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--> --> -->国外对太阳电池阵开展了一系列的地面试验, 模拟微流星和空间碎片撞击太阳电池阵的损伤特性[4-8]. 美国马歇尔空间飞行中心(MSFC)使用二级轻气炮对太阳能电池片进行超高速撞击试验, 研究结果显示损伤面积仅占总面积的1.7%, 但造成了35%的输出功率损失[9]. NASA的Burt和Christiansen采用4.3 mm口径的二级轻气炮发射了直径0.4—0.8 mm的球形铝(Al 2017)弹丸, 发射速度约7 km/s, 对哈勃望远镜的太阳电池单元组件进行了5次超高速撞击试验, 研究结果显示穿孔形貌和弹丸动能相关, 穿孔直径与弹丸动能的立方根成线性关系[10,11]. 德国的Stadermnn等[12]研究了弹丸撞击太阳能电阵的损伤特性, 获得了弹丸参数和穿孔直径及偏心率的关系, 并分析了弹坑残余物成分, 研究结果显示穿孔直径与弹丸动能的立方根成线性关系. 日本九州技术大学的****使用二级轻气炮对太阳电池片组件进行了超高速撞击试验, 研究了空间碎片撞击对太阳电池阵供电能力的影响以及超高速撞击产生的等离子体现象[13,14].
近年来, 中国科学院韩建伟团队[15,16]和沈阳理工大学唐恩凌团队[17,18]分别利用等离子体驱动微小碎片加速器和二级轻气炮开展了超高速撞击太阳能电池阵产生等离子体的放电特性研究. 中国空间技术研究院姜东升、张书锋等人开展了超高速碰撞太阳电池阵损伤及防护、诱发放电效应的研究[17-20].
目前, 我国在航天器太阳电池阵二级轻气炮超高速撞击特性研究方面薄弱, 尤其是尚未开发出适用于国内太阳帆板的穿孔方程, 这严重制约了我国航天器在微流星和空间碎片撞击下的性能退化评估及寿命预示. 本文采用二级轻气炮进行试验, 对太阳电池片组件的超高速撞击特性及损伤方程进行研究, 同时对太阳电池片组件工作性能退化关系进行了系统研究, 为我国开展系统级航天器太阳电池阵在超高速撞击环境下的性能退化评估奠定了基础. 本论文重点介绍太阳电池片超高速撞击特性研究方面的内容.
2.1.试验设备及试验参数
采用二级轻气炮发射球形铝弹丸(2 A12, ρ = 2.78 g/cm3). 弹丸直径范围为1—5 mm, 碰撞角均为0°(正撞击), 撞击速度在3—7 km/s.2
2.2.试件制作
航天器太阳电池片组件主要由碳纤维铝蜂窝基板、聚酰亚胺薄膜、RTV胶、太阳电池片、玻璃盖片等多层粘接组成. 试验设计参考航天器工程实际, 将6块太阳电池片组合为一个太阳电池片单元(电池片间距均为1 mm), 电池片单元粘贴在150 mm × 150 mm的碳纤维蜂窝板(厚度25 mm)上(如图1所示). 进行了有效试验14次, 其中11号和12号试样采用尺寸35 mm × 54 mm的太阳电池片, 其余采用尺寸30.5 mm × 54 mm太阳电池片.
图 1 太阳电池片单元与碳纤维蜂窝板试样Figure1. Experimental speicmen: Solar array cells and carbon fiber honeycomb plate.
碳纤维蜂窝板利用4个螺栓固定于厚度3.0 mm的5 A06铝框架上, 框架外部尺寸300 mm × 300 mm. 为了固定太阳电池片组件, 将框架中心区域挖空, 区域面积为110 mm × 110 mm. 进行超高速撞击试验时, 每间隔100 mm增加了5 A06铝验证板, 验证板的厚度视情况而定, 验证板主要为研究碎片云参数设计. 图2为有两层验证板的试验试件.
图 2 超高速撞击试件照片Figure2. Photograph of experimental specimen in hypervelocity tests.
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2.3.撞击位置
撞击点位置选取单片电池片中心、单片电池片角落和两片连接处三种, 分别记为类型A、类型B和类型C, 如图3所示. 试验中实际撞击点位置与预定位置误差小于10 mm.
图 3 撞击点位置示意图 (a)单片中心A; (b)单片边缘B; (c)两片连接处CFigure3. Impact point location: (a) Center of a cell; (b) edge of a cell; (c) joints of two or more cells.
| 试样编号 | 弹丸直径d/mm | 弹丸速度v/km·s–1 | 穿孔直径Dh/mm | 剥落区直径Ds/mm | 撞击点 | 分组 |
| No.01 | 3.04 | 3.213 | 3.91 | 8.15 | A | 1 |
| No.02 | 3.02 | 6.245 | 5.17 | 11.93 | B | 1 |
| No.03 | 3.04 | 6.093 | 4.81 | 10.65 | A | 2 |
| No.04 | 5.00 | 6.301 | 7.16 | 14.42 | A | 1 |
| No.05 | 5.00 | 4.097 | 6.31 | 12.65 | A | 1 |
| No.06 | 5.00 | 5.242 | 6.67 | 13.83 | A | 2 |
| No.07 | 4.02 | 6.581 | 5.86 | 11.70 | A | 1 |
| No.08 | 5.00 | 3.247 | 6.37 | 19.15 | B | 1 |
| No.10 | 5.00 | 4.332 | 6.70 | 13.50 | B | 1 |
| No.11 | 4.04 | 5.127 | 5.58 | 18.26 | C | 1 |
| No.12 | 5.00 | 3.205 | 6.90 | 12.83 | C | 2 |
| No.14 | 2.04 | 6.398 | 4.21 | 10.06 | B | 1 |
| No.15 | 1.00 | 6.675 | 2.48 | 5.93 | A | 1 |
| No.16 | 4.52 | 5.892 | 7.07 | 17.92 | B | 2 |
表1试验结果
Table1.Test result.
铝弹丸与试件发生超高速撞击时, 机械损伤主要表现为试件在撞击位置的穿孔、太阳电池玻璃盖片材料的剥落、玻璃盖片内部的裂纹等.
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3.1.机械损伤形貌
试验后, 利用显微镜在放大20倍的条件下对试件的机械损伤进行了观测和分析, 太阳电池片的典型损伤形貌如图4所示.
图 4 太阳电池片损伤形貌 (a)撞击单片中心区域No.5; (b)撞击两片连接处No.12; (c)撞击单片边界No.8Figure4. Damage morphology of solar cells: (a) Center of a cell; (b) joints of two cells; (c) edge of a cell.
图5为2002年回收的哈勃望远镜太阳电池阵上空间碎片撞击后形成的损伤形貌[1,6]. 对比图4和图5可以看出, 地面模拟试验能够较好地反映太阳电池阵在轨遭受空间碎片撞击时形成的损伤形貌.
图 5 哈勃望远镜太阳电池阵电池面超高速撞击穿孔形貌[1,6]Figure5. A front-back perforation of the solar arrays exposed on the hubble space telescope caused by orbital debris impact[1,6]
如图4和图6所示, 太阳电池片的损伤可大致分为三个区域: 中心穿孔区, 玻璃盖片贝壳状剥落区, 玻璃盖片裂纹扩展区. 本文研究中, 试验均采用球形弹丸, 且为正撞击, 中心穿孔区域的面积通过显微镜测量, 数据修正后折算成穿孔直径; 剥落区的面积通过人工划定区域测量得到, 再折算成穿孔直径.
图 6 穿孔面积与剥落区面积(No.16)Figure6. Measured parameters of perforation hole area and conchoidal area (No.16).
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3.1.1.穿 孔
试验结果表明, 撞击位置靠近电池基片中心(类型A)时, 穿孔形状大体为圆形, 基本规则. 当弹丸直径5 mm、撞击速度4.097 km/s时, 穿孔直径约6.31 mm (No.05); 当撞击速度增加到5.242 km/s时, 穿孔直径约6.67 mm (No.06). 当撞击速度增加到6.301 km/s时, 穿孔直径约7.16 mm (No.04). 随着撞击速度增加, 穿孔直径逐渐增大.撞击位置对中心穿孔形状、穿孔直径有较大影响. 相对于撞击位置靠近电池基片中心(类型A), 撞击位置在基片边缘(类型B)尤其是基片连接处(类型C)时, 穿孔形貌非常不规则, 穿孔面积更大. 如图4(c)所示, 撞击位置在基片边缘(类型B)时, 当弹丸直径5 mm、撞击速度为4.332 km/s, 造成的穿孔直径达到了6.70 mm (No.10), 大于图4(a)中类型A的穿孔直径约6.31 mm (No.05, 弹丸直径5 mm、撞击速度4.097 km/s). 与类型A弹丸直径相等条件下撞击速度增大到5.242 km/s时, 穿孔直径约6.67 mm (No.06)基本一致.
如图4(b)所示, 撞击位置在两块电池基片连接处(类型C)时, 穿孔跨越两个电池基片, 尽管弹丸直径5 mm、撞击速度为3.205 km/s, 造成的穿孔直径达到了6.90 mm (No.12), 大于图4(a)类型A中的穿孔直径约6.31 mm (No.05弹丸直径5 mm、撞击速度4.097 km/s).
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3.1.2.贝壳状剥落区
弹丸撞击试样时, 首先撞击玻璃盖片, 导致中心穿孔区周边部分玻璃材料碎裂并剥落, 形成剥落区, 剥落区形状与撞击点的位置相关.当撞击位置靠近电池基片中心时, 贝壳状剥落区围绕中心穿孔, 其边界呈近似圆形(图4(a)); 当撞击位置临近电池基片的边界时, 玻璃盖片内沿径向传播的冲击波很快到达电池基片的边界, 冲击波在边界反射进一步影响玻璃材料的剥落. 相对于撞击位置靠近电池基片中心(类型A), 撞击位置在基片边缘(类型B)尤其是基片连接处(类型C)时, 剥落区面积更大(图4(c)).
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3.1.3.裂纹扩展区
在剥落区周围, 是大面积的裂纹扩展区. 裂纹主要由玻璃盖片内沿径向传播的冲击波引起, 裂纹从撞击位置沿径向扩散, 裂纹尺寸逐渐减小. 沿径向传播的冲击波很容易到电池基片的边界, 从而裂纹扩展区在边界处会发生明显的变化. 一方面是冲击波在界面处反射, 造成距离边界一定距离处的裂纹密度增加, 从图4(a)中可以清晰地看到, 在电池基片的四个边界附近, 裂纹增密明显, 裂纹尺寸非常细小; 另一方面邻近电池片盖片玻璃裂纹扩展区的裂纹数量减少.4.1.穿孔直径方程
太阳电池片穿孔直径主要与撞击弹丸直径和速度有关, 同时也与弹丸密度、形状、太阳电池片结构和材料参数相关. 在本文试验中固定了弹丸材料、形状和电池片类型, 相应的参数作为常数处理. 结合前人研究成果和本文试验结果, 建立如下描述穿孔直径的方程:3
4.1.1.穿孔直径与弹丸直径之间的关系
利用试验数据建立穿孔直径随弹丸直径变化的曲线图7, 在6.1—6.7 km/s的撞击速度范围内, 通过曲线-方程拟合软件, 获得穿孔直径Dh与弹丸直径d关系的方程如下:
图 7 穿孔直径Dh与弹丸直径d的关系Figure7. Relationship between projectile diameter d and perforation diameter Dh.
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4.1.2.穿孔直径与弹丸速度之间的关系
同样, 利用试验数据建立穿孔直径随弹丸速度变化的曲线图8, 在3—7 km/s的撞击速度范围内, 通过曲线-方程拟合软件, 获得穿孔直径Dh与弹丸速度v关系的方程如下:
图 8 穿孔直径Dh与撞击速度v的关系Figure8. Relationship between perforation diameter Dh and impact velocity v.
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4.1.3.穿孔直径方程
将方程(2)和(3)代入方程(1), 得到
图 9 穿孔直径Dh方程的曲线Figure9. Equations of perforation diameter Dh.
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4.1.4.方程的检验
利用第二组试验数据, 对本文建立的穿孔方程进行检验, 如表2所列. 从表2可以看出, 本文建立的穿孔直径方程, 预测误差在 ± 10%以内, 具有较高的预测精度, 对我国航天工程实践具有重要的工程应用价值.| 试样编号 | 弹丸直径d/mm | 弹丸速度v/km·s–1 | 穿孔直径Dh/mm | 撞击位置类型 | 本文方程预测Dh值 | 预测误差 |
| No.03 | 3.04 | 6.093 | 4.81 | A | 5.05 | 5.0% |
| No.06 | 5.00 | 5.242 | 6.67 | A | 6.86 | 2.8% |
| No.12 | 5.00 | 3.205 | 6.90 | B | 6.32 | –8.4% |
| No.16 | 4.52 | 5.892 | 7.07 | A | 6.54 | –7.5% |
表2穿孔直径方程的检验
Table2.Comparison between the equation values and experimental data.
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4.2.贝壳状剥落区直径方程
太阳电池玻璃盖片的剥落与撞击位置、试样的制作工艺有较大关系, 试验结果具有一定的离散性. 只考虑撞击位置为A类型时, 剥落区等效直径Ds与弹丸直径d和速度v的关系如图10所示, 获得的剥落方程为
图 10 贝壳状剥落区直径Ds方程的曲线(撞击位置类型A)Figure10. Equations of conchoidal diameter Ds (Type A of impact position).
图 11 贝壳状剥落区直径Ds方程的曲线(撞击位置类型B, C)Figure11. Equations of conchoidal diameter Ds (Type B and C of impact position).
剥落区等效直径Ds与穿孔直径Dh的关系如图12所示. 总体而言, 穿孔直径Dh越大, 剥落区等效直径Ds越大. 弹丸直径在1—5 mm范围内, 弹丸速度在3—7 km/s范围内, 获得剥落区等效直径Ds与中心穿孔直径Dh的拟合方程为:
图 12 穿孔直径Dh与剥落区等效直径Ds的关系Figure12. Relationship between perforation diameter Dh and conchoidal diameter Ds.
本文在前人研究的基础上建立了正撞击条件下球形铝弹丸撞击太阳电池阵时描述太阳电池阵穿孔直径的方程, 该方程能够准确描述我国航天器用太阳电池阵的超高速撞击损伤特征, 对穿孔直径的预测误差在 ± 10%以内.
本文尝试建立了描述太阳电池片剥落区的方程. 太阳电池片组件在空间碎片撞击下的性能退化, 主要取决于太阳电池片剥落情况. 本文的研究为太阳电池阵在轨性能退化评估奠定了基础.
本文的试验工作得到了徐坤博和李宇等人的帮助, 测量工作得到了中国空间技术研究院物资部失效分析中心孟猛和吴照玺等人的帮助, 在此表示感谢！
