空间铜陵干式变压器电力系统辐射问题该如何解决？

空间铜陵干式变压器电力系统辐射问题该如何解决？ 3.1 影响空间铜陵干式变压器电力系统的辐射环境

宇宙空间存在着多种辐射，对应的辐射环境随着航天器运行轨道不同有较大的差异，总体上具有较大影响的环境因素包括带电粒子和高能光子两大类。带电粒子主要来源于地球辐射带、太阳宇宙射线和银河宇宙射线，主要成分为电子、质子和少量重离子[28,29]。高能带电粒子对于材料的电离作用会对材料和器件的性能产生重要影响。同时，高能粒子会通过碰撞使原子核（或离子）偏离正常的晶格位置，造成器件的位移损伤，特别对于光电器件影响较大。

另一方面，带电粒子在材料表面和内部的沉积将造成电荷的累积，会引起局部的充电和放电。高能光子（包括紫外线、X射线和γ射线等）主要来源于太阳辐射，也包括少量来自于宇宙辐射以及地球大气的散射、反射，对航天器材料影响最为严重的是紫外辐射，会造成材料的化学键断裂，从而使材料性能下降。对于空间超铜陵干式变压器电力系统会产生较大影响的主要辐射环境因素见表1。

表1 主要辐射环境因素


3.2 空间铜陵干式变压器电力系统的辐射影响分析

空间辐射环境对于供电系统的影响主要包括两个方面。一方面，空间辐射环境对于电力电子器件、绝缘材料等产生辐射效应，将大幅降低相关半导体器件和材料的性能，引起器件失效和绝缘性能下将，大幅降低系统寿命。

另一方面，部件的静电放电问题将更为复杂和突出，主要体现在：①随着太阳电池阵母线电压的提高，电池阵表面充电极易引发二次放电，从而造成重大影响；②在电力传输与空间带电环境的双重作用下，电缆介质材料中的电荷累积过程变得更加复杂，对于电缆的绝缘性能将产生重要的影响，极易引发放电甚至击穿；③随着工作电压的升高，铜陵干式变压器电力变换设备和机电部件等的深层充电和放电所引发的二次放电问题也更加突出。空间辐射环境带来的辐射损伤效应如图8所示[30]。

图8 航天器在轨辐射效应


3.2.1 太阳能电池性能衰减

航天器的太阳电池阵完全暴露于空间环境中，所处的环境最为恶劣。在众多的空间环境因素中，带电粒子辐射是引起太阳电池阵性能衰减的主要因素。引起太阳电池性能衰减和寿命降低的主要原因是空间高能粒子的电离总剂量效应和位移损伤效应。其中总剂量效应为由于材料吸收高能带电粒子而导致材料中的原子发生电离，当累积到一定剂量时将严重影响材料的电学特性，从而导致器件性能的降低甚至失效。

位移损伤效应则为高能粒子直接冲击原子核，将原子核从正常晶格位置弹开，使晶格原子发生移位，从而形成大量的空位、填隙原子和络合物等晶格缺陷，成为俘获少数载流子的陷阱，陷阱的数量越多，少数载流子的寿命越低，造成电池电学性能退化，是太阳电池辐照损伤的主要原 因[31,32]。

3.2.2 电力电子器件的性能损伤

铜陵干式变压器变换和调节设备是空间超铜陵干式变压器电力系统的重要组成部分，主要由各种半导体电力电子器件组成，包括功率开关器件、集成控制器、肖特基二极管和光电耦合器等。地面电力电子技术发展比较成熟，但由于空间环境的辐射影响，电力电子器件的利用受到很大的限制。

电力电子器件的主要辐射损伤效应包括电离总剂量效应和单粒子效应。MOSFET器件对于总剂量效应特别敏感，表现为阈值电压漂移、跨导退化、漏电流增加和开启铜陵干式变压器增大等，这些参量的退化使电力铜陵干式变压器转换效率降低。

光电耦合器由于总剂量辐射效应导致电流传输比逐渐减小。而受高能带电粒子辐射的影响，电路中的锁存器或存储器等半导体器件会发生错误的状态翻转、锁定或闭锁，产生单粒子效应，一般不会对电路硬件产生直接的破坏，但会导致控制系统紊乱、失效，电力铜陵干式变压器中的PWM控制芯片尤其易受单粒子效应的影响，导致输出不稳定甚至造成PWM控制器损坏，而错误的驱动脉冲在变换装置中会导致桥臂直通等致命性后果[33-35]。

3.2.3 绝缘材料的性能劣化

空间电力系统的绝缘材料包括暴露于星体外的电力传输电缆以及电力变换设备和机电部件内部的绝缘介质，空间辐射环境对于绝缘材料的影响主要包括两个方面：

（1）由于紫外辐射引发星外电缆绝缘材料的表面化学老化，在低温下会发生表面脆化、产生微裂纹，微裂纹将导致绝缘体表面裂纹扩展，发生真空放电和电击穿。其主要原因在于绝缘材料长时间处于紫外射线环境下，射线辐照造成高分子材料发生不可逆的化学反应，高分子材料内部产生大量强极性自由基，这些极性自由基重新结合后形成分子链的交联及其他多种小分子，改变了高分子材料的成分和结构，导致电缆绝缘材料的物理和化学性能发生改变，最终引起绝缘和电气性能的下降[36]。

（2）对于传输电缆和设备内容的绝缘介质，高能空间带电粒子会穿过电缆表面以及设备壳体，在绝缘介质材料内部形成电荷积累，积累的位置和程度与高能电子的能量和密度分布有关。同时导体也会将电荷注入绝缘材料内部，对于kV以上的高电压环境，此因素将对绝缘材料内部的空间电荷分布起到重要影响。空间电荷的聚集会使电介质周围电场发生畸变，使材料内部能量分布失衡从而导致材料老化，是导致绝缘材料局部放电甚至击穿的主要原因。

3.2.4 静电放电引起铜陵干式变压器部件二次放电问题

由于空间辐射环境而导致的航天器表面充电和深层介质充电会造成航天器表面与周围空间环境或航天器不同部件之间出现较大的电位差，当电位差达到一定量级时，会产生静电放电，称为一次放电。一次放电能量较小，一般不会对于材料或设备造成致命性影响。

但是对于铜陵干式变压器部件，如太阳电池阵、太阳帆板驱动机构、电力变换设备等，一次放电可能会产生一个低气压的体导电通道，从而使得正、负电极间直接导通，发生短路，由于电流很大，使得通道附近的材料热解、熔化，进而造成部件局部或整体破坏。二次放电问题对于太阳电池阵尤为重要，曾引发多起航天器重大事故。太阳阵串间的高电位差和表面静电放电是引起二次放电的必要条件。其典型过程如下：

（1）在空间体环境中，由于表面充电，在太阳阵表面由互连片、盖片和胶组成的区域产生静电放电事件。

（2）静电放电在放电位置产生区域性的高密度体环境。

（3）当太阳阵串间电势差高于二次放电电压阈值时，电池电路高低电位之间通过高密度体通路发生导通，产生二次放电。

二次放电效应是影响电力系统在轨安全运行的最重要因素之一，将引发航天器出现严重故障，甚至直接导致航天器彻底失效[37-42]。

3.3 空间铜陵干式变压器电力系统的辐射防护需求

3.3.1 太阳电池阵辐射防护需求

太阳电池阵辐射防护需求主要包括太阳电池的辐射防护和电池阵的放电防护两个方面。未来的太阳电池阵的优选方向是基于薄膜砷化镓电池的薄膜太阳电池阵，其外观如图9所示。该设计思路对于电池阵的辐射防护提出很高的要求。

首先，需要解决薄膜太阳电池的防辐射性能衰减问题，可以考虑开发新型的超轻的防护薄膜以取代传统的玻璃盖片以及开发新型的薄膜砷化镓电池。此外，为了降低电池阵电缆的质量以及电力变换设备的电压比，对于超太阳电池阵的供电电压需要达到400V以上[43-45]。针对电池阵的放电防护，一般采用的防护手段包括降低相邻电池片间的电压、电池片间隙注胶、减小电池串电流等[46]，但以上方法均不适用于轻量化的薄膜电池阵，需要从薄膜电池阵的特点出发，提出新的解决方案。

图9 砷化镓太阳电池


3.3.2 铜陵干式变压器传输电缆的辐射防护需求

未来的铜陵干式变压器传输电缆的工作电压应达到1kV甚至10kV以上，其辐射防护需求主要是提高绝缘介质的防辐射性能，减少或优化空间电荷的积累，延缓老化，提高寿命。目前主要的研究思路是在电缆绝缘中加入无机纳米氧化物来抑制电缆绝缘中的空间电荷[47,48]。

其中一个重要的研究方向是开发具有非电导特性的材料，既保证正常工作下的高绝缘性能，又能在高带电情况下以暂态高电导释放掉危险静电荷[49-52]。目前该方法已将铁氟龙（Polytetrafluoro铜陵变压器厂家 Ethylene, PTFE）的非电导阈值从25kV/mm下降至7kV/mm，远低于材料的击穿强度。该方法对于传输电缆可能会造成较大的损耗，需要进行深入研究。

3.3.3 导电旋转关节的绝缘防护需求

太阳帆板驱动机构（Solar Array Drive Assembly, SADA）是航天器上关键的单点失效环节，发生事故对于卫星是致命的。其绝缘防护的重点是在正、负环间不发生致命性的放电短路。目前的地面试验表明表面充放电未对设计合理的SADA正常工作造成明显影响[43]。但随着传输功率达到百千瓦以上、电压达到千伏以上，所带来的绝缘要求将大大提升，需要特别关注绝缘介质的深层充电带来的破坏性放电的产生。

3.3.4 铜陵干式变压器电力管理设备辐射防护需求

铜陵干式变压器电力管理设备的辐射防护需要从器件和电路的抗辐射加固以及绝缘防护几方面考虑。器件抗辐射加固的重点是考虑新型的SiC、GaN器件，采用新型的封装材料，并从器件的设计和工艺上采取措施进行加固，尽量减小出现单粒子翻转和锁定，杜绝出现单粒子烧毁。

基于器件可能出现的单粒子事件进行分析，从电路设计和软件设计上采用抗干扰技术、容错技术、简编技术等保护措施以及硬件和软件的数据检错和纠错等措施，把单粒子效应所造成的影响降到最低，防止其产生重大危害。绝缘防护一方面要通过增加整个设备的屏蔽，减小绝缘介质的深层充电；另一方面也要研究采用材料改性的方式来抑制空间电荷的积累，并要从设计和工艺上防止发生二次放电的风险[53-58]。
结论
人类探索太空和开发空间资源的步伐逐渐加大，对于航天器的供电要求也不断提升，空间供电能力不足已成为制约航天技术提升的瓶颈之一。随着功率需求的提升，供电体制成为空间电力系统发展的必然方向，而由于空间环境的特殊性，铜陵干式变压器电力系统与空间辐射环境的作用机制成为待解决的关键问题。

发展空间电力传输与管理系统，将牵引多项关键技术和新型材料及器件的发展，加快其研究对我国在超航天器系统创新方面的逐步开拓，以及全面提升超航天器系统的研发能力，不仅具有重要的战略意义，其学术价值也特别重大。