空間環(huán)境 航天器太陽電池陣充電誘發(fā)靜電放電試驗方法 征求意見稿

1空間環(huán)境航天器太陽電池陣充電誘發(fā)靜電放電試驗方法下列文件中的有關(guān)條款通過引用而成為本規(guī)范的條款。凡注日期或版次的引用文件，其后的任何修改單(不包含勘誤的內(nèi)容)或修訂版本都不適用于本規(guī)范，但提倡使用本規(guī)范的各方探討使用其最新版本的可能性。凡不注日期或版次的引用文件，其最新版本適用于本規(guī)范。GB/T32452航天術(shù)語空間環(huán)境3術(shù)語和定義GB/T32452確立的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。有效間隙activegap吹弧blow-off無碰撞等離子體collisionlessplasma相對充電differentialcharging相對電容differentialcapacitance相對電壓differentialvoltage放電起始電壓dischargeinceptionvoltage電氣擊穿electricalbreakdown電推進(jìn)electricpropulsion2靜電放電electrostaticdischarge間隙距離gapdistance輝光放電glowdischarge反向電位梯度invertedpotentialgradient非持續(xù)電弧non-sustainedarc正向電位梯度normalpotentialgradient永久持續(xù)電弧permanentsustainedarc泊松過程Poissonprocess母線電壓powergenerationvoltage一次弧primaryarc一次放電primarydischarge穿弧punch-through迎風(fēng)面ram3衛(wèi)星電容satellitecapacitance二次電弧secondaryarc絕緣束縛結(jié)束snapover太陽能電池陣前表面solararrayfrontsurface太陽電池陣背面solararraybacksurface表面充電surfacecharging表面閃絡(luò)surfaceflashover短暫持續(xù)電弧temporarysustainedarc尾流wake4符號與縮略語4.1符號As等離子體接觸面積CGS太陽電池陣結(jié)構(gòu)和環(huán)境等離子體間電容Cstring太陽電池陣串間電容4D1快速開關(guān)二極管D2快速開關(guān)二極管D3快速開關(guān)二極管dsh鞘層厚度I0反向飽和電流密度，單位為安培/平方I1太陽能電池陣輸出的電力Isc一個或多個太陽電池串的短路電流Isection太陽電池陣的截面電流Istring太陽電池陣的串電流j數(shù)量k玻爾茲曼常數(shù)Lext形成脈沖電流形狀的電感Rext構(gòu)成脈沖電流中阻抗RL用于調(diào)節(jié)被測兩個串之間的電壓的負(fù)載電阻RsectionUsection/Isection，即在模擬太陽電池陣部分的回路中獲得正確的電壓和電流所需的電阻RstringUstring/Istring，即在模擬電弧測試下的太陽電池串上獲得正確的電壓和電流所需的電阻T溫度，單位為開爾文（K）TUstring太陽電池串電壓Vb航天器結(jié)構(gòu)充電電位vp等離子體波傳播速度ΔV電位差λD德拜長度ρi離子密度54.2縮略語eV：電子伏（electronvoltage）注：1eV=1.602×10-19JEMC：電磁兼容（electromNSA：非持續(xù)?。╪on-sustaPI：等離子體相互作用（plasmainteracPSA：永久持續(xù)?。╬ermanentsuSAS：太陽電池模擬器（solararraysimulato）rTSA：短暫持續(xù)?。╰empora5試驗裁剪本文件中描述的試驗項目及試驗要求可根據(jù)客戶的要求6.1ESD統(tǒng)計初步試驗6.2二次電弧鑒定試驗6.3特性試驗主要對太陽電池陣的功率退化、二次電弧特性、等離子體功率687用于ESD統(tǒng)計的初步試驗7.1試驗?zāi)康?.2測試設(shè)備7.2.2.3GEO太陽能電池陣試驗的真空容器應(yīng)配備適當(dāng)?shù)难b置，用于測量絕緣體充電電位，7.2.3LEO衛(wèi)星太陽能電池陣測試7.2.4PEO衛(wèi)星太陽能電池陣測7.2.4.1極光電子影響充電，建議使用高能電子束給太陽電池7.2.4.1如果太陽電池陣用于PEO航天器且低能電離7.3.1應(yīng)至少由三個電池串組成，以表示被其他電池包7.3.2建議試樣上的電池應(yīng)能夠反映可能影響靜電放電一次閾值的參數(shù)（如涂膠、蓋玻片狀態(tài)、電池間7.3.3建議包括正樣產(chǎn)品的所有特征，如母線匯流條、通孔、端子排、線束、壓固工7.3.5建議考慮航天器壽命期內(nèi)最惡劣的條件7.4外部電路7.4.2如果空間中的充電情況為反向電位梯度7.4.3如果充電情況為正常電位梯度，則試樣可接地7.4.5注意必須限制電容值，以便耗散的靜電9222 7.5試驗程序與要求7.5.1.1如果使用電子槍或紫外源對試樣進(jìn)行充電，則應(yīng)持續(xù)進(jìn)行試驗直到試樣上出現(xiàn)統(tǒng)計上顯著數(shù)量7.5.1.1在試驗過程中，應(yīng)使用非接觸式表面電位探針重復(fù)測量試樣表面電7.5.1.3注意與探頭空間分辨率相關(guān)的不確定性，以及電位隨ESD發(fā)7.5.2.3對于PEO航天器，建議在每個偏置電壓下的等待時7.5.2.4對于低軌航天器，建議在每個偏置電壓下的等7.5.2.5在低偏置電壓下，ESD概率非常低，建議延長等待時間以改7.6估計在軌ESD次數(shù)8二次電弧鑒定試驗8.1試驗?zāi)康拇畏烹姇r，也不會發(fā)生破壞性的二次電弧。帆板試驗（7.8.2觸發(fā)方法和測試設(shè)備8.2.1如果可以確定從一次放電過渡到二次電弧的概率不取決于一次放電觸發(fā)方法，則可以使用任何方8.2.2如果轉(zhuǎn)移概率取決于試驗等離子體環(huán)境，則應(yīng)使用與一次閾值試驗射裝置，如等離子體接觸器，當(dāng)裝置首次打開或關(guān)閉時，可能會發(fā)生在LEGEO航天器，建議除了GEO模擬試驗外，還應(yīng)進(jìn)行LEO等離子體模擬試驗。8.2.5試驗應(yīng)在真空條件下進(jìn)行，如果使用低能等離子體，壓力應(yīng)保證產(chǎn)生無碰撞等離子體；如果使用高能電子束、紫外線、激光脈沖等其他觸發(fā)方法，壓力應(yīng)8.3外部電路8.3.1電池不需要照明，但可用的電流和電容應(yīng)由電源和外部電容器CSAT和CSA模擬，CSAT和CSA代表衛(wèi)星和太陽能電池板蓋板玻璃電容。8.3.2小試樣無法代表的蓋玻片電容也應(yīng)包括在試驗中。8.3.3建議假設(shè)最壞情況，表面閃絡(luò)在吸收該區(qū)域所有蓋片玻璃上儲存的靜電能，太陽能帆板至少兩米半徑。8.3.4目前對于反向電位梯度下的太陽能電池陣上表面閃絡(luò)傳播速度的最佳估計值為10km/s。電流波形推導(dǎo)示例見附錄C。8.3.5應(yīng)考慮太陽陣的電氣結(jié)構(gòu)以確定波形。8.3.6如果設(shè)計中包括閃絡(luò)電流的緩解方法，則在確定電容CCG中的能量時考慮該影響。8.4CIC間隙試驗-試樣和程序8.4.1試樣應(yīng)至少由兩個電池串組成，以表示由太陽能8.4.3太陽電池應(yīng)以與飛行狀態(tài)相同的方式安裝在8.4.7一次放電可能集中在電池間隙。試驗應(yīng)確定在每個給定試驗條件下，有效間隙內(nèi)或有效間隙附近xx帶光學(xué)顯微鏡xxxx電池與基板之間的絕xx8.5面板試驗-試樣和程序8.5.1試樣應(yīng)至少由三個電池串組成，代表被其他電池包圍的電8.5.3太陽電池應(yīng)以與飛行狀態(tài)相同的方式安裝在基板上。基板也應(yīng)8.5.7不得在一次放電位置處進(jìn)行干預(yù)和8.6通過準(zhǔn)則9特性試驗9.1功率退化試驗9.1.1試驗?zāi)康谋驹囼灥哪康氖潜碚髟陬A(yù)期軌道壽命后期由于重復(fù)ESD事件9.1.2試驗設(shè)備9.1.3試樣9.1.3.2太陽電池、玻璃蓋片、黏合劑（覆蓋玻璃和基板）和互聯(lián)片的類型和材料應(yīng)與飛行狀態(tài)一9.1.3.3試驗前的光電流-電壓（I-V）特性應(yīng)符合客戶的飛行質(zhì)量9.1.3.4基板不需要與飛行狀態(tài)的9.1.4外部電路9.1.5試驗程序9.1.5.1應(yīng)在試驗前后用合適的光源進(jìn)行光電流-電壓（I-V）特性9.1.5.3應(yīng)使用光學(xué)顯微鏡在試驗前后b)對于任何一個電池片，十次放電后電池片不退化；9.1.5.6應(yīng)推導(dǎo)并記錄航天器在其任務(wù)壽命結(jié)束時的總功率9.2二次電弧特性試驗9.2.1試驗?zāi)康?.2.2觸發(fā)方法和試驗設(shè)備9.2.3試樣9.2.3.1試樣應(yīng)至少由兩個電池串9.2.3.4太陽電池應(yīng)以與飛行狀態(tài)相同的方式安裝在基板上，基板也應(yīng)采用與飛行狀態(tài)中相同的材料制9.2.4外部電路9.2.5試驗程序9.2.5.2對于與客戶商定的每對間隙電壓和串電流，應(yīng)推導(dǎo)從一次放電到二次電弧的轉(zhuǎn)化概率。9.3等離子體功率泄漏試驗9.3.1試驗?zāi)康谋碚魈栯姵仃囅蛑車入x子體的功率泄漏。首先分析航天器附近的等離子體密度和中性氣體密度。采用粒子模擬方法的充電分析工具可估計給定等離子體密度下的電流。粗略地性氣體電離轉(zhuǎn)變的臨界中性氣體密度。如果由于snapover導(dǎo)致的9.3.2測試設(shè)備9.3.2.3如果等離子體溫度高于在軌溫度，則應(yīng)根據(jù)計算機模擬或理論對收集的電流的測試結(jié)果進(jìn)行校9.3.3試樣9.3.3.1每個試片的CIC太陽能電池數(shù)量應(yīng)盡可能多。最小數(shù)量應(yīng)9.3.3.2只要所有導(dǎo)電部件（包括電池邊緣和互聯(lián)片）以與飛行狀態(tài)相同的方式暴露，就可以使用機械9.3.4外部電路如圖5所示，樣品的正負(fù)電極的兩端可以合并連接到直流電9.3.5試驗程序9.3.5.1試驗前，應(yīng)使用光學(xué)顯微鏡目視檢查太陽能電9.4太陽電池背板ESD特性測試開展太陽能電池陣后表面ESD和等離子體相2)使用電子束時，應(yīng)列出電子束能量和電流密度；3)如果試樣在試驗前放置在真空室內(nèi)進(jìn)行放氣，則應(yīng)列出持續(xù)時間、壓力和1)總結(jié)所有目視檢查，包括試驗前后試樣的照片；轉(zhuǎn)化概率、二次電弧的持續(xù)時間以及從航天器到等離子體的總功112324354657687989———— — ———126航天器表面充電分析的基礎(chǔ)是通過跟蹤周圍等離子體粒子的運動軌跡，計算入射粒子與表面材料的相互作用，并考慮二次電子、光電子和人工等離子體等帶電粒子的發(fā)射，計算各電流分量的貢獻(xiàn)。然后，根據(jù)每個表面單元相對于航天器地的電流密度和電導(dǎo)率，更新表面電荷分布。通過求解泊松方程或拉普拉斯方程計算表面電勢。根據(jù)更新的表面勢重新計算粒子軌跡，并重復(fù)這些過程，直到計算時間達(dá)到預(yù)定時間或達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。充電分析程序的重要特點是能夠模擬航天器的三維幾何結(jié)構(gòu)和重要的表面相互作用（如二次電子和光電子發(fā)射）以及航天器表面材料的材料特性數(shù)據(jù)庫（如電導(dǎo)率、二次電子發(fā)射率和光電子發(fā)射系數(shù)）。圖D.1顯示了表面閃絡(luò)等離子體傳播模型。假設(shè)等離子體向外傳播中和儲存在蓋玻（C.1）As——等離子體表面積θ——角度。等離子體波陣面的半徑在vp=drdt時增大。方程E.1表明，一旦閃絡(luò)等離子體到達(dá)玻璃蓋片，ΔV.vp.rdθ（C.2）其中在角度θ上的積分僅對等離子體波陣面沒有到達(dá)太陽能電池板的邊緣的角度。假設(shè)閃絡(luò)在太陽能帆板上傳播尺寸為2,4m，恒定速度vp=10km/s，且Cv=200nF/m2的到如圖C.2所示的閃絡(luò)電流波形，其中假設(shè)傳播距離為2米半徑。當(dāng)閃絡(luò)等離子體前沿到達(dá)太陽能電池），橫坐標(biāo)：時間(μs縱坐標(biāo)：電流（A）HOT串表示相對于航天器地處于正電位的太陽能電池，RTN（返回）串表示靠近航天器地的太陽放電發(fā)生的最簡單方法是監(jiān)測a點和接地之間的電壓。真空罐視作電路地。電路有兩個電容模擬一次放電中的能量。電容器Csat表示衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和環(huán)境等離子體之間的電容。狀態(tài)的表面閃絡(luò)電流。應(yīng)考慮表面閃絡(luò)以有限速度傳播的事實。脈沖形成電路，例如電感和電阻的加入，應(yīng)該用來延遲CCG的能量注入。將CCG一次放電相當(dāng)?shù)拇硇阅芰?。如果不使用脈沖形成電路，能量可能會更快地釋放，這可能會造成更嚴(yán)重的影響。應(yīng)注意以確保不會出現(xiàn)振鈴波或其他不代表軌道上情況的副作用。盡管線纜應(yīng)代表飛行太陽能電池板，但電纜長度應(yīng)最小化，應(yīng)使用同軸電纜或圖E.1右側(cè)的太陽能電池陣列串模擬器可能開路、短路或插入電阻。串模擬器可能包括所有或部分航天器內(nèi)部電路元件，例如阻塞二極管、旁路電容、負(fù)載電阻、分流電子a）一旦二次電弧等離子體的電阻降至極低水平，則至少一串太陽能電池陣列電路的所有可用電載模擬器打開或只有電阻元件，則一次放電電源I1表示由太陽電池陣產(chǎn)生的能量。應(yīng)插入一個二極管，以保護(hù)電源免影響。電源應(yīng)能夠再現(xiàn)太陽電池陣對瞬態(tài)短路的動態(tài)響應(yīng)，如有限的過沖電流和快速恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。太陽能陣列串模擬器可以包括串電容和面-片狀電容。串電容是與串兩端之間的差分模式相關(guān)聯(lián)的電容。面電容是太陽能電池和導(dǎo)電基板之間通過粘合劑和聚合物面板的電容。如果阻塞二極管沒有隔離每個太陽能陣列串電路，則應(yīng)考慮由每個阻塞二極管分組的所有太陽能陣列串為二次電弧供電。然后，電源I1應(yīng)提供總功率，或者太陽能電池串模擬還有一種方法可以模擬閃絡(luò)傳播，在試驗片的同時，在試驗室內(nèi)放入大量介電材料樣品。參考文獻(xiàn)[1]ISO15390,Space[2]ISO21348,Spaceenvironment(naturalandart[3]IEC60544-1,Electricalinsulatingmaterials—Determinationoftheeffectsofionizingradiation—Part1:Radiationinteractionanddosime[4]IEC60544-4,Electricalinsulatingmaterials—Determinationoftheeffectsofionizingradiation—Part4:Classificationsystemforserviceinradiationenv[5]IEC60544-5,Electricalinsulatingmaterials—Determinationoftheeffectsofionizingradiation—Part5:ProceduresforassessmentofageinginserviceASTMstandards[7]ASTME491,StandardPracticeforSolarSimulation[8]ASTME170,StandardTermin[9]ASTME1027,PracticeforExposureofPolymericMaterialstoIonizingRadiation1)Environments1)ECSS/EuropeanSpaAssociatedEquipment[12]ESAPSS-01-702,AThermalVacu[13]ESAPSS-01-704,AThermalCyclingTestfortheScreeningofSpaceMateria[14]ESAPSS-01-706,TheParticleandUltraviolet(UV)Radiation[15]GOST9.706,Polymericmaterials.Testmet[16]GOST9.711,Polymericmaterialsfortechnicalelementsin[17]GOST25645.321,Radiationresistanceofpolymericmaterials.Term[18]GOST25645.323,Polymericmaterials.[19]GOST25645.331,Polymericmaterials.Standard[20]GOSTR25645.332,Polymericmateria[21]GOSTR25645.338,Polymeric[22]GOSTR50109,Nonmetasubstancesundervacuum-thermaleffec[23]VETTE,J.I.,TheAE-8TrappedElectronEnvironment,NSrMinimum,NSSDC/WDCA-R&S,pp.76-06,1979MaterialsUndertheActionofSoftX-RayRadiatio