CELLS WHOLENESS INSPECTION FOR SOLAR ARRAY USED ON PERSPECTIVE SPACECRAFTS

全文:

Введение. Система электропитания (СЭП) косми- ческого аппарата (КА) является одной из основных его систем, обеспечивающих функционирование и выполнение целевых задач. Мощность СЭП обеспе- чивает энерговооруженность космического аппарата [1]. Структурно СЭП состоит из первичных, вторич- ных источников энергии, контролирующей и преоб- разующей аппаратуры. Солнечная батарея (БС) явля- ется первичным источником энергии. Ресурс КА во многом определен ресурсом БС [2-3]. БС КА подвержена ресурсной деградации, в ре- зультате чего энерговооруженность КА снижается. Деградация БС закладывается в расчете при проекти- ровании, с обеспечением необходимой выходной мощности в конце срока активного существования (САС). Для обеспечения расчетного изменения мощ- ности параметры БС должны соответствовать заяв- ленным в техническом задании параметрам. Проверка параметров БС производится на заводе-изготовителе КА (АО «ИСС»). Применяемыми в настоящий момент методами являются метод визуального осмотра и ме- тод измерения вольт-амперной характеристики (ВАХ) БС при импульсном освещении [4; 5]. Специфика фотопреобразователей. Основным структурным элементом БС является фотопреобразо- ватель (ФП). ФП осуществляет преобразование энер- гии света в электрическую энергию. С целью увели- чения эффективности работы БС в настоящее время в АО «ИСС» практически полностью осуществлен переход на трехкаскадные арсенид-галиевые фото- преобразователи (ФПЗП) на основе структуры GaInP/GaInAs/Ge [6-9]. Спецификой ФПЗП является их малая толщина и хрупкость. В результате ФПЗП имеют низкую стой- кость к внешним механическим воздействиям с обра- зованием трещин. Трещины в ФПЗП приводят к сни- жению его мощности и, как следствие, к снижению мощности БС в целом. Кроме того, проведенные ис- следования и анализ телеметрической информации большого числа КА показывают, что наличие повре- ждений ФП может явиться причиной выхода из строя рядом расположенных исправных ФП, что еще более ухудшает ситуацию [10; 11]. По проведенным оценкам не определяется по- рядка 0,1 % скрытых трещин в пластинах ФПЗП [10]. а б Рис. 1. Съем мощности с ФПЗП Fig. 1. Removal of power from cells а б в г Рис. 2. Уменьшение эффективной площади ФПЗП при наличии трещин в пластине ФПЗП Fig. 2. Reduction of the effective area of cells in the presence of cracks in the plate cells Усугубляет ситуацию тот факт, что в настоящее время применяются ФПЗП без байпасной токосбор- ной ресницы (ФПЗП производства АО «НПП «Квант» и ФПЗП производства ПАО «Сатурн»), в результате чего при наличии трещины любого вида происходит потеря снимаемой мощности с каждого ФПЗП. На рис. 1, а представлена ФПЗП с байпасной токосбор- ной ресницей, на рис. 1, б - без нее соответственно, стрелками указывается принцип съёма энергии. При наличии байпасной токосборной ресницы даже при наличии трещины в пластине ФПЗП съем энергии осуществляется практически полностью. Оценка потери эффективной области ФПЗП при наличии трещин составляет в среднем 25 % для раз- личных вариантов трещин. На рис. 2 представлены ФПЗП с трещинами различного вида, с заштрихован- ных областей не происходит съём мощности [12]. Причинами возникновения трещин ФПЗП на уча- стке выведения и при штатной эксплуатации являют- ся следующие: а) механические нагрузки от работы ракетоноси- теля и разгонного блока; б) факторы космического пространства (микрометеориты). Достаточность механической стойкости БС с ФПЗП в своем составе на участке выведения и в про- цессе летной эксплуатации подтверждается комплек- сом наземной отработки и опытом эксплуатации из- делий-аналогов. Причинами возникновения трещин ФПЗП при из- готовлении и наземной эксплуатации является сле- дующие: а) несанкционированные механические воздейст- вия при сборочных операциях, транспортировке и наземной эксплуатации; б) наличие концентраторов механических напря- жений в ФПЗП; в) термомеханические воздействия на ФПЗП при проведении сварки коммутационных шин к контакт- ным площадкам; г) термовакуумное воздействие при технологиче- ских дегазации и термоциклировании. Мерами по обеспечению требуемых характеристик в процессе наземной эксплуатации являются различ- ные виды контроля состояния БС в целом и ФПЗП в частности. С увеличением САС КА разработки и изготовления АО «ИСС» до 15 лет повышение каче- ства контроля солнечных батарей особенно актуально. Применяемые методы контроля качества БС. В настоящее время техническое состояние солнечных батарей оценивают, в основном, методом визуального контроля и методом измерения световой ВАХ. 1. Метод визуального контроля. Метод визуаль- ного контроля проводится оператором в два этапа. Первый этап заключается в осмотре механической конструкции БС и ФГЧ. При этом оператор руково- дствуется перечнем внешних дефектов. К основным внешним дефектам относятся: - трещины в ФПЗП; - трещины в защитных стеклах ФПЗП; - нарушение паяных соединений в монтаже БС; - пыль, грязь, краска на поверхности панели; - механические повреждения на конструкции каркасов; - наличие трещин на изоляторах соединителей; - повреждение резьбы соединителей; - повреждение струн, каркаса; - отрыв держателей; - лучевые трещины на лицевых и тыльных стек- лах ФПЗП; - воздушные пузыри между стеклом и ФПЗП диаметром более 10 мм; - обрывы токоотводов модулей шунтирующих и модулей развязывающих; - трещины на лицевых стеклах диодных блоков; - лучевые трещины на тыльных стеклах диодных блоков. Производительность первого этапа визуального контроля оценивается 10 мин/м2 (время осмотра 1 м2 БС). Второй этап состоит в определении типа трещин: трещины защитных стекол или трещины в ФПЗП. Данный этап заключается в осмотре лицевой поверх- ности поврежденного ФПЗП при его освещении лам- пой накаливания с тыльной стороны. При этом нали- чие видимого просвета означает трещину в пластине ФПЗП. Отсутствие просвета говорит о наличии тре- щины стекла. На рис. 3 представлена фотография, полученная при освещении тыльной стороны ФПЗП галогеновой лампой мощностью 20 Вт. Видимый просвет указыва- ет на наличие трещины пластины ФПЗП. Качество визуального осмотра определяется ква- лификацией оператора и в любом случае не обеспечи- вает выявление скрытых трещин, проявляющих себя при штатной эксплуатации. Согласно проведенной оценке, трещины в пластине ФПЗП не всегда могут быть определены на просвет. В среднем, не определя- ется 0,1 % скрытых трещин (процент числа ФПЗП со скрытыми трещинами от общего числа ФПЗП) [13]. Достоинства метода заключаются в простоте его проведения и отсутствии необходимости в закупке дорогостоящего оборудования. Недостатками метода являются его субъектив- ность и невозможность обнаружения скрытых трещин пластины ФПЗП. Рис. 3. Трещина ФПЗП, определенная визуальным методом Fig. 3. Cell crack, determined by a visual method 2. Метод измерения световой вольт-амперной ха- рактеристики. После проведения визуального осмотра проводятся измерения ВАХ БС путем засветки пане- лей БС. Метод основывается на измерении значения величин тока и напряжения на подключенной нагруз- ке к БС при изменении сопротивления нагрузки за время светового импульса. Метод дает интегральную оценку текущего технического состояния солнечных батарей. Достоинством метода является то, что он позволя- ет с высокой достоверностью определять наличие крупных дефектов. Недостатком метода является не- возможность локализации дефектов, невозможность обнаружения небольших дефектов. Снятые характе- ристики сильно зависят от расположения осветителя и от величины светового потока. Для проведения метода необходима точная ориентация осветителя и БС [13]. 3. Метод люминесценции при протекании прямо- го тока. При обнаружении несоответствия заявленной ВАХ измеренной и одновременном отсутствии види- мых дефектов ФПЗП дополнительно может приме- няться метод люминесценции ФПЗП при прохожде- нии прямого тока (рис. 4). Метод заключается в визу- альном осмотре ФПЗП, люминесцирующих при про- хождении через них прямого тока от внешнего источ- ника питания. Источник питания подключают к эле- ментарному генератору (ЭГ) БС в обход развязываю- щего устройства (РУ). Время прохождения тока огра- ничивают несколькими секундами (для недопущения перегрева ФПЗП). При отсутствии фототока ФПЗП работает на прямой ветви ВАХ в первом квадранте. Протекающий прямой ток вызывает люминесценцию фотопреобразователя. По визуальной картине свече- ния определяют наличие дефектов в ФПЗП. О наличии трещины ФПЗП говорит резкая граница люми- несцирующей и темной областей. Достоинства метода заключаются в том, что он по- зволяет локализировать дефекты типа «скрытые тре- щины» ФПЗП и определяет отсутствие контакта в ЭГ. Недостатком метода является то, что его проведе- ние должно осуществляться только высококвалифи- цированными специалистами (в АО «ИСС» данную работу проводят разработчики БС). При реализации метода существует риск повреждения БС. Описание предлагаемого метода контроля ка- чества БС. Необходим метод, который бы позволял локализовать дефектный ФП и не требовал непосред- ственного подключения к БС, т. е. бесконтактный метод [14; 15]. Разрабатываемый метод должен удовлетворять следующим критериям: 1) невысокая стоимость устройства; 2) безопасность применения для персонала; 3) безопасность применения для солнечной батареи; 4) определение скрытых дефектов ФП; 5) возможность ведения протоколирования, запи- си объективных данных о каждом ФП; 6) возможность введения автоматизации процесса проверки; 7) возможность применения на всех стадиях про- изводства. Для нахождения подобного метода были проведен патентный поиск, рассмотрены различные сущест- вующие методы, позволяющие определить трещины ФП. Суть предлагаемого метода заключается в том, что при облучении ФП лазерным излучением с длиной волны 0,40-0,55 мкм (область зеленого спектра) воз- никает люминесценция, и ФП излучает свет в красной области спектра. Причем люминесценция возникает как в освещенной лазером части ФП, так и в неосве- щенной (рис. 5). Рис. 4. Применение метода люминесценции ФПЗП Fig. 4. Application of the luminescence cell method Рис. 5. Люминесцирующая и нелюминесцирующая области при наличии трещины ФП Fig. 5. Luminescent and non-luminescent areas in the presence of an cell crack В АО «ИСС» проводился эксперимент по автома- тизированному контролю ФП БС на стенде, изготов- ленном в рамках технического задания на выполнение составной части опытно-конструкторской работы по теме «Разработка промышленной технологии транс- портирования и входного контроля БС с улучшенны- ми удельными характеристиками», исполнитель ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный аэрокос- мический университет имени академика М. Ф. Решет- нева» (СибГАУ). Стенд имеет движущуюся платформу, способную двигаться вдоль БС как по вертикали, так и по гори- зонтали (рис. 6). На платформе установлены фотока- мера и лазер, который излучает свет в зеленой части спектра. Когда платформа устанавливается напротив проверяемого ФП, включается лазер, луч от которого направлен на ФП. Под воздействием лазера возникает фотолюминесценция, и поверхность ФП излучает свет в красной области спектра. Излучение фиксиру- ется фотокамерой для измерения интенсивности спек- тра люминесценции ФП с помощью программного обеспечения (ПО). Далее, с помощью ПО сравнивают эту величину с величиной интенсивности спектра люминесценции, полученной заранее при тестировании эталонного ФП и записанной в памяти компьютера. На рис. 7 представлен фотоснимок целого ФП без воздействия лазерного излучения. Рис. 6. Стенд для проверки БС Fig. 6. Stand to check the SA Рис. 7. Фотоснимок целого ФП Fig. 7. Photograph of the whole cell На рис. 8 представлен фотоснимок ФП под воз- действием лазерного излучения. Как видно, ФП не имеет трещин, интенсивность люминесценции близка к эталонной. Рис. 8. Фотоснимок ФП под действием лазера Fig. 8. Photograph of cell by laser ФП с трещинами под воздействием лазера показан на рис. 9. Как видно, у такого ФП можно наблюдать люминесцирующие области и области, где люминес- ценция не происходит. Данный метод позволяет оце- нить целостность ФП. Рис. 9. Фотоснимок разбитого ФП под действием лазера Fig. 9. Photograph of broken cell under the action of laser Заключение. Рассмотрены применяемые в на- стоящий момент методы контроля качества ФП БС, а также описаны их достоинства и недостатки. Разра- ботан новый метод контроля состояния солнечной батареи, позволяющий определять скрытые трещины в пластинах фотопреобразователей - метод люминес- ценции под действием оптического возбуждения. Определены требования к аппаратному составу раз- работанного метода. Проведена успешная апробация метода. Установка на основе метода фотоэлектролюми- несценции позволяет: - бесконтактно определить наличие дефектов ФП; - определить скрытые трещины; - снизить влияние человеческого фактора.

作者简介

E. Vorontsova

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology; JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”

Email: jenvoroncova@gmail.com
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation; 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

M. Lukyanenko

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

P. Kryuchkov

JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”; National Research Tomsk Polytechnic University

52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation; 30, Lenin Av., Tomsk, 634050, Russian Federation

参考

补充文件