深富网配资北航团队首次揭示航天器高压太阳电池阵一次放电的微观演化规律

高压太阳电池阵在低地球轨道等离子体环境中发生表面充电效应，三结合处形成反向电位梯度，畸变电场容易诱发一次放电，可能导致介质表面受损和绝缘性能下降，甚至引发破坏性持续电弧，威胁航天器的安全运行。本文创新性地将表面充电效应与尖端击穿机制相结合，建立一次放电诱发微观模型，首次清晰揭示了三结合处一次放电的微观演化规律。

研究背景

在LEO等离子体环境中，电子与离子数密度接近但质量差异较大，电子速度远高于离子速度，导致介质表面易积累大量负电荷，尤其在空间太阳电池阵基板、银互联片和玻璃盖片之间形成反向电位梯度，表面微观不规则结构使局部电场大大增加，诱发一次放电。放电会造成表面材料侵蚀，影响电池阵光电转换效率，同时损伤材料表面的绝缘性能，甚至引起破坏性持续电弧，导致短路和供电失效。

图1 太阳电池阵三结合处微观不规则示意图

论文所解决的问题及意义

现有研究多数集中于表面充电效应结果，未能深入探究三结合处放电的微观诱发过程；同时理想条件下的尖端击穿机制无法完全适配复杂等离子体环境，忽略了不同工况下介质-等离子体的动态相互作用。

本文将表面充电效应与尖端击穿机制相结合，构建了一次放电诱发微观模型，从微观粒子角度探究放电诱发过程，明确了一次放电诱发的关键参数阈值与演化规律，为航天器高压太阳电池阵的结构优化、材料选择与防护设计提供了直接技术参考，有助于推动400V及以上超高压太阳电池阵的工程应用。

论文方法及创新点

1、基于电流平衡方程，建立航天器三维表面充电效应模型，通过PIC法和等效电路节点法模拟获得不同工况下的表面电位分布、等离子体鞘层特性及三结合处电场分布。

图2 航天器几何结构示意图

图3 光照区 100 V 航天器周围等离子体鞘层剖面图

图4 光照 100 V 三结合处电场分布

2、基于表面充电效应与真空尖端击穿机制，建立一次放电诱发微观模型，包含热功率平衡、尖端几何演变和中性粒子电离等多物理场耦合计算，探究不同偏压下的场致发射电流变化、尖端变化特性及微观粒子分布。

图5 一次放电诱发模拟几何示意图

图6 放电击穿时场致发射电子数密度分布

图7 放电击穿时二次电子数密度分布

结论

1）空间高压太阳电池阵工作电压等级的提高，导致表面充电电位更负，达到动态平衡时间更长。

2）三结合处的玻璃盖片侧面和银互连片之间、银互连片和底部基板之间易形成局部电场畸变，达到 107V/m 等级。

3）一次放电的偏压阈值为-100V左右，放电击穿时尖端场致发射电流密度约为1012A/m-2,局部电子密度达到1017m-3,且玻璃盖片二次电子明显增多，形成正向反馈，加剧场效应。

团队介绍

本团队长期致力于电器智能控制与故障诊断、开关电弧理论、电能质量与新能源技术等领域的研究，由武建文教授领衔，汇聚所学科研究力量。团队主持国家自然科学基金等纵向横向课题 30 余项，发表论文 180 余篇，获国家授权专利 30 余项，斩获中国机械工业技术发明一等奖、中国发明协会发明创新奖一等奖等多项重磅奖项。相关研究成果已在航空航天、国家电网等领域落地应用，还参与多项国家及行业标准编制，为航空航天和电力行业发展提供重要技术支撑。

尉德杰，北京航空航天大学博士研究生，研究方向为航天器电源系统空间环境效应和真空电弧理论。

武建文，北京航空航天大学教授，博士生导师，IEEE 高级会员，中国电工技术学会高级会员；中国电工技术学会理事，机械工业科学技术奖专业评审组专家等。研究方向为开关电弧理论及电器故障诊断技术，提出了新型真空开关灭弧室结构，深入揭示触头在不同磁控技术下真空电弧变规律、分断特性及重燃机理，研究高压断路器机械振动信号特征提取技术和故障诊断技术。

本工作成果发表在2025年第22期《电工技术学报》，论文标题为“航天器高压太阳电池阵一次放电的诱发微观过程研究“。本课题为国家自然科学基金资助项目。

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