專利名稱：防止空間環(huán)境中的設(shè)備內(nèi)的靜電放電的涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及防止空間飛行器內(nèi)，例如人造衛(wèi)星內(nèi)的靜電放電，此類空間飛行器使用太陽能板為其有效載荷供電或為諸如機載電池之類的其需要充電的其它部件供電。
背景技術(shù)：
在諸如人造衛(wèi)星的空間飛行器中使用太陽能板是公知的。這些設(shè)備一旦放置在工作位置上，例如進入軌道的人造衛(wèi)星，則通常容易受到它們所處的空間環(huán)境的影響。在空間環(huán)境內(nèi)的各種影響中，一個重要影響是由于空間飛行器的表面上的電荷積累引起的表面充電。引起此類表面充電的一個來源是太陽輻射。
空間飛行器上使用的太陽能板常遭受太陽輻射，因此其表面上很容易受到電荷的積累的不利影響。通常利用玻璃材料，即所謂的“防護玻璃罩”，覆蓋太陽能板的表面。
因此，太陽能板的防護玻璃罩帶有此類電荷，其中相對于空間飛行器的機殼(地)而言，該電荷是正的。眾所周知，正電荷的積累起因于電子的排出行為(由太陽輻射引起)引起的強的光電子發(fā)射電流的影響。正電荷的另一個來源是由于來自空間環(huán)境中的高能電子的影響引起的二次電子發(fā)射(SEE)或電子排出。實際上，用于防護玻璃罩和表面處理的通常材料引起高的SEE二次發(fā)射系數(shù)。
防護玻璃罩材料也是高電阻性的，因此，防護玻璃罩的表面和空間飛行器的機殼電絕緣。
另一方面，與空間飛行器的機殼電連接的太陽能板的背面，即“黑暗”面，帶有負電荷。例如，在人造衛(wèi)星的情況中，太陽能板的背面通常是由其負電荷具有非常低的發(fā)射性的導(dǎo)電材料制成的。作為結(jié)果，導(dǎo)電部分從等離子體捕獲高能電子引起負電荷的積累。
因此，相對于機殼上的負電荷而言，正面上正電荷的相對大量積累可能引起該表面和機殼之間的靜電放電，從而嚴重損害空間飛行器內(nèi)的電路。實際上，一般認為500V是產(chǎn)生放電的通常閾值。
為了避免上述不希望有的靜電放電，已知某些解決方案。此類已知解決方案中的一個方案是，利用導(dǎo)電涂層覆蓋防護玻璃罩，其中導(dǎo)電涂層與空間飛行器的“地”相連。然而，與該解決方案相關(guān)的成本是非常高的。此外，導(dǎo)體涂層的使用壽命是相對有限的，從而使該解決方案不適合具有長使用壽命的空間飛行器。
上述問題的另一個已知解決方案是使用中和器。這是通過使用裝有中和材料的槍實現(xiàn)的，中和材料如電子、低溫正離子或低溫等離子體(等離子體是帶有等量正電荷和負電荷的電離氣體)。槍在空間飛行器的附近“發(fā)射”具體數(shù)量的電子、離子或等離子體，以便中和空間飛行器的表面上積累的電荷。然而，該解決方案的缺點是，與其實現(xiàn)和運行相關(guān)的成本很高，并且其效率很低，特別是在使用電子時。
避免靜電放電的另一個解決方案來源于美國專利No.6,243,243。根據(jù)該文獻中公開的解決方案，通過一個帶有方向性的高阻抗設(shè)備，把空間飛行器的地端和太陽能板組連接起來，該設(shè)備增加了從太陽能板組到地方向上的阻抗，并以此方式阻止空間飛行器上的任何電勢差形成進入地端的電通路，因而避免了太陽能板組和地端之間的靜電放電。然而，該解決方案的主要目的在于，減輕而非避免電荷積累引起的電勢差的影響，因為根據(jù)該解決方案，并不能阻止生成電勢差。
因此，需要提供沒有上述缺點的用于防止靜電放電的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
通過使用本發(fā)明提出的解決方案達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明，把太陽能板上的防護玻璃罩的表面電荷和太陽能板的背面(進而與空間飛行器的機殼)之間的電勢差保持在相對安全的限度內(nèi)，從而基本上避免靜電放電。
通過使用覆蓋太陽能板的背面的涂層實現(xiàn)該解決方案，該涂層具有強的發(fā)射性，從而依據(jù)這種發(fā)射性把負電荷排出到太陽能板的背面以外，使太陽能板的背面得以達到正電荷的平衡(由于減少的負電荷)。通過使太陽能板的背面上總電荷為正電荷(由于逐漸減少負電荷的緣故)，面對太陽輻射的太陽能板上的防護玻璃罩的正面上的正電荷的積累不會在兩個面之間造成電勢差，或者至少是，如果生成電勢差的話，也能使它保持在最小值或比產(chǎn)生靜電放電的等級更低的預(yù)定值。
因此，本發(fā)明的一個目的是給空間飛行器提供太陽能板，該太陽能板具有正面和背面，正面適合于接收太陽輻射，其特征在于利用涂層覆蓋該太陽能板的背面，該涂層具有負電荷發(fā)射性。
本發(fā)明的另一個目的是提供包括至少一個太陽能板的空間飛行器，該太陽能板具有正面和背面，正面適合于接收太陽輻射，其特征在于利用涂層覆蓋該太陽能板的背面，該涂層具有負電荷發(fā)射性。
本發(fā)明的又一個目的是提供降低太陽能板的正面和背面之間的電勢差的方法，該正面接收太陽輻射，該方法包括利用涂層覆蓋該太陽能板的背面，該涂層具有負電荷發(fā)射性；以及通過所述涂層把負電荷排出到該太陽能板的背面以外。
本發(fā)明的又一個目的是在太陽能板中使用具有負電荷發(fā)射性的涂層。
借助于附圖的幫助，在下面的說明書和權(quán)利要求書中更詳細地解釋本發(fā)明的上述以及更多的特征和優(yōu)勢。


圖1是一個簡化示意圖，表示其每一側(cè)部署有太陽能板的人造衛(wèi)星；圖2是太陽能板的截面示意圖，表示太陽能板的正面和背面的各自截面；以及圖3是帶有根據(jù)本發(fā)明的具有發(fā)射性的涂層的圖2所示的太陽能板的截面示意圖。
具體實施例方式
在下面的說明書中，提供的優(yōu)選實施方式的例子與人造衛(wèi)星中太陽能板的使用有關(guān)。然而，不要把本發(fā)明解釋為僅限于人造衛(wèi)星應(yīng)用，因為相關(guān)領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員知道本發(fā)明同樣適用于使用太陽能板的其它空間飛行器。
參照圖1，該圖表示具有主體2和太陽能板3的人造衛(wèi)星1。為了描述的簡單性，未示出諸如天線之類的人造衛(wèi)星的其它部件，因為它們并不影響對本文在此提供的解決方案的理解。如上所述，太陽能板具有正面和背面。在圖1所示的示意圖中，利用每一側(cè)的參考標號31表示太陽能板3的各自的正面。同樣，利用每一側(cè)的參考標號32表示各自的背面。
每塊太陽能板的正面31接收來自太陽的太陽輻射，并且結(jié)果由于光電子發(fā)射效應(yīng)排出電子。在圖1中，利用指向關(guān)于太陽能板向外并且表示負電荷正在離開太陽能板的一組箭頭來表示該效應(yīng)。作為電子(負電荷)排出的結(jié)果，正面上的電荷的平衡變成正電荷，正如太陽能板的正面31的表面上表示的那樣。
相反地，由導(dǎo)電材料制成的背面32從周圍的等離子體中吸收電子，并因此，背面上的電荷的平衡變成負電荷。在該圖中，利用指向太陽能板的背面32并且表示太陽能板3吸收的負電荷的虛線箭頭來代表該效應(yīng)。
圖2代表具有正面31和背面32的太陽能板的截面圖，其中正面31和背面32各自帶有正電荷和負電荷，并且兩面之間存在放電危險。
根據(jù)本發(fā)明，利用涂層4覆蓋太陽能板3的背面32，在圖3中，利用虛線區(qū)域表示涂層4。涂層4具有負電荷發(fā)射性。
正如上面進一步說明的那樣，涂層4的負電荷發(fā)射性將電子排出到背面32以外。在圖3中，利用指向關(guān)于太陽能板向外并且表示負電荷離開背面32的一組箭頭來表示該效應(yīng)。結(jié)果，正如該圖所示，太陽能板的背面32得以達到電荷的正平衡。
因此，太陽能板的正面31和背面32之間的電勢差或者變得可以忽略不計，或者保持在最小等級，并且在任何情況下都低于放電閾值。如上所述，通常的放電閾值電壓約為500V。因此，應(yīng)選擇并安裝涂層，以使正面31和背面32之間生成的電勢差保持在該閾值以下，從而避免放電的可能性。電勢差的優(yōu)選值的一個例子是100V，該值遠遠低于放電閾值電壓值。
然而，該標準最好基于對該涂層材料以及其它物理特性的選擇，以使正面和背面獲得大致相等等級的發(fā)射性(在背面覆蓋涂層的情況下)。
關(guān)于涂層4的材料，任何發(fā)射和導(dǎo)電(或弱絕緣)材料都是適用的。此類涂層材料的一個例子是用作防護玻璃罩上的防反射材料的氟化鎂(MgF2)。氟化鎂具有高的SEE二次發(fā)射系數(shù)(對于1keV的電子，估計值為5.5)。該涂層材料具有低成本和相對長的使用壽命。它通常包括一薄層(約為1微米)MgF2，例如，利用真空蒸發(fā)沉積到太陽能板組的背側(cè)上。該層增加的重量的數(shù)量級為每平米幾克。
可選擇地，可以把MgF2層沉積到粘貼在太陽能板上的帶有低電阻系數(shù)的薄的聚合物膜上。
適合于作為涂層的其它非限制性材料的例子是氧化鋁(Al2O3，最大二次發(fā)射系數(shù)是3.2)，二氧化硅(SiO2，最大二次發(fā)射系數(shù)是3.2)，或?qū)щ姲咨苛螾SG 120 FD(最大二次放射系數(shù)2.85)，所有這些材料都是公知的可從市場上買到的材料。
除成本低之外，本發(fā)明的解決方案的另一個優(yōu)點是其付諸實施時的簡單性。
另一個優(yōu)點是在該解決方案中僅僅使用無源材料。
正如上面提到的那樣，上面提供了關(guān)于人造衛(wèi)星的優(yōu)選實施方式的例子，然而，本發(fā)明同樣適用于諸如有人操縱的空間飛行器或星際或星系際探測器之類的其它類型的空間飛行器。
權(quán)利要求
1.一種用于空間飛行器(1)的太陽能板(3)，所述太陽能板具有正面(31)和背面(32)，所述正面適合于接收太陽輻射，其特征在于利用涂層(4)覆蓋所述太陽能板的所述背面(32)，所述涂層具有負電荷發(fā)射性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的太陽能板，其中使所述正面(31)上的總電荷和所述背面(32)上的總電荷之間的電勢差保持在最小值或低于預(yù)定值，所述最小值或所述預(yù)定值低于可能在所述正面(31)和所述背面(32)之間產(chǎn)生靜電放電的等級。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的太陽能板，其中所述涂層(4)是由發(fā)射和導(dǎo)電材料或由弱絕緣材料制成的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的太陽能板，其中所述涂層(4)具有這樣的物理特性，以至當所述涂層覆蓋到所述背面(32)上時，所述正面(31)的發(fā)射性的等級基本上等于所述太陽能板的所述背面(32)的所述發(fā)射性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之任一權(quán)利要求的太陽能板，其中所述涂層(4)的材料是由氟化鎂(MgF2)或氧化鋁(Al2O3)，最大二次發(fā)射系數(shù)為3.2)，二氧化硅(SiO2，最大二次發(fā)射系數(shù)為3.2)，或?qū)щ姲咨苛螾SG 120 FD(最大二次發(fā)射系數(shù)為2.85)制成的。
6.一種包括至少一塊太陽能板(3)的空間飛行器(1)，所述太陽能板(3)具有正面(31)和背面(32)，所述正面適合于接收太陽輻射，其特征在于利用涂層(4)覆蓋所述太陽能板的所述背面(32)，所述涂層具有負電荷發(fā)射性。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的空間飛行器(1)，其中使所述正面(31)上的總電荷和所述背面(32)上的總電荷之間的電勢差保持在最小值或低于預(yù)定值，所述最小值或所述預(yù)定值低于可能在所述正面(31)和所述背面(32)之間產(chǎn)生靜電放電的等級。
8.一種用于降低太陽能板(3)的正面(31)和背面(32)之間的電勢差的方法，所述正面(31)接收太陽輻射，該方法包括以下步驟利用涂層(4)覆蓋所述太陽能板(3)的所述背面(32)，所述涂層具有負電荷發(fā)射性；以及通過所述涂層(4)把負電荷排出到所述太陽能板的所述背面以外，以使所述電勢差保持在最小值或低于預(yù)定值，所述最小值或所述預(yù)定值低于可能在所述正面(31)和所述背面(32)之間產(chǎn)生靜電放電的等級。
全文摘要
在空間飛行器(1)中使用的太陽能板(3)，該太陽能板具有正面(31)和背面(32)，正面用于接收太陽輻射。利用涂層(4)覆蓋太陽能板的背面(32)，涂層具有負電荷發(fā)射性，從而通過使用涂層把電子排出到太陽能板(3)的背面(32)以外，由此降低正面(31)和背面(32)之間的電勢差。同時公開了通過利用所述涂層(4)覆蓋太陽能板的背面來降低太陽能板(3)的正面(31)和背面(32)之間的電勢差的方法。
文檔編號H01L31/0216GK1797789SQ200510132269
公開日2006年7月5日 申請日期2005年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月22日
發(fā)明者塞巴斯蒂安·克萊爾, 蒂埃里·達爾讓 申請人:阿爾卡特公司