磁潔凈太陽電池電路技術進展與關鍵技術分析

趙文祺，楊 寧，梁一林，肖少龍，于振海，徐 軍

（空間電源全國重點實驗室，上海空間電源研究所，上海 200245）

0 引言

地球的重力、電磁場及其變化反映了地球物質與結構的分布與運動，實時監測地球的重力與電磁場變化對于災害預測、資源探測以及基礎科學進步具有重大意義。為此，國內外先后發射挑戰性小衛星有效載荷衛星CHAMP（德國，2000 年）［1］、重力恢復和氣候實驗衛星GRACE（美國/德國，2002 年）［2］及其后繼衛星GRACE-FO（美國/德國，2018 年）［3］等衛星進行重力場探測，以及地震區電磁發射發射衛星DEMETER（法國，2004 年）［4］、電磁監測試驗衛星張衡一號CSES（中國，2018 年）［5］等進行電磁場探測。此外，電磁場等物理場探測也是行星探測的必要任務的研究內容之一，包括火星全球探勘者MGS（美國，1996 年）［6］、螢火一號火星探測器YH-1（中國，2011 年）［7］、木星冰月探測器JUICE（歐空局，2023 年）［8］等。

在航天器在軌運行期間，航天器平臺、載荷以及太陽電池陣等均存在電流流動，因電磁感應必然產生磁場擾動，這些低頻電磁輻射雖然并不影響航天器的姿態控制，但嚴重影響重力、電磁場等空間環境磁場探測，即重力場探測、電磁場探測要求航天器具備高磁潔凈度。對于航天器剩磁分布，根據“地球空間探測雙星計劃”地面測試磁場波動分析儀探測數據，光照期航天器太陽電池陣光生電流產生的電磁輻射是整個航天器電磁輻射的主要來源，約占整個航天器電磁輻射的87%（低頻 段<100 Hz）和94%（高頻段>100 Hz）［9］。因此，光照條件下實現磁潔凈太陽電池電路對于重力場探測與電磁場探測航天器至關重要。

針對磁潔凈太陽電池電路技術，本文介紹了國內外航天器磁潔凈太陽電池電路技術發展與應用情況，并闡述了實現磁潔凈太陽電池電路的關鍵技術及解決途徑，為后續我國重力、電磁場以及引力波探測航天器磁潔凈太陽電池電路設計、研制與應用提供參考。

1 磁潔凈太陽電池電路技術進展

航天器在軌工作時，要使太陽電池電路表面及電纜回路網周圍的磁場減少到最低程度，并使可磁化的部件產生的感應磁力矩達到最小，才能使航天器在運行的過程中盡可能的少受帶電低能粒子及其他因素的干擾和影響。在笛卡爾坐標系中，在導體元素（太陽電池電路中主要是指太陽電池元素）中dl的長度上流過電流為I時產生的磁矩dB為：

式中：μ0為真空空間的導磁率；r為電流元素Idl到某點坐標為（X，Y，Z）處的矢量。

通過將所有的電流元素積分即可得到總的磁矩B。在實際設計和計算中很少用上述的辦法。傳統和簡化的磁矩計算方法是設定電路中通過的電流為Ii，電路所圍的面積為Si，則該電路所產生的剩磁矩為

在航天器太陽電池電路設計中，必須充分考慮消磁設計。目前常用的消磁方法為通過“鏡像映射法”，使相鄰和相對的電路組件設計電流值相同或近似，電路電流所通過的面積也要相同，也就是電路的串并聯間隔要求相同和等距，收集電流的方式也完全相同，進而使每個電路產生的磁矩與相鄰、相對電路的磁矩相抵消，實現降低剩磁矩的目標［10］。

但是，在實際航天器太陽電池電路設計中，太陽翼基板尺寸及機械結構往往使太陽電池電路設計中存在無法進行鏡像對稱的太陽電池組件及導線，尤其在考慮厚度方向消磁的情況下。為此，國內外研究人員進行了大量研究，并應用于MGS、JUICE、TC-1、TC-2、GRACE、GRACE-FO、CSES等航天器中。1996 年11 月，美國NASA 研制的MGS 發射入軌，其任務之一是探測火星磁場，因此要求極高的整器磁潔凈度，其磁場探測器安裝在太陽翼外板邊緣。MGS 太陽翼由雙翼共4 塊尺寸為1.70 m×1.85 m 的太陽電池板組成，外板采用14.6% 效率的Si 太陽電池，內板采用18.9% 效率的GaAs/Ge 太陽電池［6］。為降低太陽電池電路剩磁矩，MGS 通過在太陽電池串旁邊設計相反電流方向的平行導線進行消磁，MGS 鏡像消磁途徑如圖1（a）所示。但是，由于兩串太陽電池串距離磁場探測器距離不同，距離磁場探測器較近的太陽電池串回路在磁場探測器處產生的剩磁大于其相鄰太陽電池串回路產生的剩磁，因此在距離磁場探測器較遠的太陽電池串設計增大補償電路，通過增大電流回路面積以實現補償消磁，如圖1（b）所示。對于距離磁場探測器較遠的單串太陽電池組件，可以通過在太陽電池串兩側引出相反電流走向的平行導線進行消磁，如圖1（c）所示，太陽電池串兩側回路因與磁場探測器距離細微差異產生的剩磁微乎其微；但是對于距離磁場探測器60 cm之內的單串太陽電池組件，距離磁場探測器較近的回路在磁場探測器處產生的剩磁大于太陽電池串另一側回路產生的剩磁，因此通過增大距離磁場探測器較近回路的導線長度進而增大其回路電阻，即通過降低距離磁場探測器距離較近的回路剩磁以實現補償消磁，如圖1（d）所示［11］。通過上述消磁方法，MGS 太陽電池電路光照情況下在磁場探測器位置剩磁矩測試為0.6 nT。

圖1 MGS 太陽電池電路消磁技術［11］Fig.1 Magnetic field cancellation techniques for the MGS solar array［11］

2002 年3 月，美國NASA 與德國DLR 聯合研制的GRACE 雙星發射入軌，其主要任務是分析和繪制地球重力場及其隨時間的變化，兩顆衛星在相距220 km 的同一軌道運行，需時刻精確測量星間距離，以保證重力場模型的高精度，因此需要特別關注太陽電池電路相關的磁干擾。GRACE 衛星初始軌道高度約為490 km，壽命末期軌道高度降至約330 km。衛星整體構型為梯形結構，在頂板和2 個側板采用體裝式太陽翼結構，頂板尺寸為3 120 mm×691 mm，兩個側板尺寸為3 120 mm×969 mm，太陽電池電路選用2PR/200 型Si 太陽電池。根據GARCE 研制經驗［12］，其主要通過2 個方面實現磁潔凈：一方面選用無磁材料，避免鐵磁材料的磁化。綜合考慮高磁潔凈度要求與高劑量原子氧劑量，GRACE 衛星太陽電池間選用金材料進行互連。另一方面是通過鏡像對稱和線纜絞合進行剩磁抵消，對于正面無法實現對稱消磁的太陽電池組件回路，則通過在基板背面鋪設相反電流方向的線纜進行抵消。2018 年5 月，GRACE 的后續任務GRACEFO 發射升空，其將GRACE 采用的Si 電池更新為28%效率的三結GaAs 電池，太陽電池電路磁潔凈設計方面則基本保持一致［13］。

此外，2023 年4 月發射的JUICE 探測器同樣進行了磁潔凈太陽電池電路設計。JUICE 探測器采用雙翼結構，太陽翼面積為85 m2，壽命末期在木星軌道附近仍可提供730 W 以上的輸出功率［14］。除鏡像對稱消磁外，為了降低磁場探測器附近太陽電池電路的剩磁，每條組件均在基板背面進行了補償電纜設計，并在正、負線重合區域進行了絞合處理［15］。

國內自從與中歐政府合作空間項目“地球空間探測雙星計劃”［16］開始，進行了系統的磁潔凈太陽電池電路技術研究。探測雙星為圓筒構型，采用體裝式太陽電池電路。TC-1 衛星任務軌道為79 000×480 km 大橢圓軌道，于2003 年12 月發射，通過TC-1 衛星的磁強計和磁場波動分析儀在軌觀察到信號周期約4 s（衛星自旋速率為15 r/min）的干擾信號，其主要是由于太陽電池電路正、負母線在探測器位置產生的磁場未能完全抵消，同時分流控制引起電路布局從對稱變為不對稱，從而產生非對稱干擾，通過變更電纜位置和電纜安裝工藝，使得太陽電池電路的準正弦干擾信號降低。2004 年7 月發射入軌的TC-2 在軌測試數據顯示，在衛星表面磁強計伸桿2.5 m 處衛星的剩磁干擾信號降為0.5 nT［17］。特別地，探測雙星太陽電池電路采用“8”字型連接的鏡像對稱進行正面電路消磁，如圖2 所示。太陽電池電路分陣回線焊接于太陽電池殼內壁的環氧覆銅布電纜表面，正母、負母、充電母、涓流和分流線等5 條線纜迭層粘貼，使電纜正、負線產生的磁場抵消；對于分流態無法自身抵消的太陽電池組件回路，通過在太陽電池殼內壁鋪設電流方向相反的補償電纜進行消磁［18］。

螢火一號探測器是我國獨立研制的第一顆火星探測器，其采用整星低剩磁控制技術。太陽翼總貼片面積4.92 m2，雙翼結構，包括6 塊展開式太陽電池板和探測器頂部2 塊體裝式太陽電池板，均采用26.8% 效率的GaInP2/InGaAs/Ge 太陽電池［19］。為避免太陽電池電路光生電流引入的雜散剩磁，太陽電池電路除常規鏡像對稱外，電纜走線布成扁S形，沿帆板與磁傳感器連線走向盡可能長，垂向盡可能短；同時利用背面鋪線將電流的返回導線直接布于太陽電池背面，以抵消流出電流。即使電池陣中某部分元件損壞，其磁場也不會顯著改變［20］。經實際測試，太陽電池電路剩磁矩小于0.06 A·m2。

作為我國第1 顆專業進行電離層電磁擾動監測的衛星，張衡一號于2018 年2 月發射入軌，軌道高度507 km，太陽翼采用單翼三塊板結構［21］。太陽電池電路正面采用“8”字布片，背面線纜進行絞合并基于中軸線進行鏡面對稱布局。考慮太陽電池電路分陣工作狀態，各分陣采用分流級分布同樣沿太陽翼中軸線鏡面對稱，盡可能降低太陽電池電路子陣工作狀態切換引起的剩磁。此外，張衡一號通過磁試驗模擬件進行了磁試驗。經測試，在太陽翼法線方向上，距離1 m 處的雜散磁場最大為0.96 nT；在太陽翼同一個平面上，距離模擬件邊緣1 m 處的雜散磁場最大為1.4 nT。由此推算，在軌太陽光垂直入射情況下，在高精度磁強計位置產生的雜散磁場小于0.011 nT。根據在軌測試結果，張衡一號衛星本體磁潔凈度達到0.33 nT［22］，滿足不大于0.5 nT的要求。

2 磁潔凈太陽電池電路關鍵技術分析

通過對磁潔凈太陽電池電路發展進行分析，識別出實現磁潔凈太陽電池電路的關鍵技術主要包括：選用低磁材料、鏡像對稱布局與自由端線纜控制、補償電纜。從太陽電池電路正面布局、背面線纜走向以及基板厚度方向這3 個方面綜合考慮，進行太陽電池電路的三維消磁。

2.1 選用低磁材料

太陽電池電路主要包括太陽電池、互連片、導線和電連接器等，其中，太陽電池大部分為Si 電池或GaAs 電池，導線大部分為銅鍍銀材料，因此太陽電池電路所用大多數材料為無磁材料，可能存在鐵磁或順磁性的材料主要為互連片。目前國外主流的太陽電池互連片包括可伐互連片和鉬互連片［23-24］，由于可伐互連片中包含鐵、鎳等鐵磁材料，因此對磁潔凈度要求較高的航天任務，可以選用鉬互連片代替可伐互連片。在不可避免需應用少量磁性材料的情況下，應對材料進行消磁處理以最大限度地減少殘余磁場。10 cm 處的可伐互連片和鉬互連片的磁性測量結果見表1，盡管鉬互連片表面可能含有少量的用于增強表面可焊性的鎳鍍層，但其并沒有顯示出明顯的剩磁。可伐互連片的磁性可以通過消磁處理實現消磁，但仍存在材料被重新磁化的風險。

表1 可伐互連片和鉬互連片10 cm 距離處的磁性測量結果［25］Tab.1 Magnetism at the distance of 10 cm between the kovar and molybdenum interconnectors［25］

需要注意的是：可伐材料為軟磁材料，其本身不帶磁性，當外磁場強度低于10 000 G（1 T）以下時，可伐材料的磁化率恒定為220。在地球低軌低磁環境下，太陽電池電路可伐互連片感生磁矩不超過9.9×10-5A·m2，遠小于一般航天器剩磁指標要求。除可伐互連片外，在電連接器選用方面，建議選用低磁型電連接器，如J36W 等。

2.2 鏡像對稱布局與自由端線纜控制

在太陽電池電路設計中，為實現磁潔凈目標，應遵循鏡像對稱布局設計，包括正面太陽電池組件布局、背面線纜走向、電連接器處線纜引線和分陣布局等。太陽電池電路正面組件布局應遵循電流走向鏡像對稱設計的原則，且應盡量縮短正、負極引出線的距離，減小引線環路面積，同時保證引出線電流方向對稱。在太陽電池電路背面線纜走向設計時，應保證線纜走向對稱設計，尤其對于二極管板區域、負極匯流銀片區域等應在對稱設計的前提下盡量縮短二極管、匯流銀片等引出線的距離。對于分陣正、負引線，應布置于同一線纜束中。

在太陽電池電路正面組件布局、背面線纜布局設計中，應整體考慮電流走向，在基板厚度方面電流環路進行對稱設計，實現太陽電池電路厚度方向的剩磁抵消。在太陽電池電路連接器區域，一般情況下，為提高可靠性同時降低工藝實施難度，常采用正負極性接點物理隔離排布，形成較大的正、負線間開口面積。為減小正、負線在電連接器上產生的電流環路面積，可進行正、負極性接點鏡像對稱設計，使得正、負接點距離產生的剩磁相互抵消［26］。

此外，考慮太陽電池電路分陣在軌工作狀態，避免因分陣工作模式調整引起的剩磁變化，在太陽電池電路布局設計時，應充分考慮分陣布局，進行分陣對稱布局設計，并順序控制分陣工作模式切換。

2.3 補償電纜設計

在實際航天器太陽電池電路設計中，太陽翼基板尺寸及機械結構通常使太陽電池電路設計中存在無法進行鏡像對稱的太陽電池組件，為此，可在正面無法消磁組件的基板背面位置設置與正面組件電流方向相反的補償線纜進行剩磁抵消，補償線纜位置應與正面組件中心線保持一致。出于可靠性考慮，對于雙線設計太陽電池電路，補償電纜應沿正面組件中心線對稱走線，無論兩根導線在中心位置鋪設或間隔一段距離鋪設，均可實現剩磁抵消［25］。

但是，補償電纜通常會在基板厚度方面引入新的剩磁，針對此問題，可在基板正面進行兩折組件布局設計，此時，基板厚度方向兩個電流環路方向相反，理想情況下，剩磁完全抵消。此外，通過預埋電路也可解決基板厚度方向消磁問題。

3 結束語

本文基于MGS、GRACE、GRACE-FO、探測雙星、螢火一號、張衡一號等國內外重力、電磁場科學探測型號任務對國內外磁潔凈太陽電池電路技術的發展歷程、實現方式以及型號應用情況進行了介紹，并從正面布局、背面線纜走向以及基板厚度方向等方面，系統分析了太陽電池電路三維消磁的關鍵技術，包括選用低磁材料、鏡像對稱布局與自由端線纜控制、補償電纜，為后續磁潔凈太陽電池電路技術的進一步突破提供參考。