太空辐射威胁航天器关键电力部件安全运行，上电学者提出解决方案

　　随着人类空间探索需求的日益增加，空间太阳能电站、宇宙飞船、空间站、通信和导航卫星等各种航天器需要长时间地在空间环境中运行。加之霍尔、离子和电弧等电力推进技术在通信卫星和深空探测等领域的广泛应用，航天器上电力负荷的规模与重要级别不断上升，因而需要配置一套可靠性较高的分布式电力系统以保障稳定的电能供应。
　　其中包括：①由太阳电池、锂电池等组成的电源分系统；②由金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）和直流-直流变换器（DC-DC）等电力电子器件、电缆与绝缘材料等组成的功率变换与电力传输分系统；③由锁相环（PLL）、现场可编程门阵列（FPGA）和数字信号处理器（DSP）等控制芯片组成的电能控制分系统等，典型航天器分布式电力系统的拓扑结构如图1所示。
　　图1 航天器分布式电力系统的拓扑结构
　　地面上分布式电力系统的工作条件较稳定，目前其相关技术已较为成熟，长期连续供电的安全性与可靠性较高。然而航天器上关键的电力部件在空间中由于脱离了大气层的保护，会遭受各种恶劣的辐射环境。由短时的辐射损伤引发的性能退化并不明显，但辐射剂量的持续累积最终将导致其功能失效、故障激发和器件损毁，进而影响航天器分布式电力系统的安全运行，甚至造成太阳能电站瘫痪、卫星断电失联等重大事故。
　　有学者对1993 2014年国外公开的近6000次在轨航天器故障进行分析统计，航天器上电气分系统故障占总故障数的30.75%，居故障类型首位。因此，在设计航天器的电力系统时必须考虑到空间辐射环境的影响，根据辐射损伤效应和作用机理对其关键部件进行必要的防辐射应对，以提高航天器分布式电力系统在轨工作的安全性与可靠性。
　　空间站或航天器绕地球运行。Space Station or spacecraft travels
　　上海电力大学、上海交通大学、上海空间电源研究所的研究人员周荔丹、闫朝鑫、姚钢等人，在2022年第6期《电工技术学报》上撰文，基于航天器上搭载的分布式电力系统，梳理其可能遭受的各种空间辐射环境及常见的辐射效应，探析系统中太阳电池、锂电池、电力电子器件、绝缘材料及电能控制器件等关键部件在辐射环境下的性能退化与故障激发机理，提出了针对辐射效应作用机理的防辐射应对策略，涵盖材料、工艺、电路与版图、外部防护、软件算法设计、可靠性评估与故障态势感知等几个方面，为我国航天器分布式电力系统的抗辐射策略设计提供了一定的技术参考，并对该领域未来的研究重点进行展望。
　　研究人员指出，从材料内部的微观辐射损伤到器件外部的宏观性能退化存在直接或间接的关联性，可通过外在的宏观参数辨识，实现对辐照下电力器件微观缺陷的诊断。具体可采用小波分析、神经网络、机器学习等人工智能方法，以辐射损伤模型为桥梁，构建理论研究与工程实际紧密结合的可靠性评估与故障态势感知体系，如图2所示，且可利用工程实际中的真实环境对理论研究所建立的模型进行验证与修正。
　　图2 可靠性评估与故障态势感知体系
　　其基本原理是：首先通过高可靠性传感器实时采集电力器件的外部宏观参量，再利用小波包变换提取该信号中的特征向量，借助经大量工况样本训练后的神经网络判别器件的运行工况，以避免不同工况下的正常参量变化造成的损伤误诊或漏诊；然后将同种工况下的参量变化输入对应的辐射损伤模型，进而得到可以表征器件内部辐射损伤的微观信号；最后通过处理时间短的机器学习对材料内部的微观损伤做出快速诊断，为可靠性评估、故障态势感知、健康管理和寿命预测等提供依据。
　　他们强调，航天器分布式电力系统在空间辐射环境下的性能退化与故障激发过程是一个多效应耦合的复杂问题，现有的研究大多都仅考虑了单个辐射效应的独立作用，而缺乏对不同辐射效应相互耦合作用的分析。这就需要广大科研人员探析多辐射耦合环境对航天器电力系统的影响，研究其关键部件的微观辐射损伤与宏观性能退化之间的内在联系，并以此建立辐射环境下空间电力系统的功能可靠性评估指标与分析流程，对器件进行实时健康管理与在线寿命预测。
　　另外，研究人员指出，目前的辐射应对策略主要依赖于屏蔽高能粒子等避错方法，仍不能有效地保证电力系统的安全可靠性，长期的辐射剂量终将导致各种关键电力部件的失效。因此必须构建一套能在辐射环境下快速有效地进行故障态势感知、隔离、容错运行以及网络重构的应急容错自愈体系，才能有效地保障电力系统在空间辐射环境下的安全稳定运行，为我国的空间探索事业作出贡献。
　　本文编自2022年第6期《电工技术学报》，论文标题为＂空间辐射环境对航天器分布式电力系统关键部件的影响及应对策略＂。论文第一作者为周荔丹，1973年生，博士，上海电力大学电气工程学院副研究员，研究方向为电能质量分析与治理、动态无功补偿与有源滤波技术、新能源并网接入技术。通讯作者为姚钢，1977年生，博士，上海交通大学电子信息与电气工程学院研究员，研究方向为柔性交流输电系统FACTS技术、电能质量、新能源并网接入技术、储能技术。本课题得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助。