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太空中的太陽光不會(huì)因大氣衰減，也不受季節(jié)、晝夜變化的影響，太陽輻照強(qiáng)度穩(wěn)定，約為1353W/m2，是地面太陽平均輻照強(qiáng)度的5倍以上。特別在地球同步軌道（Geosynchronous Orbit, GEO）上，99%的時(shí)間內(nèi)可穩(wěn)定接收太陽輻射，是建設(shè)太陽能電站的理想位置?？臻g太陽能電站（Space solar Power Station, SPS），是指在地球軌道上將太陽能進(jìn)行有效收集、轉(zhuǎn)化并傳輸?shù)降孛?，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能供地面使用的系統(tǒng)。

空間太陽能電站的電力傳輸與管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將太陽電池陣發(fā)出的超高功率電力傳輸并分配到發(fā)射天線及服務(wù)系統(tǒng)設(shè)備，其質(zhì)量和效率直接影響到整個(gè)電站的總質(zhì)量和能量轉(zhuǎn)換總效率。為了實(shí)現(xiàn)安全、可靠的空間超大功率電力傳輸和管理，亟需開展空間高壓大功率電力傳輸與管理技術(shù)研究，突破核心技術(shù)。

目前的大功率通信衛(wèi)星采用的供電電壓為100V左右，功率達(dá)到20kW。國際空間站一次電源系統(tǒng)運(yùn)行在137～177V范圍，二次電源系統(tǒng)運(yùn)行在123～126V范圍，總發(fā)電功率達(dá)到110kW[1-3]。我國正在研制的空間站的供電規(guī)模接近40kW，而長期的擴(kuò)展規(guī)模有可能達(dá)到100kW以上[4-6]。空間太陽能電站是目前國際上論證的最大功率的航天器，作為驗(yàn)證型的空間太陽電池陣供電系統(tǒng)的功率將可能達(dá)到MW級水平，而未來的商業(yè)化電站的供電功率將達(dá)到GW級[7-15]。

對于未來百千瓦以上的空間大功率供電需求，為減少電力傳輸電纜的質(zhì)量和傳輸損耗，必須提高電壓、降低電流，因此采用超高電壓供電體制成為未來空間技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，空間超高壓大功率電力系統(tǒng)成為制約超大功率航天器發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸。

傳統(tǒng)的航天器供電系統(tǒng)主要包括太陽電池陣發(fā)電系統(tǒng)和電源管理系統(tǒng)，其母線電壓等級主要由太陽電池陣的供電電壓決定，并通過電源管理設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)以滿足整星的供電需求。由于空間環(huán)境引起的放電問題，目前的航天器母線電壓都不超過200V。未來空間大功率供電需求將達(dá)到105V甚至106V以上，必然需要發(fā)展更高的供電電壓。

空間太陽能電站的傳輸母線電壓等級需要達(dá)到數(shù)千伏至10kV以上[16,17]，受到太陽電池陣供電電壓的限制，空間超高壓大功率供電系統(tǒng)將采用升壓變換的方式實(shí)現(xiàn)高壓母線傳輸供電。因此，未來的空間大功率供電系統(tǒng)將由高壓太陽電池陣、高壓電力變換設(shè)備、大功率導(dǎo)電關(guān)節(jié)（電池陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）、超高壓大功率傳輸電纜、大功率電力調(diào)節(jié)設(shè)備和高比容量儲(chǔ)能系統(tǒng)組成。

本文面向未來空間大功率的供電需求，對空間高壓電力傳輸與管理系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出其關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵材料器件，分析空間輻射環(huán)境對于太空高壓電力系統(tǒng)的影響并提出亟待解決的核心技術(shù)問題。

1  空間高壓電力傳輸與管理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1  高壓太陽電池陣

太陽電池陣是電力傳輸?shù)妮斎攵?，高壓電池陣的特性將直接決定電力傳輸與管理的方式。為了實(shí)現(xiàn)高電壓供電，在20世紀(jì)70年代，美國曾在此領(lǐng)域開展了大量的研究，波音、休斯等公司面向高壓電推進(jìn)系統(tǒng)需求開展了高達(dá)16kV的高壓太陽電池陣的設(shè)計(jì)和研究[18,19]。后續(xù)隨著研究的深入，由于空間等離子體環(huán)境引起的太陽電池陣放電問題，相關(guān)研究并未實(shí)質(zhì)性地推動(dòng)下去。

2012年，日本研制了高壓電池陣驗(yàn)證小衛(wèi)星HORYU?II[20]如圖1所示，并于2012年5月搭載發(fā)射，運(yùn)行軌道為680km高的太陽同步軌道。該衛(wèi)星的主要任務(wù)是驗(yàn)證低軌300V高壓電池陣技術(shù)，電池陣采用三結(jié)GaAs電池（GaAs/InGaP/Ge），尺寸為122cm×214cm，利用多組電池的串聯(lián)形成高壓，整個(gè)電池表面通過覆蓋乙烯四氟乙烯共聚物（ETFT）涂層減小放電風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)在整個(gè)電池表面覆蓋半導(dǎo)電涂層進(jìn)一步減小放電風(fēng)險(xiǎn)。地面測試顯示800V的電壓差不會(huì)產(chǎn)生放電，在軌測試表明電池陣工作電壓最高達(dá)到350V，是目前在軌驗(yàn)證的最高電壓的太陽電池陣。

圖1  HORYU-II驗(yàn)證衛(wèi)星

美國ABEL公司設(shè)計(jì)的Squarerigger大功率太陽電池陣采用了ENTECH公司的聚光電池陣[21]。按照設(shè)計(jì)，Squarerigger大功率電池陣的設(shè)計(jì)功率將達(dá)到100kW到MW級，工作電壓達(dá)到1kV。該聚光電池采用了菲涅耳透鏡作為聚光系統(tǒng)，由于采用了聚光設(shè)計(jì)，電池片的間距較大，減小了放電的風(fēng)險(xiǎn)，提高了電池陣工作電壓，原理樣機(jī)如圖2所示。

圖2   Squarerigger聚光太陽翼原理樣機(jī)

1.2  國際空間站高壓供電系統(tǒng)

目前在空間運(yùn)行的最大功率航天器為國際空間站，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。國際空間站電源系統(tǒng)由電能產(chǎn)生、能量存儲(chǔ)、電能管理和分配設(shè)備組成。其中，美國的供電系統(tǒng)采用4組高壓太陽電池翼，一次電源供電電壓范圍為137～173V，經(jīng)過貝塔導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、直流切換單元（用于控制蓄電池組充放電）和阿爾法導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)入主母線調(diào)節(jié)單元，之后經(jīng)過直流變換單元將一次電源電壓轉(zhuǎn)換為二次電源供電電壓，范圍為123～126V。二次電源供電再根據(jù)負(fù)載供電需求進(jìn)行變換后分配到功率負(fù)載。國際空間站采用了大功率滾環(huán)式導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其中的阿爾法旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)傳輸電功率達(dá)到65.5kW。

圖3  國際空間站供電系統(tǒng)框圖

1.3  空間太陽能電站高壓電力傳輸管理方案

1.3.1  SPS-1979空間太陽能電站

SPS-1979空間太陽能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。美國于20世紀(jì)70年代末對于基準(zhǔn)電站方案——SPS-1979開展詳細(xì)的研究，提出了總供電功率為8GW的方案，采用了40kV等級的高壓設(shè)計(jì)方案并采用集中式供電方式，即太陽電池陣發(fā)出的電力通過單個(gè)導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)傳輸?shù)轿⒉òl(fā)射天線。太陽電池陣被分為了228個(gè)電力分支，集成為了多條供電母線，為了避免母線間出現(xiàn)高壓擊穿現(xiàn)象，傳輸?shù)綄?dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的不同母線間的電壓偏差需要控制在0.25%以內(nèi)。

導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)前的切換開關(guān)主要用于控制部分功率用于平臺(tái)系統(tǒng)供電，而導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)后的功率調(diào)節(jié)模塊將電能分配為兩部分：一部分為電站平臺(tái)系統(tǒng)供電；另一部分為微波源供電，單個(gè)微波源DC-DC變換器的功率等級為5.4MW，效率為96%。該方案最大的難點(diǎn)在于GW級的導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其次為40kV的遠(yuǎn)距離高壓電力傳輸系統(tǒng)。

圖4  SPS-1979供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.3.2  太陽塔空間太陽能電站（Sun-Tower）

2000年，美國波音公司針對太陽塔空間太陽能電站概念提出一種基于交流的電力傳輸方案，其框圖如圖5所示。太陽塔概念的核心是采用梯度穩(wěn)定太陽電池陣，不進(jìn)行對太陽定向，因此回避了導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，但造成發(fā)電的極大波動(dòng)性。該方案的發(fā)電功率等級最高達(dá)到3GW，由340個(gè)5kV高壓太陽電池陣構(gòu)成。

每個(gè)太陽電池陣發(fā)電功率10MW，通過DC-AC變換器變?yōu)?00kV（10kHz）的三相交流電，進(jìn)入15km的主傳輸母線傳輸接入發(fā)射天線陣。在接入端進(jìn)行一次降壓變換，將電壓降為10kV，在微波源再進(jìn)行一次AC-DC的降壓變換，產(chǎn)生80V直流電用于微波源供電。對于這樣的一個(gè)電力傳輸管理系統(tǒng)，總質(zhì)量將超過8 000t，其中電壓變換器所占質(zhì)量超過75%，電纜質(zhì)量約占25%。

圖5  太陽塔空間太陽能電站發(fā)電及電力傳輸框圖

1.3.3  多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽能電站

2014年，中國空間技術(shù)研究院提出了一種新型的電站方案，稱為多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽能電站（Multiple Rotation Joint-Space-Power Station, MR-SPS），其核心是采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將太陽電池陣拆分為多個(gè)電池子陣，每個(gè)子陣通過兩個(gè)導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行電力傳輸，解決了傳統(tǒng)平臺(tái)式電站的極大功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和單點(diǎn)失效問題。根據(jù)該方案的構(gòu)型特點(diǎn)以及微波源的供電需求，整個(gè)電力傳輸與管理設(shè)計(jì)為分布式+集中式的混合電力傳輸與管理方式[17]。

每一個(gè)高壓太陽電池陣模塊輸出電壓為500V，12個(gè)太陽電池陣模塊的電能經(jīng)過一次升壓變換提升至5 000V，通過電池子陣的兩個(gè)導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)傳輸?shù)街鹘Y(jié)構(gòu)。50個(gè)太陽電池子陣對應(yīng)的100路輸出電力經(jīng)過二次升壓變換（20kV）后通過安裝在主結(jié)構(gòu)桁架上的電纜進(jìn)行匯集接入電力傳輸主母線，并通過兩個(gè)輸入端口輸入到微波發(fā)射天線部分。

微波發(fā)射天線的輸入電功率再根據(jù)微波源的供電需求再次進(jìn)行變換和分配。主要的發(fā)電功率用于微波發(fā)射，部分功率用于電站服務(wù)系統(tǒng)設(shè)備（安裝于太陽電池陣、主結(jié)構(gòu)和微波發(fā)射天線）的供電，同時(shí)也通過蓄電池儲(chǔ)存部分電力用于陰影期服務(wù)系統(tǒng)設(shè)備的供電。

2  空間高壓電力傳輸與管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、材料與器件

2.1  關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1  空間高壓大功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)技術(shù)

空間高壓大功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的技術(shù)能力是影響高壓大功率航天器設(shè)計(jì)的核心要素之一。傳統(tǒng)的滑動(dòng)式導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由于滑動(dòng)摩擦存在磨屑積累、接觸電阻相對較高、摩擦力矩大等固有缺陷，已成為制約大功率、長壽命航天器的主要瓶頸之一。而具備低損耗、高傳輸功率、高速度穩(wěn)定性和長壽命優(yōu)點(diǎn)的滾環(huán)式導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)成為發(fā)展超高功率航天器的核心技術(shù)之一。滾環(huán)式導(dǎo)電關(guān)節(jié)如圖6所示。

圖6  滾環(huán)式導(dǎo)電關(guān)節(jié)

高精度滾環(huán)式導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、低損耗長壽命摩擦副技術(shù)、高壓絕緣與防護(hù)和高功率密度的散熱問題成為發(fā)展百千瓦及以上功率滾環(huán)式導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)需要重點(diǎn)突破的關(guān)鍵技術(shù)[22,23]。

2.1.2  空間高壓大功率電力變換技術(shù)

發(fā)展高壓、高效、大電壓比、輕量化和高功率密度的電力變換技術(shù)是實(shí)現(xiàn)空間高壓電力傳輸與管理的基礎(chǔ)，需要從電力變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、新型材料和器件、優(yōu)化控制等方面開展研究。

首先，要基于空間高壓大功率變換需求提出適合于空間環(huán)境的高效、大電壓比、輕量化、高可靠電力變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，發(fā)展多電平電路拓?fù)?，通過多個(gè)低壓功率單元的串聯(lián)組合實(shí)現(xiàn)高壓大功率輸出；在器件層面，要應(yīng)用新一代寬禁帶功率器件，提升單個(gè)器件的性能指標(biāo)，同時(shí)積極發(fā)展器件組合技術(shù)，確保器件或器件組合模塊具有足夠的能量變換能力；在控制層面，同時(shí)針對變換器的上層系統(tǒng)控制和底層功率脈沖控制開展研究，從不同時(shí)間尺度上確保其能量流的合理優(yōu)化控制；同時(shí)要研究電力電子變換中的瞬態(tài)能量變換規(guī)律，通過對系統(tǒng)中的瞬態(tài)能量平衡關(guān)系進(jìn)行合理的控制和優(yōu)化，提高變換器的可靠性、效率以及電磁兼容能力。

2.1.3  空間高壓直流斷路技術(shù)

高壓電力傳輸與管理系統(tǒng)發(fā)生局部短路后必須快速限流，并迅速切斷故障，否則電流快速增加會(huì)導(dǎo)致傳輸電纜和電力管理設(shè)備的損壞，如不及時(shí)切斷故障點(diǎn)將引起整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。由于直流系統(tǒng)中不存在自然過零點(diǎn)，開斷直流電路要困難許多，因此在地面電力系統(tǒng)中，高壓大功率直流斷路器也是一個(gè)重要的技術(shù)難題[24]。

而對于空間應(yīng)用，不僅要求開斷速度快，而且要適應(yīng)空間惡劣的溫度和輻射環(huán)境，還要滿足質(zhì)量、體積等限制和壽命長的要求，這對空間高壓大功率直流限流斷路技術(shù)提出了很大的挑戰(zhàn)，基于電力電子器件的直流固態(tài)斷路技術(shù)和混合式直流開斷技術(shù)是未來的重點(diǎn)發(fā)展方向。

2.1.4  空間高溫超導(dǎo)電力傳輸技術(shù)

超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用對于解決大功率電力的遠(yuǎn)距離傳輸具有重要的意義，可以大幅降低電壓、增加輸電電流密度、降低電力損耗。地面應(yīng)用的超導(dǎo)電力傳輸材料的臨界溫度在100K左右，超過液氮溫區(qū)。圖7為一種高溫超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)示意圖。雖然空間背景溫度很低，但要維持100K的超低溫，必須采用主動(dòng)制冷的方式，這對于超導(dǎo)輸電技術(shù)在空間的應(yīng)用是一個(gè)極大的技術(shù)難題[25,26]。

因此，空間高溫超導(dǎo)電力傳輸技術(shù)的核心在于臨界溫度的突破，應(yīng)當(dāng)達(dá)到200K以上，通過被動(dòng)散熱的方式即可實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。同時(shí)，實(shí)用化高溫超導(dǎo)材料還需要解決工程臨界電流、力學(xué)性能、磁場性能等重要問題，因此空間高溫超導(dǎo)電力傳輸技術(shù)的發(fā)展需要從改善已有超導(dǎo)材料或制備新超導(dǎo)材料的理論基礎(chǔ)上取得重大突破。

圖7  一種高溫超導(dǎo)電纜

2.1.5  空間高精度電力傳感和測量技術(shù)

高精度電力參數(shù)的準(zhǔn)確、快速測量和傳遞對于整個(gè)電力系統(tǒng)的管理、控制和安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要，高壓大功率電力系統(tǒng)不僅在測量范圍和測量準(zhǔn)確度方面提出更高的要求，而且對涉及故障診斷與隔離的關(guān)鍵測量設(shè)備提出了定期在軌校準(zhǔn)的需求。

針對高壓大功率的電力參數(shù)測量需求，需要發(fā)展新型的適合空間應(yīng)用的高電壓、大電流等的測量技術(shù)。由于空間高壓電力傳輸與管理系統(tǒng)將采用新型的器件和設(shè)備，如IGBT、IGCT、直流斷路器、高壓電纜等，在運(yùn)行中受到電、熱、機(jī)械、環(huán)境等各種因素的作用，會(huì)造成性能惡化，需要開展容性設(shè)備介質(zhì)損耗及泄漏電流監(jiān)測、局部放電等在線監(jiān)測。

2.2  關(guān)鍵材料與器件

2.2.1  輕型高電導(dǎo)率導(dǎo)電材料

隨著空間大功率發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展，特別對于需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離電力傳輸?shù)膱龊?，傳輸電纜的質(zhì)量在整個(gè)電力傳輸管理系統(tǒng)中所占的比重大大增加。通過提高電壓，可以較大幅度地減小電纜的質(zhì)量，但由于高壓會(huì)帶來新的風(fēng)險(xiǎn)，在超導(dǎo)電力傳輸技術(shù)難以應(yīng)用的情況下，發(fā)展新型的碳基超輕高電導(dǎo)率材料成為解決大電流傳輸中導(dǎo)電線纜重量和損耗問題的一個(gè)重要方向。

2.2.2  新型電纜絕緣介質(zhì)材料

目前的空間電纜絕緣介質(zhì)材料主要采用聚四氟乙烯及其共聚物，工作電壓不超過200V。具有較好的絕緣性能和空間環(huán)境適應(yīng)性。未來高壓大功率傳輸電纜的工作電壓可能達(dá)到1kV甚至10kV以上，在高壓導(dǎo)體和空間高能電子的共同作用下，絕緣介質(zhì)材料內(nèi)部極易形成空間電荷聚集，從而使周圍電場發(fā)生畸變，導(dǎo)致材料老化、局部放電甚至擊穿。因此急需發(fā)展新型的抗輻射的高壓絕緣材料，同時(shí)應(yīng)具有優(yōu)良的韌性和高低溫性能，且密度要低。

2.2.3  寬禁帶功率半導(dǎo)體器件

空間高壓大功率電壓變換和功率調(diào)節(jié)急需新型的空間環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的高壓大功率電力電子器件的支持，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，硅固有的物理屬性限制了其在高頻高功率器件方面的應(yīng)用。以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料由于具有寬帶隙、高飽和漂移速度、高臨界擊穿電場等突出優(yōu)點(diǎn)[27]，成為制造大功率、高頻、高溫及抗輻照電力電子器件的理想替代材料。

3  空間高壓大功率電力系統(tǒng)輻射問題

3.1  影響空間高壓大功率電力系統(tǒng)的輻射環(huán)境

宇宙空間存在著多種輻射，對應(yīng)的輻射環(huán)境隨著航天器運(yùn)行軌道不同有較大的差異，總體上具有較大影響的環(huán)境因素包括帶電粒子和高能光子兩大類。帶電粒子主要來源于地球輻射帶、太陽宇宙射線和銀河宇宙射線，主要成分為電子、質(zhì)子和少量重離子[28,29]。高能帶電粒子對于材料的電離作用會(huì)對材料和器件的性能產(chǎn)生重要影響。同時(shí)，高能粒子會(huì)通過碰撞使原子核（或離子）偏離正常的晶格位置，造成器件的位移損傷，特別對于光電器件影響較大。

另一方面，帶電粒子在材料表面和內(nèi)部的沉積將造成電荷的累積，會(huì)引起局部的充電和放電。高能光子（包括紫外線、X射線和γ射線等）主要來源于太陽輻射，也包括少量來自于宇宙輻射以及地球大氣的散射、反射，對航天器材料影響最為嚴(yán)重的是紫外輻射，會(huì)造成材料的化學(xué)鍵斷裂，從而使材料性能下降。對于空間超高壓大功率電力系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大影響的主要輻射環(huán)境因素見表1。

表1  主要輻射環(huán)境因素

3.2  空間高壓大功率電力系統(tǒng)的輻射影響分析

空間輻射環(huán)境對于高壓供電系統(tǒng)的影響主要包括兩個(gè)方面。一方面，空間輻射環(huán)境對于高壓電力電子器件、絕緣材料等產(chǎn)生輻射效應(yīng)，將大幅降低相關(guān)半導(dǎo)體器件和材料的性能，引起器件失效和絕緣性能下將，大幅降低系統(tǒng)壽命。

另一方面，高壓部件的靜電放電問題將更為復(fù)雜和突出，主要體現(xiàn)在：①隨著太陽電池陣母線電壓的提高，電池陣表面充電極易引發(fā)二次放電，從而造成重大影響；②在高壓電力傳輸與空間帶電環(huán)境的雙重作用下，電纜介質(zhì)材料中的電荷累積過程變得更加復(fù)雜，對于電纜的絕緣性能將產(chǎn)生重要的影響，極易引發(fā)放電甚至擊穿；③隨著工作電壓的升高，高壓大功率電力變換設(shè)備和機(jī)電部件等的深層充電和放電所引發(fā)的二次放電問題也更加突出?？臻g輻射環(huán)境帶來的輻射損傷效應(yīng)如圖8所示[30]。

圖8  航天器在軌輻射效應(yīng)

3.2.1  太陽能電池性能衰減

航天器的太陽電池陣完全暴露于空間環(huán)境中，所處的環(huán)境最為惡劣。在眾多的空間環(huán)境因素中，帶電粒子輻射是引起太陽電池陣性能衰減的主要因素。引起太陽電池性能衰減和壽命降低的主要原因是空間高能粒子的電離總劑量效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)。其中總劑量效應(yīng)為由于材料吸收高能帶電粒子而導(dǎo)致材料中的原子發(fā)生電離，當(dāng)累積到一定劑量時(shí)將嚴(yán)重影響材料的電學(xué)特性，從而導(dǎo)致器件性能的降低甚至失效。

位移損傷效應(yīng)則為高能粒子直接沖擊原子核，將原子核從正常晶格位置彈開，使晶格原子發(fā)生移位，從而形成大量的空位、填隙原子和絡(luò)合物等晶格缺陷，成為俘獲少數(shù)載流子的陷阱，陷阱的數(shù)量越多，少數(shù)載流子的壽命越低，造成電池電學(xué)性能退化，是太陽電池輻照損傷的主要原  因[31,32]。

3.2.2  電力電子器件的性能損傷

高壓大功率變換和調(diào)節(jié)設(shè)備是空間超高壓大功率電力系統(tǒng)的重要組成部分，主要由各種半導(dǎo)體電力電子器件組成，包括功率開關(guān)器件、集成控制器、肖特基二極管和光電耦合器等。地面大功率電力電子技術(shù)發(fā)展比較成熟，但由于空間環(huán)境的輻射影響，大功率電力電子器件的利用受到很大的限制。

電力電子器件的主要輻射損傷效應(yīng)包括電離總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)。MOSFET器件對于總劑量效應(yīng)特別敏感，表現(xiàn)為閾值電壓漂移、跨導(dǎo)退化、漏電流增加和開啟電阻增大等，這些參量的退化使電力變換器轉(zhuǎn)換效率降低。

光電耦合器由于總劑量輻射效應(yīng)導(dǎo)致電流傳輸比逐漸減小。而受高能帶電粒子輻射的影響，電路中的鎖存器或存儲(chǔ)器等半導(dǎo)體器件會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)、鎖定或閉鎖，產(chǎn)生單粒子效應(yīng)，一般不會(huì)對電路硬件產(chǎn)生直接的破壞，但會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)紊亂、失效，電力變換器中的PWM控制芯片尤其易受單粒子效應(yīng)的影響，導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定甚至造成PWM控制器損壞，而錯(cuò)誤的驅(qū)動(dòng)脈沖在大功率變換裝置中會(huì)導(dǎo)致橋臂直通等致命性后果[33-35]。

3.2.3  絕緣材料的性能劣化

空間電力系統(tǒng)的絕緣材料包括暴露于星體外的電力傳輸電纜以及高壓電力變換設(shè)備和機(jī)電部件內(nèi)部的絕緣介質(zhì)，空間輻射環(huán)境對于絕緣材料的影響主要包括兩個(gè)方面：

（1）由于紫外輻射引發(fā)星外電纜絕緣材料的表面化學(xué)老化，在低溫下會(huì)發(fā)生表面脆化、產(chǎn)生微裂紋，微裂紋將導(dǎo)致絕緣體表面裂紋擴(kuò)展，發(fā)生真空放電和電擊穿。其主要原因在于絕緣材料長時(shí)間處于紫外射線環(huán)境下，射線輻照造成高分子材料發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)，高分子材料內(nèi)部產(chǎn)生大量強(qiáng)極性自由基，這些極性自由基重新結(jié)合后形成分子鏈的交聯(lián)及其他多種小分子，改變了高分子材料的成分和結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電纜絕緣材料的物理和化學(xué)性能發(fā)生改變，最終引起絕緣和電氣性能的下降[36]。

（2）對于傳輸電纜和設(shè)備內(nèi)容的絕緣介質(zhì)，高能空間帶電粒子會(huì)穿過電纜表面以及設(shè)備殼體，在絕緣介質(zhì)材料內(nèi)部形成電荷積累，積累的位置和程度與高能電子的能量和密度分布有關(guān)。同時(shí)高壓導(dǎo)體也會(huì)將電荷注入絕緣材料內(nèi)部，對于kV以上的高電壓環(huán)境，此因素將對絕緣材料內(nèi)部的空間電荷分布起到重要影響?？臻g電荷的聚集會(huì)使電介質(zhì)周圍電場發(fā)生畸變，使材料內(nèi)部能量分布失衡從而導(dǎo)致材料老化，是導(dǎo)致絕緣材料局部放電甚至擊穿的主要原因。

3.2.4  靜電放電引起高壓大功率部件二次放電問題

由于空間輻射環(huán)境而導(dǎo)致的航天器表面充電和深層介質(zhì)充電會(huì)造成航天器表面與周圍空間環(huán)境或航天器不同部件之間出現(xiàn)較大的電位差，當(dāng)電位差達(dá)到一定量級時(shí)，會(huì)產(chǎn)生靜電放電，稱為一次放電。一次放電能量較小，一般不會(huì)對于材料或設(shè)備造成致命性影響。

但是對于高壓大功率部件，如太陽電池陣、太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、高壓電力變換設(shè)備等，一次放電可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低氣壓的等離子體導(dǎo)電通道，從而使得高壓正、負(fù)電極間直接導(dǎo)通，發(fā)生短路，由于電流很大，使得通道附近的材料熱解、熔化，進(jìn)而造成部件局部或整體破壞。二次放電問題對于高壓太陽電池陣尤為重要，曾引發(fā)多起航天器重大事故。高壓太陽陣串間的高電位差和表面靜電放電是引起二次放電的必要條件。其典型過程如下：

（1）在空間等離子體環(huán)境中，由于表面充電，在高壓太陽陣表面由互連片、蓋片和膠組成的區(qū)域產(chǎn)生靜電放電事件。

（2）靜電放電在放電位置產(chǎn)生區(qū)域性的高密度等離子體環(huán)境。

（3）當(dāng)高壓太陽陣串間電勢差高于二次放電電壓閾值時(shí)，電池電路高低電位之間通過高密度等離子體通路發(fā)生導(dǎo)通，產(chǎn)生二次放電。

二次放電效應(yīng)是影響大功率電力系統(tǒng)在軌安全運(yùn)行的最重要因素之一，將引發(fā)航天器出現(xiàn)嚴(yán)重故障，甚至直接導(dǎo)致航天器徹底失效[37-42]。

3.3  空間高壓大功率電力系統(tǒng)的輻射防護(hù)需求

3.3.1  高壓太陽電池陣輻射防護(hù)需求

高壓太陽電池陣輻射防護(hù)需求主要包括太陽電池的輻射防護(hù)和高壓電池陣的放電防護(hù)兩個(gè)方面。未來的高壓太陽電池陣的優(yōu)選方向是基于薄膜砷化鎵電池的薄膜太陽電池陣，其外觀如圖9所示。該設(shè)計(jì)思路對于電池陣的輻射防護(hù)提出很高的要求。

首先，需要解決薄膜太陽電池的防輻射性能衰減問題，可以考慮開發(fā)新型的超輕的防護(hù)薄膜以取代傳統(tǒng)的玻璃蓋片以及開發(fā)新型的薄膜砷化鎵電池。此外，為了降低電池陣電纜的質(zhì)量以及電力變換設(shè)備的電壓比，對于超大功率太陽電池陣的供電電壓需要達(dá)到400V以上[43-45]。針對高壓電池陣的放電防護(hù)，一般采用的防護(hù)手段包括降低相鄰電池片間的電壓、電池片間隙注膠、減小電池串電流等[46]，但以上方法均不適用于輕量化的薄膜大功率高壓電池陣，需要從薄膜高壓電池陣的特點(diǎn)出發(fā)，提出新的解決方案。

圖9  砷化鎵太陽電池

3.3.2  高壓大功率傳輸電纜的輻射防護(hù)需求

未來的高壓大功率傳輸電纜的工作電壓應(yīng)達(dá)到1kV甚至10kV以上，其輻射防護(hù)需求主要是提高絕緣介質(zhì)的防輻射性能，減少或優(yōu)化空間電荷的積累，延緩老化，提高壽命。目前主要的研究思路是在電纜絕緣中加入無機(jī)納米氧化物來抑制電纜絕緣中的空間電荷[47,48]。

其中一個(gè)重要的研究方向是開發(fā)具有非線性電導(dǎo)特性的材料，既保證正常工作下的高絕緣性能，又能在高帶電情況下以暫態(tài)高電導(dǎo)釋放掉危險(xiǎn)靜電荷[49-52]。目前該方法已將鐵氟龍（Polytetrafluoro Ethylene, PTFE）的非線性電導(dǎo)閾值從25kV/mm下降至7kV/mm，遠(yuǎn)低于材料的擊穿強(qiáng)度。該方法對于高壓傳輸電纜可能會(huì)造成較大的損耗，需要進(jìn)行深入研究。

3.3.3  導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的絕緣防護(hù)需求

太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（Solar Array Drive Assembly, SADA）是航天器上關(guān)鍵的單點(diǎn)失效環(huán)節(jié)，發(fā)生事故對于衛(wèi)星是致命的。其絕緣防護(hù)的重點(diǎn)是在正、負(fù)環(huán)間不發(fā)生致命性的放電短路。目前的地面試驗(yàn)表明表面充放電未對設(shè)計(jì)合理的SADA正常工作造成明顯影響[43]。但隨著傳輸功率達(dá)到百千瓦以上、電壓達(dá)到千伏以上，所帶來的絕緣要求將大大提升，需要特別關(guān)注絕緣介質(zhì)的深層充電帶來的破壞性放電的產(chǎn)生。

3.3.4  高壓大功率電力管理設(shè)備輻射防護(hù)需求

高壓大功率電力管理設(shè)備的輻射防護(hù)需要從器件和電路的抗輻射加固以及高壓絕緣防護(hù)幾方面考慮。器件抗輻射加固的重點(diǎn)是考慮新型的SiC、GaN器件，采用新型的封裝材料，并從器件的設(shè)計(jì)和工藝上采取措施進(jìn)行加固，盡量減小出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)和鎖定，杜絕出現(xiàn)單粒子燒毀。

基于器件可能出現(xiàn)的單粒子事件進(jìn)行分析，從電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)上采用抗干擾技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)、簡編技術(shù)等保護(hù)措施以及硬件和軟件的數(shù)據(jù)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)等措施，把單粒子效應(yīng)所造成的影響降到最低，防止其產(chǎn)生重大危害。高壓絕緣防護(hù)一方面要通過增加整個(gè)設(shè)備的屏蔽，減小絕緣介質(zhì)的深層充電；另一方面也要研究采用材料改性的方式來抑制空間電荷的積累，并要從設(shè)計(jì)和工藝上防止發(fā)生二次放電的風(fēng)險(xiǎn)[53-58]。