王文強(qiáng)，楊洪東，楊 廣，王佳禹，吳 慶，顧春杰

（上?？臻g電源研究所 物理電源事業(yè)部，上海 200245）

引 言

目前國(guó)內(nèi)外深空探測(cè)器的電源方案多種多樣，供電裝置主要有太陽(yáng)電池陣和同位素電源兩種類型。美國(guó)“鳳凰號(hào)”（Phoenix）與“洞察號(hào)”（Insight）火星探測(cè)器、“朱諾號(hào)”（Juno）木星探測(cè)器、“黎明號(hào)”（Dawn）、“源光譜釋義資源安全風(fēng)化層辨認(rèn)探測(cè)器”（Origins Spectral Interpretation Resource Identification Security Regolith Explorer，OSIRIS-REx），歐洲火星大氣與揮發(fā)演化（MAVEN）火星探測(cè)器，日本“隼鳥號(hào)”（Hayabusa）小行星探測(cè)器，選用了太陽(yáng)電池陣供電；美國(guó)“伽利略號(hào)”（Galileo）木星探測(cè)器、“旅行者號(hào)”（Voyager）探測(cè)器，選用了同位素核電源供電。

一方面，空間用太陽(yáng)電池陣是衛(wèi)星或探測(cè)器供配電分系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)光生伏特效應(yīng)在光照期為航天器負(fù)載供電或?yàn)樾铍姵爻潆?，為空間飛行器供電提供了穩(wěn)定的能源，我國(guó)高效多結(jié)GaAs太陽(yáng)電池及太陽(yáng)翼機(jī)械結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用，可以根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，有著長(zhǎng)期在軌服役經(jīng)驗(yàn)，但是太陽(yáng)電池陣包含電路部分、機(jī)械部分，總質(zhì)量較大。

另一方面，同位素電源質(zhì)量較小，發(fā)電功率隨軌道變化較小，國(guó)際上應(yīng)用較為成熟，美國(guó)、俄羅斯均有相應(yīng)的系列化產(chǎn)品，但由于Pu238等原料嚴(yán)重受限，國(guó)內(nèi)溫差發(fā)電器件成熟度較低，成本遠(yuǎn)高于太陽(yáng)電池陣，產(chǎn)品在軌應(yīng)用較少。

綜上所述，選擇太陽(yáng)電池陣作為供電裝置的優(yōu)選方案顯得更為合理[1]。

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，空間用太陽(yáng)電池陣隨著空間高分專項(xiàng)工程、北斗導(dǎo)航工程等計(jì)劃穩(wěn)步的推進(jìn)，逐漸成為型譜化產(chǎn)品，在近地軌道（Low Earth Orbit，LEO）、中地球軌道（Middle Earth Orbit，MEO）等多種軌道廣泛應(yīng)用；通過(guò)地面技術(shù)研究與在軌型號(hào)應(yīng)用，現(xiàn)階段形成了以GJB2602《空間太陽(yáng)電池陣通用規(guī)范》、QJ1731《太陽(yáng)電池板通用規(guī)范》、GJB7392《空間用三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池通用規(guī)范》等為代表的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，用以指導(dǎo)空間太陽(yáng)電池陣產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

近年來(lái)，我國(guó)月球探測(cè)工程成功實(shí)施，多項(xiàng)深空探測(cè)項(xiàng)目正在深化論證。通過(guò)對(duì)比深空探測(cè)用太陽(yáng)電池陣與一般地球衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣任務(wù)剖面可知，深空探測(cè)用太陽(yáng)電池陣與常規(guī)LEO、MEO等軌道環(huán)境差異較大，需要面臨特殊的在軌服役環(huán)境。

以月面工作用太陽(yáng)電池陣為例，在軌工作溫度范圍極大，高溫可高達(dá)約+120 ℃，不工作時(shí)進(jìn)入月夜存儲(chǔ)，低溫可低至-190 ℃。

以火星探測(cè)用太陽(yáng)電池陣為例，探測(cè)奔火、環(huán)火階段，低溫可達(dá)約-190 ℃，高溫僅約+30 ℃。

以上深空探測(cè)用太陽(yáng)電池陣低溫較低，遠(yuǎn)超出了常規(guī)LEO軌道（-90～+90）℃，MEO軌道（-160～+70）℃的溫度范圍。

本文通過(guò)梳理近年來(lái)深空探測(cè)用太陽(yáng)電池陣產(chǎn)品狀態(tài)，結(jié)合下一步深空探測(cè)需求，對(duì)深空探測(cè)用太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，為相關(guān)產(chǎn)品研制隊(duì)伍提供參考。

1 深空探測(cè)需求

現(xiàn)階段空間用太陽(yáng)電池設(shè)計(jì)以GJB7392《空間用三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池通用規(guī)范》為基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)相關(guān)研制單位均以近地空間需求為基礎(chǔ)，開發(fā)AM0光譜太陽(yáng)電池。

目前廣泛應(yīng)用的三結(jié)GaAs太陽(yáng)電池為GaInP2/InGaAs/Ge結(jié)構(gòu)，光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30%（AM0（Air Mass 0），25 ℃）。近地空間探測(cè)器要求太陽(yáng)電池在AM0光譜，在90 ℃以內(nèi)的溫度下工作，典型的三結(jié)GaAs太陽(yáng)電池電壓、電流溫度特性均已有較為充分的工程研究，有效地支撐了型號(hào)產(chǎn)品應(yīng)用。

但是目前深空探測(cè)用太陽(yáng)電池陣具有較多特殊性，太陽(yáng)距離、輻照強(qiáng)度、工作溫度等服役環(huán)境均差異較大。

以工作溫度為例，火星探測(cè)中太陽(yáng)電池工作溫度約為-9.5 ℃，此溫度與典型三結(jié)GaAs設(shè)計(jì)狀態(tài)、測(cè)試條件（AM0，25 ℃）相對(duì)較為接近；隨著太陽(yáng)距離的增加在木星探測(cè)任務(wù)中，太陽(yáng)電池工作溫度已經(jīng)低至-130 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了目前典型三結(jié)GaAs設(shè)計(jì)狀態(tài)、測(cè)試條件（AM0，25 ℃）或者典型近地空間、月球探測(cè)使用條件；天王星探測(cè)任務(wù)中，太陽(yáng)電池工作溫度甚至低至-199 ℃[2]，低于液氮（-196 ℃）溫度（輻照強(qiáng)度與太陽(yáng)距離關(guān)系圖參見圖1）。

圖1 輻照強(qiáng)度與太陽(yáng)距離關(guān)系圖[2]Fig.1 Solar intensity vs.distance from the Sun

以輻照強(qiáng)度為例，火星探測(cè)中太陽(yáng)輻照強(qiáng)度約為0.43 Suns（以AM0輻照強(qiáng)度類比），輻照強(qiáng)度視火日距離在493～717 W/m2范圍內(nèi)變化；木星探測(cè)中輻照強(qiáng)度約為0.02～0.03 Suns（以AM0輻照強(qiáng)度類比），輻照強(qiáng)度視木日距離在27～41 W/m2范圍內(nèi)變化；即隨著太陽(yáng)距離的增加，輻照強(qiáng)度急劇下降，遠(yuǎn)低于AM0輻照強(qiáng)度。

以光譜環(huán)境為例，火星表面光譜與AM0光譜差異較大，會(huì)造成太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率下降。

以輻射環(huán)境為例，木星輻射帶質(zhì)子通量是地球10倍，高能電子通量比地球高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，且最高能量高達(dá)1 GeV，輻射環(huán)境比地球靜止軌道（Geostationary Orbit，GEO）軌道更加惡劣[3]。

由以上深空探測(cè)太陽(yáng)電池陣服役環(huán)境可知，深空探測(cè)環(huán)境涉及超低工作溫度、超低輻照強(qiáng)度、特殊光譜環(huán)境、超高輻射環(huán)境，太陽(yáng)電池或方陣均需進(jìn)行分析與論證。

深空探測(cè)任務(wù)具體細(xì)分涉及火星探測(cè)、木星探測(cè)等，任務(wù)類型多，應(yīng)用環(huán)境差異大。此處以任務(wù)需求為例，分別對(duì)太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

2 火星探測(cè)太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)

結(jié)合國(guó)外各項(xiàng)火星探測(cè)任務(wù)經(jīng)驗(yàn)，火星探測(cè)可以分為3部分：地火轉(zhuǎn)移與火星環(huán)繞、火星表面分離著陸、火星表面巡視，其中涉及太陽(yáng)電池陣應(yīng)用的主要有火星環(huán)繞和火星表面巡視兩部分。

2.1 火星環(huán)繞探測(cè)太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)分析

火星環(huán)繞探測(cè)需要經(jīng)歷短期近地段、長(zhǎng)期地火轉(zhuǎn)移段及火星軌道環(huán)繞段3部分，需經(jīng)歷近地高溫（-90～+90）℃、地火轉(zhuǎn)移及火星環(huán)繞低溫（-190 ℃～+30）℃。

火星環(huán)繞探測(cè)太陽(yáng)電池陣正常工作時(shí)太陽(yáng)翼受照，正常工作溫度約（-30～+30）℃，光強(qiáng)約500 W/m2，ISRO[4]等機(jī)構(gòu)采用AM0光譜空間用多結(jié)GaAs太陽(yáng)電池在此條件下進(jìn)行了測(cè)試工作，未發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)電池效率異常變化情況。

這說(shuō)明典型的空間用三結(jié)GaAs太陽(yáng)電池可以應(yīng)用于火星環(huán)繞探測(cè)，針對(duì)任務(wù)環(huán)境的光強(qiáng)變化、溫度變化等因素進(jìn)行測(cè)試分析即可，無(wú)需針對(duì)火星環(huán)繞任務(wù)環(huán)境重新設(shè)計(jì)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)或在現(xiàn)有的太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)。

環(huán)火階段太陽(yáng)翼受到遮擋情況下，太陽(yáng)翼溫度迅速降低，低溫低至-190 ℃，已遠(yuǎn)超過(guò)了一般地球軌道衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣-90 ℃溫度?？紤]到超低溫下典型Sn63Pb37鉛錫焊料相對(duì)室溫條件，斷裂方式由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，容易在IMC/釬料界面、IMC層發(fā)生低溫?cái)嗔裑5]，故建議選用太陽(yáng)電池的引出焊點(diǎn)、太陽(yáng)翼與SADA連接用接插件選用Sn10Pb90等高鉛焊料進(jìn)行釬焊，或選擇其他連接形式（如壓接）來(lái)進(jìn)行處理。

太陽(yáng)電池鋪設(shè)在太陽(yáng)翼上，太陽(yáng)翼的基板、鉸鏈等作為太陽(yáng)翼機(jī)械支撐，太陽(yáng)翼機(jī)械部分可靠性對(duì)太陽(yáng)翼發(fā)電或整星姿態(tài)調(diào)整等過(guò)程有著關(guān)鍵作用。

現(xiàn)階段太陽(yáng)翼聚酰亞胺薄膜與面板粘貼用膠、蜂窩芯拼接用膠、面板與鋁蜂窩芯粘貼用膠等多為環(huán)氧類結(jié)構(gòu)膠，一般為（-100～+100）℃溫度環(huán)境設(shè)計(jì)。在超低溫-180 ℃使用時(shí)，可能出現(xiàn)膠水從高溫進(jìn)入低溫迅速收縮，聚酰亞胺薄膜、面板、膠水熱膨脹系數(shù)差異下造成面板等分離凹陷或凸起情況，或者面板粘貼用膠出現(xiàn)龜裂等現(xiàn)象，影響太陽(yáng)電池粘貼或太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。故建議相關(guān)研制單位進(jìn)行環(huán)境驗(yàn)證或環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

2.2 火星表面太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)分析

火星表面探測(cè)中，太陽(yáng)翼需在火星表面工作。火星表面大氣中存在大量塵埃，太陽(yáng)光透過(guò)大氣后出現(xiàn)短波衰減，使得火面光譜出現(xiàn)明顯變化[6]（AM0光譜與火星30°、60°光譜對(duì)比圖參見圖2），進(jìn)而造成現(xiàn)廣泛應(yīng)用的典型三結(jié)GaAs太陽(yáng)電池頂電池、中電池電流失配增加；針對(duì)此情況美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）、Spectrolab公司等機(jī)構(gòu)研究了火星表面光譜，對(duì)小太陽(yáng)光譜模擬器進(jìn)行了改進(jìn)，根據(jù)火星光譜對(duì)GaAs太陽(yáng)電池進(jìn)行了改進(jìn)，開發(fā)了火星光譜匹配太陽(yáng)電池[7-8]。

圖2 AM0光譜與火星30°、60°光譜對(duì)比圖[6]Fig.2 Spectral intensity of AM0，Mars 30°latitude and Mars 60° latitude solar spectra

火星光譜相對(duì)AM0光譜出現(xiàn)短波減少的情況，現(xiàn)階段火星光譜并未開源，故我國(guó)火星表面用太陽(yáng)電池陣應(yīng)以蒙特卡洛或大氣輻射傳輸技術(shù)為工具，以美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的Mars-GRAM或歐洲航天局（European Space Agency，ESA）的MCD數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，仿真計(jì)算得到火星表面光譜數(shù)據(jù)；在此基礎(chǔ)上提高多結(jié)GaAs各子電池能量轉(zhuǎn)換比例，通過(guò)半導(dǎo)體帶隙調(diào)節(jié)，使得三結(jié)子電池匹配；為進(jìn)一步優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，可能還需要適應(yīng)性調(diào)整電池電壓，以達(dá)到保障電流優(yōu)化前提下得到較為優(yōu)化的電壓，提高火星光譜下太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

火星表面探測(cè)器在火星表面工作時(shí)，可能存在不同帆板控制方式不一致的情況。由于不同帆板受照情況不同，不同帆板輸出曲線可能差異較大，為避免不同帆板間的相互影響，避免I-V曲線形成多個(gè)峰值，對(duì)電源控制器功率使用方式造成干擾，甚至造成誤判，建議不同帆板設(shè)計(jì)采用不同的電路設(shè)置或相同控制方式的帆板設(shè)計(jì)采用相同的電路設(shè)置。

由于火星表面光強(qiáng)較弱，大氣中漂浮大量塵埃[9]，因此太陽(yáng)陣輸出功率受限較大，建議太陽(yáng)翼采用二次展開等方式，增大太陽(yáng)電池面積，為整器提供更多能源。

3 木星探測(cè)太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)分析

3.1 太陽(yáng)電池抗輻射設(shè)計(jì)分析

木星探測(cè)涉及的超強(qiáng)輻射遠(yuǎn)超出一般地球軌道或月球軌道衛(wèi)星?，F(xiàn)階段典型太陽(yáng)電池在1×1015e/cm2輻照總劑量下電流衰降超過(guò)10%，故木星探測(cè)用太陽(yáng)電池需綜合考慮進(jìn)行輻射設(shè)計(jì)。

在軌使用的疊層太陽(yáng)電池由玻璃蓋片和太陽(yáng)電池組成，玻璃蓋面面密度越高，到達(dá)太陽(yáng)電池的輻射劑量越低，故可以考慮根據(jù)輻射劑量適當(dāng)提高KFB玻璃蓋片厚度，減少太陽(yáng)電池輻射劑量。

在太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)方面，雖然Si和GaAs太陽(yáng)電池抗輻射能力較弱，但是由于InP太陽(yáng)電池存在效率較低、襯底昂貴、機(jī)械強(qiáng)度低、質(zhì)量密度大的缺點(diǎn)[10]，InP太陽(yáng)電池應(yīng)用尚有距離；由于木星探測(cè)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度極低，對(duì)整星功率要求較高，考慮到可能現(xiàn)階段在軌使用的晶格匹配效率29.8%GaAs太陽(yáng)電池、在研的晶格失配GaAs太陽(yáng)電池抗輻射性能差異并不顯著[11]，故可考慮以晶格失配GaAs太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

考慮到木星惡劣的輻射環(huán)境，可以在滿足科學(xué)探測(cè)需求的前提下，優(yōu)化木星探測(cè)軌道，艙外降低輻射總劑量，提高末期功率；如“朱諾號(hào)”木星探測(cè)器輻射總劑量為1.32×1015e/cm2[12]，總劑量相對(duì)較小，可以通過(guò)地面環(huán)境試驗(yàn)摸底壽命末期高輻射劑量下的GaAs太陽(yáng)電池性能，為方陣設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

木星探測(cè)太陽(yáng)電池陣需在艙外輻射環(huán)境下服役，輻射劑量較高，需要結(jié)合木星科學(xué)探測(cè)軌道分析輻射總劑量等數(shù)據(jù)，為艙外電纜、聚酰亞胺薄膜、環(huán)氧膠及硅橡膠環(huán)境適應(yīng)性分析提供依據(jù)。

3.2 LILT條件太陽(yáng)電池設(shè)計(jì)分析

JPL采用三結(jié)GaAs太陽(yáng)電池進(jìn)行了低溫低光強(qiáng)（Low Intensity-Low Temperature，LILT）條件測(cè)試，發(fā)現(xiàn)三結(jié)GaAs太陽(yáng)電池在LILT條件下展現(xiàn)了較為優(yōu)異的性能[13]，故現(xiàn)階段以GaAs太陽(yáng)電池為基礎(chǔ)進(jìn)行木星探測(cè)設(shè)計(jì)較為可行。

木星探測(cè)過(guò)程中太陽(yáng)電池需要同時(shí)在低溫和帶電粒子輻照條件下長(zhǎng)期工作，這些服役環(huán)境與在軌高溫工作的狀態(tài)差異較大。為分析低溫下輻射環(huán)境作用，JPL分析了[14]總劑量1×1015e/cm2的1 MeV電子輻射下的太陽(yáng)電池測(cè)試數(shù)據(jù)，得到了-70 ℃低溫下未發(fā)現(xiàn)明顯退火效應(yīng)的結(jié)論，但是在-120 ℃低溫下尚待進(jìn)一步研究。

NASA研究了[15]三結(jié)GaAs陽(yáng)電池效率與溫度、太陽(yáng)距離關(guān)系，在5.6 AU下太陽(yáng)電池效率從室溫到-160 ℃出現(xiàn)逐漸增高的現(xiàn)象，并提供了不同光照強(qiáng)度下短路電流Jsc、開路電壓Voc、最佳工作點(diǎn)功率Pmax隨溫度變化曲線，為木星探測(cè)太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)參考；NASA研究[15]同時(shí)認(rèn)為三結(jié)GaAs太陽(yáng)電池在LILT條件下的異?，F(xiàn)象可能與太陽(yáng)輻照強(qiáng)度關(guān)系更大，而不是測(cè)試溫度影響更大；這種現(xiàn)象可能與子電池或隧穿結(jié)有關(guān)，具體原因還有待進(jìn)一步研究。

綜上所述，木星探測(cè)中以高效多結(jié)GaAs太陽(yáng)電池為基礎(chǔ)，提高KFB玻璃蓋片厚度，增強(qiáng)GaAs太陽(yáng)電池抗輻射性能，加強(qiáng)LILT下太陽(yáng)電池性能分析測(cè)試，具有較好的方案可行性。

4 現(xiàn)階段研究情況與下一步重點(diǎn)工作

通過(guò)以上論證可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段深空探測(cè)研究資料主要還是以NASA、ESA等歐美研究機(jī)構(gòu)文獻(xiàn)為主，國(guó)內(nèi)深空探測(cè)領(lǐng)域在空間用太陽(yáng)電池LILT條件下輸出特性測(cè)試、超低溫太陽(yáng)翼設(shè)計(jì)及強(qiáng)輻射環(huán)境方陣可靠性研究等方面尚較為薄弱。

LILT環(huán)境涉及低溫深冷設(shè)備、超低輻照強(qiáng)度穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)光譜模擬器、真空環(huán)境設(shè)備等綜合技術(shù)集成，目前國(guó)內(nèi)高?；蚩蒲性核谙嚓P(guān)LILT測(cè)試設(shè)備方面尚有欠缺；國(guó)內(nèi)高?；蚩蒲性核叫栝_展元器件LILT下性能變化，太陽(yáng)翼聚酰亞胺薄膜、面板、埋件及膠水低溫性能匹配，長(zhǎng)期低溫環(huán)境下方陣連接可靠性等多方面的基礎(chǔ)研究工作。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)深空探測(cè)用太陽(yáng)電池陣技術(shù)需求為牽引，以火星探測(cè)、木星探測(cè)為例，對(duì)相應(yīng)深空探測(cè)任務(wù)環(huán)境特點(diǎn)、太陽(yáng)電池選型及方陣重點(diǎn)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)進(jìn)行了分析工作，建議后續(xù)深空探測(cè)用太陽(yáng)電池陣方案設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)使用環(huán)境光譜條件，以空間用高效GaAs太陽(yáng)電池為基礎(chǔ)，進(jìn)行適應(yīng)性分析或設(shè)計(jì)改進(jìn)，通過(guò)任務(wù)剖面識(shí)別，進(jìn)行充分分析或測(cè)試驗(yàn)證，獲得太陽(yáng)電池器件的服役基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行功率分析為探測(cè)器供電；同時(shí)建議加強(qiáng)空間用太陽(yáng)翼機(jī)械部分的力學(xué)、熱學(xué)適應(yīng)性分析，驗(yàn)證特殊應(yīng)用環(huán)境下的可靠性。

目前國(guó)內(nèi)部分研究基礎(chǔ)尚顯薄弱，下一步仍需以物理、化學(xué)、材料等基礎(chǔ)科學(xué)研究為基礎(chǔ)，以真空、低溫等工程技術(shù)為支撐，開展太陽(yáng)電池、方陣及太陽(yáng)翼機(jī)械部分等多方面的研究分析工作。