- 頭條太空輻射威脅航天器關鍵電力部件安全運行，上電學者提出解決方案2022-08-03 作者：周荔丹、閆朝鑫、姚鋼等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語上海電力大學、上海交通大學、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《電工技術學報》上撰文，基于航天器上搭載的分布式電力系統，梳理其可能遭受的各種空間輻射環境及常見的輻射效應，探析系統中太陽電池、鋰電池、電力電子器件、絕緣材料及電能控制器件等關鍵部件在輻射環境下的性能退化與故障激發機理，提出了針對輻射效應作用機理的防輻射應對策略，涵蓋材料、工藝、電路與版圖、外部防護、軟件算法設計、可靠性評估與故障態勢感知等幾個方面，為我國航天器分布式電力系統的抗輻射策略設計提供了一定的技術參考，并對該領域未來的研究重點進行展望。
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、通信和導航衛星等各種航天器需要長時間地在空間環境中運行。加之霍爾、離子和電弧等電力推進技術在通信衛星和深空探測等領域的廣泛應用，航天器上電力負荷的規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以保障穩定的電能供應。
其中包括：①由太陽電池、鋰電池等組成的電源分系統；②由金屬氧化物場效應晶體管（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；③由鎖相環（PLL）、現場可編程門陣列（FPGA）和數字信號處理器（DSP）等控制芯片組成的電能控制分系統等，典型航天器分布式電力系統的拓撲結構如圖1所示。
圖1 航天器分布式電力系統的拓撲結構
地面上分布式電力系統的工作條件較穩定，目前其相關技術已較為成熟，長期連續供電的安全性與可靠性較高。然而航天器上關鍵的電力部件在空間中由于脫離了大氣層的保護，會遭受各種惡劣的輻射環境。由短時的輻射損傷引發的性能退化并不明顯，但輻射劑量的持續累積最終將導致其功能失效、故障激發和器件損毀，進而影響航天器分布式電力系統的安全運行，甚至造成太陽能電站癱瘓、衛星斷電失聯等重大事故。
有學者對1993～2014年國外公開的近6000次在軌航天器故障進行分析統計，航天器上電氣分系統故障占總故障數的30.75%，居故障類型首位。因此，在設計航天器的電力系統時必須考慮到空間輻射環境的影響，根據輻射損傷效應和作用機理對其關鍵部件進行必要的防輻射應對，以提高航天器分布式電力系統在軌工作的安全性與可靠性。
上海電力大學、上海交通大學、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《電工技術學報》上撰文，基于航天器上搭載的分布式電力系統，梳理其可能遭受的各種空間輻射環境及常見的輻射效應，探析系統中太陽電池、鋰電池、電力電子器件、絕緣材料及電能控制器件等關鍵部件在輻射環境下的性能退化與故障激發機理，提出了針對輻射效應作用機理的防輻射應對策略，涵蓋材料、工藝、電路與版圖、外部防護、軟件算法設計、可靠性評估與故障態勢感知等幾個方面，為我國航天器分布式電力系統的抗輻射策略設計提供了一定的技術參考，并對該領域未來的研究重點進行展望。
研究人員指出，從材料內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聯性，可通過外在的宏觀參數辨識，實現對輻照下電力器件微觀缺陷的診斷。具體可采用小波分析、神經網絡、機器學習等人工智能方法，以輻射損傷模型為橋梁，構建理論研究與工程實際緊密結合的可靠性評估與故障態勢感知體系，如圖2所示，且可利用工程實際中的真實環境對理論研究所建立的模型進行驗證與修正。
圖2 可靠性評估與故障態勢感知體系
其基本原理是：首先通過高可靠性傳感器實時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，借助經大量工況樣本訓練后的神經網絡判別器件的運行工況，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的輻射損傷模型，進而得到可以表征器件內部輻射損傷的微觀信號；最后通過處理時間短的機器學習對材料內部的微觀損傷做出快速診斷，為可靠性評估、故障態勢感知、健康管理和壽命預測等提供依據。
他們強調，航天器分布式電力系統在空間輻射環境下的性能退化與故障激發過程是一個多效應耦合的復雜問題，現有的研究大多都僅考慮了單個輻射效應的獨立作用，而缺乏對不同輻射效應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境對航天器電力系統的影響，研究其關鍵部件的微觀輻射損傷與宏觀性能退化之間的內在聯系，并以此建立輻射環境下空間電力系統的功能可靠性評估指標與分析流程，對器件進行實時健康管理與在線壽命預測。
另外，研究人員指出，目前的輻射應對策略主要依賴于屏蔽高能粒子等避錯方法，仍不能有效地保證電力系統的安全可靠性，長期的輻射劑量終將導致各種關鍵電力部件的失效。因此必須構建一套能在輻射環境下快速有效地進行故障態勢感知、隔離、容錯運行以及網絡重構的應急容錯自愈體系，才能有效地保障電力系統在空間輻射環境下的安全穩定運行，為我國的空間探索事業作出貢獻。
本文編自2022年第6期《電工技術學報》，論文標題為“空間輻射環境對航天器分布式電力系統關鍵部件的影響及應對策略”。論文第一作者為周荔丹，1973年生，博士，上海電力大學電氣工程學院副研究員，研究方向為電能質量分析與治理、動態無功補償與有源濾波技術、新能源并網接入技術。通訊作者為姚鋼，1977年生，博士，上海交通大學電子信息與電氣工程學院研究員，研究方向為柔性交流輸電系統FACTS技術、電能質量、新能源并網接入技術、儲能技術。本課題得到了國家自然科學基金和國家重點研發計劃的資助。
