Criterion of damaging effect caused by secondary arc discharge impact onto high-voltage solar batteries of the spacecraft

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

One problem of space solar power engineering is how to increase the solar batteries (SB) operating voltage up to 100 V and higher. It makes possible to decrease greatly the cabling mass and the mass of voltage transducers, but it can cause secondary arc discharges (SAD) able to destroy SB structure and to decrease SB output power. In the present paper we analyse how to choose criteria of damaging effect caused by secondary arc discharge impact onto SB, which make possible to determine the prevalent impact mechanism, and to estimate permissible number of discharges in each point of the solar battery. In brief, we examine methods for determining experimentally criteria of damaging effect caused by SAD impact to SB.

Full Text

Restricted Access

About the authors

V. V. Valliulin

Moscow Aviation Institute (MAI)

Email: nadiradze@mai.ru
Russian Federation, Moscow

A. B. Nadiradze

Moscow Aviation Institute (MAI)

Author for correspondence.
Email: nadiradze@mai.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Goebel D.M., Filimonova O.S. High Voltage Solar Array Development for Space and Thruster-Plume Plasma Environments // IEEE Transactions on Plasma Science, 2022. V. 50. № 3. P. 721–730. doi: 10.1109/TPS.2022.3147424
  2. Акишин А.И. Снижение мощности солнечных батарей искусственных спутников Земли под воздействием электрических разрядов // Материалы авиационной и космической техники. Перспективные материалы, 2008. № 4. С. 22.
  3. Акишин А.И. Электроразрядные сбои в космических аппаратах в зоне космических излучений // Перспективные материалы, 2010. № 2. С. 27–32.
  4. Ferguson D.C., HiIIard G.B, Vayner B.V., Galofaro J.T., Lyons V. High Voltage Space Solar Arrays. 53rd International Astronautical Congress. The World Space Congress, 2002.
  5. Vayner B.V., Galofaro J.T., Ferguson D.C. Experimental Study of Arcing on High-Voltage Solar Arrays. 17th Space Photovoltaic Research and Technology Conference. Cleveland. Ohio, 2002. P. 16.
  6. Летин В.А., Акишин А.И., Бардина Н.М., Заявлин И.Р., Князев Б.Н., Спиглазов А.М., Тютрин Ю.И., Эвенов Ю.И. Возникновение дугового разряда между участками солнечных батарей в вакууме // Гелиотехника, 1990. № 1. С. 75–76.
  7. Cho M., Kawakita S., Nakamura M., Takahashi M., Sato T., Nozaki Y. Number of Arcs Estimated on Solar Array of a Geostationary Satellite // Journal of Spacecraft and Rockets, 2005. V. 42. № 4. P. 740–748. doi: 10.2514/1.6694
  8. Бабкин Г.В., Гостищев Э.А., Смекалин Л.Ф., Шошин Э.Б., Ягушкин Н.И. Условия возникновения низковольтных электрических дуг между элементами солнечных батарей при радиационной электризации космических аппаратов // Космонавтика и ракетостроение, 2003. Т. 30. № 1. С. 75–83.
  9. Siguier J.-M., Inguimbert V., Murat G., Payan D. Secondary arcing triggered by hypervelocity impacts on solar panel rear side cables with defects – Comparison with laser impacts // IEEE Transactions on Plasma Science. Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2017. V. 45. № 8. P. 1880-1886. doi: 10.1109/TPS.2017.2686602
  10. Акишин А.И. Космическое материаловедение. Методическое и учебное пособие. М: НИИЯФ МГУ, 2007. С. 209.
  11. Мещеряков В.П. Взрывная эрозия сильноточных контактов и электродов. Ульяновск: УлГТУ, 2011.
  12. Tverdokhlebova E.M., Korsun A.G., Garkusha V.I., Strashinsky V.A., Gabdullin F.F., Tverdokhlebov S.O. Influence of Space Propulsions and Plasma Sources on Electric-Discharge Phenomena on the ISS. Proceedings of the 4th International Spacecraft Propulsion Conference (ESA SP-555). Chia Laguna (Cagliari). Sardinia. Italy, 2004.
  13. Tverdokhlebova E.M., Borisov B.G., Korsun A.G., Kozyrev N., Gabdullin F.F. Simulation of near-electrode processes of a electric discharge in the ISS environment. 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, 2006. doi: 10.2514/6.2006-872
  14. Gabdullin F.F., Korsun A.G., Lavrenko E.G., Mitroshin A.S., Tverdokhlebova E.M. The Plasma Plume of the ISS Plasma Contactor Unit under the Effect of the Geomagnetic Field. Presented at the 30th International Electric Propulsion Conference. Florence. Italy, 2007.
  15. Надирадзе А.Б., Шапошников В.В., Максимов И.А., Иванов В.В., Кочура С.Г. Воздействие плазмы электроракетных двигателей на бортовое высоковольтное оборудование. Навигационные спутниковые системы, их роль и значение в жизни современного человека: материалы Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 40-летию запуска на орбиту навигационного КА “Космос-192” и 25-летию запуска первого КА “Глонас”. г. Железногорск. 10–14 октября. 2007 / под общ. ред. Н. А. Тестоедова. Красноярск: Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т, 2007.
  16. Carruth M.R., Vaughn J.A., Bechtel R.T., Gray P.A. Electrical Breakdown of Space Station Freedom Surfaces. 30th AIAA Aerospace Science Meeting and Exhibit. Reno. NV, 1992. P. 1–7.
  17. Горшков О.А., Муравлев В.А., Шагайда А.А. Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов. Москва. Машиностроение, 2008.
  18. Лафферти Дж. [Lafferty J.M.]. Вакуумные дуги / под ред. Дж. Лафферти; пер. с англ. А.В. Елецкого, Е.З. Меплихова, А.А. Радцига; под ред. В.И. Раховского. М.: Мир, 1982. С. 432.
  19. Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. Москва: Наука, 1968.
  20. Месяц Г.А. Эктон – лавина электронов из металла // УФН, 1995. Т. 165. № 6. С. 601–626. doi: 10.3367/UFNr.0165.199506a.0601
  21. ECSS-E-ST-20-06C. Space engineering. Spacecraft charging. ECSS Secretariat ESA-ESTEC Requirements & Standards Division Noordwijk. The Netherlands, 2008.
  22. ISO 11221:2011. Space Systems – Space Solar Panels – Spacecraft Charging Induced Electrostatic Discharge Test Methods.
  23. Okumura T., Ninomiya S., Masui H., Toyoda K., Imaizumi M., Cho M. Solar cell degradation due to ESD for international standardization of solar array ESD test. Proceedings of the 10th Spacecraft Charging Technology Conference, 2007.
  24. Ширковец А.И., Губаев Д.Ф. Математическая модель горения однофазной дуги в изоляции силовых кабелей с графической интерпретацией развития пробоя на основе нелинейного сопротивления дугового канала // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 2012. № 9–10. С. 121–134.
  25. Cho M., Kitamura K., Ose T., Masui H., Toyoda K. Statistical Number of Primary Discharges Required for Solar Array Secondary Arc Tests // Journal of Spacecraft and Rockets, 2009. V. 46. № 2. P. 438-448. doi: 10.2514/1.37798
  26. Gerlach L. Post-Flight Investigation Programmes Of Recently Retrieved Solar Generators. Proceedings of the 13th Space Photovoltaic Researchand Technology Conference (SPRATXlll). NASA Lewis Research Center Cleveland. Ohio, 1994, P. 269–283.
  27. Месяц Г.А., Беренгольц С.А. Механизм генерации аномальных ионов вакуумной дуги // УФН, 2002. Т. 172. № 10. С. 1113–1130. doi: 10.3367/UFNr.0172.200210a.1113
  28. Tuma D.T., Chen C.L., Davies D.K. Erosion products from the cathode spot region of a copper vacuum arc // J. Appl. Phys., 1978. V. 49. № 7. P. 3821. doi: 10.1063/1.325386
  29. Daalder J.E. Components of cathode erosion in vacuum arcs // J. Phys. D: Appl. Phys., 1976. V. 9. № 16. P. 2379. doi: 10.1088/0022-3727/9/16/009
  30. Daalder J.E. Erosion and the origin of charged and neutral species in vacuum arcs. // J. Phys. D: Appl. Phys., 1975. V. 8 № 14. P. 1647. doi: 10.1088/0022-3727/8/14/009
  31. Андерс А., Окс Е.М., Юшков Г.Ю., Савкин К.П., Браун Я., Николаев А.Г. Определение удельной ионной эрозии катода вакуумной дуги на основе измерения полного ионного тока из разрядной плазмы // Журн. технической физики, 2006. Т. 76. № 10. С. 57–61.
  32. Осадин Б.А. Эрозия анода при сильноточном разряде в вакууме // ТВТ, 1965. Т. 3. № 6. С. 914–919.
  33. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившейся ток / под ред. Л.А. Сена и В.Е. Голанта. М.: Наука. 1971. С. 543.
  34. Баренгольц С.А., Месяц Г.А. Самопроизвольное погасание дуги в эктонной модели // Письма в ЖТФ, 2001. Т. 27. № 6. С. 82–85.
  35. Smeets R.P.P. Low-current behaviour and current chopping of vacuum arcs. [Phd Thesis 1 (Research TU/e / Graduation TU/e), Electrical Engineering]. Technische Universiteit Eindhoven, 1987. doi: 10.6100/IR264618
  36. Михайлов П.С., Музюкин И.Л., Мамонтов Ю.И., Уйманов И.В., Земсков Ю.А., Баренгольц С.А. Измерение порогового тока вакуумной дуги для наноструктурированного вольфрама. Proceedings of 8th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects. Tomsk. Russia, 2022. P. 886–889. doi: 10.56761/EFRE2022.C3-O-024701
  37. Cho M., Goka T. Japanese Practices of Solar Array ESD Ground Tests. 9th Spacecraft Charging Technology Conference. Japan Aerospace Exploration Agency. Tsukuba. Japan, 2005.
  38. Cho M., Kim J.-H., Hosoda S., Nozaki Y., Miura T., Iwata T. Electrostatic Discharge Ground Test of a Polar Orbit Satellite Solar Panel // IEEE Transactions on Plasma Science, 2006. V. 34. № 5. P. 2011–2030. doi: 10.1109/TPS.2006.881935
  39. Khalyutin S., Starostin I., Agafonkina I. Generalized Method of Mathematical Prototyping of Energy Processes for Digital Twins Development // Energies, 2023. V. 16. № 4. P. 1933. doi: 10.3390/en16041933

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Classification of VDR by discharge duration [22]: 1 – primary discharge; 2 – non-stable arc (NSA); 3 – temporary stable arc (TSA); 4 – permanent stable arc (PSA); 5 – secondary arcs.

Download (13KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Average arc duration for different metals: 1 – zinc; 2 – silver; 3 – copper; 4 – tungsten [18].

Download (3KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Threshold arc discharge currents for different cathode materials as a function of the material temperature parameter. The filled circles indicate the measurement results for ferromagnetic metals and cobalt. The ordinate axis for them is indicated on the right [19].

Download (4KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Российская академия наук