概述了空間環境下微小碎片超高速撞擊太陽電池陣的影響，不僅對太陽電池陣造成機械損傷，還誘發持久電弧放電，對其壽命和可靠性形成威脅。詳細介紹了日本、歐洲、中國等一些國家在本領域的研究狀態、研究特點，對實驗中涉及的對瞬態等離子體診斷和等離子體誘發二次放電進行了重點介紹。提出了加快我國空間碎片超高速撞擊特性研究的建議，這也是做好衛星太陽電池陣防護的重要途徑。

0、引言

　　按照IADC(Inter Agency Space Debris Coordinatrion Committee，機構間空間碎片協調委員會)在《空間碎片減緩指南》中給出的定義，空間碎片系指軌道上的或重返大氣層的無功能人造物體，包括其殘塊和組件。截至2005年5月30日，空間碎片總數量已經有約4千萬個，總質量已經達到數百萬千克。其中，空間碎片主要分布在低地球軌道以及同步軌道上。

　　對與空間碎片有關的問題進行研究已經受到充分的重視，各航天國家紛紛成立了專門的研究機構，我國國防科技工業局也成立了空間碎片小組。2013年10月在昆明市召開了第七屆全國空間碎片會議，交流了我們國家空間碎片的研究成果和未來的工作重點。

　　空間碎片與航天器的平均碰撞速度為10km/s，這類碰撞為超高速碰撞，撞擊會伴隨著相變以及等離子體的形成等過程。從空間碎片對航天器的各種部件和機構的影響來看，撞擊危害度從高到低如下:太陽電池、壓力容器、熱控材料、熱管防護材料、蜂窩火層結構、蓄電池、大型拋物面天線等。1958年8月美國發射的“探險者6號冶衛星首次采用展開式太陽電池陣以來，空間太陽電池陣一直用作宇宙飛船、人造衛星的主要電源。太陽電池陣主要分為剛性太陽電池陣、柔性太陽電池陣和聚光太陽電池陣三種類型。目前普遍應用的是剛性太陽電池陣，如我國的DFH-3系列衛星、神舟飛船用太陽電池陣；柔性太陽電池陣主要是俄羅斯的衛星在普遍應用；現階段聚光太陽電池陣的研究也越來越受到重視。所以文章就重點討論空間碎片對太陽電池的效應。超高速碰撞的特點是在其碰撞的瞬間，初始沖擊波產生的高壓和高溫使部分材料發相變而出現固、液、氣共存的狀態。對超高速碰撞所引起的許多問題，如沖擊加熱，材料的大變形流動、穿透、斷裂或層裂的準則與過程、材料的飛濺與微噴射、相變與衰變及高速碎片云對航天器造成的機械的、物理的和化學的累積損傷等，無論從宏觀角度還是從微觀角度都使其研究具有很高的難度。雖然超高速碰撞問題已經研究了幾十年，定期召開的國際超高速碰撞會議匯集了該領域大量的研究成果，其中一些已經在工程實際中得到應用。但是新材料的出現也為超高速碰撞增加了新的研究內容。對上述問題的深入了解有助于建立更先進的撞擊效應模型，輔之以數值模擬(有限差分法等)技術的研究，來研究各種局部的或整體的超高速碰撞現象。對于超高速碰撞的機理和實驗技術還有大量的工作要做。文章就微小碎片超高速碰撞太陽電池陣的效應做了論述。

1、微小碎片超高速撞擊產生等離子體的研究

　　早在上世紀70年代初，有大約幾十顆地球同步衛星出現了不同的異常現象，這些故障甚至使得有些衛星完全損壞。這些衛星包括DSCSII(Defense Satellite Communication System II)、DSP(Defense Support Program)，Intelsat III，Intelsat IV等。發生的故障包括衛星自動復位、衛星供電故障、衛星探測器信號噪音、高度控制系統錯誤等。經過科研人員進一步的分析，結果表明這些衛星發生的故障可以認為是空間等離子體和衛星相互作用使得衛星充電所引起的，后來的理論和實驗研究以及實際的衛星觀測更證實了這一結論。

　　航天器的太陽電池陣，有較大面積裸露在空間等離子體中，使得太陽電池陣的充放電現象很常見。太陽電池陣的充放電會導致太陽電池功率損耗，降低電池陣的功率輸出；同時放電的產生也會引起太陽電池陣物理上的損傷，使得太陽電池陣的轉換效率降低，甚至不能正常工作。所以了解太陽電池陣的材料與空間等離子體之間相互作用的性質就更顯得重要。

　　美國學者Frichtenicht和Slattery于1963年首次發現了超高速撞擊產生等離子體現象。在航天器空間環境中，空間微小碎片、流星體數量巨大在與航天器及組部件撞擊過程中，產生等離子體云，若此等離子體進入航天器內部電路，可造成航天器故障，嚴重地威脅在軌航天器的安全。

　　日本S.Fukushige博士介紹了空間碎片撞擊太陽陣引起的局部高密度等離子體，試驗裝置如圖1所示，該等離子體會引發太陽陣的二次放電，特別是引起永久持續電弧放電(permanent sustained arc，PSA)。試驗時太陽電池陣放在真空靶室，碎片撞擊速度為2.08~4.82km/s，碎片直徑為3mm的Al2017的圓球。通過測量獲得了超高速撞擊速度為3.78km/s時產生的等離子體的電子密度如圖2所示、電子溫度如圖3所示。

圖1 KIT超高速撞擊試驗裝置圖

1.外部電路；2.太陽電池陣；3.三探針；4.聚酯薄膜；5.彈托分離板；6.速度測量階段；7.磁探測器；8.二級輕氣炮；9.彈丸爆破容器；10.彈托分離階段(10kPa)；11.三探針電路；12.靶室真空度(4×10^-2Pa)

圖2 電子濃度

圖3 電子溫度

5、空間微小碎片撞擊太陽電池陣防護技術分析

　　2000年啟動的“空間碎片行動計劃冶是我國系統開展空間碎片研究的開始，該計劃主要針對10cm及其以上大空間碎片的監測預警研究。2005年第二屆全國空間碎片專題研討會上，在有關專家的建議下，空間微小碎片的研究開始得到重視和支持，對于空間微小碎片的研究主要是防護技術。為了保障大功率太陽電池陣在軌長壽命、高可靠運行，防止空間微小碎片撞擊太陽電池陣放電損傷而失效，可以從以下幾個方面考慮。

　　(1)使相臨兩個太陽電池片的間隙逸1mm，并在邊緣填涂RTV膠，使空間碎片撞擊產生的等離子體和太陽電池之間建立了一個勢壘，阻止了二次放電的發生；

　　(2)采用多次往返布片的形式，減少相鄰兩個電池間的電壓差小于75V；

　　(3)減少電路并聯數，減小每個電路的電流，使其小于1.6A，降低發生靜電放電的幾率；

　　(4)在電池玻璃蓋片表面蒸鍍金屬氧化物涂層，并與衛星“結構地冶連接，使沉積在蓋片表面的電荷得到泄放，消除軌道高壓靜電電荷的積累，徹底防止了靜電充/放電的發生。

6、結論

　　通過大量的試驗，可以得出空間微小碎片撞擊太陽電池陣能夠產生大量等離子體，誘發放電故障機制不僅是存在的，而且已被列為空間碎片對航天器影響最為嚴重的一種機制，但由于衛星上普遍不具備對微小碎片撞擊太陽電池陣的實時監測設備、難以獲得撞擊誘發放電的直接證據，因此相關研究比較缺乏。就目前來看，完全掌握空間微小碎片撞擊引起的太陽能電池陣放電現象與機理及其太陽能電池陣的防護措施有一些困難。