专利名称：一种低地球轨道高压太阳能电池二次放电试验装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种低地球轨道高压太阳能电池二次放电试验装置及方法，特别涉及对LEO (低地球)轨道空间带电环境中，采用人为等离子体装置开展的高压太阳能电池二次放电地面模拟试验装置及方法。属于测量领域。
背景技术：
随着卫星新技术和新需求的不断涌现，对卫星能源系统的要求也越来越高，因此卫星太阳能电池电源系统将朝着大功率、高电压的趋势发展。然而工作电压的提高也增加了太阳能电池与空间带电环境的耦合机会，出现了由于空间静电放电引起的新的失效模式。鉴于静电放电问题对低地球轨道卫星产生的异常事件和故障，以及造成太阳能电池输出功率严重损失的情况，美国NASA、欧洲ESA和日本JAXA等研究机构均投入大量人力、物力开展针对高压太阳能电池损伤规律及防护技术的研究工作。 随着我国空间应用技术的不断发展，LEO轨道大功率高电压太阳必将被广泛采用，因此由静电击穿事件引起的LEO轨道高压太阳能电池功率损失问题将成为我国空间电源设计者必须面对和解决的新课题。目前，我国对大功率卫星高压太阳能电池静电击穿效应的认识还不够深入，因此缺乏有效的防护方法和设计手段，制约了大功率高压太阳能电池在空间等离子体带电环境中的广泛应用。地面开展高压太阳能电池二次放电模拟试验还存在以下主要困难(I)地面不能真实模拟空间等离子体带电环境；(2)地面难以开展真实尺寸空间高压太阳能电池的模拟试验；(3)高压太阳能电池静电二次放电效应是一种快速、随机的过程。因此，亟需通过选用正确有效的试验方法开展低地球轨道卫星高压太阳能电池二次放电地面模拟试验的研究。
发明内容
本发明解决的技术问题是结合空间高压太阳能电池结构特点，利用Ar等离子体源模拟试验方法开展高压太阳能电池二次放电研究。为实现上述目的，本发明的技术方案如下。一种低地球轨道高压太阳能电池二次放电实验装置，所述装置包括真空室、Ar等离子体源、摄像头、三维驱动机构、真空抽气系统、试验台、绝缘垫、高压太阳能电池工作模拟系统、太阳能电池组、非接触式电位计、电位测试系统；其中，在真空室内部，试验台安装在真空室底面上，太阳能电池组位于试验台上并与试验台绝缘；三维驱动机构位于真空室内部,非接触式电位计位于太阳能电池组上方并与三维驱动机构固定连接，通过三维驱动机构实现非接触式电位计在太阳能电池组表面的运动；摄像头安装在真空室顶部;在真空室外部，电位测试系统通过导线与非接触式电位计连接；高压太阳能电池工作模拟系统与太阳能电池组连接；真空抽气系统与真空室连接，非接触式电位计和电位测试系统的作用为，测试太阳能电池组表面的充电电位；高压太阳能电池工作模拟系统的作用为，为太阳能电池组提供工作电压和工作电流，用于模拟卫星实际工作状态；优选所述太阳能电池工作模拟系统包括负载电阻、高压电源、补偿电容、可调电源、示波器、第一脉冲电流探针、第二脉冲电流探针、基底；所述太阳能电池组安装在基底上，包括第一太阳能电池组和第二太阳能电池组；第一、第二太阳能电池组均为一块或一块以上太阳能电池串联，所述太阳能电池的类型、尺寸和数目相同；所述太阳能电池工作模拟系统与太阳能电池组构成太阳能电池组工作电路，其连接关系如下
其中，高压电源一端接地，另一端与基底连接；可调电源的一端通过导线依次与第一太阳能电池组、负载电阻、第二太阳能电池组连接后，与可调电源的另一端连接的导线合为一路，然后与补偿电容连接后接地；在高压电源和基底之间设有第一脉冲电流探针，在可调电源和第一太阳能电池组之间设有第二脉冲电流探针；所述第一脉冲电流探针、第二脉冲电流探针分别与示波器连接；所述太阳能电池组的工作电路的实际工作状态为通过高压电源给基底加负高压(范围O -IOkV),同时用Ar等离子体源模拟LEO轨道等离子体带电环境，当发射的Ar等离子体受到基底负高压的作用，使得带正电的离子轰击到太阳能电池组上积累形成正电位；当积累的正电位超过太阳能电池组的击穿阈值时发生一次放电，之后再通过可调电源为太阳能电池组供电，当超过二次放电阈值后，太阳能电池组发生二次放电现象。一种低地球轨道高压太阳能电池二次放电试验方法，所述方法步骤如下步骤一、开启真空抽气系统对真空室抽真空，至真空度< 3.0X10 —4Pa;步骤二、开启Ar等离子体源发射等离子体，模拟LEO轨道的等离子体环境；步骤三、开启高压太阳能电池工作模拟系统，诱发太阳能电池组表面静电放电；步骤四、开启电位测试系统，通过三维驱动机构实现非接触式电位计在太阳能电池组表面的移动；通过电位测试系统和非接触式电位计监测太阳能电池组表面充电电位，并通过摄像头拍摄太阳能电池组的二次放电过程。当测试结束，依次关闭高压太阳能电池工作模拟系统、Ar等离子体源，最后关闭真空抽气系统。优选步骤二中，Ar等离子体源产生的等离子体的能量范围为O. I O. 3eV，密度范围为 IXlO9 I X IO1Vm3。优选步骤三中，所述开启高压太阳能电池工作模拟系统，为开启高压电源和可调电源；其中高压电源为基底提供的电压范围为-IO4V 0V，可调电源为太阳能电池组提供的工作电压范围为OV 200V ;工作电流范围为直流OA 4. 0A。优选步骤四中，通过示波器监测太阳能电池组的二次放电瞬态脉冲波形。优选步骤四中，采用非接触式电位计监测太阳能电池组表面电位水平，电位计测量范围为OV ±20000V ;采用第一、第二脉冲电流探针和示波器监测太阳能电池组表面静电放电电压和二次放电瞬态脉冲波形；优选工作电路中的补偿电容C=O. 033 μ F。
有益效果(I)采用Ar等离子体源，能较好模拟LEO轨道等离子体环境；(2)根据高压太阳能电池工作原理和空间充电理论，设计了外部补偿电容试验电路，解决了地面模拟试验样品面积大小影响模拟试验结果的问题；(3)高压太阳能电池二次放电地面模拟试验方法可操作性强，该试验系统工作稳定，适用于各种低地球轨道卫星大功率高压太阳能电池二次放电地面模拟试验。
图I是本发明的低地球轨道高压太阳能电池二次放电试验装置的结构示意图。图2是本发明的太阳能电池组的工作电路示意图。 图中1 —真空室、2 —摄像头、3 - Ar等离子体源、4 —太阳能电池组、5 —真空抽气系统、6 —绝缘垫、7 —试验台、8 —高压太阳能电池工作模拟系统、9-非接触式电位计、10 一三维驱动机构、11 一负载电阻、12 —高压电源、13 —补偿电容、14 一可调电源、15-示波器、16 一第一脉冲电流探针、17-第二脉冲电流探针、18-基底。
具体实施例方式如图I所示，一种低地球轨道高压太阳能电池二次放电实验装置，所述装置包括真空室I、Ar等离子体源3、摄像头2、三维驱动机构10、真空抽气系统5、试验台7、绝缘垫
6、高压太阳能电池工作模拟系统8、太阳能电池组4、非接触式电位计9、电位测试系统；其中，在真空室I内部，试验台7安装在真空室底面上，在试验台7上设有绝缘垫6，太阳能电池组4放置在绝缘垫6上；三维驱动机构10位于试验台7 —侧；非接触式电位计9位于太阳能电池组4上方,并与三维驱动机构10固定连接,通过三维驱动机构10实现其在太阳能电池组4表面的运动；摄像头2安装在真空室I顶部；在真空室I上开有使导线通过的通孔；导线通过真空室I上开有的通孔，将位于真空室I外的电位测试系统与非接触式电位计9连接；同理，导线通过真空室上开有的通孔，将位于真空室I外的高压太阳能电池工作模拟系统8与太阳能电池组4连接；真空抽气系统5与真空室I连接；所述太阳能电池工作模拟系统8包括负载电阻11、高压电源12、补偿电容13、可调电源14、示波器15、第一脉冲电流探针16、第二脉冲电流探针17、基底18 ;所述太阳能电池组4安装在基底18上，包括第一太阳能电池组和第二太阳能电池组；第一、第二太阳能电池组均为一块或一块以上太阳能电池串联，所述太阳能电池的类型、尺寸和数目相同；工作电路中的补偿电容13的数值为C=O. 033 μ F。所述第一脉冲电流探针16、第二脉冲电流探针17为CT-2脉冲电流探针。所述基底18材料为蜂窝铝。所述太阳能电池组工作电路的连接关系如下其中，高压电源12—端接地，另一端与基底18连接；可调电源14的一端通过导线依次与第一太阳能电池组、负载电阻11、第二太阳能电池组连接后，与可调电源14的另一端连接的导线合为一路，然后与补偿电容13连接后接地；在高压电源12和基底18之间设有第一脉冲电流探针16，在可调电源14和第一太阳能电池组之间设有第二脉冲电流探针17 ;所述第一脉冲电流探针16、第二脉冲电流探针17分别与示波器15连接；
所述太阳能电池组的工作电路的实际工作状态为通过高压电源12给基底18加负高压(范围O -10kV)，同时用Ar等离子体源3模拟LEO轨道等离子体带电环境，当发射的Ar等离子体受到基底18负高压的作用，使得带正电的离子轰击到太阳能电池组4上积累形成正电位；当积累的正电位超过太阳能电池组4的击穿阈值时发生一次放电，之后再通过可调电源14为太阳能电池组4供电，当超过二次放电阈值后，太阳能电池组4发生二次放电现象。一种低地球轨道高压太阳能电池二次放电试验方法，所述方法步骤如下步骤一、将太阳能电池组4放置于真空室I中，开启真空抽气系统5对真空室I抽真空，至真空度彡3. O X 10 — 4Pa ；步骤二、开启Ar等离子体源发射等离子体，模拟LEO轨道的等离子体环境；等离子体温度为O. 3eV,密度为I X IO1Vm3 ；步骤三、开启高压太阳能电池工作模拟系统8，即开启高压电源12和可调电源14，高压电源12对基底18施加-IO4V OV的负高压，可调电源14为太阳能电池组4提供的工作电压由OV开始，每10分钟增加10V，直至200V ;工作电流为直流2. 1A，设定为限制模式，诱发太阳能电池组4表面静电放电；步骤四、开启电位测试系统，通过三维驱动机构10实现非接触式电位计9在太阳能电池组4表面的移动；采用电位测试系统和Trek341非接触式电位计9监测太阳能电池组4表面电位水平，采用第一脉冲电流探针16、第二脉冲电流探针17和示波器15监测太阳能电池组4表面静电放电电压和二次放电瞬态脉冲波形，并通过摄像头2拍摄太阳能电池组4的二次放电过程。当测试结束，依次关闭高压太阳能电池工作模拟系统8、Ar等离子体源3，最后关闭真空抽气系统5。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。·凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种低地球轨道高压太阳能电池二次放电实验装置，其特征在于所述装置包括真空室(I)、Ar等离子体源(3)、摄像头(2)、三维驱动机构(10)、真空抽气系统(5)、试验台(7)、绝缘垫(6)、高压太阳能电池工作模拟系统(8)、太阳能电池组(4)、非接触式电位计(9)、电位测试系统； 其中，在真空室(I)内部，试验台(7)安装在真空室底面上，太阳能电池组位于试验台(7)上并与试验台(7)绝缘；三维驱动机构(10)位于真空室(I)内部,非接触式电位计(9)位于太阳能电池组(4)上方并与三维驱动机构(10)固定连接；摄像头(2)安装在真空室(I)顶部； 在真空室(I)外部，电位测试系统通过导线与非接触式电位计(9)连接；高压太阳能电池工作模拟系统(8)与太阳能电池组(4)连接；真空抽气系统(5)与真空室(I)连接。
2.根据权利要求I所述的一种低地球轨道高压太阳能电池二次放电实验装置，其特征在于所述太阳能电池工作模拟系统(8)包括负载电阻(11)、高压电源(12)、补偿电容(13)、可调电源(14)、示波器(15)、第一脉冲电流探针(16)、第二脉冲电流探针(17)、基底(18);所述太阳能电池组(4)安装在基底(18)上，包括第一太阳能电池组和第二太阳能电池组；第一、第二太阳能电池组均为一块或一块以上太阳能电池串联，所述太阳能电池的类型、尺寸和数目相同； 所述太阳能电池工作模拟系统与太阳能电池组构成太阳能电池组工作电路，其连接关系如下 其中，高压电源(12)—端接地，另一端与基底(18)连接；可调电源(14)的一端依次与第一太阳能电池组、负载电阻(11)、第二太阳能电池组连接后，与可调电源(14)的另一端合为一路，然后通过补偿电容(13)接地；在高压电源(12)和基底(18)之间设有第一脉冲电流探针(16)，在可调电源(14)和第一太阳能电池组之间设有第二脉冲电流探针(17);所述第一脉冲电流探针(16)、第二脉冲电流探针(17)分别与示波器(15)连接。
3.—种低地球轨道高压太阳能电池二次放电试验方法，其特征在于所述方法使用如权利要求I或2所述的装置，其特征在于所述方法步骤如下 步骤一、开启真空抽气系统(5)对真空室(I)抽真空，至真空度彡3. OX ICT4Pa ； 步骤二、开启Ar等离子体源(3)发射等离子体，模拟LEO轨道的等离子体环境； 步骤三、开启高压太阳能电池工作模拟系统(8)，诱发太阳能电池组(4)表面静电放电； 步骤四、开启电位测试系统，通过三维驱动机构(10)实现非接触式电位计(9)在太阳能电池组(4)表面的移动；通过电位测试系统和非接触式电位计(9)监测太阳能电池组(4)表面充电电位，并通过摄像头(2)拍摄太阳能电池组(4)的二次放电过程。
4.如权利要求3所述的一种低地球轨道高压太阳能电池二次放电试验方法，其特征在于步骤二中，Ar等离子体源(3)产生的等离子体的能量范围为O. I O. 3eV，密度范围为IXlO9 lX1012/m3。
5.如权利要求3所述的一种低地球轨道高压太阳能电池二次放电试验方法，其特征在于步骤三中，所述开启高压太阳能电池工作模拟系统(8)，为开启高压电源(12)和可调电源(14)。
6.如权利要求5所述的一种低地球轨道高压太阳能电池二次放电试验方法，其特征在于步骤三中，高压电源(12)为基底(18)提供的电压范围为-IO4V 0V，可调电源(14)为太阳能电池组(4)提供的工作电压范围为OV 200V ;工作电流范围为直流OA 4. 0A。
7.如权利要求3所述的一种低地球轨道高压太阳能电池二次放电试验方法，其特征在于步骤四中，通过示波器(15)监测太阳能电池组(4)的二次放电瞬态脉冲波形。
8.如权利要求3所述的一种低地球轨道高压太阳能电池二次放电试验方法，其特征在于步骤四中，采用非接触式电位计(9)监测太阳能电池组(4)表面电位水平，电位计(9)测量范围为OV ±20000V ;采用第一脉冲电流探针(16)、第二脉冲电流探针(17)和示波器(15)监测太阳能电池组(4)表面静电放电电压和二次放电瞬态脉冲波形。
9.如权利要求3所述的一种低地球轨道高压太阳能电池二次放电试验方法，其特征在于:工作电路中的补偿电容(13)值为C=O. 033 μ F。
全文摘要
本发明涉及一种低地球轨道高压太阳能电池二次放电试验装置及方法，属于测量领域。所述装置包括真空室、Ar等离子体源、摄像头、三维驱动机构、真空抽气系统、试验台、绝缘垫、高压太阳能电池工作模拟系统、太阳能电池组、非接触式电位计、电位测试系统。所述方法包括对真空室抽真空、开启Ar等离子体源发射等离子体、开启高压太阳能电池工作模拟系统诱发太阳能电池组表面静电放电、通过电位测试系统和非接触式电位计监测太阳能电池组表面充电电位的过程。所述装置及方法能较好模拟LEO轨道等离子体环境，工作稳定，适用于各种低地球轨道卫星大功率高压太阳能电池二次放电地面模拟试验。
文档编号G01R31/26GK102937697SQ20121048471
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月25日 优先权日2012年11月25日
发明者王俊, 李得天, 柳青, 杨生胜, 秦晓刚, 汤道坦, 史亮, 陈益峰 申请人:中国航天科技集团公司第五研究院第五一〇研究所