韩波+陈琦+崔晓婷

1 简介

近地空间环境（如热层、电离层）对空间系统的危害很大。航天器电源系统必须在从发射到寿命终结的整个任务阶段经受住空间环境的考验，达到各项性能指标要求。为达到此目的，空间研究机构如NASA等已对通用设计准则进行研究并形成了文件。太阳电池阵直接暴露在空间环境中，故极易损坏。事实上，多数情况下，太阳电池阵的损坏情况决定了航天器的寿命。同时，环境因素也影响电源系统其他各个部件的总体设计。

2 发射和转移轨道环境

在发射和不同的火工品点火驱动展开等各个阶段常伴随有大的加速度、冲击和振动的产生。不同的运载工具产生量级不同的应力，对电源系统尤其是对太阳电池阵的设计都有影响。例如，航天飞机上的太阳电池阵需要承受3g（g为地球表面的重力加速度）的发射加速度，土星号（Saturn）运载火箭上则为10g。火工品点火冲击会持续几毫秒，力量极大，冲击频谱一般也具有高频振动的特点。例如，阿里安（Ariane）运载火箭在有效载荷分离时的冲击峰值大约为2000g，频率超过1.5kHz。

在转移轨道上，虽然太阳电池板是收拢的，但它必须承受近地点的加速力和远地点的制动力。在温度方面，外层的太阳电池板必须承受住地球的热辐射、星体反照率和太阳辐射，并将温度控制在规定的范围内。

3 在轨环境

电源系统的设计主要受下列在轨环境因素的影响。

3.1 失重和真空

空间失重和真空对电源系统设计的影响很大。微重力和真空使得所有的航天设备不能采用地球上司空见惯的对流冷却方式进行散热。于是内热主要采用传导散热，或者在一定程度上采用辐射散热的方法。但要将热量散入太空就只能依靠辐射散热法。

真空会引起升华和排气作用，尤其对某些物质而言作用更甚。升华气体遇冷凝结，附着在电气元件表面会引起短路。因为锌有较高的升华率，某些聚合物有较高的排气率，因此，它们在航天设备中的应用受到了限制。真空中，太阳电池阵的导电滑环和电刷在高接触压力的作用下会产生冷压焊接的现象，因此使用具有较低升华率的润滑剂，或将其密封在压力容器里是十分重要的。

3.2 磁场

地磁场和由电流回路产生的磁偶极矩相互作用在航天器上产生力矩。磁矩由航天器电源的电流回路产生，磁矩定义为电流与回路面积的叉积。

在地球静止轨道，地磁场的法向分量为常值，约为0.104μT。径向分量随着卫星绕地球旋转在±0.042μT间变化。在其他高度的轨道，磁场大小与轨道半径的立方成反比。在一个轨道周期内，地磁场的法向分量在赤道平面产生的力矩平均为零，力矩的两个分量均会影响卫星的姿态。电源系统产生的磁力矩来自于太阳电池板、蓄电池和连接系统各部件的线路。

可以通过设计和下列补偿方法使航天器上的磁矩最小化：

1）合理铺设电流线路，使其产生回路的可能性最小;

2）让两个相邻的回路方向相反，使之相互抵消;

3）尽量使用双绞线来抵消邻近绞线的力矩。

使用一个或多个上述设计方法后，剩余的净磁矩由卫星组装完后的测试确定。在运行轨道上，一个将最终力矩限制在100μN·m以下的磁矩是可接受的。

3.3 流星体和空间碎片

固体冲击会损坏太阳电池阵。不够大的小颗粒虽不至于引起直接损伤，但在一段时间后会使电源系统的输出功率逐渐衰减。颗粒的质量和撞击速度（通量）取决于轨道。NASA为预测地球轨道上流星体的通量而进行的几项研究得出了一致的结论：流星体通量的平均数与流星体的质量成反比。最常见的流星体是质量介于0.1～100mg之间的微流星体。给定平面在y年中被质量介于m1和m2之间的颗粒撞击n次的概率由泊松（Poisson）概率函数给出。在无精确信息的情况下，它们的质量密度设为0.5g/cm3，平均撞击速度为20km/s。实际流量随轨道而变。

除了自然微流星体外，人为形成的碎片直径在1μm到10mm之间，平均密度等于卫星和运载工具上广泛使用的铝的密度，它们相对于航天器的速度介于零和两倍轨道速度之间，平均约为10km/s。大流星体的撞击能量能立即损坏太阳电池阵的玻璃盖片和太阳电池，而微流星体会逐渐磨损玻璃盖片表面，使输出功率随时间逐渐衰减。

3.4 原子氧

原子氧存在于低地球轨道，它会严重侵蚀一些材料，如广泛用于太阳电池阵结构的银。相似的侵蚀也见于一些电绝缘材料，如太阳辐射外加Kapton和硅橡胶。这种侵蚀既源于化学反应，大部分也源于相对于航天器以每秒几千米的速度高速运动的氧原子。除了侵蚀（表面下凹）外，氧原子还会在金属表面形成稳定的氧化物。鉴于上述原因，太阳电池阵上采用裸露的银、电子线路采用硅或Kapton的绝缘材料都是不可取的。

3.5 带电粒子

太阳以可见光或不可见的红外线、紫外线、X射线、γ射线、无线电波、电子、质子和等离子（带电的热气体）的形式向外辐射能量。太阳辐射形成的大量带电粒子使太空成为一个恶劣的环境。随着时间的累积，这些能量粒子的撞击会引起表面损伤。下列术语广泛用于讨论空间环境中带电粒子的辐射。

1兆电子伏特（1 MeV）：各种带电粒子的等价能量单位，定义为一百万个电子经过一伏特的电势场所放出的能量。电子带电量为0.1592×10-18 C，所以1MeV等于0.1592×10-12 J。

通量密度：单位体积中带电粒子的数目。

通量：表述粒子流撞击表面的速度。定义为单位时间内撞击在单位面积上的粒子个数。即用粒子数/（m2s）或MeV/（m2s）来衡量其总能量。通量随航天器在轨道上的移动而变化。靠近太阳一侧的通量比远离太阳一侧的大。通常引用的是轨道平均通量。

积分通量或流量：用来计算在轨一段时间内撞击在单位面积上的粒子的累积数目。单位是粒子数/（m2年）或MeV/（m2任务期），用以计算表面必须承受的总能量。

吸收剂量：指定物质单位质量吸收的能量，单位是拉德或拉德（Si）。因为大部分微电子器件都由硅材料制成，所以常用拉德（Si）作为比较辐射能量的参考材料。1rad等于1g指定物质吸收100尔格的能量。1rad（Si）是1g硅中产生1.7×1013个电子空穴对的能量单位。

空间常见的带电粒子源有以下几种。

太阳辐射：主要由来自太阳的电子和质子组成。

太阳风：太阳辐射外加来自太阳带电粒子的爆发。主要由太阳辐射的电子和质子组成。在通常的太阳风时，它们在地球轨道附近的通量和能量水平较低。平均质子通量为2×108个/cm2，平均能量为几千eV。但在太阳耀斑期间会达到100 MeV，大爆发期间甚至高达1GeV。

宇宙辐射：主要来自外太空，有些来自太阳。由85%的质子，12%的阿尔法粒子和3%的电子组成。质子能量达GeV，但通量很小，大约为每秒每平方厘米几个微粒。

4 范艾伦辐射带

地球磁场遍及所有受地球磁场影响的环形空间，即磁层，它与来自太空的电子和质子发生相互作用。范艾伦辐射带是包含有大量粒子的一部分磁层。磁层通常是地球和这些粒子间的屏障。但是当太阳的扰动辐射出大量粒子时，有些粒子会抵达地球磁极附近的大气层，形成极光，最著名的极光是北极光（或南半球的南极光）。

地磁场随半径径向梯度的立方变化而变化，并汇集于磁极附近。太阳风将带电粒子带入地磁场。使这些粒子发生偏转的洛仑兹力。

粒子以一定速度沿径向向地球运动产生沿切向速度的切向力。磁场径向梯度使粒子螺旋运动。当能量被吸收时，粒子的螺旋运动将停止，然后做下述的前后跳跃。

粒子在会聚磁场运动时会产生一个将粒子推入弱磁场的推力，使之以某一速度飘移。当粒子向磁场较弱的赤道平面移动时，飘移速度逐渐减小，切向速度逐渐增大，保持动能守恒。最终粒子停止运动，然后返回弱磁场，此时磁场又会聚在另一端，粒子再次反射回来。因此，会聚磁场将带电粒子限制在两面磁镜之间。以这样的方式，大多数粒子一直被俘获在一定的带状区域中。当然，当粒子有足够高的轴向动能时，它就会逸出禁带。

大多数粒子被俘获在两个环状的范艾伦辐射带中，它们是磁层的一部分。辐射带靠近太阳的一侧较远离太阳的一侧要强，俘获主要集中在两条带中：电子俘获带从2倍地球半径延伸到5倍地球半径，主要集中在3倍到4倍地球半径之间;高能质子深入到更靠近地球的地方，其俘获带从1倍地球半径延伸到2倍地球半径，主要集中在1.5倍地球半径附近。因为不同卫星轨道上的带电粒子通量是变化的，所以电源系统设计常用积分辐射通量（流量）。

太阳电池阵尤其需要采取措施来抵御辐射的损害。地球同步卫星的轨道在6.6倍地球半径处，远离内层质子带，在外层电子带的外层边缘处。因此，它们只暴露在小部分外层电子带中，但很容易受到太阳耀斑产生的高能质子的损害。

5 太阳风与太阳耀斑

由太阳产生并横扫太阳系的质子、电子和离子流称为太阳风，它非常稀薄，每立方厘米仅含5个带电粒子。太阳风的粒子流是恒定的，但并非均匀。这些粒子以480km/s的速度经过地球，与此相对应的是地球的公转速度为30km/s，当这些粒子经过地球时，其中的一些会被地磁层俘获。

太阳耀斑会释放出由日冕产生的大量带电粒子所形成的等离子气体，它与周期为11年的被强磁场包围的太阳黑子有关。太阳耀斑爆发会引起地球极光和无线电信号干扰。等离子气体的温度很高（>1×106℃），在如此高的温度下氢原子和氦原子均化为主要由负电子和正质子组成的稀薄的等离子气体。尽管等离子气体的质量可达1×106t，时速1×106英里（1英里约1.6km），但它的密度很低，以至于仍可以看做真空，但它的作用却是摧毁性的。

太阳耀斑每11年爆发一次，上次爆发发生在2000年11月～12月间。每个太阳周期都会有几次太阳耀斑爆发，其中7年为爆发活跃期，4年为不活跃期。爆发强度有很大的不同。因此，在电源系统设计中，爆发的强度和概率须经卫星用户和制造者的一致确认。航天器设计师利用获得的太阳耀斑的质量和数量的数据，以及它对当时在轨航天器的影响情况，详细分析了1989年～1990年爆发的相对较强的太阳耀斑。新建立的模型表明过去严重低估了10 MeV以下的质子流的作用，它导致光伏电池（PV）Isc的下降，但对Voc影响不大。据估计，基于1974年King模型设计的太阳电池阵有20%的概率不能满足功率输出需求，而基于1989年～1990年爆发的Feynman模型的概率只有几个百分点。

先驱者号和旅行者号等飞出太阳系的航天器在太阳系边缘经历了所谓的终极冲击波，终级冲击波所在的区域环绕在太阳系的周围，那里的星际空间填充着太阳风分解形成的稀薄气体和灰尘。

6 地磁暴

人们已充分地认识到太阳活动、地磁场扰动和对人造系统（如卫星、通信网络、防御系统、甚至地球上强大的电力网）形成的干扰之间存在的联系。分析表明，虽然人造系统在持续地发展和进步，但易受地磁扰动影响的弱点依然存在，甚至更加严重。

航天器电源系统在地磁暴中的情况，可以通过过去地磁暴对地面上的电力网的影响来考察。在地磁暴的作用下，地磁场出现扰动，在架空输电线上引起感应电流。由于距离远，与地球表面形成的回路面积大，因此，高压线会有很大的感应电流产生。这种低频、类似直流的地磁感应电流会进入到变压器，使之深度磁饱和，引起电压溢出和严重过热。1989年3月13日的大磁暴使北美大部分地区长时间停电，影响到了加拿大魁北克六百万用户。当时未曾预料的共模电流使变压器铁芯磁饱和，影响了电压调节，导致系统设备出现了非预期延迟和其他易损目标，传输线上出现大电流并发生跳闸。1989年9月、1991年3月和1991年10月发生的强度稍小的地磁暴，进一步证实了地磁扰动会影响设备运行的事实。2003年10月的地磁暴在NOAA预计时刻的几小时内抵达，它使卫星失效（如，日本的地球观测卫星ADEOS-11），无线电通信中断，并导致瑞典停电。为防止带电粒子对飞机乘客的伤害，美国联邦航空管理局警告飞行员在极地附近飞行时，要将飞行高度控制在25000英尺（约7500m）以下，以防过度辐射。

等离子数目和环流的空间研究模型、星际太阳风及地磁感应电流的实时监测以及极光带的跟踪可为2010年～2011年开始的下次太阳风的极大值提供及时的信息。

太阳耀斑和地磁暴对航天器电源系统的主要影响如下：

1）使太阳电池阵产生的功率快速下降，虽非致命影响，但会缩短太阳电池阵的使用寿命。

2）共模EMI干扰会通过裸露电缆进入电源系统，会影响电源系统的正常工作，甚至会造成永久性损坏。20世纪90年代，一些新型通信卫星的电源系统遭受损坏（如，加拿大阿尼克-E1和国际通信卫星-K），据推测还有一些卫星是在强太阳耀斑下损坏的。深入调查表明，地磁暴引起的电火花造成了卫星太阳电池阵与数十个继电器的连接短路。

7 核威胁

一些防务卫星要能经受一定强度的人为核爆炸的威胁。核爆炸中释放的高能粒子有：核裂变电子、中子、γ射线和X射线，它们的能量大小仅取决于被投放核装置的毁伤力，设计所依据的威胁水平取决于其概率和因果考虑，但核威胁等级一直是美国防务部门（DoD）秘密分类体系中的保密数据。

8 总辐射量

地球轨道上各种辐射源的自然辐射能量水平如下：

俘获电子 0.1～7 MeV

俘获质子 0.1～100 MeV

太阳耀斑质子 1～200 MeV

太阳耀斑α粒子 1～300 MeV

银河宇宙射线 >1 GeV

指定任务的总通量可利用用户给出的环境模型计算得出。

最近完成的几项跨学科的科学与工程研究项目极大改进了对空间环境特性的认知，而航天系统用户则是这一研究发展的直接受益者。

（摘自中国宇航出版社《航天器电源系统》[美]穆肯德·R·帕特尔著）