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隨著人類空間探索需求的日益增加，空間太陽能電站、宇宙飛船、空間站、通信和導(dǎo)航衛(wèi)星等各種航天器需要長時(shí)間地在空間環(huán)境中運(yùn)行。加之霍爾、離子和電弧等電力推進(jìn)技術(shù)在通信衛(wèi)星和深空探測等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，航天器上電力負(fù)荷的規(guī)模與重要級別不斷上升，因而需要配置一套可靠性較高的分布式電力系統(tǒng)以保障穩(wěn)定的電能供應(yīng)。

其中包括：①由太陽電池、鋰電池等組成的電源分系統(tǒng)；②由金屬氧化物場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和直流-直流變換器（DC-DC）等電力電子器件、電纜與絕緣材料等組成的功率變換與電力傳輸分系統(tǒng)；③由鎖相環(huán)（PLL）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和數(shù)字信號處理器（DSP）等控制芯片組成的電能控制分系統(tǒng)等，典型航天器分布式電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 航天器分布式電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

地面上分布式電力系統(tǒng)的工作條件較穩(wěn)定，目前其相關(guān)技術(shù)已較為成熟，長期連續(xù)供電的安全性與可靠性較高。然而航天器上關(guān)鍵的電力部件在空間中由于脫離了大氣層的保護(hù)，會遭受各種惡劣的輻射環(huán)境。由短時(shí)的輻射損傷引發(fā)的性能退化并不明顯，但輻射劑量的持續(xù)累積最終將導(dǎo)致其功能失效、故障激發(fā)和器件損毀，進(jìn)而影響航天器分布式電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，甚至造成太陽能電站癱瘓、衛(wèi)星斷電失聯(lián)等重大事故。

有學(xué)者對1993～2014年國外公開的近6000次在軌航天器故障進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，航天器上電氣分系統(tǒng)故障占總故障數(shù)的30.75%，居故障類型首位。因此，在設(shè)計(jì)航天器的電力系統(tǒng)時(shí)必須考慮到空間輻射環(huán)境的影響，根據(jù)輻射損傷效應(yīng)和作用機(jī)理對其關(guān)鍵部件進(jìn)行必要的防輻射應(yīng)對，以提高航天器分布式電力系統(tǒng)在軌工作的安全性與可靠性。

上海電力大學(xué)、上海交通大學(xué)、上海空間電源研究所的研究人員周荔丹、閆朝鑫、姚鋼等人，在2022年第6期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，基于航天器上搭載的分布式電力系統(tǒng)，梳理其可能遭受的各種空間輻射環(huán)境及常見的輻射效應(yīng)，探析系統(tǒng)中太陽電池、鋰電池、電力電子器件、絕緣材料及電能控制器件等關(guān)鍵部件在輻射環(huán)境下的性能退化與故障激發(fā)機(jī)理，提出了針對輻射效應(yīng)作用機(jī)理的防輻射應(yīng)對策略，涵蓋材料、工藝、電路與版圖、外部防護(hù)、軟件算法設(shè)計(jì)、可靠性評估與故障態(tài)勢感知等幾個(gè)方面，為我國航天器分布式電力系統(tǒng)的抗輻射策略設(shè)計(jì)提供了一定的技術(shù)參考，并對該領(lǐng)域未來的研究重點(diǎn)進(jìn)行展望。

研究人員指出，從材料內(nèi)部的微觀輻射損傷到器件外部的宏觀性能退化存在直接或間接的關(guān)聯(lián)性，可通過外在的宏觀參數(shù)辨識，實(shí)現(xiàn)對輻照下電力器件微觀缺陷的診斷。具體可采用小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能方法，以輻射損傷模型為橋梁，構(gòu)建理論研究與工程實(shí)際緊密結(jié)合的可靠性評估與故障態(tài)勢感知體系，如圖2所示，且可利用工程實(shí)際中的真實(shí)環(huán)境對理論研究所建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證與修正。

圖2 可靠性評估與故障態(tài)勢感知體系

其基本原理是：首先通過高可靠性傳感器實(shí)時(shí)采集電力器件的外部宏觀參量，再利用小波包變換提取該信號中的特征向量，借助經(jīng)大量工況樣本訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判別器件的運(yùn)行工況，以避免不同工況下的正常參量變化造成的損傷誤診或漏診；然后將同種工況下的參量變化輸入對應(yīng)的輻射損傷模型，進(jìn)而得到可以表征器件內(nèi)部輻射損傷的微觀信號；最后通過處理時(shí)間短的機(jī)器學(xué)習(xí)對材料內(nèi)部的微觀損傷做出快速診斷，為可靠性評估、故障態(tài)勢感知、健康管理和壽命預(yù)測等提供依據(jù)。

他們強(qiáng)調(diào)，航天器分布式電力系統(tǒng)在空間輻射環(huán)境下的性能退化與故障激發(fā)過程是一個(gè)多效應(yīng)耦合的復(fù)雜問題，現(xiàn)有的研究大多都僅考慮了單個(gè)輻射效應(yīng)的獨(dú)立作用，而缺乏對不同輻射效應(yīng)相互耦合作用的分析。這就需要廣大科研人員探析多輻射耦合環(huán)境對航天器電力系統(tǒng)的影響，研究其關(guān)鍵部件的微觀輻射損傷與宏觀性能退化之間的內(nèi)在聯(lián)系，并以此建立輻射環(huán)境下空間電力系統(tǒng)的功能可靠性評估指標(biāo)與分析流程，對器件進(jìn)行實(shí)時(shí)健康管理與在線壽命預(yù)測。

另外，研究人員指出，目前的輻射應(yīng)對策略主要依賴于屏蔽高能粒子等避錯(cuò)方法，仍不能有效地保證電力系統(tǒng)的安全可靠性，長期的輻射劑量終將導(dǎo)致各種關(guān)鍵電力部件的失效。因此必須構(gòu)建一套能在輻射環(huán)境下快速有效地進(jìn)行故障態(tài)勢感知、隔離、容錯(cuò)運(yùn)行以及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的應(yīng)急容錯(cuò)自愈體系，才能有效地保障電力系統(tǒng)在空間輻射環(huán)境下的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為我國的空間探索事業(yè)作出貢獻(xiàn)。

本文編自2022年第6期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“空間輻射環(huán)境對航天器分布式電力系統(tǒng)關(guān)鍵部件的影響及應(yīng)對策略”。論文第一作者為周荔丹，1973年生，博士，上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院副研究員，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量分析與治理、動態(tài)無功補(bǔ)償與有源濾波技術(shù)、新能源并網(wǎng)接入技術(shù)。通訊作者為姚鋼，1977年生，博士，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院研究員，研究方向?yàn)槿嵝越涣鬏旊娤到y(tǒng)FACTS技術(shù)、電能質(zhì)量、新能源并網(wǎng)接入技術(shù)、儲能技術(shù)。本課題得到了國家自然科學(xué)基金和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。