Деградация мощности солнечных батарей космических аппаратов в ионосфере и магнитосфере Земли

Деградация мощности солнечных батарей космических аппаратов в ионосфере и магнитосфере Земли

Определены потери электрической мощности кремниевых солнечных батарей (СБ) космических аппаратов при длительной эксплуатации на круговых орбитах в ионосфере и магнитосфере Земли. Интегральные величины потерь мощности СБ близки к результатам спутниковых измерений....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2011
Hauptverfasser: Письменный, Н.И., Цокур, А.Г., Носиков, С.В., Кулагин, С.Н.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут технічної механіки НАН України і НКА України 2011
Schriftenreihe:Техническая механика
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88211
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Деградация мощности солнечных батарей космических аппаратов в ионосфере и магнитосфере Земли / Н.И. Письменный, А.Г. Цокур, С.В. Носиков, С.Н. Кулагин // Техническая механика. — 2011. — № 3. — С. 79-90. — Бібліогр.: 34 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-88211
record_format dspace
spelling irk-123456789-882112015-11-10T03:02:07Z Деградация мощности солнечных батарей космических аппаратов в ионосфере и магнитосфере Земли Письменный, Н.И. Цокур, А.Г. Носиков, С.В. Кулагин, С.Н. Определены потери электрической мощности кремниевых солнечных батарей (СБ) космических аппаратов при длительной эксплуатации на круговых орбитах в ионосфере и магнитосфере Земли. Интегральные величины потерь мощности СБ близки к результатам спутниковых измерений. Визначено втрати електричної потужності кремнієвих сонячних батарей (СБ) космічних апаратів під час тривалої експлуатації на кругових орбітах в іоносфері та магнітосфері Землі. Інтегральні величини втрат потужності СБ узгоджуються з результатами супутникових вимірювань. Losses in electric capacity of the spacecraft silicon solar batteries (SB) under the long-term operation in circular orbits in the Earth’s ionosphere and magnetosphere are measured. Integral values of losses in SB capacity agree closely with the results of satellite measurements. 2011 Article Деградация мощности солнечных батарей космических аппаратов в ионосфере и магнитосфере Земли / Н.И. Письменный, А.Г. Цокур, С.В. Носиков, С.Н. Кулагин // Техническая механика. — 2011. — № 3. — С. 79-90. — Бібліогр.: 34 назв. — рос. 1561-9184 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88211 533.27; 539.2 ru Техническая механика Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Определены потери электрической мощности кремниевых солнечных батарей (СБ) космических аппаратов при длительной эксплуатации на круговых орбитах в ионосфере и магнитосфере Земли. Интегральные величины потерь мощности СБ близки к результатам спутниковых измерений.
format Article
author Письменный, Н.И.
Цокур, А.Г.
Носиков, С.В.
Кулагин, С.Н.
spellingShingle Письменный, Н.И.
Цокур, А.Г.
Носиков, С.В.
Кулагин, С.Н.
Деградация мощности солнечных батарей космических аппаратов в ионосфере и магнитосфере Земли
Техническая механика
author_facet Письменный, Н.И.
Цокур, А.Г.
Носиков, С.В.
Кулагин, С.Н.
author_sort Письменный, Н.И.
title Деградация мощности солнечных батарей космических аппаратов в ионосфере и магнитосфере Земли
title_short Деградация мощности солнечных батарей космических аппаратов в ионосфере и магнитосфере Земли
title_full Деградация мощности солнечных батарей космических аппаратов в ионосфере и магнитосфере Земли
title_fullStr Деградация мощности солнечных батарей космических аппаратов в ионосфере и магнитосфере Земли
title_full_unstemmed Деградация мощности солнечных батарей космических аппаратов в ионосфере и магнитосфере Земли
title_sort деградация мощности солнечных батарей космических аппаратов в ионосфере и магнитосфере земли
publisher Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
publishDate 2011
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88211
citation_txt Деградация мощности солнечных батарей космических аппаратов в ионосфере и магнитосфере Земли / Н.И. Письменный, А.Г. Цокур, С.В. Носиков, С.Н. Кулагин // Техническая механика. — 2011. — № 3. — С. 79-90. — Бібліогр.: 34 назв. — рос.
series Техническая механика
work_keys_str_mv AT pisʹmennyjni degradaciâmoŝnostisolnečnyhbatarejkosmičeskihapparatovvionosfereimagnitosferezemli
AT cokurag degradaciâmoŝnostisolnečnyhbatarejkosmičeskihapparatovvionosfereimagnitosferezemli
AT nosikovsv degradaciâmoŝnostisolnečnyhbatarejkosmičeskihapparatovvionosfereimagnitosferezemli
AT kulaginsn degradaciâmoŝnostisolnečnyhbatarejkosmičeskihapparatovvionosfereimagnitosferezemli
first_indexed 2025-07-06T15:57:59Z
last_indexed 2025-07-06T15:57:59Z
_version_ 1836913770923819008
fulltext УДК 533.27; 539.2 Н. И. ПИСЬМЕННЫЙ, А. Г. ЦОКУР, С. В. НОСИКОВ, С.Н. КУЛАГИН ДЕГРАДАЦИЯ МОЩНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В ИОНОСФЕРЕ И МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ Определены потери электрической мощности кремниевых солнечных батарей (СБ) космических ап- паратов при длительной эксплуатации на круговых орбитах в ионосфере и магнитосфере Земли. Инте- гральные величины потерь мощности СБ близки к результатам спутниковых измерений. Визначено втрати електричної потужності кремнієвих сонячних батарей (СБ) космічних апаратів під час тривалої експлуатації на кругових орбітах в іоносфері та магнітосфері Землі. Інтегральні величини втрат потужності СБ узгоджуються з результатами супутникових вимірювань. Losses in electric capacity of the spacecraft silicon solar batteries (SB) under the long-term operation in circular orbits in the Earth’s ionosphere and magnetosphere are measured. Integral values of losses in SB capacity agree closely with the results of satellite measurements. Солнечные батареи (СБ) широко используются на космических аппара- тах в качестве первичного источника электрической энергии. Увеличение энергопотребления и ресурса космических аппаратов (КА) предъявляет к СБ жесткие требования на стойкость их к воздействию околоспутниковой среды на орбите. Воздействие на СБ комплекса факторов околоспутниковой среды интенсифицирует деградационные процессы в материалах и элементах кон- струкций СБ, ухудшает их эксплуатационные характеристики, приводит к сокращению ресурса, потерям электрической мощности и, как следствие, к уменьшению срока активного существования КА [1]. Основными составляющими околоспутниковой среды, воздействующей на СБ в ионосфере и магнитосфере Земли, являются потоки газа, плазмы и электромагнитного излучения. Потому проблема взаимодействия СБ с около- спутниковой средой близка к проблеме взаимодействия материалов наруж- ных покрытий и элементов конструкций КА с потоками газа, плазмы и излу- чения на орбите. Проблема имеет фундаментальное и прикладное значение. Одним из этапов её решения является моделирование взаимодействия СБ с окружающей средой и прогнозирование спада электрической мощности, обу- словленное таким взаимодействием. Несмотря на значительный опыт эксплуатации СБ на КА, практически отсутствуют модели прогноза потерь электрической мощности СБ из-за воз- действия факторов околоспутниковой среды при длительном сроке эксплуа- тации на орбите. Точность интерпретации результатов спутниковых измере- ний во многом зависит от достоверности информации об условиях эксплуа- тации СБ на орбите, эрудиции и интуиции экспериментаторов. При построе- нии моделей взаимодействия СБ с околоспутниковой средой значительная роль отводится численному и физическому экспериментам. Целью данной работы является разработка процедуры прогноза спада мощности СБ из-за длительного воздействия околоспутниковой среды на круговых орбитах в ионосфере и магнитосфере Земли. Условия моделирования воздействия околоспутниковой среды на солнечные батареи. Изменение электрической мощности СБ на орбите – ре- зультат интегрального воздействия комплекса факторов околоспутниковой среды, присущих условиям эксплуатации КА. Интегральную характеристику спада нормированной электрической мощности солнечной батареи P ап- проксимирует соотношение [2] Н.И. Письменный, А.Г. Цокур, С.В. Носиков, С.Н. Ку 2011 Техн. механика. – 2011. – № 3. лагин, 79 ( ) ( )m i i i P t P k P P      0 01 t , (1) где – начальное значение мощности СБ; – время эксплуатации на орби- те; P0 t    i iP t P P t P   0 1 0 – изменение мощности, обусловленное воздей- ствием -го фактора околоспутниковой среды; – коэффициент пропор- циональности, учитывающий влияние отдельных факторов и эффекты нало- жения; – количество факторов. Соотношение (1) получено на основе принципа производства максимума необратимой составляющей энтропии, в предположении, что величина i m ik ( )iP t P 0 пропорциональна приращению не- обратимой составляющей энтропии и является количественной мерой накоп- ленных повреждений (используется принцип линейного суммирования по- вреждений) [3, 4]. Количество факторов выбирается для конкретного КА, а величина ко- эффициента определяется вкладом каждого фактора. Так, потери мощности СБ из-за загрязнения защитных стекол в результате радиационной электризации (пробои с образованием трещин, кратеров, сквозных каналов, выбросом и оседанием продуктов деструкции материалов СБ на поверхности защитных стекол [2, 5 – 7]) по оценке [8] составляют 31 %. Термоциклирова- ние стабилизирует процесс газовыделения: снижает выходы радиационного газовыделения из углепластика каркаса СБ до ~ 35 % [9]. Загрязнение защит- ных стекол, в том числе из-за радиационной электризации и термоциклиро- вания, учитывается как отдельный фактор, поэтому можно принять ≈ 0,69 и ≈ 0,65. m л ik 0 2е!м%k 1 .ле*2!k ц,* Основным условием численного моделирования длительного воздейст- вия ионизирующего излучения при оценке потерь электрической мощности СБ является равенство эквивалентных флюенсов электронов с энергией 1 МэВ для частиц, проникающих через защитное покрытие на поверхность фотопреобразователей: ( ) ( )M H e eF F (индекс «M » – моделирование; «H » – орбита). Условием эквивалентности термоциклических воздействий при физиче- ском моделировании в вакууме является равенство количества и размаха термоциклов: N ( ) ( )M HN N ; ( ) ( )M HT T   , где ; max minTT T  ( ) ( ) max max M HT T – максимальная, ( ) ( ) n minmi M HT T – минимальная температура СБ на стенде и на орбите. При моделировании воздействия радиационной электризации на СБ должно выполняться равенство флюенсов и энергий высокоэнергичных электронов на орбите в магнитосфере Зем- ли и на стенде (3 ( ) ( )M eh ehF F H H( ) ( )M eh ehW W ehW  20 кэВ). Для полярной ионосферы к этим условиям необходимо добавить критерии и параметры подобия, характеризующие электрофизическое взаимодействие твердого тела с «горячими» авроральны- ми электронами при синхронном плазмогазодинамическом взаимодействии СБ с потоком «холодной» ионосферной плазмы. При условии адекватности процесса заряжания, накопления высоковольтного заряда и равенстве скоро- 80 стей быстрых (авроральных) электронов используются следующие соотно- шения для плотностей тока положительных ионов «холодной» плазмы и бы- стрых авроральных электронов ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) M M M eh eh iW H H H iWeh eh j n j j n j   , где – плотность потока авроральных электронов; – концентрация ав- роральных электронов; – плотность потока ионов «холодной» плазмы на поверхность твердого тела. ehj ehn iWj Условием моделирования многофакторного загрязнения защитных сте- кол СБ является равенство значений и зависимостей интегрального коэффи- циента поглощения солнечного излучения . ( ) ( )( ) ( )M H s st t   При моделировании деградации мощности СБ из-за воздействия плаз- менных струй электрореактивных двигателей (ЭРД) должны выполняться равенства: удельных зарядов и ( ) ( )Mq q H ( ) ( )M H i iW W энергий одно- сортных ионов, переносимых струей ЭРД на поверхность СБ на орбите и на стенде. Для полярной ионосферы на высотах (300 – 800) км в дополнение к воз- действию ионизирующего излучения, термоциклирования в вакууме, загряз- нения защитных стекол и электризации авроральными электронами добавля- ется воздействие атомарного кислорода (АК). Моделирование физико- химического воздействия АК определяется условиями равенства скоростей или энергий частиц, бомбардирующих поверхность ( ) ( )M HU U , и инте- гральных флюенсов [10]. ( ) ( )MF F0 0 H Условием моделирования воздействия ультрафиолетового (УФ) излуче- ния является равенство потоков мощности излучения на облучаемой поверх- ности в единицах эквивалентного солнечного часа для идентичных диапазо- нов длин волн. Перечисленные условия и соотношения использовались в данной работе при физическом и численном моделировании взаимодействия СБ с около- спутниковой средой на круговых орбитах в полярной ионосфере и магнито- сфере Земли. Потери электрической мощности СБ в магнитосфере Земли. Основ- ными факторами воздействия околоспутниковой среды на солнечные батареи КА на геостационарной орбите (высота ≈ 36 000 км, наклонение ≈ 0º) являются: ионизирующее излучение; термоциклирование в вакууме; радиа- ционная электризация; солнечное УФ - излучение; загрязнение защитных сте- кол СБ и плазменные струи электрореактивных двигателей (если ЭРД ис- пользуются для стабилизации КА на орбите). h θ На рис. 1, а (кривая 1) представлены расчетные значения зависимости изменения нормированной мощности кремниевых солнечных батарей во вре- мени ( )P t P0 , характеризующие влияние ионизирующего излучения в маг- нитосфере Земли на геостационарной орбите. Расчеты выполнены авторами для СБ из кремниевых солнечных элементов p - типа с удельным сопротивле- нием =10 Ом·см, толщиной базы =0,3 мм, с защитным покрытием на фронтальной поверхности из плавленого кварца толщиной  d  = 0,3 мм и бес- 81 конечно толстой защитой с тыльной стороны; использовался метод эквива- лентных потоков [1, 11]. На рис. 1, а кривая 1 соответствует аппроксимации    ( ) expP t P t      0 1 (2) с погрешностью не более 0,5 % для значений  = 0,875; = 4,3 [12]; 2 – ре- зультаты авторов [2]; 3 – данные работы [13]; 4 – результаты измерений из [14]; 5 – результаты работы [15], (штрихи соответствуют минимальным и максимальным значениям); 6 – данные из [16]; 7 – аппроксимация (2) при = 0,96 и = 1,1.    На рис. 1, б приведены результаты исследований влияния термоциклиро- вания на спад электрической мощности кремниевых СБ на геостационарной орбите (GEO) от времени эксплуатации и от количества термоциклов N в ва- кууме (кривая 1 – результаты исследований авторов; 2 – данные из [13]; 3 – измерения из [14]; 4 – [15]; 5 – [16]; 6 – усредняющая зависимость ( )P N P0 . а) б) Рис. 1 Одним из основных поражающих факторов на геостационарной орбите является радиационная электризация СБ – радиационно-стимулированные пробои с выбросом заряда в окружающее пространство, разрушением и за- грязнением защитных стекол. Механизмы пробоев радиационно-заряженных защитных стекол СБ (плавленый кварц, стекло К–208, К–215 и т. д.) детально описаны в [1, 2, 13 – 17]. В экспериментальных исследованиях на плазмодинамическом стенде Ин- ститута технической механики НАН Украины и НКА Украины (ИТМ) ис- пользовался образец фрагмента односторонней панели СБ размером 1012 см (солнечные элементы, основание из углепластика и сот алюминия [7]). Влияние 82 радиационной электризации при облучении СБ высокоэнергичными электро- нами с энергией 3,0 35 кэВ иллюстрируют данные рис. 2, где 1 – результаты измерений на стенде ИТМ; 2 – данные [17]; 3 – данные [15]; 4 – измерения работы [6]; 5 – данные [18]; 6 – аппроксимация (2) при ehW   = 0,9 и = 1,5 (радиационная электризация); 7 – аппроксимация (2) при   = 0,94 и = 4,59 (загрязнение).  Рис. 2 Продукты газовыделения, сублимации и деструкции органических и композитных материалов наружных поверхностей КА и обшивок СБ, обра- зующиеся под воздействием ионизирующего излучения, термоциклирования и радиационной электризации, адсорбируются на поверхности защитных сте- кол солнечных батарей. Ультрафиолетовое излучение активирует и стимули- рует фотохимические реакции и процессы полимеризации компонентов за- грязнения на поверхности защитных стекол. Результатом такого воздействия является образование устойчивых пленок и покрытий на поверхности защит- ных стекол, изменение их оптических свойств, уменьшение потока света, по- ступающего непосредственно на фотопреобразователь солнечного элемента, и, как следствие, снижение электрической мощности СБ [13, 19]. Для оценки изменения электрической мощности кремниевых СБ при на- личии слоя загрязнения на защитном стекле на GEO использовались следую- щие зависимости: – изменение интегрального коэффициента поглощения солнечного излу- чения защитного покрытия из плавленого кварца от времени , (кривая 1 рис. 3, а), где ( )S St   0S S0 – начальное значение (кривая 2 – расчет для КА GPS на высоте 20000 км (1/2 GEO) [19]); – изменение интегрального коэффициента поглощения солнечного излу- чения плавленого кварца от толщины слоя загрязнения на поверхности защитного стекла (кривая 1 рис. 3, б) [8]; kl – изменение нормированной мощности СБ  kP l P0 от для солнеч- ных элементов из p-кремния с удельным сопротивлением kl =2 Ом·см и защитным покрытием из плавленого кварца толщиной =0,3 мм (кривая 2 рис. 3, б) [8]. 83 а) б) Рис. 3 Изменение электрической мощности СБ на орбите – результат инте- грального воздействия околоспутниковой среды. На рис. 4 приведены кри- вые, характеризующие влияние отдельных факторов (термоциклирование; загрязнение; электризация; ионизирующее излучение) и интегрального воздей- ствия околоспутниковой среды на GEO на изменение мощности кремниевых 84 СБ с защитным стеклом из плавленого кварца толщиной  =0,3 мм, где кривая 1 – термоциклирование; кривая 2 – загрязнение защитных стекол; кривая 3 – ионизирующее излучение; кривая 4 – электризация; 5 – искусственные спутни- ки Земли (ИСЗ) серии «Intelsat–II» [20, 21]; 6 – ИСЗ IDSCS–II (по минимуму тока короткого замыкания [22]); 7 – стендовые испытания из [11]; точки 8 – 13 – данные для ИСЗ «ATS–6», «LES–6», «ATS–5»; «Intelsat–I» [11, 21] (штрихи соответствуют предельным значениям для части незащищенной поверхности СБ от 0,2 до 5,6%); 14 – оценки из [23]. Интегральная зависимость ( )P t P 0 (кривая 15 рис. 4), полученная линейным суммированием по формуле (1) ре- зультатов воздействия отдельных факторов (кривые 1 – 4 рис. 4), соответствует данным стендовых и спутниковых измерений [7, 11, 20]. При расчетах значе- ний ( )P t P 0 авторами принято ≈ 0,65; ≈ 0,69. 2е!м%ц*лk .ле*2!k Рис. 4 Параметры высокой круговой орбиты КА GPS (Global Positioning System): высота ≈ 20 000 км, наклонение h  ≈ 55º, т. е. 1/2 GEO. На рис. 5 представлена расчетная зависимость спада мощности ( )P t P 0 кремниевых СБ космических аппаратов GPS при интегральном воздействии трех факто- ров: загрязнения защитных стекол из плавленого кварца толщиной = 0,15 мм, ионизирующего излучения и термоциклирования, согласующая- ся с результатами спутниковых измерений [24]. Кривая 1 рис. 5 получена с использованием зависимости , рис. 3, а, кривая 2, и зависимостей и    S t  S kl  kP l P0 рис. 3, б; кривая 2 на рис. 5 – расчетные значения  P t P0 от влияния ионизирующего излучения на кремниевые СБ блока II A GPS из [24]. Интегральная энергетическая характеристика мощности СБ (кривая 7 рис. 5) получена линейным суммированием значений кривых 1, 2 рис. 5 и кривой 7 рис. 1, а (k ≈ 0,65) по формуле (1). Точки 3 – 6 на 2е!м%ц*л 85 рис. 5 получены нормированием значений мощности СБ из [24] на величину начальной мощности СБ; кривая 7 – интегральное воздействие околоспутни- ковой среды – расчет авторов по (1). Рис. 5 Потери электрической мощности СБ в ионосфере Земли. На круговой полярной орбите (высота ≈ 800 км, наклонение θ 90º) в разное время экс- плуатировались: КА SPOT 1, 2 и 3 (Франция, ESA); микроспутник Unisat-3 (Италия); малые спутники серии DMSP (Defense Meteorological Satellite Program, США), КА MSX (Midсourse Space Experiment, США) с космическим телескопом инфракрасного диапазона Spirit–3 и др. [17, 25 – 27]. h На рис. 6 (кривая 1) приведены результаты расчета авторов (метод экви- валентных потоков) спада мощности  P t P0 кремниевых солнечных бата- рей с толщиной защитного стекла  = 0,2 мм при воздействии ионизирующе- го излучения на орбите с параметрами ≈ 800 км, h   90º (LEO). При расче- тах, как и в [25], использовалась величина эквивалентного годового флюенса электронов с энергией 1 МэВ, равная eF ≈ 3·1012 см-2. Рис. 6 Зависимость, иллюстрирующая влияние загрязнения защитных стекол на спад мощности СБ на солнечно-синхронной орбите в полярной ионосфере показана на рис. 6 – кривая 2 (расчет авторов); точки 3, 4, 5 – результаты из- мерений интегрального спада мощности СБ на ИСЗ SPOT 1, SPOT 2, SPOT 3 [17]; 6 – расчет авторов по формуле (1). 86 Для спутников серии SPOT на солнечно-синхронной полярной орбите ( ≈800 км, ≈98º) годовое число термоциклов h  N ≈5100 [28]. Среднегодовые потери мощности кремниевых СБ космического аппарата SPOT 2 составили 4,1 % [17]. Эти результаты согласуются с данными, приведенными на рис. 1, б. К числу поражающих факторов околоспутниковой среды на солнечно- синхронной орбите в полярной ионосфере следует отнести также и воздейст- вие высокоэнтальпийных потоков атомарного кислорода (АК) с энергией частиц ≥ 5 эВ. Условия проведения исследований влияния АК на изменение электриче- ской мощности кремниевой СБ в данной работе идентичны приведенным в [10]. В сверхзвуковым потоке АК воздействию частиц подвержены поверхно- сти защитного стекла и токопроводящих контактов из Ag, соединяющих сол- нечные элементы фрагмента панели СБ. Защитное стекло с добавкой церия К–208 (или плавленый кварц SiO2) обладает высокой коррозийной стойко- стью к воздействию высокоэнтальпийного потока АК, в частности к физиче- скому распылению и химическому травлению. Кинетическая энергия потока АК существенно ниже энергии распыления большинства металлов (в частно- сти, серебра). Основным механизмом воздействия АК на материал токопро- водящих контактов СБ (Ag) является химическое травление и, как следствие, образование оксидной пленки. При воздействии высокоэнтальпийного потока АК формируется сплошная пленка оксида Ag2О, для которой характерны ли- нейная проводимость и положительный температурный коэффициент. В ходе испытаний регистрировались: изменение электрической мощности P P 0 солнечного элемента и сопротивления R R 0 токоподводящих контактов ( – начальное сопротивление токоподводящего контакта). При измерениях температура проводящих слоев Ag2O изменялась от +10 до +40°С. Макси- мальная толщина оксидной пленки при 1019 см-2 и температуре токо- подвода +25°С составляла от 0,8 до 1,2 мкм на фронтальной стороне контакта и 0,5 мкм – на тыльной (подветренной) стороне. Эти данные согласуются с результатами измерений в [29]. Следствием увеличения толщины, сопротив- ления токоподводящих контактов является уменьшение электрической мощ- ности СБ. Годовой флюенс АК на солнечно-синхронной орбите КА серии “SPOT” при средней солнечной активности согласно [30] составляет ~ 6·1018 см-2. По результатам измерений авторов, электрическая мощность кремние- вых СБ в пределах погрешности измерений (≤0,5%) из-за воздействия высо- коэнтальпийного потока АК с флюенсом 2·1018≤ R0 O F   O F  ≤6·1021 см-2 практически не изменяется: влияние АК на изменение P P 0 солнечных батарей спутни- ков серии SPOT пренебрежимо мало. В полярной ионосфере на высоте h  840 км, ≈90º в тени Земли, когда интегральный поток авроральных электронов с энергиями 10 кэВ превосхо- дил 108 см-2с-1стер-1, при плотности «холодной» ионосферной плазмы меньше, чем 104 см-3, поверхности КА серии DMSP (Defence Meteorological Satellite Program) заряжались до высоких отрицательных потенциалов (< -100 В) [31, 32]. За 12-летий период (1989 – 2001 г.г.) на КА серии DMSP зарегистрирова- но 1253 акта высоковольтного заряжания. Электризация диэлектрических по- верхностей КА в полярной ионосфере в тени Земли, в отличие от магнито- сферы, обусловлена суперпозицией двух воздействий: облучение высоко- 87 энергичными авроральными электронами и обтекание сверхзвуковым пото- ком положительных ионов «холодной» ионосферной плазмы. Концентрация положительных ионов низкотемпературной плазмы , способной эффектив- но нейтрализовать высоковольтные заряды без инициирования радиационно- стимулированных пробоев, определяется из баланса токов на поверхности диэлектрика. Для полярной ионосферы в тени Земли при плотности тока ав- роральных электронов с энергией 10 кэВ in ehj  10 нА/см2; max in  105 см-3 [32]. Условие 105 см-3 определяет концентрацию ионов потока плазмы, способной стимулировать пробой радиационно-заряженной СБ. Пробой со- провождается электромагнитными шумами ВЧ - диапазона, распылением за- щитных стекол и разрушением фотопреобразователей. Уменьшение электри- ческой мощности и тока короткого замыкания СБ при этом обусловлено за- грязнением, вызванным пробоями. При концентрации «холодной» плазмы <105 см-3 происходит «мягкая» (без пробоев) нейтрализация высоковольт- ных зарядов на поверхности СБ [7]. При плотности тока авроральных элек- тронов 10 нА/см2 (с энергией 14 кэВ) и концентрации ионов <102 см-3 на поверхностях КА серии DMSP накапливаются отрицательные потенциалы 200 В, при которых возможно формирование электриче- ских разрядов и пробоев [33, 34]. in W in in ehj   Частота электрических пробоев на ИСЗ серии DMSP коррелирует с чис- лом солнечных пятен и уменьшением концентрации положительных ионов в «холодной» ионосферной плазме. Если предположить, что условия эксплуа- тации КА SPOT 1, 2, 3 (1986 – 1997 г.г.) близки к условиям эксплуатации ИСЗ серии DMSP на полярной орбите до протонной вспышки на Солнце в 1996 г., то электризационно опасными являются условия в южном полушарии с 1995 г. по 1997 г. Интегральные оценки спада мощности солнечных батарей показаны на рис. 6 (кривая 6). Расчетные значения зависимости  P t P0 получены ли- нейным суммированием (1) результатов воздействия трех факторов около- спутниковой среды: ионизирующего излучения (кривая 1), загрязнения (кри- вая 2) и термоциклирования при ≈0,65. Расчетные значения со- гласуются с результатами измерений на ИСЗ серии SPOT 1, 2 и 3. Отклоне- ние интегральных значений 2е!м%ц,*k л  P t P0 t t для ≈ 8 и 9 лет обусловлены влияни- ем солнечной протонной вспышки при = 7 лет (в 1996 году) [17]. Заключение. Разработана процедура прогноза оценки потерь электриче- ской мощности кремниевых солнечных батарей космических аппаратов из-за воздействия околоспутниковой среды при длительной эксплуатации на кру- говых орбитах в полярной ионосфере и в магнитосфере Земли. Показано, что интегральные зависимости потерь мощности кремниевых солнечных батарей, полученные с учетом влияния отдельных факторов око- лоспутниковой среды, согласуются с результатами измерений на космиче- ских аппаратах серии SPOT в полярной ионосфере, на ИСЗ серии IDSCS, ATS, «Intelsat» и др. на геостационарной орбите в магнитосфере Земли, а так- же на орбите КА группировки GPS. 1. Летин В. А. Функционирование солнечных батарей в космической среде / В. А. Летин // Модель космо- са. В 2 т. Т. 2. – М. : Книжный дом Университет. – С. 561 – 594. 88 2. Шувалов В. А. Потери мощности солнечных батарей под воздействием околоспутниковой среды на гео- стационарной орбите / В. А. Шувалов, Г. С. Кочубей, В. В. Губин, Н. А. Токмак // Космические исследова- ния. – 2005. – Т. 43, № 4. – С. 274 – 282. 3. Ермоленко А. Ф. О проверке гипотезы линейного суммирования повреждений / А. Ф. Ермоленко // Труды Московского энергетического ин-та. – 1974. – Вып. 185. – С. 52 – 54. 4. Переверзев Е. С. Модели накопления повреждений в задачах долговечности / Е. С. Переверзев. – Киев : Наукова думка, 1995. – 360 с. 5. Акишин А. И. Электроразрядный механизм повреждения солнечных батарей при электронном облучении / А. И. Акишин, Ю. И. Тютрин, Л. И. Цепляев // Физика и химия обработки материалов. – 1996. – № 6. – С. 56 – 59. 6. Антонов В. М. Лабораторные исследования эффектов электризации космических аппаратов / В. М. Антонов, А. Г. Пономаренко. – Новосибирск : Наука, 1992. – 115 с. 7. Шувалов В. А. Радиационная электризация элементов конструкций космических аппаратов. Физическое моделирование, накопление и нейтрализация заряда / В. А. Шувалов, А. И. Приймак, В. В. Губин // Кос- мические исследования – 2001. – Т. 39, № 1. – С. 18 – 26. 8. Tribble A. C. Contamination control engineering design guidelines for aerospace community / A. C. Tribble, B. Boyadjian, J. Davis // NASA Contractor Report. – 1996. – № 4740. – 126 p. 9. Куликов И. А. Экспериментальные исследования воздействия факторов космического пространства на долговечность углепластиков / И. А. Куликов, А. А. Куприй, Г. А. Юрлова // Физика и химия обработки материалов. – 1993. – № 4. – С. 38 – 46. 10. Шувалов В. А. Изменение свойств материалов панелей солнечных батарей КА под воздействием ато- марного кислорода / В. А. Шувалов, Г. С. Кочубей, А. И. Приймак, Н. И. Письменный / Космические ис- следования – 2007. – Т. 45, №4. – С. 294 – 304. 11. Крейнин Л. Б. Солнечные батареи в условиях воздействия космической радиации / Л. Б. Крейнин, Г. М. Григорьева // Итоги науки и техники. Исследование космического пространства. – 1979. – Вып. 3. – 128 с. 12. Присняков В. Ф. К вопросу деградации солнечных батарей на космических аппаратах / В. Ф. Присня- ков // Космiчна наука i технологiя. – 1996. – Т. 2, № 1/2. – С. 73 – 81. 13. Dever J. A. Contamination of space environmental effects on solar cells and thermal control surfaces / J. A. Dever , E. J. Bruckner , D. A. Scheiman // J. Spacecraft and Rockets. – 1995. – V. 32, № 5. – P. 832 – 838. 14. Harris J. D. Space environmental testing of dye–sensitized cells / J. D Harris, E. J. Anglin, A. F. Hepp, S. G. Balley // Proc. 6–th European Space Power Conference. – Porto, Portugal, 2002. – № ESA SP–502. – P. 702 – 711. 15. Летин В. А. Комплексное воздействие факторов космического пространства при термовакуумных ис- пытаниях солнечных батарей / В. А. Летин, В. Р. Заявлин, П. А. Еремин // Космические исследования – 1999. – Т. 37, № 3. – С. 329 – 331. 16. Letin V. A. Optical radiation and thermal cycling losses of power solar array returned orbital station “Mir” after 10,5 years of operation / V. A. Letin // Proc. 6-th European Space Power Conference. – Porto, Portugal, 2002. – № SP–502. – P. 713 – 718. 17. Tarasov V. N. Electrostatic behaviour of solar-cell batteries under condition of radiation electrization / V. N. Tarasov, G. V. Babkin, E. P. Morosov // Problems of spacecraft environment interaction: Int. Conf. – Irkutsk, 1992. – P. 58 – 59. 18. Ягушкин Н. И. Радиационно–электрические явления в диэлектрических материалах космических аппа- ратов при электризации / Н. И. Ягушкин, О. С. Графодатский, Ш. Н. Исляев // Исследования по гео- магнетизму, аэрономии и физике Солнца. – 1989. – Вып. 86. – С. 131 – 168. 19. Leet S. J. Thermooptical property degradation of irradiated spacecraft surfaces / S. J. Leet, L. B. Fogdal , M. C. Willkinson // J. Spacecraft and Rockets. – 1995. – V. 32, № 5. – P. 832 – 838. 20. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей / Г. Раушенбах. – М. : Энергоатомиздат, 1983. – 360 с. 21. Модель космоса - 82. В 2 т. Т. 2 / Под ред. Вернова Н .С. – М. : МГУ, 1983. – 770 с. 22. Goldhammer J. G. Irradiation of solar cell candidates for the ATS–F solar cell experiment / J. G. Goldhammer // 9–th IEEE Photovolt. Specialists Conf. – N.Y., 1972. – P. 316 – 328. 23. Jones P. A. A high specific power solar array for low mid-power spacecraft. / P. A. Jones, S. F. White, T. Y. Harvey , B. S. Smith // SPRAT XII : Proc. of the space photovoltaic research and technology conf. – NASA, 1992. – № NASA СP-3210. – P. 177 – 187. 24. Tribble A. C. Revised estimates of photochemically deposited contamination on the GPS satellites / A. C. Tribble // J. Spacecraft and Rockets. – 1998. – V. 35, № 1. – P. 114 – 116. 25. Santoni F. Analysis of the Unisat–3 solar array in-orbit performance / F. Santoni, F. Piergentili // J. Spacecraft and Rockets. – 2008.– V. 45, № 1. – P. 142 – 148. 26. Wood B. E. Midcourse space experiment satellite flight measurements of contaminants on quartz crystal microbalances / B. E. Wood, D. F. Hall, J. C. Lesmo // J. Spacecraft and Rockets. – 1998. – V. 35, № 4. – P. 533 – 538. 27. Roussel J. F. Effect of space environment on spacecraft surfaces in sun–synchronous orbits / J. F. Roussel, I. Alet, D. Fay, A. Preira // J. Spacecraft and Rockets. – 2004. – V. 41, № 5. – P. 812 – 820. 28. Jalinat A. In–orbit behaviour of SPOT 1, 2 and 3 solar arrays / A. Jalinat, G. Pcart, P. Samson // Proc. of the Fifth European Space Power Confer. – Tarragona, Spain, 1998. – № ESA SP–416. – P. 627 – 631. 89 90 29. Koontz S. A Intelsat solar array coupon atomic oxigen fligt experiment / S. Koontz, G. King, А. Dunnet // J. Spacecraft and Rockets. – 1994. – V. 31, № 3. – P. 475 – 481. 30. ECSS-E-10-04A. Space environment / ESA-ESTEC. – Noordwijk, Netherlands, 2000. – 219 p. 31. Gussenhoven M. A. High-level spacecraft charging in the low-altitude polar and auroral environment / M. A. Gussenhoven, D. A. Hardy, F. Rich // J. Geophysical Research. – 1985. –V. 90, № A11. – P. 11009 – 11023. 32. Anderson P. C Spacecraft charging anomaly a low-altitude satellite in a Aurora / P. C. Anderson, H. C. Koons // J. Spacecraft and Rockets. – 1996. – V. 33, № 5. – P. 734 – 738. 33. Soldi J. D. Flight data analysis for the photovoltaic array space power plus diagnostics experiment / J. D. Soldi, D. E. Yasting, D. Hard, D. Guidice // J. Spacecraft and Rockets. – 1997. – V. 34, № 1. – P. 92 – 103. 34. Upschulte B. L. Arcing of negatively biased solar cells in a plasma environment / B. L. Upschulte, W. J. Marinelli, K. L. Carleton, G. Wey // J. Spacecraft and Rockets. – 1994. – V. 31, № 3. – P. 493 – 507. Институт технической механики Получено 04.07.11, НАН Украины и НКА Украины, в окончательном варианте 11.07.11 Днепропетровск

Ähnliche Einträge