автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.10, диссертация на тему:Исследование деградации характеристик планарных солнечных батарей под действием твердых частиц естественного и искусственного происхождения

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

НАДИРАДЗЕ АНДРЕЙ БОРИСОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕГРАДАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАНАРНЫХ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ ЕСТЕСТВЕННОГО И ИСКУССТВЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Специальность 05.07.10 - "Электроракетные двигатели и энергетические установки летательных аппаратов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель проф., д.т.н. Бургасов М.П.

МОСКВА - 1994

Работа выполнена в Московском государственном авиационном шституте имени Серго Орджоникидзе.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Бургасов М.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Костылев А.М.,

доктор физико-математических наук Новиков Л.С.

Ведущее предприятие - Научно-производственное объединение

"Квант".

Защита состоится и Vй ! ( 1994г. на заседании •специализированного совета КР 053.04.02. в Московском1 Государственном авиационном институте .

С диссертацией мош> ознакомиться в специализированной библиотеке МАИ.

Адрес института: Волоколамское шоссе, д. 4.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный' печатью, просим выслать по адресу: 125871, ГСП, г.Москва, Волоколамское шоссе, д.4, Ученый Совет, ученому секретарю специализированного совета КР 053.04.02.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук;

доцент

Актуальность работы

Солнечные батареи (СБ) всегда были и остаются одним из основных источников электроэнергии космических аппаратов (КА). По мере реличения энерговооруженности и ресурса КА спектр требований, предъявляемых к СБ, непрерывно расширяется. В частности, стремление довести время жизни КА до 10 и более лет значительно ужесточило требования к надежности и ресурсу СБ. Очевидно, что для выполнения этих требований необходимо свести к минимуму деградацию характеристик СБ, поскольку даже малые С1—256 в год) темпы потерь мощности для долгокивущих КА становятся весомыми.

За последние 15-20 лег были хорошо изучены многие факторы космического пространства, оказывающие отрицательное воздействие на работу СБ, были найдены эффективные меры для борьбы с их негативным влиянием. Однако, несмотря на огромный опыт эксплуатации СБ в космосе, ряд факторов остается малоизученным. К их числу относится воздействие твердых частиц искусственного происхождения (так называемый "комический мусор"). Непрерывный и быстрый (до 1056' в год) рост засоренности околоземного космического пространства ставит перед разработчиками СБ множество вопросов о возможных последствиях воздействия твердых частиц и о необходимых мерах защиты. Ответы на эти вопросы в значительной мере способствовали бы дальнейшему развитию солнечной энергетики в космосе...

Цель работы

. Целью работы является исследование экспериментальными и расчетными , методами.'■• механизмов деградации пленарных СБ под действием,, твердых высокоскоростных частиц естественного и искусственного происхождения. ,' Научная новизна ■.,.■ ,

Установлено, что механизмы Бездействия твердых частиц . на планарныеСБ существенно нелинейны и при определенных условиях приводят к относительным потерям мощности значительно превышающим

относительные площади механического повреадения.

Установлено, что причиной нелинейности является шунтирование солнечных элементов.

Предложена физическая модель шунтирования солнечных элементов при ударах высокоскоростных твердых частиц. Создана имитационная модель деградации СБ произвольной конфигурации (учтены схема коммутации, частичное затенение и т.д.), позволяющая решать прямую и обратную задачи.

При рассмотрении СБ в целом выяснено, что потери мощности связаны с уменьшением коайициенга заполнения вольт-амперной характеристики. При этом ток короткого замыкания и напряжение холостого хода изменяются незначительно.

Практическая значимость

Проведенное исследование имеет определенное практическое значение для разработки и дальнейшего совершенствования СБ КА, а также для методологии изучения вопросов деградации СБ в. реальны* условиях эксплуатации.

Результаты работы предоставляют необходимую количественную \ качественную информацию о причинах и механизмах процесс; деградации СБ под действием твердых высокоскоростных части естественного и искусственного происхождения. На ближайшие 20 ле' дан прогноз негативного влияния этого фактора на работу СБ ] условиях околоземного космического пространства. Показано, что дл СБ, функционирующих на орбитах 200-1500 км, воздействие тверда частиц "космического мусора" может выражаться в потерях около 1,5 мощности в год. Предложен ряд методов защиты СБ от воздействи твердых частиц, проведено численное иссследование этих методов установлено, что наибольшей эффективностью обладает ыетс разделения секции СБ на несколько параллельно соединенных групп.

Разработанная имитационная модель деградации СБ может бЫ1 использована при проектировании СБ КА для поиска оптимальных, точки зрения уменьшения негативного воздействия ударов тверд частиц, конструкторско-технологических решений.

- 5 -

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1.Физическая модель шунтирования солнечных элементов при высокоскоростных ударах твердых частиц. Расчетные зависимости для определения критических параметров удара.

2.Имитационная модель деградации характеристик солнечных батарей, расчетные алгоритмы решения прямой и обратной задачи.

3.Методология определения количественных характеристик эффектов влияния высокоскоростных твердых частиц на характеристики солнечных элементов, а также данные по количественным характеристикам этих эффектов.

4.Прогноз воздействия твердых частиц естественного и искусственного происхождения на кремниевые СБ в условиях околоземного космического пространства.

5. Рекомендации по защите СБ от негативного влияния твердых частиц естественного и искусственного происхоадения.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на 17-ой Международной конференции по динамике разреженных газов (г. Аахен, ФРГ, 1990), на 3-ей Европейской. конференции по космической энергетике (г. Грац, Австрия, 1993).

Результаты работы внедрены на Научно-производственном объединении "КВАНТ".

Публикации.

Основной материал диссертационной работы изложен в. 4 печатных работах и 12 научно-технических отчетах.

Объем и структура диссертаци.

Диссертационная работа изложена на 243 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, заключения и списка иопользоБанной литерктуры (75 наименований). Иллюстративный материал диссертации, представлен 8 таблицами и 77 рисунками. Диссертация содержит также Прилсже^д (44 страницы) и документы о практическом игпелгзовэвю! результатов работы (Акты внедрения).

- 6 -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

Обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы. Рассматривается общее состояние вопроса деградации СБ в космосе и указывается на иалоизученность механизмов воздействия твердых частиц искуственного и естественного происхождения. Отмечается необходимость изучения этого фактора в виду непрерывного роста засоренности околоземного космического пространства.

ГЛАВА '1.

ТВЕРДЫЕ ЧАСТИЦЫ В КОСМОСЕ И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ КА

Известны три основные класса твердых частиц в космосе: метеорное вещество,- кометные пылевые частицы, частицы искусственного происхождения. Последние возникают в результате случайных или преднамеренных взрывов КА, при работе пиротехнических устройств и т.п., и образуют на околоземных орбитах так называемый "космический мусор"'.

Анализ литературных данных показал, что потоки частиц "космического мусора" в настоящее время соизмеримы о потоками микрометеоритов, а в дальнейшем ожидается рост засоренности на 5+1056 ежегодно. Характеристики потоков частиц на низких и средних орбитах приведены на рис. 1.

По имеющимся данным, основная часть "космического мусора" сосредоточена на расстоянии 2000 км от поверхности Земли. На геостационарных и других высокоэнергетических орбитах засоренность значительно ниже (см. рис. 2). Частицы "космического мусора" распределены почти равномерно над всей поверхностью Земли за исключением небольших повышений концентрации вблизи полюсов. Это •значает, что вероятность столкновения не зависит от положения или

направления движения КА по низкой орбите. Средняя скорость столкновения с частицами может меняться от 9 до 13 .км/с в зависимости от высоты и наклонения орбиты.

Во второй части главы проведен анализ имеющихся в литературе данных по вопросу воздействия твердых частиц на СБ КА. При. этом было установлено, что вопросы воздействия твердых частиц на СБ КА детально не изучались. Ранее рассматривалось воздействие только микрометеоритных частиц. Было принято считать, что они вызывают в основном эрозию защитных стекол солнечных элементов, при этом параметры СБ изменяются незначительно.

Шесте с тем, имеются данные, указывающие на возможность значительных потерь мощности СБ при воздействии твердых частиц. Среди них - информация о больших (до 80%) потерях мощности СБ КА "Бега", наблюдавшихся во время прохождения космических станций через пылевую оболочку кометы Галлея. Сопоставление площади повреждений поверхности СБ с зарегистрированными "уровнями потерь мощности не позволяет объяснить эти потери эрозией защитных стекол и наводит на мысль о существовании более "мощных", механизмов деградации.

Имеются также данные о шунтировании солнечных элементов (СЭ) при. высоковольтном пробое пластины полупроводника. Наблюдающиеся при этом потери весьма значительны. Проведенные оценки показали, что энергия разрядов, приводящих к шунтированию, соизмерима с энергией твердых частиц, летящих со скоростью 5+15 км/с. Поскольку в экспериментах на КА "Вега" были реализованы значительно большие скорости соударения (около 80 км/с), можно предположить наличие эффекта шунтирования и в случае ударов твер^х частиц.

На основании приведенных выше данных, вх_ качестве основного объекта исследований- был выбран механизм деградации СБ, связанный с шунтированием СЭ. Учитывая' сложности проведения исследований воздействия твердых частиц на элементы СБ как в лаборатории! так и в натурных условиях, целесообразным является использование

нмитационнго моделирования процесса деградации СБ, что и составило основную часть диссертационной работы.

ГЛАВА 2.

ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ШУНТИРОВАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ УДАРАХ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ

Как известно, основным фактором, определяющим характеристики полупроводникового прибора, является структрура р-п перехода. Поэтому большинство механизмов деградации СЭ в той или иной степени связано с образованием дефектов в полупроводниковом материале. Анализ процессов, протекающих при высокоскоростном ударе твердой частицы пс СЭ (см. рис. 3), показал, что существует два характерных типа повреждений, отличающихся стрртурой полупроводника в конечном состоянии (после прохождения ударной волны). Один из них имеет место при механическом разррении полупроводника, второй - при его плавлении.

Из имеющихся в литературе данных следует, что механические разрушения (микротрещины, поры и т.п.) практически не затрагивают примесную структуру полупроводника и незначительно ухудшают характеристики СЭ: поврежденный участок может потерять фотоактивность, увеличится величина последовательного сопротивления СЭ, но эффект шунтирования при таком виде повреждения маловероятен.

Шесте с тем имеются данные, указывающие на возможность значительных структурных изменений (распад пересыщенного твердого раствора, перераспределение примесей и т.п.) после плавления и последующей кристаллизации полупроводникового материала. Эти изменения могут приводить к потере выпрямительных свойств р-п перехода и значительному реличению токов утечки.

На основании вышесказанного, было сделано предположение о том, что шунтирование СЭ является результатом структурных изменений,

вызванных плавлением полупроводника в мощной ударной волне, возникающей при ударе частицы. Для описания механизма шунтирования при-одиночном ударе авторм была предложена следующая модель.

После завершения процесса кратерообразования на поверхности кратера (см. рис. 3) образуется тонкий слой с нарушенной структурой, через который могут протекать токи утечки, т.'е. может происходить шунтирование р-n перехода. Величина шунтирующего сопротивления определяется при этом как R = р Л/ЯБ ff, где р -

sh fiii 2 an

l, W - удельное сопротивление, длина и толщина электропроводящего слоя, соответственно; Da - диаметр кратера в полупроводнике на глубине метелургической границы р-n перехода.

Рассмотрение морфологии повреждний позволило установить, что в большинстве случаев I г 1, где X - глубина залегания р-n перехода (у современных СЭ X * 0,3-0,6 мкм). Учитывая, что линии тока токов утечки вряд ли могут проникать в поврежденный слой на глубину большую чем I, было принято, что W * 1 « X. В результате, для определения R ^ была получена следующая формула:

eh

Ки = Р.

h f[D

2

Предложенная модель позволила рассматривать И как функцию

6П

двух независимых величин, характеризующих физические свойства (р ) и геометрические размеры (Б) шунтирующей структуры.

8П 2

Для определения Ъ2 были использованы существующие подходы к определению размеров ударных кратеров. Использовались полуэмпирические модели, базирующиеся на результатах экспериментов и численного моделирования. Новым является предложенный автором метод расчета размеров.кратера в двуслойных мишенях, учитывающий расщепление ударной волны на границе раздела сред. Данный метод основан на концепции эквивалентности полей течения на поздних стадиях соударения в , первом слое мишени, и на сравнении динамического давления в поле течения с пределом текучести материала а„ во втором слое. Диаметр кратера Л определяется при

этом по положению в первом слое мишени фронта ударной волны, имеющей амплидуду, необходимую для создания во втором слое мишени динамического .давления р = о„'.

С помощью предложенного метода расчета размеров кратера, были определены критические параметры удара, приводящего к шунтированию. Б качестве критерия для определения этих параметров было принято условие равенства значений амплитуды ударной волны Р на глубине р-п перехода и'значения давления, необходимого для

р-п

плавления полупроводника - а . При етом критическая скорость

8

соударения 7 определялась из условия Р = а , где Р

вп ш в ш

максимальное давление, развиваемое в момент удара. Для определения критического радиуса частиц а и, при скорости соударения V, г V и,

вп к вп

использовалось условие Р - а . Результаты расчетов критических

р-п, в

параметров удара представлены на рис. 4 (значения критического радиуса частиц даны в долях толщины защитного стекла).

Наиболее трудным являлось определение р . поскольку ета

ВП

величина связана с физическими свойствами шунтирующей структуры.

Качественный анализ процессов формирования шунтирующей структуры показал, что ее свойства определяются процессом кристаллизации. Поскольку кристаллизация наступает после прохождения ударной волны и практически не зависит от ее параметров, было сделано предположение о независимости физических свойств шунтирующей структуры от параметров соударения. На этом основании было предложено рассматривать шунтирующую структуру как "черный ящик", а величину р характеризующую ее свойства,

вп

определить из эксперимента.

Для того, чтобы из результатов экспериментов определить величину р . необходимо связать с ней выходные характеристики

6 П

батарей, учитывая при этом такие особенности реальных СБ как электрическую схему коммутации СЭ, частичное затенение и т.п. С этой целью была создана имитационная модель воздействия твердых частиц на СБ, рассмотрению которой посвящена следующая глава.

- И -ГЛАВА 3.

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДЕГРАДАЦИИ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ

Особенностью воздействия твердо частиц на СБ является его дискретность и малая частота событий (0,1-100 событий в год).. При таком характере воздействия потери мощности СБ зависят не только о^ интегральных параметров потока , но и от параметров каадой отдельной частицы, попавшей на СБ, от координат и взаимного располозения точек попадания. Большое значение имеют при атом схема коммутации и компоновка СЭ, наличие участков, защищенных от воздействия частиц, частичное затенение СВи.т.п.

Учитывая сказанное выше, для проведения" исследований воздействия твердых частиц на реальные СБ была разработана имитационная модель, в которой были учтены:

-функция распределения тведых частиц;

-схема кошутации элементов солнечной батареи;

-блокирующие диоды;

-частичное затенение СБ;

-защищенность части СБ от воздействия частиц (например, при затенении элементами конструкции КА).

На входе имитационной модели должны быть заданы:

1) параметры солнечной батареи (схема коммутации элементов, контуры затенения и защищенности элементов от воздействия);

2) электрические и конструктивные параметры элементов, составляющих СБ (параметры вольт-амперных характеристик СЭ и блокирующих диодов, размеры СЭ, толщина защитного стекла);

3) время воздействия, функция распределения и потоки частиц (возможно задание по фракциям);

4) физические свойства защитного стекла, материалов частиц, удельное сопротивление области шунтирования р .

оп

Имитация воздействия твердых частиц на СБ осуществляется следующим образом.

Формируется случайная выборка из функция распределения твердых

частиц. Координата точек "попадания" тайке разыгрываются случайным образом. Далее, на основании полученной выборки, с помсщью модели шунтирования определяется изменение параметров вольт-амперных характеристик "поврежденных" СЭ. После этого вычисленяются и суммируются вольт-амперные характеристики всех элементов, составляющих батарею.

Результатом прогона имитационной модели (или одного численного эксперимента) является вольт-амперная характеристика СБ.

На базе данной имитационной модели были разработаны приложения для решэния прямей и обратной задачи.

Прямая задаче заключается в ' определении статистических характеристик деградации СБ при заданных параметрах СБ и функции распределения твердых частиц. Дга решения этой задачи выполняется заданное количество прогонов имитационной модели, а затем осуществляется статистическая обработка накопленных данных. Количество прогонов додели выбирается в соответствии с распределением Колмогорова при заданном уровне доверия и требуемой точности определения функции распределения потерь тока СБ.

Обратная задача состоит в оценке параметров модели деградации по имеющимся экспериментальным данным. Метод решения етой задачи основан на поиске значений параметров модели, минимизирующих некоторый критерий согласия, который характеризует степень рассогласования экспериментальных данных с их . модельным представлением. В качестве критерия согласия был выбран непараметрический критерий Низеса (Д

Поиск минимума и2 осуществляется методом перебора с

А

автоматическим выбором и коррекцией области поиска. Для вычисления значения критерия в каадой точке области поиска решается рассмотренная вше прямая задача. Для определения значений а* в промежуточных точках используется кубическая сплайн-интерполяция, а для поиска координат точки минимума и2 на очередном шаге

П

итераций - метод покоординатного спуска.

Следует отметить, что алгоритм решения обратной задачи

позволяет оценивать любые параметры модели, входящие в вектор исходных данных. Это качество может быть использовано, например, для оценки параметров функции распределения частиц "космического мусора" по данным о работе СБ в космосе.

Разработанная имитационная модель построена с использованием методов объектно-ориентированного проектирования, что делает ее открытой для любых изменений г дополнений. При разработке имитационной модели большое вримание уделялось быстродействию алгоритмов. В частности, был разработан быстрый алгоритм решения трансцендентного уравнения вольт-амперной характеристики СЭ.

Приложения для решения прямой и обратной задач реализованы в виде пакетов программ для IBM PC. Время проведения одного численного эксперимента, составляет около 5 с на IBM PC 486, 66 МГц при количестве СЭ в СБ около 4000. При этом не ревение прямой задачи уходит 5+10 минут, а для решения обратной задачи необходимо затратить от единиц до нескольких десятков часов.

ГЛАВА 4.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭШШРИМШАЛЬНЫХ ИСЩОВАШ ДЕГРАДАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК СБ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ УДАРАХ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ

В предыдущих главах диссертации были рассмотрены физическая модель шунтирования СЭ и имитационная модель деградации СБ в целом. При этом параметр этой модели о L оказалися пока

В П

неопределенным вследствие сложности описываемых физических процессов. Помимо этого были сделаны предположения о независимости величины р L от параметров соударения и о необходимости плавления

eh

полупроводника для возникновения эффекта шунтирования, обоснование которых базировалось на упрощенных физических представлениях о процессах образования шунтирующей структуры.

С целью определения величины р . а также для дополнительного

Sri

обоснования сделанных ранее предположений, была проведена

обработка экспериментальных данных по деградации характеристик СБ при воздействия твердых частиц. Были обработаны две серии экспериментов: данные по деградации СБ КА "Бега" и данные, полученные на стендах НШЯФ МГУ с участием автора.

, Как известно, эксперименты на КА "Бега" проводились с целью всестороннего изучения кометы Галлея и дали богатейшую информацию о параметрах кометных пылевых частиц (см. рис. 5). Параллельно с научными измерениями велась регистрация изменения мощности СБ' вдоль тректорий космических станций. Было установлено, что части СБ (около 60$ площади), подвергавшиеся воздействию кометных частиц, потеряли от 50 до 8058 своей, электрической мощности. Оставшаяся часть СБ была защищена от воздействия элементами конструкции КА и полностью сохранила работоспособность. Данные о потерях тока секциями СБ приведены на рис. 6.

Имея данный о характеристиках кометных частиц, конструкции СБ, ориентации и геометрических особенностях КА "Вега" были проведены оценки возможного вклада различных механизмов деградации в общие потери мощности СБ.

Так оказалось, что механическое разрушение защитных стекол, приводящее к снижению их прозрачности, а значит и потере • модности СБ, составляло менее 3-5%.

Для оценки .падения мсщности СБ, связанного с потерей прозрачности защитных стекол из-за возможного загрязнения их поверхности частицами А1 (материал корпуса КА), распыленного при ударах частиц, была разработана модель и соответствующее программное обеспечение. Модель предполагала диффузное рассеяние паров металла, свободномолекулярное течение газа и полное осаждение паров на поверхности. Программное обеспечение учитывало реальную конструкцию и ориентацию КА относительно потока частиц. Было получено, что толщина пленки А1 на поверхности стекол составляла около 3-5 I, а потери прозрачности не превышали 5-10$.

Влияние космической радиации на СБ было .исключено в виду быстрого протекания процесса деградации. Разрядные процессы на

поверхности СБ маловероятны, поскольку при входе КА в пылевую оболочку кометы повышение концентрации компонент СБА. будет способствовать отеканию электрических зарядов.

Проведенные оценки показали незначительность перечисленных выше механизмов деградации, что дало основание использовать результаты, полученные на КА "Вега", для решения "вопросов оговоренных в начале этой главы.

Это было реализовано с помощью имитационной модели (см. главу 3). Параметры а . и р подбирались таким образом, чтобы получить

ел оп

1аилучшее согласие между наблюдаемой и теоретической ! имитированной на модели) функциями распределения потерь тока ¡екциями СБ. Для построения эмпирической функции распределения гспользовались значения потерь тока секциями СБ (см. рис. 6), а 'еоретическая функция распределения строилась с учетом вдивидуальных особенностей секций СБ (схема СБ, поток и функция аспределения частиц по размерам, защищенность части СБ и т.д.).

Таблица 1

Данные и способ определения Параметры., модели деградации

параметров модели а и,см аЬ V и,км/с 8П р .Ом-см

Теория удара 0,00765 7;100 - '

КА "Вега", имитационное моделирование 0,00626 - 0,0918

НИИЯФ МГУ, имитационное моделирование - 7,650 0,0680

Найденные таким образом значения параметров а ^ и р и

б П 8П

едставлены в таб. 1. Там же приведено расчетное значение а .

8 П

лученное на основании теории удара для условий экспериментов на "Вега" (см. рис. 4 для скорости соударения 80 км/с, плотности зтиц 1 т/си3 и толщины защитного стекла 150 мкм). Хорошее ?ласие значений а . найденных из эксперимента и расчетным

6П

гем, говорит об адекватности предложенной модели, если не

считать того обстоятельства, что предположение о независимости р

Вл

от параметров удара может оказаться несостоятельным.

В серии экспериментов, проведенных с участием автора в НИИЯФ МГУ, изучался другой скоростной диапазон. Оразцы СЗ облучались ультрадасперсными частицами А.1, имеющими скорости 1-12 км/с и размеры от 0,1 до 10 мкм. Ускорение частиц осуществлялось электростатическим методом. Распределения частиц по скоростям и размерам были известны. В качестве образцов использовались кремниевые СЭ с удаленным защитным стеклом, имеющие п*-р-р* структуру« с гребенчатым лицевым и сплошным тылышм контактами. В экспериментах измерялись темновые вольт-амперные характеристики образцов до и после воздействия.

Проведенные эксперименты показали, что после воздействия частиц происходит существенное уменьшение величины шунтирующего сопротивления СЭ, что проявляется в увеличении наклона обратной ветви темновой вольт-амперной характеристики (см. рис. 7). Этот факт говорит о том, что при ударах частиц действительно происходит шунтирование СЭ.

Обработка полученных данных, проведенная .с помощь* имитационной модели (см. гл. 3), ив этой серии экспериментов позволила определить параметры ?вЬ и раЬ (см. таб. 1). Хорошее соответствие значений V . найденных из эксперимента и расчетные

■л

путем в главе 2, показывает, что шунтирование СЭ и плавлеш полупроводника начинаются при одних и тех же скоростях соударения, подтверждая тем самым наше предположение о. необходимое« плавления полупроводника для возникновения эффекта шунтирования.

Сопоставлеше значений р , найденных в двух серия: экспериментэв, различающихся скоростями частиц (80 и 10 км/с), и плотностями (1 и 2,1 г/см3), а также- толщиной защитного стекл (1Ь0 и 0 мкм), показало их хорошее соответствие, подтверадая эти правомерность гипотезы о независимости величины реЬ от параметре удара.

Таким обраоок, хорошее соответствие значений параметре

модели, полученных расчетным путем и найденных из двух серий экспериментов, существенно отличающихся условиями их проведения, подтверждает правомерность предложенной модели в целом и позволяет использовать ее для прогноза деградации СБ • КА под действием потоков высокоскоростных твердых частиц.

ГЛАВА 5.

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДЕГРАДАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК СБ НА ОКОЛОЗЕМНЫХ ОРБИТАХ ЗА СЧЕТ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ УДАРОВ ЧАСТИЦ

Имеющаяся в литературе информация о характеристиках техногенных частиц и разработанная в данной работе модель деградации позволили провести прогноз деградации характериситк пленарных (кремниевых) . солнчных батарей под действием частиц "космического мусора" на околоземных орбитах. Прогноз проводился при следующих допущениях:

-все частицы искусственного происхождения имеют массовую плотность Рк= 2,7 г/см3 и скорость Vk= 9 км/с, что соответствует преобладающим значениям плотности и скорости техногенных частиц;

-все частицы падают на поверхность СБ под прямым углом.

Для определенности, рассматривалась типичная секция СБ, состоящая из 57x70 последовательно-параллельно соединенных элементов, имеющих площадь 4 см и защитное стекло толщиной 150 мкм. Такая СБ в точке максимальной мощности имеет напряжение 2,8 В при токе 10 А (см. рис. 8). При указанных параметрах СБ критический радиус частиц а = 0,019 см. Интегральные потоки

eh

частиц, имеющих радиус а г a показаны на рис.9 (эти кривые

k ел

построены для двух темпов роста засоренности, равных 5 и 1056 в год).

На рис. 8 представлена такае.вольт-амперная характеристика СБ после Ю ударов частиц с закритическими параметрами (это около двух лет пребывания на орбтйте). Из этого рисунка видно, что бомбардировка твердых частиц приводит к снижению коэффициента

заполнения вольт-амперной характеристики при относительно небольших изменениях тока короткого замыкания и напряжения холостого хода батареи ин.

На рис. 10 показаны зависимости вероятности потерь мощности СБ Р(>АР) в зависимости от среднего флюенса частиц. Здесь умышленно дана зависимость Р от флюенса частиц, а не от времени воздействия, поскольку величина флюенса может быть различной в зависимости от модели роста засоренности, величины потока частиц и толщины защитного стекла (см. рис. 9).

Графики на рис. -11 показывают динамику потерь мощности СБ при различной вероятности, потерь мощности Р(>ДР). Из этих графиков видно, что средние потери мощности составляют около 0,5$ на один удар частицы. Заметим, что при количестве солнечных элементов в батарее около 4000 такое воздействие моано сравнить с одновременным выходом строя до 20 солнечных элементов. В этом проявляется специфика поражения СБ твердыми высокоскоростными частицами.

- На основании полученных результатов можно сделать ряд рекомендаций по снижению негативного влияния твердых частиц на работу СБ.

Наиболее простой и радикальный способ - состоит в увеличении толщины защитного стекла. Поскольку плотность потока тверда частиц достаточно быстро падает с увеличением их "размеров, то увеличение толщины стекла и, соответственно, критического радиуса частиц приводит к заметному снижению потерь мощности. Это видно на рис. 12, где показана динамика средних потерь мощности СБ различных конфигураций при средних значениях потоков частиц.

Другой способ защиты - пассивное резервирование. Однако он малоэффективен, поскольку при реличении массы СБ, средние потери несколько возрастают из-за увеличения вероятности поражения (см. рис.12).

Наиболее аффективным способом защиты является разделение секции солнечной батареи на несколько параллельно соединенных

груш (т.н. распараллеливание). Это позволяет при одной и той же площади и практически неизменной массе СБ заметно уменьшить средние потери мощности (см. рис. 12). Такой эффект связан с характером поражения СБ твердыми частицами и обусловлен тем, что при распараллеливании происходит изоляция поврежденных солнечных элементов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты.

1.Показано, что под действием ударов высокоскоростных твердых частиц, может происходить шунтирование солнечных элементов и значительное ухудшение энергетических характеристик СБ в целом. Шунтирование является результатом нарушения выпрямительных свойств р-п перехода и возникает в случае плавления полупроводника.

2.Для описания механизма шунтирования разработана физико-математическая модель, позволяющая определить величину шунтирующего сопротивления планарных солнечных элементов в зависимости от параметров частиц и толщины защитного стекла.

3.Определены критические параметры частиц, превышение которых приводит к шунтированию солнечных элементов. Показано, что критическая скорость частиц зависит от их массовой плотности и для веществ, образующих "космический мусор", находится в пределах от 6 до 9 км/с. Характерные значения критического радиуса для частиц "космического мусора" находятся в диапазоне от 0,5 до 2 толщин защитного стекла солнечного элемента.

4. Разработана имитационная модель процесса деградации солнечных батарей под действием твердых высокоскоростных частиц, в которой учтены реальная функция распределения тведых частиц; реальная схема коммутации элементов солнечной батареи; блокирующие диоды; частичное затенение; защищенность части элементов от воздействия.

Ь.С помощью разработанных моделей и на основании известных и полученных автором экспериментальных данных найдено значение

удельного сопротивления области шунтирования р . характеризующего

вп

деградацию кремниевых СБ при воздействии твердых высокоскоростных частиц, а также доказана слабая зависимость величины peh от параметров удара (скорости, размеров и массовой плотности частиц);

6.На основании найденных значений физических параметров деградации, проведен прогноз деградации характеристик солнечных батарей на околоземных орбитах. Показано, что средние темпы потерь мощности за- счет воздействия частиц "космического мусора" составляют около 1,5 % в год. С учетом ожидаемого увеличения засоренности околоземного пространства к 2020 году средние потери мощности достигнут уровня 3+5 % в год.

7.На основании проведенных- исследований сформулирован ряд рекомендаций по защите СБ от воздействия высокоскоростных твердых частиц естественного и иекуетвенного происхоздения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В РАБОТАХ

I.Burgasov M.I., Maàiradze A.B., Rijov Yu.Á., SvirschevsKy S.B. Interaction Effects of Rarefied Flows of High Speed Solid Particles on the Surface (Based on the VEGA' Spacecraft Experiments). 17 International Symposium On Rarefied Gas Dynemics, July 8-14, 1990, at Technische Hochschule Aachen, PRC, P.1259.

2'.Бургасов М.П., Графодатский O.C., Надирадзе А.Б., Чироз A.A., Шапошников B.B.// Тезисы докл. Международной конференции по проблеме взаимодействия космический аппарат-внешняя среда, Новосибирск, июнь 1992, с.55-110.

3.Burgasov Ы.Р., Nadiradze A.B. Assesment of. the solar cell degradation caused by the space debris impact. Europian Space Power Conference, Graz, Austria, 23-27th August 1993, P.767. ;

4.Burgasov M.P., Nadiradze A.B., Chirov A.A., Zayavlin V.R., Letin V.A., Ermoshkin Yu.M., Evenov G.D. Effects of interaction of electric thruster jets and spacecraft solar batiereis.. Europian Space Power Conference, Graz, Austria, 23~27th August 1993,РЛ17.

1E+06¡ 1E+06j 1E+04] ! iE+oaj ! iE+œj ^E+oij . 1E+00| 1E-01 1E-02j 1E-03j 1E-04| 1E-06, 1E-Oej 1E-07| 1E-08'

Потоки частиц естественного и искусственного происхождения

1Е-04

1E-Û2 1Е-01 Диаметр частиц, см

1Е+01 1E+G2

Рис. 1

Потоки частиц "космического мусора" на разных высотах

1.0Е+05

Схвма повреждения солнечного элемента при высокоскоростном ударе частицы.

фронт

ударной

волны

х * * *

дмдм

иищцщдш!

вчзв/юсть область шунтирования

р-область

Рис. 3

Зависимость критического радиуса частиц от скорости соударения

- гз -

Интегральное распределение частиц по размерам, накопленное по пролету КА "Вега-Г и "Вега-2"

1.0Е+06,

1.0Е-06 1.0Е-05 1.06-04 1.0Е-СЗ 1.06-02 1 Радиус частиц, см

Рис.5

Удельные потери тока секциями СБ КА "Вега-1" н "Вега-2"

I !

"Вех а -1"' Вега-г"

2 3 4

Секции СБ

РИС. (1

- и -

Обратные ветви темновой характеристики СЭдон после воздействия частщ

7-------------г

6.89 кОм

-I I I I , II -р.-,-.-,-

О 0.5 1 1.5 2 2.5

Напряжение. В

Рис. 7

Вольт-амперная характеристика ОБ до н после Ю ударов частщ

Рис .4

Типография ЦНИИТЭИтйжмаша. Зак, 70. Тираж 100 те

Интегральные потоки твердых частиц с закритичесхими параметрами

100=

в &

2 4 в в 10 12 14 18 20

Время пребывания на орбите, лет

Рис. 9

Вероятность потерь мощности солнечной батареи

9 10 15 20

Среднее количество ударов части

Динамика средних потерь мощности СБ различной конфигурации