紅藍光敏探測器空間環境效應探測數據分析

院小雪，易 忠, ，楊東升, ，劉向鵬，丁義剛，呂紅強，臧衛國，劉業楠，于 錢，陳金剛

（1.北京衛星環境工程研究所，北京 100094；2.北京衛星環境工程研究所 可靠性與環境工程技術重點實驗室，北京 100094；3.深圳航天東方紅海特衛星有限公司，深圳 518064）

0 引言

航天器在軌運行期間，會受到空間輻射、原子氧、碎片和污染等空間環境的影響，發生功能減退 或性能下降，甚至失效。隨著長壽命、高可靠航天器的發展，對空間環境及效應研究提出了越來越高的要求。

紅藍光敏太陽電池空間環境效應探測器（紅藍光敏探測器）是中國空間技術研究院自主研制的“新技術驗證一號”衛星（XY-1）的試驗載荷之一，具有體積小、重量輕和功耗低等特點，特別適合小衛星搭載飛行。紅藍光敏探測器有3 個試驗目的：1）利用鎵銦磷頂太陽電池來探測空間污染環境效應[1]，為航天器設計階段的污染控制提供參考；2）利用三結砷化鎵太陽電池探測空間原子氧環境[2]，驗證地面環境模擬試驗的有效性，同時為修正大氣模型提供依據；3）利用三結砷化鎵太陽電池探測空間輻射環境[3]，獲得等效輻射注量，以及三結砷化鎵太陽電池的在軌輻射損傷性能變化，為電源系統設計提供數據。

1 國內外研究情況

在污染效應在軌探測方面，國外利用石英晶體微量天平、太陽電池板等開展了大量的研究工作。例如，Apollo 系列任務均搭載了塵埃探測器裝置（dust detector experiment, DDE），利用太陽電池板輸出功率的變化情況來探測敏感表面受污染程度。圖1是Apollo-12月塵探測器設計圖及其在月球上執行任務時的情況。DDE 包括3 片太陽電池，分別朝向東、西和上。利用太陽作為光源，分別檢測太陽電池受污染前后輸出功率的變化，從而分析太陽電池表面受污染的程度。

圖1 Appolo-12月塵探測器設計圖及其在月球上 執行任務時的情況Fig.1 The design of lunar dust on Appolo-12 and the location on the moon

在利用太陽電池板探測空間原子氧環境方面，國外做了大量研究工作，但沒有搭載試驗的報道。原子氧環境探測器由2 塊砷化鎵太陽電池板組成（見圖2）。第1 塊電池板用一定厚度的Kapton 膜覆蓋，第2 塊電池板為不覆蓋Kapton 膜的參考板，令它們處在相同的原子氧環境下。太陽電池的輸出功率與Kapton 膜的透過率有關：隨著原子氧積分通量的增加，Kapton 膜的光學透過率降低，太陽電池的輸出功率也隨之降低。根據太陽電池輸出功率的變化，即可推得原子氧的通量密度。

圖2 原子氧環境探測器的原理示意圖Fig.2 The principle of AO sensor

對于太陽電池陣在空間電磁輻射環境下的性能退化情況，國外進行了部分空間飛行試驗。例如NASA 劉易斯研究中心在UoSAT-5 衛星上進行了太陽電池的電磁輻射研究，觀測到了UoSAT-5 衛星在軌2年期間太陽電池開路電壓和填充系數的退化。UoSAT-5 衛星位于高度770 km 的太陽同步軌道上，輻射環境以質子為主，環境相對溫和。具有100 μm CMX 蓋片的標準硅電池可能受到1× 1013e/(cm2·a)的1 MeV 電子（對Ⅰsc）和2×1013e/(cm2·a)的2 MeV 電子（對Voc和Pmax）的輻照。在UoSAT-5衛星上一共使用了7 塊太陽電池樣板，其中3 塊為ITO/InP 電池，其余為單質結太陽電池。

國內在空間環境效應的地面試驗數據、試驗方法、原理樣機等方面取得了顯著的研究成果，但在軌試驗數據尚屬空白。

2 紅藍光敏探測器介紹

2.1 探測原理

紅藍光敏探測器包括空間污染效應探測器、空間原子氧探測器和空間輻射效應探測器3 部分[4]。 空間污染效應探測器是利用鎵銦磷頂電池在空間污染環境下的性能變化情況來分析空間污染環境，其原理基于污染物對藍光的吸收更顯著。光線波長越短，被污染膜吸收越厲害；波長小于一定值的光線則完全無法穿透污染膜。鎵銦磷頂電池只能吸收利用太陽光譜中波長較短的藍光波段，因此污染膜對鎵銦磷頂電池的電流輸出會有明顯的影響。空間原子氧探測器是用覆蓋Kapton 膜的太陽電池在軌測量原子氧積分通量，其原理基于覆蓋Kapton 膜的太陽電池在原子氧積分通量的影響下，隨原子氧累積剝蝕，Kapton 膜厚度逐漸減少導致透射率降低，太陽電池輸出功率會發生變化。空間輻射效應探測器既可以研究空間輻射環境對太陽電池的性能影響（通過在軌試驗數據分析），又可以研究空間輻射環境（通過在軌試驗數據與地面標定試驗結果）。

紅藍光敏探測器需要先在地面標定出各空間環境因素與太陽電池性能變化之間的關系，然后在獲得在軌試驗數據后與標定數據進行比較，從而反映在軌空間污染、原子氧和輻射環境及效應。

2.2 產品構成

紅藍光敏探測器（圖3）安裝在XY-1 衛星的+Z桁架艙上（安裝位置如圖4所示），在軌飛行狀態時Z方向對地指向，X方向為衛星飛行方向，Y方向與其余兩軸成右手螺旋坐標系。

圖3 紅藍光敏探測器Fig.3 Space environment effect detector with red-blue optical sensitivity

圖4 紅藍光敏探測器安裝位置Fig.4 The location of space environment effect detector with red-blue optical sensitivity

空間污染效應探測器采用4 塊2 cm×2 cm 的鎵銦磷頂電池串聯，采樣電流為60～70 mA，可變換為比較容易測量的2.6～2.7 V 電壓信號。

空間原子氧探測器探頭由4 塊2 cm×2 cm 的三結砷化鎵太陽電池板組成，分成2 組，每組由2 塊電池串聯而成。第1組電池覆蓋100 μm厚的Kapton膜，第2 組電池不覆蓋任何材料，同時在原子氧環境下進行暴露試驗。

空間輻射效應探測器采用3 塊2 cm×2 cm 三結砷化鎵太陽電池，其中2 塊是與原子氧探測器中的參考電池板共用，檢測其采樣電流；另1 塊檢測其開路電壓。

3 地面標定試驗及結果分析

3.1 空間污染效應探測器

空間污染效應探測器在地面標定試驗階段，使用放氣室對太陽電池板表面進行污染膜涂覆，對覆蓋了污染膜的太陽電池板的短路電流等性能參數進行測試，與清潔太陽電池的性能參數對比得到太陽電池經過一定質量污染膜覆蓋后的性能衰減特性。

在軌試驗階段，獲得太陽電池處于軌道環境一段時間后的短路電流等性能參數，經過在軌溫度、光照角等參數修正后，即可得到太陽電池在軌性能衰減，再與地面標定數據對比得到空間污染情況。

空間污染效應探測器的地面標定試驗包括：

1）黑膜遮蔽太陽電池試驗

試驗采用低反射黑色外用阻燃布（黑膜）和 2 cm×2 cm 的鎵銦磷頂電池，黑膜尺寸略大于鎵銦磷頂電池即可。試驗時，將黑膜分別遮蔽鎵銦磷頂電池的1/4、1/2、3/4 和全部，測試電池輸出性能的變化情況。為了與紅藍光敏探測器正樣件狀態保持一致，鎵銦磷頂電池的輸出性能測試包括開路電壓、短路電流和40 ? 電阻兩端的采樣電壓。

2）污染量對太陽電池影響試驗

試驗采用2 cm×2 cm 的鎵銦磷頂電池。測試電池在經過一定量的模擬污染物沉積后的輸出電壓、電流的變化情況。測試時，以星用硅橡膠作為模擬污染源（衛星上的污染源主要是鄰苯類和硅氧烷類，結合XY-1 衛星的污染源情況選用產生硅氧烷類的硅橡膠），采用石英晶體微量天平測量污染沉積量。

試驗分為2 個階段，首先是模擬污染物沉積階段的天平頻率測量，然后是沉積污染物后太陽電池短路電流輸出的測量。沉積試驗結束后，對沉積有同樣污染量的光學試片，使用紫外可見分光光度計進行透過率測試，作為污染效應的參考數據；同時，將太陽電池從試驗容器中取出，放置在太陽模擬器有效輻射范圍內，用電壓表對太陽電池短路電流采樣電阻上的電壓進行測試，再由采樣電壓計算獲得太陽電池在一定污染量下的短路電流輸出。

通過上述標定試驗，得到太陽電池塊輸出功率下降率δ與遮光率μ的關系為

根據光吸收定律推導的遮光率與消光系數、污染沉積量的關系為μ=1-exp(-K×ρ)，其中ρ為污染量；K為常量，cm2/g。

計算污染膜厚度為1 nm 時的消光系數，即標準吸收系數為1-exp(-K×10-7)，依據GJB 2203A[6]，分子污染物的平均吸收系數為5×10-4。通過上述分 析，得到遮光率μ與污染沉積量ρ的關系為

依據式(1)和式(2)即可在測量獲得太陽電池塊輸出功率后，依次計算得到遮光率和污染沉積量。

3.2 空間原子氧探測器

空間原子氧探測器在地面標定試驗時，分別測量每塊電池產生的短路電流。為了消除電池短路電流受溫度變化的影響，將2 塊太陽電池的規一化電流Ⅰ定義為Ⅰ=Ⅰc/Ⅰr（其中Ⅰc是有覆蓋膜電池的短路電流，Ⅰr是參考電池的短路電流），并通過地面標定得到Ⅰ與原子氧積分通量的關系。搭載試驗周期性下傳Ⅰsc，再通過地面標定的短路電流與原子氧積分通量的關系得到原子氧積分通量，進而得到注量率。

為了更好地說明覆Kapton 膜太陽電池的探測功能，采用三結GaAs 太陽電池覆蓋100 μm 厚的Kapton 膜（Kapton H）進行探測功能驗證試驗。在真空原子氧環境中，將覆Kapton 膜太陽電池試樣與原子氧束流標定Kapton H 膜同時放置在樣品室里，用標定Kapton H 膜來監測試樣實際接收的原子氧積分通量。同時在原子氧影響不到的地方放置一個Kapton H 膜作為對比樣品對原子氧積分通量進行監測。試驗結束后，從試驗容器中取出太陽電池試樣，用太陽模擬器對其短路電流進行測試。對標定Kapton H 膜進行質量測試，得到實際的原子氧積分通量。根據太陽電池在不同原子氧積分通量下的短路電流值，得出變化趨勢，驗證探測功能。

由于試驗周期長，原子氧積分通量設為20× 1020AO/cm2。測試注量點設為1×1020、2×1020、3× 1020、5×1020、7×1020、11×1020、15×1020、20×1020AO/cm2。得到覆Kapton 膜電池與不覆膜電池短路電流（對應采樣電壓）的比值與原子氧積分通量關系曲線，如圖5所示。

圖5 覆Kapton 膜電池與不覆膜電池短路電流的比值與 原子氧積分通量關系曲線Fig.5 The relation between short circuit current of cells covered with/without Kapton film and AO fluence

3.3 空間輻射效應探測器

空間輻射效應探測器標定試驗是在地面進行 1 MeV 電子的輻射試驗，得到太陽電池性能變化與電子輻射注量的關系曲線。在飛行試驗中，利用得到的性能退化數據與這條關系曲線反推出軌道輻射環境的等效注量。

三結砷化鎵太陽電池的1 MeV 電子輻射標定試驗在中國科學院新疆理化所的電子加速器上完成。試驗過程中，在電子注量達到2×1013、4×1013、7×1013、1×1014、2×1014、5×1014、1×1015、1.5×1015、2×1015e/cm2時分別取出2 片太陽電池樣片，檢測其變化情況，并對測試數據進行歸一化處理：

式中：ηⅠsc為太陽電池短路電流歸一化值，% ；Ⅰsc為輻射過程中樣片的短路電流，mA；Ⅰsc0為輻射樣板的短路電流初始值，mA；ηVoc為太陽電池開路電壓歸一化值，%；Voc為輻射過程中樣片的開路電壓，V；Voc0為輻射樣板的開路電壓初始值，V。

對太陽電池開路電壓和短路電流隨輻射注量的變化進行擬合，得到其歸一化值與輻射注量的關系：

式中Φ為1 MeV 電子輻射注量，e/cm2。

4 在軌探測數據分析

4.1 在軌探測數據處理軟件

紅藍光敏探測器的在軌數據處理軟件系統主要由文件導入模塊、計算模塊、數據展示模塊3 部分組成。

在計算模塊中，空間污染效應計算子模塊主要是利用污染效應地面標定試驗獲得的污染沉積量與太陽電池輸出電壓的關系模型，通過在軌數據包中獲取到的電壓、溫度等數據計算出太陽電池表面的污染沉積量。首先通過分析在軌數據包可獲得星上的污染探測器采樣電壓和鎵銦磷電池底部溫度，然后利用將星上的采樣電壓轉化為地面標定試驗溫度下的電壓U，最后根據地面標定試驗獲得的電壓與污染沉積量的關系，利用插值法，計算出衛星在軌污染沉積量。式中：U在軌為污染探測器采樣電壓，V；T地面為地面標定試驗的溫度，℃；T在軌為鎵銦磷電池底部溫度，℃；ψ為鎵銦磷太陽電池的電壓溫度系數，V/℃。

空間原子氧效應計算子模塊主要是利用原子氧效應地面標定試驗獲得的原子氧積分通量與太陽電池輸出電壓的關系模型，通過在軌數據包中獲取到的太陽電池覆Kapton 膜和無Kapton 膜的采樣電壓等數據，然后根據地面標定試驗獲得的電壓比與原子氧積分通量的關系，利用插值法，計算出衛星在軌原子氧積分通量。

空間輻射效應計算子模塊主要是利用輻射效應地面標定試驗獲得的光照角與太陽電池輸出電壓的關系模型，通過在軌數據包中獲取到的電壓、溫度、光照角等數據計算出太陽電池表面的電子輻射積分通量。首先用與空間污染效應計算模塊中 式(6)相同的方法將星上的采樣電壓轉化為地面標定試驗溫度下的電壓U實測，然后根據地面標定試驗獲得的光照角與電壓的關系，利用插值法，計算出衛星特定光照角下的理論電壓U理論，最后利用公式 獲得電子輻射積分通量。式中：y為實測與理論值的百分比；x為輻射積分通量；Φ為1 MeV 電子輻射注量，e/cm2。

4.2 空間污染效應探測器在軌數據分析

紅藍光敏探測器的污染物主要來源包括：1）地面總裝、試驗階段的污染物；2）發射入軌階段的污染物；3）在軌運行時由于非金屬材料放氣引起的污染物。分析探測器的安裝位置及地面熱真空試驗污染檢測試驗結果發現，探測器在軌運行時的污染物主要由星用硅膠、電纜線等非金屬材料釋放的不易揮發有機分子組成。

紅藍光敏探測器傳回的原始數據包括污染電池板輸出電壓值和污染電池板背面溫度測量值。同時需要XY-1 衛星傳輸的衛星滾動角和偏航角，以及計算得到的光照角。

根據地面標定試驗結果及在軌試驗數據，得到修正后的污染量沉積曲線（圖6）。圖6中包含3條曲線：最上面（綠色）是污染累積量曲線，中間（藍色）是溫度曲線，下部（紅色）是光照角曲線。

圖6 污染傳感器的污染累積量、溫度和光照角曲線Fig.6 The graph of contamination mass, temperature and illumination angle

通過上述分析，得到如下結論：

1）在軌1年時間內，紅藍光敏探測器污染電池板功率下降2.7%，等效污染累積增加2.23× 10-5g/cm2，日均6×10-8g/cm2。其量值滿足航天器研制全過程污染控制小于1×10-7g/cm2的要求。

2）在軌早期放氣周期約為10 天，對衛星敏感部件，特別是低溫部件而言，避開早期放氣是減少污染危險的措施之一。

污染是次生環境，是航天器自身的放氣造成的，國外MSX 航天器QCM 測量的180 天的污染數據如圖7所示。該QCM 安裝在航天器X方向表面，與紅藍光敏探測器的環境狀況類似，二者的監測數據對比結果如表1所示。

圖7 國外MSX 航天器QCM 測量數據Fig.7 The measured data of QCM on MSX spacecraft

表1 紅藍光敏探測器與QCM 監測數據對比Table 1 The result comparison of contamination data between the detector with solar cells and QCM

4.3 空間原子氧探測器在軌數據分析

利用覆Kapton 膜傳感器的采樣電壓與無膜傳感器采樣電壓的比值消除溫度及光照角對探測產生的影響。采用插值計算方法，通過飛行試驗結果與地面標定試驗結果得到相應時間的原子氧積分通量。圖8為消除溫度及光照角影響后的探測數據。

太陽電池型原子氧探測器根據地面標定試驗結果和在軌飛行數據，利用插值計算方法得到2012年11月19日到2013年10月19日的原子氧積分通量為9.7×1020AO/cm2。通過月積分通量計算，可以看出11月份到次年3月份的原子氧積分通量較大，4—7月份的原子氧積分通量變小，8—10月份原子氧積分通量又開始增大。

圖8 消除溫度及光照角影響后的探測數據Fig.8 The detected data after eliminating the influence of temperature and illumination angle

通過上述分析，可以得到如下結論：

1）原子氧傳感器在軌道高度499.226 km 運行11個月，原子氧積分通量探測數據為9.7×1020AO/cm2，為未來我國航天器空間環境設計提供了參考數據。

2）原子氧通量密度隨太陽活動季節和時間變化呈現周期性變化趨勢，薄膜/電池型原子氧傳感器月積分通量探測結果與該變化趨勢一致。

紅藍光敏探測器與國外同軌道高度衛星探測數據比較見表2。

表2 紅藍光敏探測器與國外同軌道高度衛星探測數據比較Table 2 The result comparison of detector data between XY-1, EURECA and SMM

4.4 空間輻射效應探測器在軌數據分析

空間輻射效應探測器消除溫度和光照角影響后的開路電壓和短路電流數據分別如圖9和圖10所示。

圖9 消除溫度和光照角影響的開路電壓Fig.9 The data of the open circuit voltage after eliminating the influence of temperature and illumination angle

圖10 消除溫度和光照角影響的短路電流Fig.10 The data of the short circuit after eliminating the influence of temperature and illumination angle

對上述數據進行分析比較可以得到如下結論：

1）初始開路電壓的極大值為2012年11月22日的2.585 V，2013年10月31日開路電壓值為2.573 V，差值為0.012 V，變化率為0.464%。

2）除去凹形曲線外，探測器在軌近1年時間內，短路電流由入軌時的48.342 mA，下降到2013年10月31日的48.236 mA，下降了0.219%。

3）輻射效應探測器（三結GaAs 太陽電池）在軌1年后累計接受輻射劑量（等效1 MeV 電子注量）5.49×1011e/cm2。

國外尚未有相似軌道高度的數據報道。

5 結束語

本文介紹了紅藍光敏探測器的探測原理、產品組成等，并通過地面標定試驗結果對在軌探測數據進行分析。結果表明，紅藍光敏探測器利用改裝后太陽電池板性能的變化來監測空間污染、原子氧和輻射環境的方案合理可行，其具有可擴展性和便利性。后期應結合紅藍光敏探測器的擴展試驗，進一步加強地面標定試驗的研究工作，提高在軌試驗數據處理的全面性和準確性。

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