收稿日期：2023-07-08
DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.014
摘" 要：作为航天器上重要的能源供应装置，太阳电池的性能表现对保证航天器的正常运行至关重要。在评估太阳电池的性能表现时，需要考虑的一个重要因素是航天器所处的轨道辐射环境。为了更准确地评估太阳电池在不同轨道环境下的工作效能，文章将AE9/AP9模型应用于太阳电池性能衰退模型中，并就GaAs太阳电池持续多年的轨道粒子环境对其造成的影响进行仿真实验，实验结果表明，所设计模型可以更加准确地评估太阳电池的在轨性能变化。
关键词：太阳电池；AE9/AP9；范艾伦辐射带；仿真
中图分类号：TP391.9；TM914.4 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）05-0064-05
Simulation Study on Performance Degradation of Solar Battery Based on
AE9/AP9 Earth Radiation Belt Models
WANG Yingpeng， YANG Zhiqiang， WEI Xinxin
（School of Information Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou" 450046， China）
Abstract： As an important energy supply device on spacecraft， the performance of solar batteries is crucial for ensuring the normal operation of the spacecraft. When evaluating the performance of solar batteries， an important factor need to be considered is the orbital radiation environment in which the spacecraft is located. In order to more accurately evaluate the operational efficiency of solar batteries in different orbital environments， this paper applies the AE9/AP9 model to the performance degradation model of solar batteries， and conducts simulation experiments on the impact of the continuous orbital particle environment on GaAs solar batteries for many years. The experimental results show that the designed model can more accurately evaluate the in-orbit performance changes of solar batteries.
Keywords： solar battery; AE9/AP9; Van Allen radiation belt; simulation
0" 引" 言
地外空间环境复杂多变，其中以范艾伦辐射带对人类航天活动影响最为明显。范艾伦辐射带是由高能带电粒子组成的，主要包括带正电粒子的内辐射带和带负电粒子的外辐射带[1，2]。这些粒子主要来自太阳风和宇宙射线，通过地球的磁场被束缚在辐射带中。内辐射带通常在地球0.2到2个地球半径高度延伸，外辐射带从3个地球半径高度开始一直延伸到10个地球半径高度[3]。辐射带的存在对人类的航空航天工作产生了巨大的影响，高能粒子进入航天器中会对电子器件造成直接的损伤，包括干扰电子系统、干扰太阳电池发电、损坏卫星电子元件等。为了更好地了解范艾伦辐射带，研究人员进行了大量研究观测，他们利用地球轨道卫星和探测器，进行测量和监测。先后建立了以AE、AP命名规则体系的地外辐射带模型，通过对辐射带特性的深入了解，有助于帮助工作人员制定更好的防护策略和保护措施，确保航天器、宇航员安全的穿越这些辐射带[4]。
美国国家航空航天局在20世纪60年代赞助建立了第一个辐射带模型，用来表示太阳周期最小和最大阶段的平均辐射环境。它们以AE（电子）、AP（质子）命名，现在被广泛使用的是AE8/AP8模型，AP8是在AP1到AP7的基础上做了集成，实现了质子带能量范围的全覆盖[5]。辐射带内的电子带组成部分较多，建模相比质子带复杂。虽然AE2基本实现了各电子能量的覆盖。但直到AE8才对各个区域建模进行了整合形成了更完整的电子带模型。
AE8/AP8模型建立于1989年，所用到的数据及模型也是1989年的，随着时间的推移，旧的模型在能谱覆盖范围和粒子类型上已经满足不了当下的需求。使用更新的数据和模型框架的AE9/AP9新模型被开发出来。它有着相比前代更大的能谱覆盖范围，更详细的空间分辨率，更加精确的数据支持，以及对空间天气和仪器误差造成的不确定性的量化，能够帮助研究人员更加准确地分析航天器在轨运行状况。AE9/AP9模型最出色的一项特征是它通过对卫星观测数据集交叉校准，使用光谱反演的技术，引入了一种新的统计方法来产生用户定义轨道内的粒子通量水平。对研究航天器在轨特性有着很大的帮助。
太阳电池作为航天器的重要组成部件，对航天器的正常运行起着决定性的作用，而直接暴露在太空环境的太阳电池会受到范艾伦辐射带中高能粒子的直接作用[6]。研究太阳电池在范艾伦辐射带中的损伤过程有助于研究人员更好地了解航天器在轨状态包括健康程度和可靠度。以现在航天器广泛采用的GaAs太阳电池为例，高能粒子对太阳电池的损伤原理如下：高能粒子进入太阳电池内部，通过与晶格原子的碰撞，将能量传递给晶格原子。当传递的能量大于某一阈值时，晶格原子就发生位移，产生晶格缺陷，如空位、填隙原子、缺陷簇、空位-杂质复合体等。这些缺陷起到复合中心作用，从而降低材料中少数载流子的寿命[7，8]。光生少数载流子寿命降低导致其扩散长度缩短，从而造成部分少子来不及扩散到空间电荷区被空间电场分离而发生复合。光生少子收集效率的降低最终导致太阳电池性能下降。这些将直接导致太阳电池的额定电压、短路电流、最大功率降低[9]。这3个电学物理参数的下降也意味着太阳电池的性能下降。为了保护太阳电池，现在航天器太阳电池都会加上防护盖片，在韩堰辉、胡建民等人的研究中[9，10]，加装防护盖片的太阳电池可以有效防止低于3.7 MeV的高能粒子进入太阳电池内部，有效地降低了部分高能粒子对太阳电池的影响。此外，研究人员还在探索新的太阳电池材料，以提高太阳电池的抗损伤能力。除了防护之外，预测太阳电池在轨性能也非常重要，前人在研究中通过AE8/AP8模型得到年粒子注量，在仿真实验得到高能粒子对太阳电池的损伤情况，拟合出了高能粒子对太阳电池的作用方程进而评估同步轨道的航天器太阳电池的性能表现[11]。
本文将采用最新一代的AE9/AP9模型，对近地特定轨道航线的航天器太阳电池建立仿真性能衰退模型，用细分的各能量段高能粒子数据更加准确地评估航天器在轨性能的变化。
1" 模型建立
本文建立了一个针对太阳电池整体评估的仿真模型，如图1所示，分为了4大块，分别是：1）数据处理模块：将数据转换为其他模块可用的数据；2）太阳电池衰退模块：计算太阳电池在轨道运行周期内的性能衰退情况；3）三维绘图模块：绘制卫星运行轨道；4）失效率计算模块：计算太阳电池的失效概率。整个仿真模型可以分析某条轨道卫星运行中因为地外辐射带的影响下太阳电池的性能衰退状况。
图1" 整体模型图
1.1" 地磁辐射带数据处理模型
先前的研究中，胡建民等人[10]在研究太阳电池性能衰退时采用了AE8/AP8模型，然而，受限于该模型本身的局限性，其存在较大的粒子注量误差。
为了克服这一问题，本文决定采用AE9/AP9新模型进行评估，以提高研究评估的准确性和可靠性。相较于旧模型，AE9/AP9模型具备更加精确的数据和更完善的算法，能够更好地模拟和预测卫星所受到的粒子通量。
为了突出对比，我们通过图2展示了在同一轨道、同一颗卫星上，分别采用AE8/AP8和AE9/AP9模型计算得到的粒子通量。从图中清楚地可以观察到，不论是在低能量还是高能量范围内，8代模型与9代模型之间存在显著的误差。这表明旧模型在预测粒子通量时存在较大的不准确性，而新模型能够更准确地反映实际情况。
引入AE9/AP9模型的目的是获得更准确和可靠的评估结果，从而为太阳电池性能衰退的研究提供更为可信的依据。通过采用新模型，能够更全面地了解卫星在轨期间太阳电池性能的变化情况，并为未来的设计和优化提供更有针对性的建议和措施。
使用Irene对轨道仿真得到的粒子数据还需进行处理，最开始需要对轨道粒子数据进行处理。首先将MJD（Modified Julian Time）时间转换为UTC时间。计算步骤如式（1）：
（1）
接着将地磁坐标转换为三维坐标。其中r为地磁坐标半径，lo和la为处理过的经纬度信息：
（2）
（3）
（4）
处理步骤如式（5）：
（5）
（6）
（a）AE8/AP8模型结果
（b）AE9/AP9模型结果
图2" AE8/AP8与AE9/AP9模型结果数据的对比
1.2" 太阳电池性能衰退模型
进入太阳电池的衰退计算中还需要对得到的粒子注量进行处理，因为对于不同的电物理参数高能质子注量会对其产生不同的效果，需要将其归一化等效为高能电子的注量。最终得到所有高能粒子的年累计注量之和。具体计算如式（7）至式（9），其中Φsum为累计注量，ΦE为高能电子的累计注量，ΦP为高能质子等效为1 MeV高能电子的累计注量。fluence为对应能量粒子的注量，Ei为高能电子的能量。R为RDC（Relative damage coefficients），是对应电学参数的高能质子转换为等效1 MeV电子的转换因子。因为本文仿真主体为加装防护盖片的太阳电池，研究表明，加装防护盖片的太阳电池可以有效防护低于3.7 MeV的高能质子。故只使用能量高于3.7 MeV的高能质子，以及全能量段的高能电子。
（7）
（8）
（9）
NASA提出了航天器部件性能衰退的经验方程，如式（10）所示，其中P为当前部件物理参数，P0为初始物理参数，C为常数，Φ为当前注入的粒子通量，Φ0为初始的粒子注入用量：
（10）
根据经验方程，通过实验拟合得到了应用于太阳电池的性能衰退模型。式（11）是太阳电池开路电压的衰退方程。其中V0为初始开路电压，Voc为经受过粒子注量后的开路电压，Φ为累计注量：
（11）
式（12）是太阳电池短路电流的衰退方程，其中I0为初始短路电流，Isc为经受过粒子注量后的短路电流：
（12）
式（13）是太阳电池最大功率的衰退模型。其中P0为初始最大功率，Pmax为经受过粒子注量后的最大功率：
（13）
2" 仿真实验及分析
2.1" 实验对象
对于太阳电池的选择，采用航天器通用的GaAs电池，具体参数和性能如表1所示。本次仿真实验着重观察的是开路电压、短路电流以及最大功率。
表1" GaAs电池基本信息表
研究对象 参数 GaAs/Ge太阳电池
光电转换率 η 19%～20%
短路电流 Isc 88.7 mA
开路电压 Voc 1 020 mV
最大功率 Pmax 72 mW
填充因子 FF 82%
运行轨道设定为低轨卫星，如图3所示。
图3" 仿真轨道图
2.2" 实验结果
轨道所处地球辐射环境各能量注入通量如图4、图5所示，注量选择的是置信度在0.95的fluence数据，fluence是Irene中各能量段累计注量的数据集，根据前面设定的轨道以及参数配置计算得到。
通过对上面数据进行归一化处理得到年累计注量，如表2所示。
表2" 不同电学参数的粒子年累计注量
电学性能参数 归一化后的年累计注量 RDC
Voc 1.085 814 152 779 773 8×1014 1 400
Isc 4.515 452 482 855 737 5×1013 400
Pmax 8.321 065 909 820 938×1013 1 000
长期遭受地外辐射带影响的太阳电池性能变化如图6所示，可以看出，电池的额定电压、短路电流和最大功率均出现了衰退的趋势。其中在本次仿真实验中，额定电压在第5年下降到原来的97.504%，短路电流下降到原来的94.007%，最大功率下降到原来的83.922%。根据最大功率下降到80%以下判定太阳电池失效，可以得出在本次实验的近地轨道中，太阳电池将于9年内失效。
3" 结" 论
对仿真轨道使用AE9/AP9模型得到了更精细、准确的轨道粒子注量的分布，包括各个能量段的细分。然后通过毁伤机理，将高能质子模型中各能量段的注量转为了对应电学参数的1 MeV高能电子的注量参与运算。
通过太阳电池毁伤效应模型，对仿真对象GaAs太阳电池评估多年的轨道粒子环境对其造成的影响，在本次仿真中得出了在设定的近地轨道中的太阳电池的使用寿命，即约9年左右太阳电池的最大功率将下降到原本的80%以下的结论。本研究的主要意义在于可以作为一个通配的仿真模型，评估各个轨道的高能粒子环境对航天器太阳电池的影响，预测航天器太阳电池的使用寿命，为航天工作提供可靠的仿真数据支撑。
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作者简介：王应鹏（1997—），男，汉族，河南洛阳人，硕士研究生在读，主要研究方向：系统建模与仿真；杨志强（1999—），男，汉族，河南鹤壁人，硕士研究生在读，主要研究方向：系统建模与仿真；魏欣欣（1998—），女，汉族，河南安阳人，硕士研究生在读，主要研究方向：系统建模与仿真。
