guān)研究比較缺乏。就目前來(lái)看，完全掌握空間微小碎片撞擊引起的太陽(yáng)能電池陣放電現(xiàn)象與機(jī)理及其太陽(yáng)能電池陣的防護(hù)措施有一些困難。