一种低轨道航天器高压太阳电池阵二次放电防护方法
【专利摘要】本发明提供了一种低轨道航天器高压太阳电池阵二次放电防护方法，能够避免太阳电池阵表面不均匀带电现象，由此达到对其二次放电的防护；同时，透明导电复合薄膜具有较高的透过率，不影响太阳电池阵发挥其基本功能，并且具有良好的延展性、抗冷热冲击性能和耐辐射性能，使得透明导电复合薄膜具备良好的空间环境适应性，能够满足卫星设计寿命需求；透明导电复合薄膜在太阳电池阵上留有一定的余量，可使其适应低轨道剧烈的冷热交变环境而不发生开裂；在透明导电复合薄膜的安装的边缘留有出气通道，因薄膜与太阳电池阵中残留的空气因真空环境而损坏。
【专利说明】一种低轨道航天器高压太阳电池阵二次放电防护方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种低轨道航天器高压太阳电池阵二次放电防护方法，可用于低轨道 航天器高压太阳电池阵二次放电防护，属于航天器空间环境效应防护领域。
【背景技术】
[0002] 随着我国航天技术的发展，使用高压供配电系统已成为高性能卫星的必然趋势。 高压供配电部件是引起整星失效的单点故障源，其可靠性对于卫星在轨安全运行至关重 要。其中，高压太阳电池阵是高压供配电部件的重要组成部分。在空间等离子体环境作用 下，高压太阳电池会产生静电放电，从而诱发正负电极间的二次放电，造成供配电部件内部 的短路和烧毁，导致卫星整星失效。
[0003] 由于GE0轨道和LE0轨道空间等离子体特性不同，因此在GE0轨道和LE0轨道的 高压太阳电池的带电过程也不同。
[0004] 在GE0轨道高能低密度等离子体作用下，高压太阳电池表面充电电位可以达到负 的数千伏，由于不同材料具有各自特殊的结构特点，其绝缘性能和二次电子发射系数等不 同，这些单元以不同速率充电，从而产生不等量带电现象；同时由于光照条件不一样，导致 高压太阳电池产生反转电位梯度效应，从而诱发静电放电。
[0005] LE0轨道等离子体特性是低能高密度，高压太阳电池将从周围等离子体中收集电 子从而产生电流收集效应，导致卫星结构电位升高，因此互联片与玻璃盖片之间将建立强 电场，同时高工作电压将导致互联片场致电子和离子次级电子发射，最终产生雪崩击穿诱 发静电放电。
[0006] 在不同轨道形成的静电放电都有可能导致高压太阳阵的电池串间形成持续放电 通路，甚至基板融化形成导电通路，从而造成二次放电。
[0007] 目前，我国的GE0轨道卫星已经广泛采用了高压太阳电池阵（母线电压100V)，为 了避免高压太阳电池阵发生二次放电，采用了多种防护措施，其中最主要的防护方法就是 在电池串间涂敷室温硫化硅橡胶（RTV胶），该方法可以在不改变高压太阳阵设计结构的情 况下，在相邻电池串间形成势垒层，阻碍串间临时性短路通道的形成，使太阳阵功率输出不 能维持。并对聚酰亚胺基底起到热保护作用，防止由于温度过高使基底材料热解击穿。但 是，由于RTV胶在低轨道快速热交变的环境中容易发生破裂脱落现象，因此上述方法无法 在LE0轨道航天器上使用。
【发明内容】
[0008] 有鉴于此，本发明提供了一种低轨道航天器高压太阳电池阵二次放电防护方法， 能够避免太阳电池阵表面不均匀带电现象，由此达到对其二次放电的防护；同时，透明导电 复合薄膜具有较高的透过率，不影响太阳电池阵发挥其基本功能，并且具有良好的延展性、 抗冷热冲击性能和耐辐射性能，使得透明导电复合薄膜具备良好的空间环境适应性，能够 满足卫星设计寿命需求。
[0009] 为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
[0010] 一种低轨道航天器高压太阳电池阵二次放电防护方法，包括如下步骤：
[0011] 步骤1、制作透明导电复合薄膜，具体为：
[0012] 将透明聚酰亚胺膜（1)作为基底材料，利用等离子体聚合方法在基底材料的一侧 表面上制备硅氧烷膜（2)，在所述硅氧烷膜（2)上利用磁控溅射方法制备氧化铟锡膜 （3)， 形成透明导电复合薄膜；
[0013] 步骤2、将透明导电复合薄膜覆于并固定在太阳电池阵表面上，复合薄膜导电层朝 向空间方向且与航天器结构地相连。
[0014] 所述透明聚酰亚胺膜⑴的厚度为0· 25 μ m。
[0015] 所述硅氧烷膜（2)的厚度为l5〇nm。
[0016] 所述氧化铟锡膜（3)的厚度为10nm-20nm。
[0017] 所述硅氧烷膜（2)的制备方法是将六甲基二硅氧烷有机单体或者六甲基二硅氧 烷有机单体与氧气的混合气体进行辉光放电，使六甲基二硅氧烷单体激发,从而在透明聚 酰亚胺基底上生成硅氧烷膜（2)。
[0018] 所述透明导电复合薄膜的尺寸大于太阳电池阵的尺寸，当太阳电池阵的尺 寸为a米Xb米，航天器设计温度变化量为ΔΤ?，则透明导电复合薄膜的尺寸为 (a+ΛΤ · 5· 5X10-7)米 X (b+ΔΤ · 5. 5X10-7)米。
[0019] 所述安装在太阳电池阵边沿的透明导电复合薄膜留有出气通道。
[0020] 所述磁控溅射方法具体为RF磁控溅射方法，溅射设备采用美国K. J. Lesker公司 KJLC3000全自动磁控溉射镀膜系统，所用靶材为99. 99%的ΙΤ0即重量含量分别为90% In2〇3和重量含量为10% Sn02的陶瓷靶，工作气体为氩气，反应气体为氧气，靶材与硅氧烷 膜距离为l〇cm，溅射功率300W，溅射压强为2. OmTorr，氩气与氧气的体积比为20 :1，沉积时 间 5min。
[0021] 本发明具有如下有益效果：
[0022] (1)本发明的透明导电复合薄膜具有较高的透过率，不会影响太阳电池阵发挥其 基本功能；
[0023] (2)采用氧化铟锡膜作为薄膜导电层，使得本发明的透明导电复合薄膜表面具有 良好的导电性，不会造成不等量带电；
[0024] (3)采用透明聚酰亚胺薄膜作为基底，具有良好的延展性，抗冷热冲击性能和耐辐 射性能，使得本发明的透明导电复合薄膜具备良好的空间环境适应性，能够满足卫星设计 寿命需求；
[0025] (4)本发明的透明导电复合薄膜在太阳电池阵上留有一定的余量，可使其适应低 轨道剧烈的冷热交变环境而不发生开裂；
[0026] (5)本发明在透明导电复合薄膜的安装的边缘留有出气通道，因薄膜与太阳电池 阵中残留的空气因真空环境而损坏。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1 一为本发明实施例提供的透明导电复合薄膜的结构示意图； _
[0028] 图2-为本发明实施例提供的低轨道航天器高压太阳电池阵二次放电防护方法示 意图。
[0029]其中，I-透明聚酰亚胺；2-硅氧烷膜；3-氧化铟锡膜；4-太阳电池阵。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0031]如图1所示，本发明提供了一种低轨道航天器高压太阳电池阵二次放电防护方 法，包括如下步骤：
[0032] 步骤1、制作透明导电复合薄膜，具体为：
[0033]将透明聚酰亚胺膜1作为基底材料，利用等离子体聚合方法在基底材料的一侧表 面上制备硅氧烷膜2,在硅氧烷膜2上利用磁控溅射方法制备氧化铟锡膜3。
[0034]步骤2、将透明导电复合薄膜覆于并固定在太阳电池阵4的表面上，透明导电复合 薄膜导电层朝向空间方向且与航天器结构地相连。透明导电复合薄膜隔绝了太阳电池盖 片、金属互联片与空间等离子体的接触，可避免带电粒子沉积在太阳电池表面形成反转电 位梯度，形成强电场；透明导电复合薄膜表满导电层可实现与航天器结构地等电位，可避免 太阳电池阵4产生不等量带电；通过抑制强电场和不等量带电，可以从根本上防止高压太 阳电池阵4静电放电和二次放电现象的发生。
[0035]透明导电复合薄膜在太阳电池阵4的安装时应当注意：
[0036] ⑴考虑到低轨道剧烈的冷热交变环境，薄膜面积应当留有一定余量，余量可根 据聚酰亚胺材料的线性膨胀系数（5. 5X 10_V°C )进行计算。例如：航天器设计温度变 化量为ΔΤ(? )，太阳电池阵尺寸为a(米）Xb(米），则透明导电复合薄膜的尺寸应为 (a+ Λ T · 5. 5 X 10-7)米 X (b+ Λ T · 5. 5 X 10,米。
[0037] (2)考虑到空间的真空环境，透明导电复合薄膜安装的边沿应留有出气通道，防止 透明导电复合薄膜与太阳电池阵间4的空气将薄膜损坏。
[0038] 本发明的透明导电复合薄膜基底材料选择厚度为〇· 25微米的透明聚酰亚胺薄膜 1，该材料为航天器表面常用的聚合物材料，多用于热控薄膜基底、导线绝缘层制备等用途， 具有良好的延展性，抗冷热冲击性能和耐辐射性能。
[0039] 在低地球轨道环境中，原子氧是对航天器外表面材料寿命和性能影响最大的因素 之一。为了保证导电复合薄膜的在轨使用寿命，必须采用必要的原子氧防护措施。本发明 采用的防护措施是利用等离子体聚合技术制备一层厚度150纳米左右的硅氧烷膜2,具体 方法是将HMDS0 (六甲基二硅氧烷）有机单体，或者HMDS0有机单体与氧气（02)的混合气体 进行辉光放电，使HMDS0单体激发，从而在置于放电区的透明聚酰亚胺基底上生成聚合膜。 硅氧烷膜具有高的热稳定性、高的氧化稳定性、良好的抗辐照性、极低的表面张力等物理化 学特性。试验表明，具有硅氧烷镀层的聚酰亚胺材料在累计通量为10 24at〇ms/ni2的原子氧 (相当于380km高度轨道10年的原子氧通量）作用下，质量无明显变化，耐氧化性能优于 Si02、Si0x防护镀层。
[0040] 导电复合薄膜最外层是导电层，其与航天器结构地相连接，避免太阳电池阵4从 空间等离子体环境收集的带电粒子在其表面积聚形成不等量带电，从根本上防止静电放 电，杜绝静电放电诱发的二次放电现象发生。本发明使用氧化铟锡膜3作为薄膜导电层，氧 化铟锡简称IT0(Indium Tin Oxide)，是目前研究和应用最广泛的透明导电薄膜，它的电阻 率介于105?106 Ω · cm之间，可见光的透过率达85%以上，并且具有良好的化学稳定性， 不会与空间原子氧发生反应。但是需要说明的是，由于其本身较脆，在安装和使用过程中会 产生微小裂纹，不能隔绝原子氧与基底材料的反应，因此在导电层与基底材料之间采取原 子氧防护措施仍然是必要的。本发明利用磁控溅射方法在硅氧烷膜2上制备氧化铟锡膜3。 具体方法是RF磁控溅射方法，溅射设备为美国K. J. Lesker公司KJLC3000全自动磁控濺射 镀膜系统，所用靶材为高纯度（99. 99% )的ΙΤ0(重量含量为90%的Ιη203加重量含量为 10%的Sn02)陶瓷靶，工作气体为氩气，反应气体为氧气，靶材与基片距离约l〇 cm，溅射功率 300W，溅射压强为2. OmTorr,氩/氧体积比为20 :1，沉积时间5min。
[0041] 用本发明方法制备的透明导电复合薄膜，各层之间结合良好，根据GJB2704-96《卫 星热控涂层通用规范》以及Q/WHJ《卫星用柔性基底热控材料试验方法》等有关规定，利用 粘结法对透明导电薄膜的结合性能进行了测试。测试结果表明：膜层不起皮、不起泡、不开 裂、不脱落。因此，透明导电复合薄膜各层之间的结合能力是满足要求的。
[0042]用本发明方法制备的透明导电复合薄膜具有良好的表面带电防护性能。使用 SCF-900航天器带电地面综合模拟试验设备对复合薄膜的带电防护性能进行了测试。试验 中真空度4. 5 X 10_4Pa，束流密度为〇· 5到2nA/cm2,电子能量为10keV到20keV，温度2(TC。 试验结果表明，在表面接地的情况下，薄膜表面电位小于100V，能够有效防止表面不等量带 电和产生高电位。
[0043]用本发明方法制备的透明导电复合薄膜具有良好的光学透过性能。光学透过率测 试结果表明在波长5〇〇-l5〇〇nm范围内，透明聚酰亚胺基底的平均透过率在 91 %以上。在表 面镀了硅氧烷之后，由于透过率有所上升，达到平均透过率达到93%左右。在增加 ΙΤ0镀 层，完成复合膜制备之后，平均透过率又恢复到91 %以上。将制备好的透明导电复合薄膜包 覆在三结砷化镓太阳电池表面，进行了薄膜对太阳电池性能影响的性能的测试，并利用电 池的输出电流变化反推薄膜的透过率，测试结果如下表所示。测试结果与光学透过率测试 结果复合较好。
[0044] 表1透明导电复合薄膜对三结砷化镓太阳电池性能的影响测试结果
[0045]
【权利要求】
1. 一种低轨道航天器高压太阳电池阵二次放电防护方法，其特征在于，包括如下步 骤： 步骤1、制作透明导电复合薄膜，具体为： 将透明聚酰亚胺膜（1)作为基底材料，利用等离子体聚合方法在基底材料的一侧表面 上制备硅氧烷膜（2)，在所述硅氧烷膜（2)上利用磁控溅射方法制备氧化铟锡膜（3)，形成 透明导电复合薄膜； 步骤2、将透明导电复合薄膜覆于并固定在太阳电池阵表面上，复合薄膜导电层朝向空 间方向且与航天器结构地相连。
2. 如权利要求1所述的一种低轨道航天器高压太阳电池阵二次放电防护方法，其特征 在于，所述透明聚酰亚胺膜（1)的厚度为0.25 μ m。
3. 如权利要求1所述的一种低轨道航天器高压太阳电池阵二次放电防护方法，其特征 在于，所述娃氧烧膜（2)的厚度为150nm。
4. 如权利要求1所述的一种低轨道航天器高压太阳电池阵二次放电防护方法，其特征 在于，所述氧化铟锡膜（3)的厚度为10nm-20nm。
5. 如权利要求1所述的一种低轨道航天器高压太阳电池阵二次放电防护方法，其特征 在于，所述硅氧烷膜（2)的制备方法是将六甲基二硅氧烷有机单体或者六甲基二硅氧烷有 机单体与氧气的混合气体进行辉光放电，使六甲基二硅氧烷单体激发，从而在透明聚酰亚 胺基底上生成硅氧烷膜（2)。
6. 如权利要求1所述的一种低轨道航天器高压太阳电池阵二次放电防护方法， 其特征在于，所述透明导电复合薄膜的尺寸大于太阳电池阵的尺寸，当太阳电池阵的 尺寸为a米Xb米，航天器设计温度变化量为AT°C，则透明导电复合薄膜的尺寸为 (a+ Λ T · 5. 5 X ΚΓ7)米 X (b+ Λ T · 5. 5 X ΚΓ7)米。
7. 如权利要求1所述的一种低轨道航天器高压太阳电池阵二次放电防护方法，其特征 在于，所述安装在太阳电池阵边沿的透明导电复合薄膜留有出气通道。
8. 如权利要求1所述的一种低轨道航天器高压太阳电池阵二次放电防护方法，其特 征在于，所述磁控溅射方法具体为RF磁控溅射方法，溅射设备采用美国K. J. Lesker公司 KJLC3000全自动磁控溅射镀膜系统，所用靶材为99. 99%的ITO即重量含量分别为90% Ιη203和重量含量为10% Sn02的陶瓷靶，工作气体为氩气，反应气体为氧气，靶材与硅氧烷 膜距离为l〇cm，溅射功率300W，溅射压强为2. OmTorr，氩气与氧气的体积比为20 :1，沉积时 间 5min。
【文档编号】H01L31/18GK104244547SQ201410451763
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2014年9月5日
【发明者】史亮, 李得天, 汤道坦, 柳青, 赵呈选, 陈益峰, 秦晓刚, 杨生胜, 高原 申请人:兰州空间技术物理研究所