激光诱导航天器太阳电池阵放电电弧特性的研究与分析

doi:10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.02.001

电器与能效管理技术 ›› 2024, Vol. 0 ›› Issue (2): 1-5.doi: 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.02.001

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激光诱导航天器太阳电池阵放电电弧特性的研究与分析

尉德杰¹, 朱立颖², 武建文¹, 佟子昂¹

1.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院, 北京 100191
2.北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094

收稿日期:2023-12-20 出版日期:2024-02-28 发布日期:2024-03-28
作者简介:尉德杰(1995—),男,博士研究生,研究方向为航天器电源系统空间充放电。|朱立颖(1985—),女,高级工程师,主要从事航天器电源系统设计工作。|武建文(1963—),男,教授,博士生导师,研究方向为开关电弧理论及应用、智能电器及电力电子技术。
基金资助:
国家自然科学基金(51977002);国家自然科学重点基金(51937004);北京市科技新星计划项目(2022484153)

Research and Analysis on Laser-Induced Discharge Arc Characteristics of Spacecraft Solar Array

WEI Dejie¹, ZHU Liying², WU Jianwen¹, TONG Ziang¹

1. School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China
2. Institute of Spacecraft System Engineering CAST, Beijing 100094, China

Received:2023-12-20 Online:2024-02-28 Published:2024-03-28

摘要/Abstract

摘要：

太阳电池阵空间放电电弧严重威胁航天器的可靠运行和安全寿命。基于太阳电池阵在空间等离子体环境放电电弧理论,对高能脉冲激光诱导太阳电池阵放电电弧机理进行分析,采用空间放电地面模拟实验系统研究3种不同工况下的太阳电池阵放电电弧特性,得到3种工况下激光诱导放电电弧的功率密度阈值分别约为1.8×10⁸ W/cm²、1.45×10⁸ W/cm²和1.08×10⁸ W/cm²。在近地轨道等离子体环境下每次施加脉冲激光诱导放电电弧的概率达到约60%,且激光诱导放电电弧电流峰值为5.4 A,平均持续时间达到16.68 μs,极易对太阳电池阵造成较大危害。

关键词: 太阳电池阵, 激光, 等离子体, 放电电弧特性

Abstract:

The discharge arc of solar array seriously threatens the reliable operation and safe life of spacecraft. Based on the discharge arc theory of solar array in space plasma environment, the discharge arc mechanism of high-energy pulse laser-induced solar array was analyzed. The discharge arc characteristics of solar array under three different working conditions were studied by using space discharge ground simulation experiment system. The energy density thresholds of laser-induced discharge arc under three working conditions were obtained, which were about 1.8×10⁸ W/cm², 1.45×10⁸W/cm² and1.08×10⁸ W/cm², respectively. In the Low-Earth-Orbit plasma environment, the probability of each pulse laser-induced discharge arc is about 60%, and the peak value of the laser-induced discharge arc current is 5.4 A, and the average duration is 16.68 μs, which is very easy to cause great harm to the solar array.

Key words: solar array, laser, plasma, discharge arc characteristics

中图分类号:

TM501.2

尉德杰, 朱立颖, 武建文, 佟子昂. 激光诱导航天器太阳电池阵放电电弧特性的研究与分析[J]. 电器与能效管理技术, 2024, 0(2): 1-5.

WEI Dejie, ZHU Liying, WU Jianwen, TONG Ziang. Research and Analysis on Laser-Induced Discharge Arc Characteristics of Spacecraft Solar Array[J]. LOW VOLTAGE APPARATUS, 2024, 0(2): 1-5.

图/表 10

图1

图2

图3

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表1

表2

图5

图6

图7

表3

参考文献 17

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类型	参数	数值
环境参数	压强/Pa	5×10^-3
	等离子体密度/m^-3	1×10¹¹~1×10¹²
	电子温度/eV	2
激光参数	波长/nm	532
	脉宽/ns	5
	光斑直径/mm	1
电路参数	补偿电容C₁/nF	20
	补偿电容C₂/nF	20
	补偿电容C₃/nF	20
	保护电阻R_b/MΩ	10
	偏压电容C_ext/nF	50
	偏压电压U_b/V	220

脉冲激光能量/mJ	透过舷窗能量/mJ	能量密度/ (J·cm^-2)	功率密度/ (W·cm^-2)
4.3	3.65	0.46	9.29×10⁷
5.0	4.25	0.54	1.08×10⁸
6.7	5.70	0.73	1.45×10⁸
8.3	7.06	0.90	1.80×10⁸
10.0	8.50	1.08	2.17×10⁸
15.5	13.18	1.68	3.36×10⁸
20.9	17.77	2.26	4.53×10⁸
30.0	25.50	3.25	6.50×10⁸

参数	工况1			工况2			工况3
激光能量/mJ	8.3	10.0	15.5	6.7	8.3	10.0	5.0
放电持续时间/μs	8.16	10.01	11.33	10.02	11.31	12.41	16.68
放电电流峰值/A	0.98	1.04	1.06	1.60	1.63	1.71	5.40

激光诱导航天器太阳电池阵放电电弧特性的研究与分析

Research and Analysis on Laser-Induced Discharge Arc Characteristics of Spacecraft Solar Array

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