空间碎片撞击供电太阳能电池阵的力电效应研究

摘要

近地轨道(LEO)空间碎片密度较高，太阳能电池阵遭遇空间碎片（或陨石）碰撞产生的力学、电学效应是航天器设计中必须考虑的问题。为了更好为航天器对空间碎片的防护设计和材料选择提供理论与数据支持，本文开展了超高速碰撞不同靶板产生等离子体的力电效应研究。取得的主要研究成果如下： a）由于高速碰撞太阳能电池阵实验中冲击压力在特殊碰撞条件下难以采集，本文以实验与数值模拟相结合的方式，开展了空间微小碎片撞击太阳能电池阵产生的力学效应的研究。运用Lagrange算法在ANSYS/Ls-dyna软件中对微小碎片撞击太阳能电池阵进行全建模数值分析。数值模拟与实验结果相符合。太阳能电池阵在相近速度弹丸碰撞下受到的冲击压力峰值与碰撞角度是非线性关系，呈先增大后减小的趋势。冲击压力对太阳能电池阵的毁伤面积除去正碰条件下，均随碰撞速度增大而增大。 b）在总结前人关于放电现象引起太阳能电池阵的毁伤分析中，导通靶板中电池片单元与基板产生的放电被称为初级放电，导通太阳能电池片单元之间的放电被称为次级放电。次级放电现象对太阳能电池阵的光电转化效率，高功率放电会产生持续电弧放电现象大面积灼烧毁伤。为了揭示不同供电电压、相近弹丸碰撞速度、不同碰撞角度条件下的放电现象规律，本文展开了大量实验。 高速碰撞太阳能电池阵产生等离子体诱发初级放电实验中，供电电压为110V、碰撞速度介于2.8km/s~3.6km/s条件下， （1）放电现象中随碰撞角度增加，放电电压持续时间减少。 （2）导通靶板中电池片单元与基板产生的放电电流峰值随碰撞角度的增大，呈现先减小后增大的趋势。持续时间随碰撞角度的增大而减少。 （3）导通太阳能电池片单元之间的放电电流峰值随碰撞角度的增大，呈现先增大后减小的趋势。持续时间随碰撞角度的增大而而增长。 （4）干路放电持续时间随碰撞角度的增大而增长。 （5）放电功率峰值随碰撞角度的增大均呈现先增大后减小趋势，与持续时间时间随碰撞角度的增大而减少；等离子体蒸气云膨胀充分时，易出现相近功率持续放电现象。等离子体密度高且膨胀充分时，易出现高功率持续放电现象。 高速碰撞太阳能电池阵产生等离子体诱发的放电实验中，供电电压为192V、相近碰撞速度条件下， （1）电功率持续时间总时长随碰撞角度的增大而增加。 （2）不同碰撞角度下初次放电功率峰值相近。 （3）二次放电峰值随碰撞角度的增大而增大。 实验结果证明当太阳能电池阵在较低供电电压、碰撞角度为90°条件下迎接碰撞时，无论是力学毁伤还是电学毁伤均最小。由此可推测当航天器太阳能电池阵遭遇大面积微流星群碰撞时，将其供电电压降至110V甚至更低并将太阳能电池阵扇面调整为与微流星群宏观入射轨迹垂直可以减少其毁伤程度。

目录

第一个书签之前

OLE_LINK223

OLE_LINK1

OLE_LINK2