Вопросы обеспечения стойкости высоковольтных солнечных батарей космических аппаратов к воздействию вторичных дуговых разрядов

Вопросы обеспечения стойкости высоковольтных солнечных батарей космических аппаратов к воздействию вторичных дуговых разрядов

Автор: Валиуллин В. В., Кочура С. Г., Максимов И. А., Надирадзе А. Б.

Журнал: Сибирский аэрокосмический журнал @vestnik-sibsau

Рубрика: Авиационная и ракетно-космическая техника

Статья в выпуске: 1 т.25, 2024 года.

Бесплатный доступ

Рассмотрены вопросы обеспечения стойкости высоковольтных солнечных батарей (БС) космических аппаратов (КА) к воздействию вторичных дуговых разрядов. Исследования в этой области продолжаются уже более 50 лет, но ответа на все возникающие вопросы пока не найдено. Прежде всего, это связано со сложностью электрофизических процессов, протекающих на поверхности БС КА в космосе и в лабораторных условиях. Вторая причина - случайный характер вторичных дуговых разрядов, который требует применения специальных методов испытаний, позволяющих подтвердить эффективность и надежность выбранных конструкторско-технологических решений. Испытания в условиях, приближенных к натурным, не позволяют решить эту задачу. В статье приведен ретроспективный обзор публикаций по физическим особенностям вторичных дуговых разрядов, возникающих на БС КА, механизмам их инициирования, экспериментальным методам исследований и испытаний. Значительное внимание уделено вопросам возникновения вторичных дуговых разрядов на БС КА в условиях ионосферной плазмы и плазмы, генерируемой электроракетными двигателями. Показано, что, несмотря на большой объем накопленных данных и знаний, переход от низковольтных БС к высоковольтным остается сложной научно-технической проблемой, для решения которой необходимо проведение дополнительных исследований. Кроме того, уже сейчас надо начинать готовить кадры, владеющие широким спектром знаний и способные работать по данной тематике. Для этого представляется целесообразной организация отраслевой НИР, а также выделение целевых средств на подготовку высококвалифицированных специалистов и проведение ими самостоятельных исследований. Такой подход позволит в кратчайшие сроки решить проблему создания высоковольтных БС и подготовить кадры для дальнейшего развития этой технологии.

Еще

Высоковольтная солнечная батарея, космический аппарат, магнитосферная плазма, ионосферная плазма, плазма электроракетных двигателей, электризация, электростатический разряд, первичная дуга, вторичный дуговой разряд, токи утечки, подготовка высококвалифицированных кадров

Еще

Короткий адрес: https://sciup.org/148328316

IDR: 148328316   |   DOI: 10.31772/2712-8970-2024-25-1-85-105

Список литературы Вопросы обеспечения стойкости высоковольтных солнечных батарей космических аппаратов к воздействию вторичных дуговых разрядов

  • High Voltage Space Solar Arrays / Ferguson D.C., HiIIard G.B, Vayner B.V. et al. // 53rd International Astronautical Congress. The World Space Congress (10-1 9 Oct 2002/Houston, Texas), NASA Glenn Research Center Cleveland, Ohio USA, 2002. P. 1–8. IAC-02-IAA.6.3.03.
  • Груздев А. И., Шевцов М. С. Система электроснабжения космического аппарата с распределенной модульной структурой на базе фотоэлектрических преобразователей, интегрированных с литий-ионными аккумуляторами // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2022. Т. 189. № 4. С. 15–20. EDN HEAEYS.
  • High Voltage Solar Arrays for a Direct Drive Hall Effect Propulsion System / Jongeward G. A., Katz I. J., Carruth M. R. et al. // IEPC Paper 01-327, 27Ih International Electric Propulsion Conference, Pasadena, CA, 2001.
  • Mikellides I. G., Jongeward G. Assessment of High-Voltage Solar Array Concepts for a Direct Drive Hall Effect Thruster System // 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 2003. Doi:10.2514/6.2003-4725.
  • Manzella D. H., Hack K. High-Power Solar Electric Propulsion for Future NASA Missions // 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, 2014. P. 3718. Doi: 10.2514/6.2014-3718.
  • Kerslake T. W. Effect of Voltage Level on Power System Design for Solar Electric Propulsion Missions // Journal of Solar Energy Engineering. 2004. Vol. 126. No. 3, 936. 15 P. Doi: 10.1115/1.1710523.
  • Goebel D. M., Filimonova O. S. High Voltage Solar Array Development for Space and Thruster-Plume Plasma Environments // IEEE Transactions on Plasma Science. 2022. Vol. 50. No. 3, P. 721–730. Doi: 10.1109/TPS.2022.3147424.
  • High Voltage Solar Array Study / Knauer W., Bayless J. R., Todd G. T., Ward J. W. // NASA CR-72675, Hughes Research Laboratories, 19708, 1970. 185 P.
  • Herron B., Bayless J., Worden J. High voltage solar array technology // 9th Electric Propulsion Conference. Journal of Spacecraft and Rockets, 1972. P. 457–463. Doi:10.2514/6.1972-443.
  • Ralph R. Roe Jr. Low Earth Orbit Spacecraft Charging Design Handbook (NASA-HDBK-4006A). NASA 2018. 76 P. [Электронный ресурс]. URL: https://standards.nasa.gov/sites/default/files/standards/NASA/A/0/nasa-hdbk-4006a.pdf (дата обращения: 10.01.2024).
  • 1997–2002 Solar Array String Failures Revisited / Ferguson D. C., Hoffmann R. C., Cooper R. J. et al. // Journal of Spacecraft and Rockets. 2017. Vol. 54. No. 3. P. 542–553. Doi:10.2514/1.A33637.
  • Акишин А. И. Снижение мощности солнечных батарей искусственных спутников Земли под воздействием электрических разрядов // Перспективные материалы. 2008. № 4. С. 21–28.
  • Возникновение дугового разряда между участками солнечных батарей в вакууме / В. А. Летин, А. И. Акишин, Н. М. Бардина и др. // Гелиотехника. 1990. № 1. С. 75–76.
  • Экспериментальные исследования дугового разряда между участками солнечных батарей при облучении ее электронами в вакууме / В. А. Летин, Н. М. Бардина, И. Р. Заявлин и др. // Гелиотехника. 1991. № 4. С. 23–26.
  • Акишин А. И., Байкальцев В. Б., Тютрин Ю. И. Воздействие электронных потоков на защитные покрытия солнечных батарей // Физика и химия обработки материалов. 1991. № 4. С. 68–71.
  • Условия возникновения низковольтных электрических дуг между элементами солнечных батарей при радиационной электризации космических аппаратов / Г. В. Бабкин, Э. А. Гостищев, Л. Ф. Смекалин и др. // Космонавтика и ракетостроение. 2003. Т. 30, № 1. С. 75–83.
  • Методика проведения ускоренных ресурсных испытаний солнечных батарей космических аппаратов на устойчивость к факторам радиационной электризации в лабораторных условиях / Ю. А. Бежаев, В. М. Зыков, В. В. Иванов и др. // Изв. Томского политех. ун-та. Инжиниринг георесурсов. 2008. Т. 312, № 2. С. 38–42.
  • Физическое моделирование вторичного дугообразования в диапазоне давлений окружающей среды от атмосферного уровня до уровня вакуума / А. В. Батраков, Е.Л. Дубровская, К. В. Карлик и др. // Изв. вузов. Физика. 2014. Т. 57, № 11. С. 7–11.
  • Аппаратный комплекс для диагностики радиоэлектронной аппаратуры космического аппарата на устойчивость к дугообразованию / В. А. Батраков, С. Г. Кочура, С. А. Попов и др. // Решетневские чтения. 2016. С. 324–326.
  • Пат. № 2539964 Российская Федерация, МПК G01R 31/28, H01J 37/00. Способ определения стойкости к дугообразованию элементов радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов / Батраков А. В., Карлик К. В., Попов С. А. № 2013137287/07 ; заявл. 08.08.2013 : опубл. 27.01.2015. 7 с.
  • Laboratory Tests on 110-Volt Solar Arrays in Ion Thruster Plasma Environment / M. Cho, R. Ramasamy, K. Toyoda et al. // Journal of Spacecraft and Rockets. 2003. Vol. 40, No. 2. P. 221–229. Doi:10.2514/2.3956.
  • Preliminary report on on‐orbit experiment on high voltage technology demonstration satellite HORYU-II / A. Takahashi, A. R. Khan, H. Masui et al. // 63rd International Astronautical Congress, IAC Paper IAC-12-D5.3.13, October 2012, Naples, Italy. P. 1–11.
  • Initial Results From an In-Orbit High-Voltage Experimental Platform: HORYU-IV / T. Shimizu, H. Fukuda, N. Su T. et al. // IEEE Transactions on Plasma Science. 2017. Vol. 45, No. 8. P. 1853–1863. Doi:10.1109/tps.2017.2688725.
  • ISO 11221:2011. Space Systems – Space Solar Panels – Spacecraft Charging Induced Electrostatic Discharge Test Methods. 28 p.
  • Кесаев И. Г. Катодные процессы электрической дуги. М. : Наука, 1968. 244 с.
  • Месяц Г. А. Эктоны. Ч. 1. Екатеринбург : Наука, 1993. 184 с.
  • Месяц Г. А. Эктон – лавина электронов из металла // Успехи физических наук. 1995. Т. 165, № 6. С. 601–626. Doi; 10.3367/UFNr.0165.199506a.0601.
  • Месяц Г. А., Беренгольц С. А. Механизм генерации аномальных ионов вакуумной дуги // Успехи физических наук. 2002. Т. 172, № 10. С. 1113–1130. Doi: 10.3367/UFNr.0172.200210a.1113.
  • Баренгольц С. А., Месяц Г. А. Самопроизвольное погасание дуги в эктонной модели // Письма в ЖТФ, 2001. Т. 27, № 6. С. 82–85.
  • Лафферти Дж. (ред.). Вакуумные дуги / Пер. с англ. А. В. Елецкого, Е. З. Меплихова, А. А. Радцига ; под ред. В. И. Раховского. М. : Мир, 1982. 428 с.
  • Smeets R. P. P. Low-current behaviour and current chopping of vacuum arcs. [Phd Thesis 1 (Research TU/e / Graduation TU/e), Electrical Engineering]. Technische Universiteit Eindhoven, 1987. 140 р. Doi: 10.6100/IR264618.
  • Измерение порогового тока вакуумной дуги для наноструктурированного вольфрама / П. С. Михайлов, И. Л. Музюкин, Ю. И. Мамонтов и др. // Proceedings of 8th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects. Tomsk. Russia, 2022. P. 886–889. Doi: 10.56761/EFRE2022.C3-O-024701.
  • Statistical Number of Primary Discharges Required for Solar Array Secondary Arc Tests / M. Cho, K. Kitamura, T. Ose et al. // Journal of Spacecraft and Rockets, 2009. Vol. 46, No. 2. P. 438–448. Doi: 10.2514/1.37798.
  • Cho M., Goka T. Japanese Practices of Solar Array ESD Ground Tests // 9th Spacecraft Charging Technology Conference. Japan Aerospace Exploration Agency. Tsukuba. Japan, 2005.
  • Electrostatic Discharge Ground Test of a Polar Orbit Satellite Solar Panel / M. Cho, J.-H. Kim, S. Hosoda et al. // IEEE Transactions on Plasma Science, 2006. Vol. 34, No. 5. P. 2011–2030. Doi: 10.1109/TPS.2006.881935.
  • Модель космоса : науч.-инф. изд. в 2 т. / под ред. М. И. Панасюка, Л. С. Новикова. Т. 2. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. М. : КДУ, 2007. 1145 с.
  • New Spacecraft-Charging Solar Array Failure Mechanism / D. B. Snyder, D. C. Ferguson, Vayner et al. // Proceedings of the 6th Spacecraft Charging Technology Conference, AFRL Science Center, Hanscom AFB, MA, Nov. 1998. P. 297–301.
  • Чигорко А. А. Аппаратура для исследования электронно-протонного заряжения высокоомных диэлектриков в условиях инверсного распределения потенциала // Изв. Томского политех. ун-та. 2008. Т. 312, № 2. Математика и механика. Физика. Приложение: Неразрушающий контроль и диагностика. С. 99–106.
  • Atypical Normal Potential Gradient Arcing on Solar Arrays / D. C. Ferguson, R. C. Hoffmann, E. A. Plis et al. // Journal of Spacecraft and Rockets, 2018. Vol. 55, No. 3. P. 698–711. Doi: 10.2514/1.a34017.
  • Акишин А. И. Космическое материаловедение. М. : НИИЯФ МГУ, 2007. 209 с.
  • Inouye G. T. Implications Of Arcing Due To Spacecraft Charging On Spacecraft Emi Margins Of Immunity / NASA-CR-165442, March 10, 1981. 173 p.
  • Electrostatic discharge test with simulated coverglass flashover for multi-junction GaAs/Ge solar array design / B. Hoang, F. Wong, V. V. Funderburk et al. // 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2010. P. 1118–1123. Doi:10.1109/pvsc.2010.5614721.
  • Иванов В. А., Кириллов В. Ю., Морозов Е. П. Модельные и стендовые исследования электризации космических аппаратов / под ред. В. Ю. Кириллова. М. : Изд-во МАИ, 2012. 167 с.
  • Ferguson D. C., Vayner B. V. Flashover Current Pulse Formation and the Perimeter Theory // IEEE Transactions on Plasma Science. 2013. Vol. 41, No. 12. P. 3393–3401. Doi: 10.1109/tps.2013.2279760.
  • Surface flashover in 50 years: theoretical models and competing mechanisms / Z. Li, J. Liu, O. Yoshimichi et al. // High Voltage. 2023. Vol. 8, No. 5. P. 853–877. Doi;10.1049/hve2.12340.
  • Хасаншин Р. Х., Новиков Л. С., Коровин С. Б. Влияние давления остаточной атмосферы на развитие электростатических разрядов на поверхности защитных стекол солнечных батарей // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2016. № 10. С. 14–24. Doi 10.7868/S0207352816100103.
  • Anomalous Global Positioning System Power Degradation from Arc-Induced Contamination / D. Ferguson, P. Crabtree, S. White et al. // Journal of Spacecraft and Rockets. 2016. Vol. 53, No. 3. P. 464–470. Doi: 10.2514/1.A33438.
  • The Case for Global Positioning System Arcing and High Satellite Arc Rates / D. Ferguson, S. White, R. Rast et al. // IEEE Transactions on Plasma Science. 2019. Vol. 47, No. 8. P. 3834–3841. Doi: 10.1109/tps.2019.2922556.
  • Деградация нерадиационной природы энергетических характеристик солнечных батарей космических аппаратов на средневысоких круговых орбитах / В. Г. Букреев, М. В. Нестеришин, П. А. Крючков и др. // Изв. вузов. Авиационная техника. 2021. № 1. С. 115–123.
  • Spacecraft Charging and Discharging. Design standard. Japan Aerospace Exploration Agency. 2012. 82 p.
  • Number of Arcs Estimated on Solar Array of a Geostationary Satellite / M. Cho, S. Kawakita, M. Nakamura et al. // Journal of Spacecraft and Rockets. 2005. Vol. 42, No. 4. P. 740–748. Doi: 10.2514/1.6694.
  • Goebel D. M., Katz I. Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters // Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology. 2008. 514 p.
  • Electrical Breakdown of Space Station Freedom Surfaces / M. R. Carruth, J. A. Vaughn, R. T. Bechtel et al. // 30th Aerospace Science Meeting and Exhibit, January 6–9, 1992, Reno, NV, AIAA 92-0820. P. 1–7.
  • Khayms V., Logan-Garbisch A., Kannenberg K. Measurements and Modeling of a Solar Array Floating Potential and Leakage Current in a Hall Thruster Plume Environment // 41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2005. Doi: 10.2514/6.2005-3862.
  • Козлов О. В. Электрический зонд в плазме. М. : Атомиздат, 1969. 291 с.
  • Валиуллин В. В., Надирадзе А. Б. Потенциал высоковольтной солнечной батареи космического аппарата в плазме электроракетного двигателя // Вестник Московского авиац. ин-та. 2023. Т. 30, № 3. С. 125–135.
  • Cho M., Saionji A., Toyoda K. Interaction between high voltage solar array and ion thruster plasma // 28th International Electric Propulsion Conference, IEPC-2003, March, 17–21, Toulouse, France. CDROM, Published by CNRS, March, 2003, 0053-0303iepc-full.pdf. P. 1–10.
  • Inception of Snapover and gas Induced Glow Discharges / J. T. Galfaro, D. C. Ferguson, B. V. Vayner et al. // AIAA. Р. 2000–0245, Glenn Research Center, 2000. P. 1–8.
  • The Plasma Plume of the ISS Plasma Contactor Unit under the Effect of the Geomagnetic Field / F. F. Gabdullin, A. G. Korsun, E. G. Lavrenko et al. // 30th International Electric Propulsion Conference (Florence. Italy, 2007). P. 1–8.
  • Simulation of near-electrode processes of a electric discharge in the ISS environment / E. M. Tverdokhlebova, B. G. Borisov, A. G. Korsun et al. // 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (09–12 January 2006; Reno. Nevada). Doi: 10.2514/6.2006-872.
  • Influence of Space Propulsions and Plasma Sources on Electric-Discharge Phenomena on the ISS / Tverdokhlebova E. M., Korsun A. G., Garkusha V. I. et al. // 4th International Spacecraft Propulsion Conference (Chia Laguna (Cagliari). Sardinia. Italy. 2004). P.78.1.–78.6. ESA SP-555.
  • Alred J., Mikatarian R., Barsamian H. Review of PCU Discharge Current: Dec 2000 to Aug.2003 // ISS Plasma Technical Interchange Meeting. NASA, Marshall Space Fligh Center, Sept. 3–5, 2003, Huntsville, Alabama.
  • Wartelski M., Theroude C., Ardura C. Self-consistent Simulations of Interactions between Spacecraft and Plumes of Electric Thrusters // 33rd International Electric Propulsion Conference, The George Washington University, Washington D. C., USA, October 6–10, 2013, IEPC-2013-73, P. 1–10.
  • Sustained Arc Between Primary Power Cables of a Satellite / Kawakita S., Kusawake H., Takahashi M. et al. // 2nd International Energy Conversion Engineering Conference, 2004. Doi: 10.2514/6.2004-5658.
  • Secondary arcing triggered by hypervelocity impacts on solar panel rear side cables with defects – Comparison with laser impacts / J.-M. Siguier, V. Inguimbert, G. Murat et al. // IEEE Transactions on Plasma Science, Institute of Electrical and Electronics Engineers. 2017. Vol. 45, No. 8. P. 1880–1886. Doi: 10.1109/TPS.2017.2686602.
  • Артамонов В. С. Защита солнечных панелей в космосе от электрического пробоя // Студенческий научный форум : XI Междунар. студенческая науч. конф. 2019. 9 с. [Электронный ресурс]. URL: https://scienceforum.ru/2019/article/2018017169?ysclid=lquiua4as9159647158 (дата обращения: 10.01.2024).
  • Хасаншин Р. Х., Новиков Л. С. Изменения спектра пропускания стекла марки К-208 под действием ионизирующих излучений и молекулярных потоков // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2014. № 7. С. 83–87. Doi: 10.7868/S0207352814070099.
  • Научно-технологическая инфраструктура Российской Федерации: официальный сайт. М. URL: https://ckp-rf.ru/catalog/usu/73590/ (дата обращения 04.05.2023).
  • Методология обеспечения стойкости космического аппарата в условиях плазмы, формируемой стационарными плазменными двигателями / С. В. Балашов, В. В. Иванов, И. А. Максимов и др. // Вестник СибГАУ. 2006. № 1(8). С. 76–80.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp