Потери мощности солнечных батарей из-за воздействия околоспутниковой среды

Приведен обзор результатов исследований потери мощности солнечных батарей космических аппаратов из-за воздействия околоспутниковой среды, проведенных в Институте технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины за последние пять лет. Цель иссл...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2013
Автор:	Шувалов, В.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічної механіки НАН України і НКА України 2013
Назва видання:	Техническая механика
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88414
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Потери мощности солнечных батарей из-за воздействия околоспутниковой среды / В.А. Шувалов // Техническая механика. — 2013. — № 4. — С. 32-42. — Бібліогр.: 47 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-88414
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-884142015-11-15T03:02:54Z Потери мощности солнечных батарей из-за воздействия околоспутниковой среды Шувалов, В.А. Приведен обзор результатов исследований потери мощности солнечных батарей космических аппаратов из-за воздействия околоспутниковой среды, проведенных в Институте технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины за последние пять лет. Цель исследований – разработка процедуры прогноза спада мощности солнечных батарей из-за длительного воздействия околоспутниковой среды на круговых орбитах в ионосфере и магнитосфере Земли. Методы исследований – экспериментальные и теоретические, позволили разработать процедуру прогноза деградации электрической мощности кремниевых солнечных батарей космических аппаратов при длительной эксплуатации на круговых орбитах в полярной ионосфере и в магнитосфере Земли. Наведено огляд результатів досліджень втрати потужності сонячних батарей космічних апаратів через вплив навколосупутникового середовища, проведених в Інституті технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України за останні п'ять років. Ціль досліджень – розроблення процедури прогнозу спаду потужності сонячних батарей при тривалому впливові навколо-супутникового середовища на кругових орбітах в іоносфері і магнітосфері Землі. Методи досліджень – експериментальні і теоретичні, дозволили розробити процедуру прогнозу деградації електричної потужності кремнієвих сонячних батарей космічних апаратів при тривалій експлуатації на кругових орбітах у полярній іоносфері та у магнітосфері Землі. The results of the research in losses in capacity of spacecraft solar batteries caused by the long-term effects of the near-satellite environment, carried out by the Institute of Technical Mechanics of the National Academy of Sciences of Ukraine and the State Space Agency of Ukraine over the past five years, are presented. The research objective is to develop the prediction of the fall in capacity of solar batteries caused by the long-term effects of the near-satellite environment in circular orbits in the Earth ionosphere and magnetosphere. The experimental and analytical methods allowed the prediction of degradation of electrical capacity of spacecraft silicon solar batteries in long-term operation in circular orbits in the polar ionosphere and the Earth magnetosphere. 2013 Article Потери мощности солнечных батарей из-за воздействия околоспутниковой среды / В.А. Шувалов // Техническая механика. — 2013. — № 4. — С. 32-42. — Бібліогр.: 47 назв. — рос. 1561-9184 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88414 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	Приведен обзор результатов исследований потери мощности солнечных батарей космических аппаратов из-за воздействия околоспутниковой среды, проведенных в Институте технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины за последние пять лет. Цель исследований – разработка процедуры прогноза спада мощности солнечных батарей из-за длительного воздействия околоспутниковой среды на круговых орбитах в ионосфере и магнитосфере Земли. Методы исследований – экспериментальные и теоретические, позволили разработать процедуру прогноза деградации электрической мощности кремниевых солнечных батарей космических аппаратов при длительной эксплуатации на круговых орбитах в полярной ионосфере и в магнитосфере Земли.
format	Article
author	Шувалов, В.А.
spellingShingle	Шувалов, В.А. Потери мощности солнечных батарей из-за воздействия околоспутниковой среды Техническая механика
author_facet	Шувалов, В.А.
author_sort	Шувалов, В.А.
title	Потери мощности солнечных батарей из-за воздействия околоспутниковой среды
title_short	Потери мощности солнечных батарей из-за воздействия околоспутниковой среды
title_full	Потери мощности солнечных батарей из-за воздействия околоспутниковой среды
title_fullStr	Потери мощности солнечных батарей из-за воздействия околоспутниковой среды
title_full_unstemmed	Потери мощности солнечных батарей из-за воздействия околоспутниковой среды
title_sort	потери мощности солнечных батарей из-за воздействия околоспутниковой среды
publisher	Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
publishDate	2013
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88414
citation_txt	Потери мощности солнечных батарей из-за воздействия околоспутниковой среды / В.А. Шувалов // Техническая механика. — 2013. — № 4. — С. 32-42. — Бібліогр.: 47 назв. — рос.
series	Техническая механика
work_keys_str_mv	AT šuvalovva poterimoŝnostisolnečnyhbatarejizzavozdejstviâokolosputnikovojsredy
first_indexed	2025-07-06T16:12:38Z
last_indexed	2025-07-06T16:12:38Z
_version_	1836914689370488832
fulltext	32 УДК 533.27; 539.2 В. А. ШУВАЛОВ ПОТЕРИ МОЩНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ ИЗ-ЗА ВОЗДЕЙСТВИЯ ОКОЛОСПУТНИКОВОЙ СРЕДЫ Приведен обзор результатов исследований потери мощности солнечных батарей космических аппа- ратов из-за воздействия околоспутниковой среды, проведенных в Институте технической механики Наци- ональной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины за последние пять лет. Цель исследований – разработка процедуры прогноза спада мощности солнечных батарей из-за длительного воздействия околоспутниковой среды на круговых орбитах в ионосфере и магнитосфере Земли. Методы исследований – экспериментальные и теоретические, позволили разработать процедуру прогноза деградации электрической мощности кремниевых солнечных батарей космических аппаратов при длительной эксплуатации на круговых орбитах в полярной ионосфере и в магнитосфере Земли. Опре- делены потери мощности солнечных батарей, обусловленные влиянием отдельных факторов околоспут- никовой среды – ионизирующего излучения; термоциклирования в вакууме; радиационной электризации; солнечного ультрафиолетового излучения; загрязнения защитных стекол солнечных батарей и плазменных струй электрореактивных двигателей. Показано, что интегральные величины потерь мощности солнечных батарей (с учетом влияния отдельных факторов околоспутниковой среды) согласуются с результатами спутниковых измерений на космических аппаратах серии SPOT в полярной ионосфере, на искусственных спутниках Земли серии IDSCS, ATS, «Intelsat» и др. на геостационарной орбите в магнитосфере Земли, а также на орбите космических аппаратов группировки GPS. Статья предназначена для студентов, аспиран- тов, научных работников и специалистов по проектированию и эксплуатации солнечных батарей косми- ческих аппаратов. Наведено огляд результатів досліджень втрати потужності сонячних батарей космічних апаратів че- рез вплив навколосупутникового середовища, проведених в Інституті технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України за останні п'ять років. Ціль досліджень – розроблення процедури прогнозу спаду потужності сонячних батарей при тривалому впливові навколо- супутникового середовища на кругових орбітах в іоносфері і магнітосфері Землі. Методи досліджень – експериментальні і теоретичні, дозволили розробити процедуру прогнозу деградації електричної потужно- сті кремнієвих сонячних батарей космічних апаратів при тривалій експлуатації на кругових орбітах у полярній іоносфері та у магнітосфері Землі. Визначено втрати потужності сонячних батарей, що обумов- лені впливом окремих факторів навколосупутникового середовища – іонізуючого випромінювання; тер- моциклювання у вакуумі; радіаційної електризації; сонячного ультрафіолетового випромінювання; забру- днення захисних стекол сонячних батарей та плазмових струменів електрореактивних двигунів. Показано, що інтегральні величини втрат потужності сонячних батарей (з урахуванням впливу окремих факторів навколосупутникового середовища) погоджуються з результатами супутникових вимірювань на космічних апаратах серії SPOT у полярній іоносфері, на штучних супутниках Землі серії IDSCS, ATS, «Intelsat» та ін. на геостаціонарній орбіті в магнітосфері Землі, а також на орбіті космічних апаратів угруповання GPS. Стаття призначена для студентів, аспірантів, науковців і фахівців із проектування й експлуатації сонячних батарей космічних апаратів. The results of the research in losses in capacity of spacecraft solar batteries caused by the long-term effects of the near-satellite environment, carried out by the Institute of Technical Mechanics of the National Academy of Sciences of Ukraine and the State Space Agency of Ukraine over the past five years, are presented. The research objective is to develop the prediction of the fall in capacity of solar batteries caused by the long-term effects of the near-satellite environment in circular orbits in the Earth ionosphere and magnetosphere. The experimental and analytical methods allowed the prediction of degradation of electrical capacity of spacecraft silicon solar batteries in long-term operation in circular orbits in the polar ionosphere and the Earth magnetosphere. Losses in capacity of solar batteries caused by the long-term effects of individual factors of the near-satellite environment are determined. Those effects included ionizing radiation, vacuum thermocycling, radiation electrization, solar ultraviolet radiation, contamination of protective glasses of solar batteries and plasma jets of electrical jet engines. It is shown that integral values of losses in capacity of solar batteries (considering the effects of individual factors of the near-satellite environment) conform with the results of satellite measurements using SPOT-series space- craft in the polar orbits, IDSCS, ATS – Intelsat-series artificial earth satellites in geostationary orbit in the Earth magnetosphere as well as in orbit of GPS constellation spacecraft. The paper is intended for students, post- graduate students, researchers and experts in the design and operation of spacecraft solar batteries. Солнечные батареи (СБ) широко используются на космических аппара- тах (КА) в качестве первичного источника электрической энергии. Увеличе- ние энергопотребления и ресурса КА предъявляет к СБ жесткие требования в части стойкости их к воздействию околоспутниковой среды на орбите. Воз-  В. А. Шувалов, 2013 Техн. механика. – 2013. – № 4. 33 действие на СБ комплекса факторов околоспутниковой среды интенсифици- рует деградационные процессы в материалах и элементах конструкций СБ, ухудшает их эксплуатационные характеристики, приводит к сокращению ре- сурса, потерям электрической мощности и, как следствие, к уменьшению срока активного существования КА [1]. Несмотря на интенсивное развитие в последние годы многопереходных фотоэлектронных преобразователей (ФП) солнечных элементов СБ на основе арсенида галлия, кремниевые монокристаллические фотопреобразователи по- прежнему остаются основным типом ФП для СБ космических аппаратов. Основными составляющими околоспутниковой среды, воздействующей на СБ в ионосфере и магнитосфере Земли, являются потоки газа, плазмы и электромагнитного излучения. 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. При построении моделей взаимодействия СБ с околоспут- никовой средой значительная роль отводится численному и физическому экспериментам. Такие исследования позволяют из широкого спектра процес- сов, протекающих на орбите, выделить основные эффекты, изучить их при- роду, провести параметрический анализ и сформулировать уточненные моде- ли. Целью данной работы является разработка процедуры прогноза спада мощности СБ из-за длительного воздействия околоспутниковой среды на круговых орбитах в ионосфере и магнитосфере Земли. Параметры моделирования длительного воздействия околоспутни- ковой среды на СБ. Изменение электрической мощности СБ на орбите – результат интегрального воздействия комплекса факторов околоспутниковой среды, присущих условиям эксплуатации КА. Интегральную характеристику спада нормированной электрической мощности солнечной батареи P ап- проксимирует соотношение [2] ( ) ( )     m i i i P t P t k P P0 01 , (1) где P0 – начальное значение мощности; t – время эксплуатации на орбите;  ( ) ( )  i iP t P P t P0 01 – изменение мощности, обусловленное воздействи- ем i-го фактора околоспутниковой среды; ik – коэффициент пропорциональ- ности, учитывающий влияние отдельных факторов и эффекты наложения [3, 4]; m – количество факторов. Соотношение (1) получено на основе принци- па производства максимума необратимой составляющей энтропии в предпо- ложении, что величина ( ) iP t P0 пропорциональна приращению необрати- мой составляющей энтропии и является количественной мерой накопленных повреждений (используется принцип линейного суммирования поврежде- ний). Количество факторов m выбирается для конкретного КА, а величина ко- эффициента  ik0 1 определяется вкладом каждого фактора. Так, потери мощности СБ из-за загрязнения защитных стекол в результате радиационной 34 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 электрk ≈ 0,69 и термоциклk ≈ 0,65. Основным условием численного моделирования длительного воздей- ствия 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 «М» – моделирование; «Н» – орбита). Условием эквивалентности термоциклических воздействий при физиче- ском моделировании в вакууме является равенство количества N и размаха термоциклов: ( ) ( )M HN N ; ( ) ( )  M HT T ( max min  T T T ; ( ) ( ) max maxM HT T – максимальная, ( ) ( ) min minM HT T – минимальная температура СБ на орбите и на стенде). При моделировании воздействия радиационной электризации на СБ должно выполняться равенство флюенсов ( ) ( )M H eh ehF F и энергий ( ) ( )M H eh ehW W высокоэнергичных электронов на орбите в магнитосфере Зем- ли и на стенде (3 ehW 20 кэВ). Для полярной ионосферы к этим условиям необходимо добавить параметры подобия, характеризующие электрофизиче- ское взаимодействие твердого тела с «горячими» авроральными электронами при синхронном плазмогазодинамическом взаимодействии СБ с потоком «холодной» ионосферной плазмы. При условии адекватности процесса заря- жания, накопления высоковольтного заряда и равенстве скоростей аврораль- ных электронов используются следующие соотношения для плотностей тока положительных ионов «холодной» плазмы и быстрых авроральных электро- нов [10]: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )     M M M eh eh iW ehH H H iWeh eh j n j j n j , (2) где ehj – плотность потока авроральных электронов; ehn – концентрация авроральных электронов; iWj – плотность потока ионов «холодной» плазмы на поверхность твердого тела. 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: ( ) ( )M Hq q удельных зарядов и ( ) ( )M H i iW W энергий односорт- 35 ных ионов, переносимых струей ЭРД на поверхность СБ на орбите и на стен- де. 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 ( ) ( )M HF F0 0 [11]. 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. Потери электрической мощности СБ из-за воздействия околоспут- никовой среды в магнитосфере Земли. Геостационарная орбита (GEO), высота h ≈ 36 000 км, наклонение θ ≈ 0º. Основными факторами воздей- ствия околоспутниковой среды на солнечные батареи геостационарных кос- мических аппаратов являются: ионизирующее излучение; термоциклирова- ние в вакууме; радиационная электризация; солнечное УФ-излучение; за- грязнение защитных стекол СБ и плазменные струи электрореактивных дви- гателей (если ЭРД используются для стабилизации КА на орбите). 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 [2, 5, 7, 12, 13]. 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 [14, 15]. Для оценки изменения электрической мощности кремниевых СБ при наличии слоя загрязнения на защитном стекле на GEO использовались зави- симости: – интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения за- щитного покрытия из плавленого кварца от времени ( )  S S St 0 , где  S0 – начальное значение; – интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения плав- леного кварца от толщины слоя загрязнения kl на поверхности защитного стекла [8]; 36 – изменение нормированной мощности СБ  kP l P0 от kl для солнеч- ных элементов из p-кремния с удельным сопротивлением =2 Ом·см и за- щитным покрытием из плавленого кварца толщиной  =0,3 мм [8]. Изменение электрической мощности СБ на орбите – результат инте- грального воздействия околоспутниковой среды. На рис. 1 приведены кри- вые, характеризующие влияние отдельных факторов (термоциклирование; загрязнение; электризация; ионизирующее излучение) и интегрального воз- действия околоспутниковой среды на GEO на изменение мощности кремние- вых СБ с защитным стеклом из плавленого кварца толщиной  =0,3 мм. Рис. 1 На рис. 1 кривая 1 – термоциклирование; кривая 2 – загрязнение защит- ных стекол; кривая 3 – ионизирующее излучение; кривая 4 – электризация; кривая 5 – интегральное воздействие околоспутниковой среды, расчет по (1); квадратики – ИСЗ серии «Intelsat–II» [16]; кружки – ИСЗ IDSCS–II (по мини- муму тока короткого замыкания [17]); светлые ромбики – стендовые испыта- ния из [18, 19]; крестики – ИСЗ ATS–6 [18]; темные ромбики – ИСЗ «LES–6» [18]; точки – оценки из [17]; темный треугольник – ATS–5 [18]; звездочки – ИСЗ «Intelsat–I» [18, 16] (штрихи соответствуют предельным значениям для части незащищенной поверхности СБ от 0,2 до 5,6%); светлые треугольники – оценки из [20]. Интегральная зависимость ( )P t P0 (кривая 5 рис. 1), полу- ченная линейным суммированием по формуле (1) результатов воздействия отдельных факторов (кривые 1 – 4 рис. 1), соответствует данным стендовых и спутниковых измерений [16 – 20]. При расчетах значений ( )P t P0 принято термоцклk ≈ 0,65; электрk ≈ 0,69. Высокая круговая орбита КА GPS (1/2 GEO). Параметры орбиты КА GPS (Global Positioning System): высота h ≈ 20 000 км, наклонение  ≈ 55º. На рис. 2 представлена расчетная зависимость спада мощности ( )P t P0 кремниевых СБ космических аппаратов GPS при интегральном воздействии трех факторов: загрязнения защитных стекол из плавленого кварца толщиной  = 0,15 мм, ионизирующего излучения и термоциклирования, согласующая- ся с результатами спутниковых измерений [21]. 37 Рис. 2 На рис. 2 кривая 1 – влияние загрязнения защитных стекол СБ; кривая 2 – влияние ионизирующего излучения на кремниевые СБ блока II A GPS [22]; 3 – интегральная энергетическая характеристика мощности СБ, полученная линейным суммированием воздействия отдельных факторов по формуле (1); кружки – измерения для GPS блока II КА 13 – 17; ромбы – блок II КА 18 – 21; темные квадратики – блок II–A КА 22 – 40; светлые квадратики – блок I КА 1 – 6. Кривая 1 рис. 2 получена с использованием зависимости  S t и зависимостей  S kl и  kP l P0 ; кривая 2 на рис. 2 – расчетные значения  P t P0 влияния ионизирующего излучения на кремниевые СБ блока II A GPS [22]. Экспериментальные значения мощности СБ из [22] нормировались на величину начальной мощности. Потери электрической мощности СБ из-за воздействия околоспут- никовой среды в ионосфере Земли. Круговая солнечно-синхронная орби- та (LEO) высота h ≈ 800 км, наклонение θ 90º. С каждым годом число спутников на солнечно-синхронной орбите в полярной ионосфере возрастает. На круговой полярной орбите в разное время эксплуатировались: КА SPOT 1, 2 и 3 (Франция, ESA); микроспутник Unisat-3 (Италия); малые спутники се- рии DMSP (Defense Meteorological Satellite Program, США), КА MSX (Midсourse Space Experiment, США) с космическим телескопом инфракрас- ного диапазона Spirit–3 и др. [13, 23 – 25]. На рис. 3 (кривая 1) приведены результаты расчетов (метод эквивалент- ных потоков) спада мощности  P t P0 кремниевых солнечных батарей с толщиной защитного стекла  = 0,2 мм при воздействии ионизирующего из- лучения на орбите с параметрами h ≈ 800 км,   90º (LEO). При расчетах, как и в [23], использовалась величина эквивалентного годового флюенса электронов с энергией 1 МэВ, равная eF ≈ 3∙1012 см-2. Рис. 3 38 На рис. 3 кривая 2 – загрязнение защитных стекол; 3 – расчет по форму- ле (1); крестики, квадратики, точки, кружочки – ИСЗ SPOT 1, SPOT 2, SPOT 3 [13]. При расчетах использовались зависимости толщины пленки за- грязнения ( )kl t на оптической поверхности от времени (кривая 2 рис. 4) и  kP l P0 [9]. Зависимость ( )kl t на низкой орбите иллюстрирует рис. 4. Рис. 4 На рис. 4 кривая 1 – результаты измерений на поверхности СБ космиче- ского аппарата MSX после 100 дней полета (высота h ≈903 км, ≈99,4º) [25], рост толщины покрытий составил  kl ≈ 0,2 нм/день [26]; 2 – экстраполяция для MSX; 3 – экстраполяция для предельных уровней толщины пленки за- грязнения на оптических поверхностях МКС при росте 13 нм/год. Для спутников серии SPOT на солнечно-синхронной полярной орбите ( h ≈800 км, ≈98º) годовое число термоциклов N ≈5100 [27]. В табл. приве- дены результаты годовых измерений потерь мощности из-за термоциклиро- вания кремниевых СБ космического аппарата SPOT 2 [13]. Среднегодовые потери мощности кремниевых СБ космического аппарата SPOT 2 составили 4,1 %. Таблица Дата измерений на орбите  термоцикP P0 , % 27.02.97 4,4 13.03.97 4,2 10.04.97 4,3 19.06.97 4,6 31.07.97 4,0 08.09.97 3,9 06.10.97 4,0 27.10.97 4,4 01.12.97 3,8 05.01.98 3,8 02.02.98 3,8 04.03.98 4,0 10-2 39 К числу поражающих факторов околоспутниковой среды на солнечно- синхронной орбите в полярной ионосфере следует отнести также и воздей- ствие высокоэнтальпийных потоков атомарного кислорода с энергией частиц ≥ 5 эВ. Условия проведения исследований влияния АК на изменение электриче- ской мощности кремниевой СБ в данной работе идентичны приведенным в [11]. В сверхзвуковым потоке АК воздействию частиц подвержены поверх- ности защитного стекла и токопроводящих контактов из Ag, соединяющих солнечные элементы фрагмента панели СБ. Защитное стекло с добавкой це- рия К–208 (или плавленый кварц SiO2) обладает высокой коррозийной стой- костью к воздействию высокоэнтальпийного потока АК, в частности, к физи- ческому распылению и химическому травлению. Кинетическая энергия пото- ка АК существенно ниже энергии распыления большинства металлов (в частности, серебра [28 – 30]). Основным механизмом воздействия АК на ма- териал токопроводящих контактов СБ (Ag) является химическое травление и, как следствие, образование оксидной пленки. При воздействии высоко- энтальпийного потока АК формируется сплошная пленка оксида Ag2О, для которой характерны линейная проводимость и положительный температур- ный коэффициент. В ходе испытаний регистрировались изменение электри- ческой мощности P P0 солнечного элемента и сопротивление R R0 то- коподводящих контактов ( R0 – начальное сопротивление токоподводящего контакта). При измерениях температура проводящих слоев Ag2O изменялась от +10 до +40°С. Максимальная толщина оксидной пленки при  O F 1019 см- 2 и температуре токоподвода +25°С составляла 0,8 – 1,2 мкм на фронтальной стороне контакта и 0,5 мкм – на тыльной (подветренной) стороне. Эти дан- ные согласуются с результатами измерений в [31]. Следствием увеличения толщины, сопротивления токоподводящих контактов является уменьшение электрической мощности СБ. Годовой флюенс АК на солнечно-синхронной орбите КА серии “SPOT” при средней солнечной активности согласно [32] составляет ~ 6·1018 см-2. По результатам измерений [11] электрическая мощ- ность кремниевых СБ в пределах погрешности измерений (≤0,5%) из-за воз- действия высокоэнтальпийного потока АК с флюенсом 2·1018≤ O F ≤6·1021 см- 2 практически не изменяется: влияние АК на изменение P P0 солнечных батарей спутников 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 мень- ше, чем 104 см-3, поверхности КА серии DMSP (Defence Meteorological Satel- lite Program) заряжались до высоких отрицательных потенциалов (< –100 В) [33, 34]. За 12-летий период (1989 – 2001 г.г.) на КА серии DMSP зарегистри- ровано 1253 акта высоковольтного заряжания [35]. Электризация диэлектри- ческих поверхностей КА в полярной ионосфере в тени Земли, в отличие от магнитосферы, обусловлена суперпозицией двух воздействий: облучения вы- сокоэнергичными авроральными электронами и обтекания сверхзвуковым потоком положительных ионов «холодной» ионосферной плазмы. Концен- трация положительных ионов низкотемпературной плазмы in , способной эффективно нейтрализовать высоковольтные заряды без инициирования ра- 40 диационно-стимулированных пробоев, определяется из баланса токов на по- верхности диэлектрика. Для полярной ионосферы в тени Земли при плотно- сти тока авроральных электронов с энергией 10 кэВ ehj 10 нА/см2; max in 105 см-3 [13, 20]. Условие in 105 см-3 определяет концентрацию ионов потока плазмы, способной стимулировать пробой радиационно-заряженной СБ. Пробой сопровождается электромагнитными шумами ВЧ-диапазона, распылением защитных стекол и разрушением фотопреобразователей. Уменьшение электрической мощности и тока короткого замыкания СБ при этом обусловлено загрязнением, вызванным пробоями. При концентрации «холодной» плазмы in <105 см-3 происходит «мягкая» (без пробоев) нейтра- лизация высоковольтных зарядов на поверхности СБ [7]. При плотности тока авроральных электронов ehj 10 нА/см2 (с энергией 14 кэВ) и концентра- ции ионов in <102 см-3 на поверхностях КА серии DMSP накапливаются от- рицательные потенциалы  W 200 В, при которых возможно формирова- ние электрических разрядов и пробоев [36, 37]. 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 полуша- рии с 1995 г. по 1997 г. При in 102 см-3 возможно возникновение низковоль- тных дуговых разрядов на поверхностях КА [35 – 37]. В диапазоне значений W от 100 до 300 В на стеклах К-208 по оцен- кам [36, 37] при облучении электронами с энергией ~ 20 кэВ при плотности тока ehj 10 нА/см2 число разрядных импульсов d  100 в час. Согласно результатам испытаний работы [38] при d 100 влиянием электрических пробоев и дуг на изменение мощности и тока короткого замыкания СБ мож- но пренебречь. Условия эксплуатации солнечных батарей КА серии SPOT 1, 2, 3 на полярной орбите близки к этим условиям [35]. Интегральные оценки спада мощности солнечных батарей показаны на рис. 3. Кривая 6 – расчетные значения зависимости  P t P0 , полученные линейным суммированием (1) результатов воздействия трех факторов около- спутниковой среды: ионизирующего излучения, загрязнения и термоцикли- рования при термоциклk ≈ 0,65. Расчетные значения (кривая 6) согласуются с результатами измерений на ИСЗ серии SPOT 1, 2 и 3 с погрешностью не бо- лее 0,5 %. Отклонение значений  P t P0 для t ≈ 8 и 9 лет обусловлены влиянием солнечной протонной вспышки при t = 7 лет (в 1996 году) [13]. Выводы. Представлена расчетно-экспериментальная процедура прогно- за оценки потерь электрической мощности кремниевых солнечных батарей космических аппаратов из-за длительного воздействия околоспутниковой среды. Показано, что интегральные зависимости потерь мощности кремние- вых солнечных батарей, полученные с учетом влияния отдельных факторов околоспутниковой среды, согласуются с результатами измерений на косми- ческих аппаратах серии SPOT в полярной ионосфере, на ИСЗ серии IDSCS, 41 ATS, «Intelsat» и др. на геостационарной орбите в магнитосфере Земли, а также 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 Університет, 2007. – С. 561 – 594. 2. Шувалов В. А. Потери мощности солнечных батарей под воздействием околоспутниковой среды на геостационарной орбите / В. А. Шувалов, Г. С. Кочубей, В. В. Губин, Н. А. Токмак // Космические иссле- дования. – 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. – Ки- ев : Наукова думка, 1995. – 360 с. 5. Акишин А. И. Электроразрядный механизм повреждения солнечных батарей при электронном облуче- нии / 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. 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. 10. Шувалов В. А. Перенос зарядов быстрыми электронами на подветренные поверхности твердого тела в сверхзвуковом потоке разреженной плазмы / В. А. Шувалов, А. И. Приймак, К. А. Бандель, Г. С. Кочубей // Прикладная механика и техническая физика. – 2008. – Т. 49, № 1. – С. 13 – 23. 11. 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 и др. // Космиче- ские исследования. – 2007. – Т. 45, №4. – С. 294 – 304. 12. Акишин А. И. Электроразрядное повреждение солнечных батарей космических аппаратов в магнитос- ферной и ионосферной плазме / А. И. Акишин // Физика и химия обработки материалов. – 1995. – № 2. – С. 43 – 49. 13. Jalinat A. In–orbit behaviour of SPOT 1, 2 and 3 solar arrays /Jalinat A., Pcart G. Samson P. // Proc. of the Fifth European Space Power Confer. – Tarragona, Spain, 1998. – № ESA SP–416. – P. 627 – 631. 14. 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. 15. 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. 16. Модель космоса -82. В 2 т. Т. 2. / Под ред. Н . С. Вернова. – М. : МГУ, 1983. – 770 с. 17. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей / Г. Раушенбах. – М. : Энергоатомиздат, 1983. – 360 с. 18. 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. 19. 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. 20. 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. 21. Шувалов В. А. Газоразрядный источник плазмы для модификации потенциала на поверхности диэлек- трика / В. А. Шувалов, А. И. Приймак, В. В. Губин, Н. М. Лазученков и др. // Приборы и техника экспе- римента. – 2002. – Т. 45, № 2. – С. 141 – 144. 22. 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. 23. 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. 24. 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. 25. Wood B. E Midcourse space experiment satellite flight measurements of contaminants on quartz crystal mi- crobalances / B. E. Wood, D. F Hall, J. C. Lesmo // J. Spacecraft and Rockets. – 1998. – V. 35, № 4. – P. 533 – 538. 26. Pippin H. G. Contamination effects on the passive optical sample assembly experiments / H. G. Pippin , L. B. Wol, V. A. Loebs, G. Bohnhoff–Hlavacek // J. Spacecraft and Rockets. – 2000. – Т. 37, № 5. – P. 567 – 572. 42 27. Remanry S. The THERME Experiment: in–flight measurement of the ageing of thermal control coating / S. Remanry, F. Serene, R. Nabarra // Proc. 9–th International Symp. on Materials in a space environment. – Noordwijk : ESTEC, 2003. – P. 585 – 587. 28. Мак-Даниель И. Процессы столкновений в ионизованных газах / И. Мак-Даниель. – М. : Мир, 1967. – 832 с. 29. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. В 2 т. Т 2 / Под ред. Р. Бериша. – М. : Мир, 1986. – 488 с. 30. Каминский М. Атомные и ионные столкновения на поверхности метала / М. Каминский. – М. : Мир, 1967. – 507 с. 31. Koontz S. Intelsat solar array coupon atomic oxygen flight experiment / S. Koontz, G. King, A. Dunnet et. al. // J. Spacecraft and Rockets. – 1994. – V. 31, № 3. – P. 475 – 481. 32. ECSS-E-10-04A. Space environment / ESA-ESTEC. – Noordwijk, Netherlands, 2000. – 219 p. 33. 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. 34. 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. 35. Anderson P. C. Survey of spacecraft charging events of the DMSP spacecraft in LEO / P. C. Anderson // Proc. 7-th Spacecraft Charging Technology Conf. – 2001. – ESA Sp-476. – P. 331 – 336. 36. Бабкин Г. В. Условия возникновения низковольтных электрических дуг между элементами солнечных батарей при радиационной электризации космических аппаратов / Г. В. Бабкин, Э. А. Гостищев, Л. Ф. Смекалкин, Э. Б. Шошин // Космонавтика и ракетостроение. – 2003. – №1(30). – С. 75 – 83. 37. Ягушкин Н. И. Исследование радиационно-электрических процессов в диэлектриках при облучении электронами с энергиями до 100 кэВ / Н. И. Ягушкин , А. И. Сергеев, Э. А. Гостищев // Модель космоса. В 2 т. Т. 2. – М : Книжный дом Университет, 2007. – С. 341 – 360. Институт технической механики Получено 12.09.13, НАН Украины и ГКА Украины, в окончательном варианте 28.10.13 Днепропетровск

Потери мощности солнечных батарей из-за воздействия околоспутниковой среды

Репозитарії

Схожі ресурси