红蓝光敏探测器空间环境效应探测数据分析

院小雪，易 忠, ，杨东升, ，刘向鹏，丁义刚，吕红强，臧卫国，刘业楠，于 钱，陈金刚

（1.北京卫星环境工程研究所，北京 100094；2.北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室，北京 100094；3.深圳航天东方红海特卫星有限公司，深圳 518064）

0 引言

航天器在轨运行期间，会受到空间辐射、原子氧、碎片和污染等空间环境的影响，发生功能减退 或性能下降，甚至失效。随着长寿命、高可靠航天器的发展，对空间环境及效应研究提出了越来越高的要求。

红蓝光敏太阳电池空间环境效应探测器（红蓝光敏探测器）是中国空间技术研究院自主研制的“新技术验证一号”卫星（XY-1）的试验载荷之一，具有体积小、重量轻和功耗低等特点，特别适合小卫星搭载飞行。红蓝光敏探测器有3 个试验目的：1）利用镓铟磷顶太阳电池来探测空间污染环境效应[1]，为航天器设计阶段的污染控制提供参考；2）利用三结砷化镓太阳电池探测空间原子氧环境[2]，验证地面环境模拟试验的有效性，同时为修正大气模型提供依据；3）利用三结砷化镓太阳电池探测空间辐射环境[3]，获得等效辐射注量，以及三结砷化镓太阳电池的在轨辐射损伤性能变化，为电源系统设计提供数据。

1 国内外研究情况

在污染效应在轨探测方面，国外利用石英晶体微量天平、太阳电池板等开展了大量的研究工作。例如，Apollo 系列任务均搭载了尘埃探测器装置（dust detector experiment, DDE），利用太阳电池板输出功率的变化情况来探测敏感表面受污染程度。图1是Apollo-12月尘探测器设计图及其在月球上执行任务时的情况。DDE 包括3 片太阳电池，分别朝向东、西和上。利用太阳作为光源，分别检测太阳电池受污染前后输出功率的变化，从而分析太阳电池表面受污染的程度。

图1 Appolo-12月尘探测器设计图及其在月球上 执行任务时的情况Fig.1 The design of lunar dust on Appolo-12 and the location on the moon

在利用太阳电池板探测空间原子氧环境方面，国外做了大量研究工作，但没有搭载试验的报道。原子氧环境探测器由2 块砷化镓太阳电池板组成（见图2）。第1 块电池板用一定厚度的Kapton 膜覆盖，第2 块电池板为不覆盖Kapton 膜的参考板，令它们处在相同的原子氧环境下。太阳电池的输出功率与Kapton 膜的透过率有关：随着原子氧积分通量的增加，Kapton 膜的光学透过率降低，太阳电池的输出功率也随之降低。根据太阳电池输出功率的变化，即可推得原子氧的通量密度。

图2 原子氧环境探测器的原理示意图Fig.2 The principle of AO sensor

对于太阳电池阵在空间电磁辐射环境下的性能退化情况，国外进行了部分空间飞行试验。例如NASA 刘易斯研究中心在UoSAT-5 卫星上进行了太阳电池的电磁辐射研究，观测到了UoSAT-5 卫星在轨2年期间太阳电池开路电压和填充系数的退化。UoSAT-5 卫星位于高度770 km 的太阳同步轨道上，辐射环境以质子为主，环境相对温和。具有100 µm CMX 盖片的标准硅电池可能受到1× 1013e/(cm2·a)的1 MeV 电子（对Ⅰsc）和2×1013e/(cm2·a)的2 MeV 电子（对Voc和Pmax）的辐照。在UoSAT-5卫星上一共使用了7 块太阳电池样板，其中3 块为ITO/InP 电池，其余为单质结太阳电池。

国内在空间环境效应的地面试验数据、试验方法、原理样机等方面取得了显著的研究成果，但在轨试验数据尚属空白。

2 红蓝光敏探测器介绍

2.1 探测原理

红蓝光敏探测器包括空间污染效应探测器、空间原子氧探测器和空间辐射效应探测器3 部分[4]。 空间污染效应探测器是利用镓铟磷顶电池在空间污染环境下的性能变化情况来分析空间污染环境，其原理基于污染物对蓝光的吸收更显著。光线波长越短，被污染膜吸收越厉害；波长小于一定值的光线则完全无法穿透污染膜。镓铟磷顶电池只能吸收利用太阳光谱中波长较短的蓝光波段，因此污染膜对镓铟磷顶电池的电流输出会有明显的影响。空间原子氧探测器是用覆盖Kapton 膜的太阳电池在轨测量原子氧积分通量，其原理基于覆盖Kapton 膜的太阳电池在原子氧积分通量的影响下，随原子氧累积剥蚀，Kapton 膜厚度逐渐减少导致透射率降低，太阳电池输出功率会发生变化。空间辐射效应探测器既可以研究空间辐射环境对太阳电池的性能影响（通过在轨试验数据分析），又可以研究空间辐射环境（通过在轨试验数据与地面标定试验结果）。

红蓝光敏探测器需要先在地面标定出各空间环境因素与太阳电池性能变化之间的关系，然后在获得在轨试验数据后与标定数据进行比较，从而反映在轨空间污染、原子氧和辐射环境及效应。

2.2 产品构成

红蓝光敏探测器（图3）安装在XY-1 卫星的+Z桁架舱上（安装位置如图4所示），在轨飞行状态时Z方向对地指向，X方向为卫星飞行方向，Y方向与其余两轴成右手螺旋坐标系。

图3 红蓝光敏探测器Fig.3 Space environment effect detector with red-blue optical sensitivity

图4 红蓝光敏探测器安装位置Fig.4 The location of space environment effect detector with red-blue optical sensitivity

空间污染效应探测器采用4 块2 cm×2 cm 的镓铟磷顶电池串联，采样电流为60～70 mA，可变换为比较容易测量的2.6～2.7 V 电压信号。

空间原子氧探测器探头由4 块2 cm×2 cm 的三结砷化镓太阳电池板组成，分成2 组，每组由2 块电池串联而成。第1组电池覆盖100 µm厚的Kapton膜，第2 组电池不覆盖任何材料，同时在原子氧环境下进行暴露试验。

空间辐射效应探测器采用3 块2 cm×2 cm 三结砷化镓太阳电池，其中2 块是与原子氧探测器中的参考电池板共用，检测其采样电流；另1 块检测其开路电压。

3 地面标定试验及结果分析

3.1 空间污染效应探测器

空间污染效应探测器在地面标定试验阶段，使用放气室对太阳电池板表面进行污染膜涂覆，对覆盖了污染膜的太阳电池板的短路电流等性能参数进行测试，与清洁太阳电池的性能参数对比得到太阳电池经过一定质量污染膜覆盖后的性能衰减特性。

在轨试验阶段，获得太阳电池处于轨道环境一段时间后的短路电流等性能参数，经过在轨温度、光照角等参数修正后，即可得到太阳电池在轨性能衰减，再与地面标定数据对比得到空间污染情况。

空间污染效应探测器的地面标定试验包括：

1）黑膜遮蔽太阳电池试验

试验采用低反射黑色外用阻燃布（黑膜）和 2 cm×2 cm 的镓铟磷顶电池，黑膜尺寸略大于镓铟磷顶电池即可。试验时，将黑膜分别遮蔽镓铟磷顶电池的1/4、1/2、3/4 和全部，测试电池输出性能的变化情况。为了与红蓝光敏探测器正样件状态保持一致，镓铟磷顶电池的输出性能测试包括开路电压、短路电流和40 Ω 电阻两端的采样电压。

2）污染量对太阳电池影响试验

试验采用2 cm×2 cm 的镓铟磷顶电池。测试电池在经过一定量的模拟污染物沉积后的输出电压、电流的变化情况。测试时，以星用硅橡胶作为模拟污染源（卫星上的污染源主要是邻苯类和硅氧烷类，结合XY-1 卫星的污染源情况选用产生硅氧烷类的硅橡胶），采用石英晶体微量天平测量污染沉积量。

试验分为2 个阶段，首先是模拟污染物沉积阶段的天平频率测量，然后是沉积污染物后太阳电池短路电流输出的测量。沉积试验结束后，对沉积有同样污染量的光学试片，使用紫外可见分光光度计进行透过率测试，作为污染效应的参考数据；同时，将太阳电池从试验容器中取出，放置在太阳模拟器有效辐射范围内，用电压表对太阳电池短路电流采样电阻上的电压进行测试，再由采样电压计算获得太阳电池在一定污染量下的短路电流输出。

通过上述标定试验，得到太阳电池块输出功率下降率δ与遮光率µ的关系为

根据光吸收定律推导的遮光率与消光系数、污染沉积量的关系为µ=1-exp(-K×ρ)，其中ρ为污染量；K为常量，cm2/g。

计算污染膜厚度为1 nm 时的消光系数，即标准吸收系数为1-exp(-K×10-7)，依据GJB 2203A[6]，分子污染物的平均吸收系数为5×10-4。通过上述分 析，得到遮光率µ与污染沉积量ρ的关系为

依据式(1)和式(2)即可在测量获得太阳电池块输出功率后，依次计算得到遮光率和污染沉积量。

3.2 空间原子氧探测器

空间原子氧探测器在地面标定试验时，分别测量每块电池产生的短路电流。为了消除电池短路电流受温度变化的影响，将2 块太阳电池的规一化电流Ⅰ定义为Ⅰ=Ⅰc/Ⅰr（其中Ⅰc是有覆盖膜电池的短路电流，Ⅰr是参考电池的短路电流），并通过地面标定得到Ⅰ与原子氧积分通量的关系。搭载试验周期性下传Ⅰsc，再通过地面标定的短路电流与原子氧积分通量的关系得到原子氧积分通量，进而得到注量率。

为了更好地说明覆Kapton 膜太阳电池的探测功能，采用三结GaAs 太阳电池覆盖100 µm 厚的Kapton 膜（Kapton H）进行探测功能验证试验。在真空原子氧环境中，将覆Kapton 膜太阳电池试样与原子氧束流标定Kapton H 膜同时放置在样品室里，用标定Kapton H 膜来监测试样实际接收的原子氧积分通量。同时在原子氧影响不到的地方放置一个Kapton H 膜作为对比样品对原子氧积分通量进行监测。试验结束后，从试验容器中取出太阳电池试样，用太阳模拟器对其短路电流进行测试。对标定Kapton H 膜进行质量测试，得到实际的原子氧积分通量。根据太阳电池在不同原子氧积分通量下的短路电流值，得出变化趋势，验证探测功能。

由于试验周期长，原子氧积分通量设为20× 1020AO/cm2。测试注量点设为1×1020、2×1020、3× 1020、5×1020、7×1020、11×1020、15×1020、20×1020AO/cm2。得到覆Kapton 膜电池与不覆膜电池短路电流（对应采样电压）的比值与原子氧积分通量关系曲线，如图5所示。

图5 覆Kapton 膜电池与不覆膜电池短路电流的比值与 原子氧积分通量关系曲线Fig.5 The relation between short circuit current of cells covered with/without Kapton film and AO fluence

3.3 空间辐射效应探测器

空间辐射效应探测器标定试验是在地面进行 1 MeV 电子的辐射试验，得到太阳电池性能变化与电子辐射注量的关系曲线。在飞行试验中，利用得到的性能退化数据与这条关系曲线反推出轨道辐射环境的等效注量。

三结砷化镓太阳电池的1 MeV 电子辐射标定试验在中国科学院新疆理化所的电子加速器上完成。试验过程中，在电子注量达到2×1013、4×1013、7×1013、1×1014、2×1014、5×1014、1×1015、1.5×1015、2×1015e/cm2时分别取出2 片太阳电池样片，检测其变化情况，并对测试数据进行归一化处理：

式中：ηⅠsc为太阳电池短路电流归一化值，% ；Ⅰsc为辐射过程中样片的短路电流，mA；Ⅰsc0为辐射样板的短路电流初始值，mA；ηVoc为太阳电池开路电压归一化值，%；Voc为辐射过程中样片的开路电压，V；Voc0为辐射样板的开路电压初始值，V。

对太阳电池开路电压和短路电流随辐射注量的变化进行拟合，得到其归一化值与辐射注量的关系：

式中Φ为1 MeV 电子辐射注量，e/cm2。

4 在轨探测数据分析

4.1 在轨探测数据处理软件

红蓝光敏探测器的在轨数据处理软件系统主要由文件导入模块、计算模块、数据展示模块3 部分组成。

在计算模块中，空间污染效应计算子模块主要是利用污染效应地面标定试验获得的污染沉积量与太阳电池输出电压的关系模型，通过在轨数据包中获取到的电压、温度等数据计算出太阳电池表面的污染沉积量。首先通过分析在轨数据包可获得星上的污染探测器采样电压和镓铟磷电池底部温度，然后利用将星上的采样电压转化为地面标定试验温度下的电压U，最后根据地面标定试验获得的电压与污染沉积量的关系，利用插值法，计算出卫星在轨污染沉积量。式中：U在轨为污染探测器采样电压，V；T地面为地面标定试验的温度，℃；T在轨为镓铟磷电池底部温度，℃；ψ为镓铟磷太阳电池的电压温度系数，V/℃。

空间原子氧效应计算子模块主要是利用原子氧效应地面标定试验获得的原子氧积分通量与太阳电池输出电压的关系模型，通过在轨数据包中获取到的太阳电池覆Kapton 膜和无Kapton 膜的采样电压等数据，然后根据地面标定试验获得的电压比与原子氧积分通量的关系，利用插值法，计算出卫星在轨原子氧积分通量。

空间辐射效应计算子模块主要是利用辐射效应地面标定试验获得的光照角与太阳电池输出电压的关系模型，通过在轨数据包中获取到的电压、温度、光照角等数据计算出太阳电池表面的电子辐射积分通量。首先用与空间污染效应计算模块中 式(6)相同的方法将星上的采样电压转化为地面标定试验温度下的电压U实测，然后根据地面标定试验获得的光照角与电压的关系，利用插值法，计算出卫星特定光照角下的理论电压U理论，最后利用公式 获得电子辐射积分通量。式中：y为实测与理论值的百分比；x为辐射积分通量；Φ为1 MeV 电子辐射注量，e/cm2。

4.2 空间污染效应探测器在轨数据分析

红蓝光敏探测器的污染物主要来源包括：1）地面总装、试验阶段的污染物；2）发射入轨阶段的污染物；3）在轨运行时由于非金属材料放气引起的污染物。分析探测器的安装位置及地面热真空试验污染检测试验结果发现，探测器在轨运行时的污染物主要由星用硅胶、电缆线等非金属材料释放的不易挥发有机分子组成。

红蓝光敏探测器传回的原始数据包括污染电池板输出电压值和污染电池板背面温度测量值。同时需要XY-1 卫星传输的卫星滚动角和偏航角，以及计算得到的光照角。

根据地面标定试验结果及在轨试验数据，得到修正后的污染量沉积曲线（图6）。图6中包含3条曲线：最上面（绿色）是污染累积量曲线，中间（蓝色）是温度曲线，下部（红色）是光照角曲线。

图6 污染传感器的污染累积量、温度和光照角曲线Fig.6 The graph of contamination mass, temperature and illumination angle

通过上述分析，得到如下结论：

1）在轨1年时间内，红蓝光敏探测器污染电池板功率下降2.7%，等效污染累积增加2.23× 10-5g/cm2，日均6×10-8g/cm2。其量值满足航天器研制全过程污染控制小于1×10-7g/cm2的要求。

2）在轨早期放气周期约为10 天，对卫星敏感部件，特别是低温部件而言，避开早期放气是减少污染危险的措施之一。

污染是次生环境，是航天器自身的放气造成的，国外MSX 航天器QCM 测量的180 天的污染数据如图7所示。该QCM 安装在航天器X方向表面，与红蓝光敏探测器的环境状况类似，二者的监测数据对比结果如表1所示。

图7 国外MSX 航天器QCM 测量数据Fig.7 The measured data of QCM on MSX spacecraft

表1 红蓝光敏探测器与QCM 监测数据对比Table 1 The result comparison of contamination data between the detector with solar cells and QCM

4.3 空间原子氧探测器在轨数据分析

利用覆Kapton 膜传感器的采样电压与无膜传感器采样电压的比值消除温度及光照角对探测产生的影响。采用插值计算方法，通过飞行试验结果与地面标定试验结果得到相应时间的原子氧积分通量。图8为消除温度及光照角影响后的探测数据。

太阳电池型原子氧探测器根据地面标定试验结果和在轨飞行数据，利用插值计算方法得到2012年11月19日到2013年10月19日的原子氧积分通量为9.7×1020AO/cm2。通过月积分通量计算，可以看出11月份到次年3月份的原子氧积分通量较大，4—7月份的原子氧积分通量变小，8—10月份原子氧积分通量又开始增大。

图8 消除温度及光照角影响后的探测数据Fig.8 The detected data after eliminating the influence of temperature and illumination angle

通过上述分析，可以得到如下结论：

1）原子氧传感器在轨道高度499.226 km 运行11个月，原子氧积分通量探测数据为9.7×1020AO/cm2，为未来我国航天器空间环境设计提供了参考数据。

2）原子氧通量密度随太阳活动季节和时间变化呈现周期性变化趋势，薄膜/电池型原子氧传感器月积分通量探测结果与该变化趋势一致。

红蓝光敏探测器与国外同轨道高度卫星探测数据比较见表2。

表2 红蓝光敏探测器与国外同轨道高度卫星探测数据比较Table 2 The result comparison of detector data between XY-1, EURECA and SMM

4.4 空间辐射效应探测器在轨数据分析

空间辐射效应探测器消除温度和光照角影响后的开路电压和短路电流数据分别如图9和图10所示。

图9 消除温度和光照角影响的开路电压Fig.9 The data of the open circuit voltage after eliminating the influence of temperature and illumination angle

图10 消除温度和光照角影响的短路电流Fig.10 The data of the short circuit after eliminating the influence of temperature and illumination angle

对上述数据进行分析比较可以得到如下结论：

1）初始开路电压的极大值为2012年11月22日的2.585 V，2013年10月31日开路电压值为2.573 V，差值为0.012 V，变化率为0.464%。

2）除去凹形曲线外，探测器在轨近1年时间内，短路电流由入轨时的48.342 mA，下降到2013年10月31日的48.236 mA，下降了0.219%。

3）辐射效应探测器（三结GaAs 太阳电池）在轨1年后累计接受辐射剂量（等效1 MeV 电子注量）5.49×1011e/cm2。

国外尚未有相似轨道高度的数据报道。

5 结束语

本文介绍了红蓝光敏探测器的探测原理、产品组成等，并通过地面标定试验结果对在轨探测数据进行分析。结果表明，红蓝光敏探测器利用改装后太阳电池板性能的变化来监测空间污染、原子氧和辐射环境的方案合理可行，其具有可扩展性和便利性。后期应结合红蓝光敏探测器的扩展试验，进一步加强地面标定试验的研究工作，提高在轨试验数据处理的全面性和准确性。

（References）

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