- 頭條學術前沿｜空間太陽能電站高壓大功率電力傳輸關鍵技術綜述2019-05-14 作者：侯欣賓、王立等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語面向未來空間太陽能電站的空間高壓大功率電力傳輸需求，本文論述空間電能傳輸與管理系統的國內外發展現狀，梳理有待解決的基礎科學問題與核心關鍵技術，為未來深化研究指明方向。提出現階段制約太空高壓電力傳輸與能量管理系統發展的關鍵技術、材料和器件，分析空間輻射環境對于空間電力系統的影響并提出了其輻射防護需求，最后明確了需進一步研究的重點內容，為開拓該領域的后續研究提供參考。
中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室、新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）的研究人員侯欣賓、王立等，在2018年第14期《電工技術學報》上撰文指出，建立在技術上和經濟上可行的空間太陽能電站系統可以有效利用空間太陽能，更能為國家提供巨大的可再生能源戰略儲備，對于保證中國的能源獨立與安全以及國民經濟的可持續發展具有重大戰略意義。
面向未來空間太陽能電站的空間高壓大功率電力傳輸需求，本文論述空間電能傳輸與管理系統的國內外發展現狀，梳理有待解決的基礎科學問題與核心關鍵技術，為未來深化研究指明方向。提出現階段制約太空高壓電力傳輸與能量管理系統發展的關鍵技術、材料和器件，分析空間輻射環境對于空間電力系統的影響并提出了其輻射防護需求，最后明確了需進一步研究的重點內容，為開拓該領域的后續研究提供參考。
太空中的太陽光不會因大氣衰減，也不受季節、晝夜變化的影響，太陽輻照強度穩定，約為1353W/m2，是地面太陽平均輻照強度的5倍以上。特別在地球同步軌道（Geosynchronous Orbit, GEO）上，99%的時間內可穩定接收太陽輻射，是建設太陽能電站的理想位置。空間太陽能電站（Space solar Power Station, SPS），是指在地球軌道上將太陽能進行有效收集、轉化并傳輸到地面，進而轉化為電能供地面使用的系統。
空間太陽能電站的電力傳輸與管理系統，負責將太陽電池陣發出的超高功率電力傳輸并分配到發射天線及服務系統設備，其質量和效率直接影響到整個電站的總質量和能量轉換總效率。為了實現安全、可靠的空間超大功率電力傳輸和管理，亟需開展空間高壓大功率電力傳輸與管理技術研究，突破核心技術。
目前的大功率通信衛星采用的供電電壓為100V左右，功率達到20kW。國際空間站一次電源系統運行在137～177V范圍，二次電源系統運行在123～126V范圍，總發電功率達到110kW[1-3]。我國正在研制的空間站的供電規模接近40kW，而長期的擴展規模有可能達到100kW以上[4-6]?？臻g太陽能電站是目前國際上論證的最大功率的航天器，作為驗證型的空間太陽電池陣供電系統的功率將可能達到MW級水平，而未來的商業化電站的供電功率將達到GW級[7-15]。
對于未來百千瓦以上的空間大功率供電需求，為減少電力傳輸電纜的質量和傳輸損耗，必須提高電壓、降低電流，因此采用超高電壓供電體制成為未來空間技術發展的一個重要方向，空間超高壓大功率電力系統成為制約超大功率航天器發展的一個關鍵瓶頸。
傳統的航天器供電系統主要包括太陽電池陣發電系統和電源管理系統，其母線電壓等級主要由太陽電池陣的供電電壓決定，并通過電源管理設備進行調節以滿足整星的供電需求。由于空間環境引起的放電問題，目前的航天器母線電壓都不超過200V。未來空間大功率供電需求將達到105V甚至106V以上，必然需要發展更高的供電電壓。
空間太陽能電站的傳輸母線電壓等級需要達到數千伏至10kV以上[16,17]，受到太陽電池陣供電電壓的限制，空間超高壓大功率供電系統將采用升壓變換的方式實現高壓母線傳輸供電。因此，未來的空間大功率供電系統將由高壓太陽電池陣、高壓電力變換設備、大功率導電關節（電池陣驅動機構）、超高壓大功率傳輸電纜、大功率電力調節設備和高比容量儲能系統組成。
本文面向未來空間大功率的供電需求，對空間高壓電力傳輸與管理系統進行分析，提出其關鍵技術和關鍵材料器件，分析空間輻射環境對于太空高壓電力系統的影響并提出亟待解決的核心技術問題。
1 空間高壓電力傳輸與管理系統發展現狀
1.1 高壓太陽電池陣
太陽電池陣是電力傳輸的輸入端，高壓電池陣的特性將直接決定電力傳輸與管理的方式。為了實現高電壓供電，在20世紀70年代，美國曾在此領域開展了大量的研究，波音、休斯等公司面向高壓電推進系統需求開展了高達16kV的高壓太陽電池陣的設計和研究[18,19]。后續隨著研究的深入，由于空間等離子體環境引起的太陽電池陣放電問題，相關研究并未實質性地推動下去。
2012年，日本研制了高壓電池陣驗證小衛星HORYU◆II[20]如圖1所示，并于2012年5月搭載發射，運行軌道為680km高的太陽同步軌道。該衛星的主要任務是驗證低軌300V高壓電池陣技術，電池陣采用三結GaAs電池（GaAs/InGaP/Ge），尺寸為122cm×214cm，利用多組電池的串聯形成高壓，整個電池表面通過覆蓋乙烯四氟乙烯共聚物（ETFT）涂層減小放電風險，同時在整個電池表面覆蓋半導電涂層進一步減小放電風險。地面測試顯示800V的電壓差不會產生放電，在軌測試表明電池陣工作電壓最高達到350V，是目前在軌驗證的最高電壓的太陽電池陣。
圖1 HORYU-II驗證衛星
美國ABEL公司設計的Squarerigger大功率太陽電池陣采用了ENTECH公司的聚光電池陣[21]。按照設計，Squarerigger大功率電池陣的設計功率將達到100kW到MW級，工作電壓達到1kV。該聚光電池采用了菲涅耳透鏡作為聚光系統，由于采用了聚光設計，電池片的間距較大，減小了放電的風險，提高了電池陣工作電壓，原理樣機如圖2所示。
圖2 Squarerigger聚光太陽翼原理樣機
1.2 國際空間站高壓供電系統
目前在空間運行的最大功率航天器為國際空間站，其系統框圖如圖3所示。國際空間站電源系統由電能產生、能量存儲、電能管理和分配設備組成。其中，美國的供電系統采用4組高壓太陽電池翼，一次電源供電電壓范圍為137～173V，經過貝塔導電旋轉關節、直流切換單元（用于控制蓄電池組充放電）和阿爾法導電旋轉關節進入主母線調節單元，之后經過直流變換單元將一次電源電壓轉換為二次電源供電電壓，范圍為123～126V。二次電源供電再根據負載供電需求進行變換后分配到功率負載。國際空間站采用了大功率滾環式導電旋轉關節，其中的阿爾法旋轉關節傳輸電功率達到65.5kW。
圖3 國際空間站供電系統框圖
1.3 空間太陽能電站高壓電力傳輸管理方案
1.3.1 SPS-1979空間太陽能電站
SPS-1979空間太陽能供電系統結構框圖如圖4所示。美國于20世紀70年代末對于基準電站方案——SPS-1979開展詳細的研究，提出了總供電功率為8GW的方案，采用了40kV等級的高壓設計方案并采用集中式供電方式，即太陽電池陣發出的電力通過單個導電旋轉關節傳輸到微波發射天線。太陽電池陣被分為了228個電力分支，集成為了多條供電母線，為了避免母線間出現高壓擊穿現象，傳輸到導電旋轉關節的不同母線間的電壓偏差需要控制在0.25%以內。
導線旋轉關節前的切換開關主要用于控制部分功率用于平臺系統供電，而導電旋轉關節后的功率調節模塊將電能分配為兩部分：一部分為電站平臺系統供電；另一部分為微波源供電，單個微波源DC-DC變換器的功率等級為5.4MW，效率為96%。該方案最大的難點在于GW級的導電旋轉關節，其次為40kV的遠距離高壓電力傳輸系統。
圖4 SPS-1979供電系統結構框圖
1.3.2 太陽塔空間太陽能電站（Sun-Tower）
2000年，美國波音公司針對太陽塔空間太陽能電站概念提出一種基于交流的電力傳輸方案，其框圖如圖5所示。太陽塔概念的核心是采用梯度穩定太陽電池陣，不進行對太陽定向，因此回避了導線旋轉關節，但造成發電的極大波動性。該方案的發電功率等級最高達到3GW，由340個5kV高壓太陽電池陣構成。
每個太陽電池陣發電功率10MW，通過DC-AC變換器變為100kV（10kHz）的三相交流電，進入15km的主傳輸母線傳輸接入發射天線陣。在接入端進行一次降壓變換，將電壓降為10kV，在微波源再進行一次AC-DC的降壓變換，產生80V直流電用于微波源供電。對于這樣的一個電力傳輸管理系統，總質量將超過8 000t，其中電壓變換器所占質量超過75%，電纜質量約占25%。
圖5 太陽塔空間太陽能電站發電及電力傳輸框圖
1.3.3 多旋轉關節空間太陽能電站
2014年，中國空間技術研究院提出了一種新型的電站方案，稱為多旋轉關節空間太陽能電站（Multiple Rotation Joint-Space-Power Station, MR-SPS），其核心是采用模塊化設計思想，將太陽電池陣拆分為多個電池子陣，每個子陣通過兩個導電旋轉關節進行電力傳輸，解決了傳統平臺式電站的極大功率導電旋轉關節和單點失效問題。根據該方案的構型特點以及微波源的供電需求，整個電力傳輸與管理設計為分布式+集中式的混合電力傳輸與管理方式[17]。
每一個高壓太陽電池陣模塊輸出電壓為500V，12個太陽電池陣模塊的電能經過一次升壓變換提升至5 000V，通過電池子陣的兩個導電旋轉關節傳輸到主結構。50個太陽電池子陣對應的100路輸出電力經過二次升壓變換（20kV）后通過安裝在主結構桁架上的電纜進行匯集接入電力傳輸主母線，并通過兩個輸入端口輸入到微波發射天線部分。
微波發射天線的輸入電功率再根據微波源的供電需求再次進行變換和分配。主要的發電功率用于微波發射，部分功率用于電站服務系統設備（安裝于太陽電池陣、主結構和微波發射天線）的供電，同時也通過蓄電池儲存部分電力用于陰影期服務系統設備的供電。
2 空間高壓電力傳輸與管理系統關鍵技術、材料與器件
2.1 關鍵技術
2.1.1 空間高壓大功率導電旋轉關節技術
空間高壓大功率導電旋轉關節的技術能力是影響高壓大功率航天器設計的核心要素之一。傳統的滑動式導電旋轉關節由于滑動摩擦存在磨屑積累、接觸電阻相對較高、摩擦力矩大等固有缺陷，已成為制約大功率、長壽命航天器的主要瓶頸之一。而具備低損耗、高傳輸功率、高速度穩定性和長壽命優點的滾環式導電旋轉關節成為發展超高功率航天器的核心技術之一。滾環式導電關節如圖6所示。
圖6 滾環式導電關節
高精度滾環式導電旋轉關節系統設計、低損耗長壽命摩擦副技術、高壓絕緣與防護和高功率密度的散熱問題成為發展百千瓦及以上功率滾環式導電旋轉關節需要重點突破的關鍵技術[22,23]。
2.1.2 空間高壓大功率電力變換技術
發展高壓、高效、大電壓比、輕量化和高功率密度的電力變換技術是實現空間高壓電力傳輸與管理的基礎，需要從電力變換拓撲結構、新型材料和器件、優化控制等方面開展研究。
首先，要基于空間高壓大功率變換需求提出適合于空間環境的高效、大電壓比、輕量化、高可靠電力變換拓撲結構，發展多電平電路拓撲，通過多個低壓功率單元的串聯組合實現高壓大功率輸出；在器件層面，要應用新一代寬禁帶功率器件，提升單個器件的性能指標，同時積極發展器件組合技術，確保器件或器件組合模塊具有足夠的能量變換能力；在控制層面，同時針對變換器的上層系統控制和底層功率脈沖控制開展研究，從不同時間尺度上確保其能量流的合理優化控制；同時要研究電力電子變換中的瞬態能量變換規律，通過對系統中的瞬態能量平衡關系進行合理的控制和優化，提高變換器的可靠性、效率以及電磁兼容能力。
2.1.3 空間高壓直流斷路技術
高壓電力傳輸與管理系統發生局部短路后必須快速限流，并迅速切斷故障，否則電流快速增加會導致傳輸電纜和電力管理設備的損壞，如不及時切斷故障點將引起整個系統的崩潰。由于直流系統中不存在自然過零點，開斷直流電路要困難許多，因此在地面電力系統中，高壓大功率直流斷路器也是一個重要的技術難題[24]。
而對于空間應用，不僅要求開斷速度快，而且要適應空間惡劣的溫度和輻射環境，還要滿足質量、體積等限制和壽命長的要求，這對空間高壓大功率直流限流斷路技術提出了很大的挑戰，基于電力電子器件的直流固態斷路技術和混合式直流開斷技術是未來的重點發展方向。
2.1.4 空間高溫超導電力傳輸技術
超導技術的應用對于解決大功率電力的遠距離傳輸具有重要的意義，可以大幅降低電壓、增加輸電電流密度、降低電力損耗。地面應用的超導電力傳輸材料的臨界溫度在100K左右，超過液氮溫區。圖7為一種高溫超導電纜結構示意圖。雖然空間背景溫度很低，但要維持100K的超低溫，必須采用主動制冷的方式，這對于超導輸電技術在空間的應用是一個極大的技術難題[25,26]。
因此，空間高溫超導電力傳輸技術的核心在于臨界溫度的突破，應當達到200K以上，通過被動散熱的方式即可實現超導。同時，實用化高溫超導材料還需要解決工程臨界電流、力學性能、磁場性能等重要問題，因此空間高溫超導電力傳輸技術的發展需要從改善已有超導材料或制備新超導材料的理論基礎上取得重大突破。
圖7 一種高溫超導電纜
2.1.5 空間高精度電力傳感和測量技術
高精度電力參數的準確、快速測量和傳遞對于整個電力系統的管理、控制和安全可靠運行至關重要，高壓大功率電力系統不僅在測量范圍和測量準確度方面提出更高的要求，而且對涉及故障診斷與隔離的關鍵測量設備提出了定期在軌校準的需求。
針對高壓大功率的電力參數測量需求，需要發展新型的適合空間應用的高電壓、大電流等的測量技術。由于空間高壓電力傳輸與管理系統將采用新型的器件和設備，如IGBT、IGCT、直流斷路器、高壓電纜等，在運行中受到電、熱、機械、環境等各種因素的作用，會造成性能惡化，需要開展容性設備介質損耗及泄漏電流監測、局部放電等在線監測。
2.2 關鍵材料與器件
2.2.1 輕型高電導率導電材料
隨著空間大功率發電系統的發展，特別對于需要進行遠距離電力傳輸的場合，傳輸電纜的質量在整個電力傳輸管理系統中所占的比重大大增加。通過提高電壓，可以較大幅度地減小電纜的質量，但由于高壓會帶來新的風險，在超導電力傳輸技術難以應用的情況下，發展新型的碳基超輕高電導率材料成為解決大電流傳輸中導電線纜重量和損耗問題的一個重要方向。
2.2.2 新型電纜絕緣介質材料
目前的空間電纜絕緣介質材料主要采用聚四氟乙烯及其共聚物，工作電壓不超過200V。具有較好的絕緣性能和空間環境適應性。未來高壓大功率傳輸電纜的工作電壓可能達到1kV甚至10kV以上，在高壓導體和空間高能電子的共同作用下，絕緣介質材料內部極易形成空間電荷聚集，從而使周圍電場發生畸變，導致材料老化、局部放電甚至擊穿。因此急需發展新型的抗輻射的高壓絕緣材料，同時應具有優良的韌性和高低溫性能，且密度要低。
2.2.3 寬禁帶功率半導體器件
空間高壓大功率電壓變換和功率調節急需新型的空間環境適應性強的高壓大功率電力電子器件的支持，隨著微電子技術的發展，硅固有的物理屬性限制了其在高頻高功率器件方面的應用。以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代寬禁帶半導體材料由于具有寬帶隙、高飽和漂移速度、高臨界擊穿電場等突出優點[27]，成為制造大功率、高頻、高溫及抗輻照電力電子器件的理想替代材料。
3 空間高壓大功率電力系統輻射問題
3.1 影響空間高壓大功率電力系統的輻射環境
宇宙空間存在著多種輻射，對應的輻射環境隨著航天器運行軌道不同有較大的差異，總體上具有較大影響的環境因素包括帶電粒子和高能光子兩大類。帶電粒子主要來源于地球輻射帶、太陽宇宙射線和銀河宇宙射線，主要成分為電子、質子和少量重離子[28,29]。高能帶電粒子對于材料的電離作用會對材料和器件的性能產生重要影響。同時，高能粒子會通過碰撞使原子核（或離子）偏離正常的晶格位置，造成器件的位移損傷，特別對于光電器件影響較大。
另一方面，帶電粒子在材料表面和內部的沉積將造成電荷的累積，會引起局部的充電和放電。高能光子（包括紫外線、X射線和γ射線等）主要來源于太陽輻射，也包括少量來自于宇宙輻射以及地球大氣的散射、反射，對航天器材料影響最為嚴重的是紫外輻射，會造成材料的化學鍵斷裂，從而使材料性能下降。對于空間超高壓大功率電力系統會產生較大影響的主要輻射環境因素見表1。
表1 主要輻射環境因素
3.2 空間高壓大功率電力系統的輻射影響分析
空間輻射環境對于高壓供電系統的影響主要包括兩個方面。一方面，空間輻射環境對于高壓電力電子器件、絕緣材料等產生輻射效應，將大幅降低相關半導體器件和材料的性能，引起器件失效和絕緣性能下將，大幅降低系統壽命。
另一方面，高壓部件的靜電放電問題將更為復雜和突出，主要體現在：①隨著太陽電池陣母線電壓的提高，電池陣表面充電極易引發二次放電，從而造成重大影響；②在高壓電力傳輸與空間帶電環境的雙重作用下，電纜介質材料中的電荷累積過程變得更加復雜，對于電纜的絕緣性能將產生重要的影響，極易引發放電甚至擊穿；③隨著工作電壓的升高，高壓大功率電力變換設備和機電部件等的深層充電和放電所引發的二次放電問題也更加突出。空間輻射環境帶來的輻射損傷效應如圖8所示[30]。
圖8 航天器在軌輻射效應
3.2.1 太陽能電池性能衰減
航天器的太陽電池陣完全暴露于空間環境中，所處的環境最為惡劣。在眾多的空間環境因素中，帶電粒子輻射是引起太陽電池陣性能衰減的主要因素。引起太陽電池性能衰減和壽命降低的主要原因是空間高能粒子的電離總劑量效應和位移損傷效應。其中總劑量效應為由于材料吸收高能帶電粒子而導致材料中的原子發生電離，當累積到一定劑量時將嚴重影響材料的電學特性，從而導致器件性能的降低甚至失效。
位移損傷效應則為高能粒子直接沖擊原子核，將原子核從正常晶格位置彈開，使晶格原子發生移位，從而形成大量的空位、填隙原子和絡合物等晶格缺陷，成為俘獲少數載流子的陷阱，陷阱的數量越多，少數載流子的壽命越低，造成電池電學性能退化，是太陽電池輻照損傷的主要原 因[31,32]。
3.2.2 電力電子器件的性能損傷
高壓大功率變換和調節設備是空間超高壓大功率電力系統的重要組成部分，主要由各種半導體電力電子器件組成，包括功率開關器件、集成控制器、肖特基二極管和光電耦合器等。地面大功率電力電子技術發展比較成熟，但由于空間環境的輻射影響，大功率電力電子器件的利用受到很大的限制。
電力電子器件的主要輻射損傷效應包括電離總劑量效應和單粒子效應。MOSFET器件對于總劑量效應特別敏感，表現為閾值電壓漂移、跨導退化、漏電流增加和開啟電阻增大等，這些參量的退化使電力變換器轉換效率降低。
光電耦合器由于總劑量輻射效應導致電流傳輸比逐漸減小。而受高能帶電粒子輻射的影響，電路中的鎖存器或存儲器等半導體器件會發生錯誤的狀態翻轉、鎖定或閉鎖，產生單粒子效應，一般不會對電路硬件產生直接的破壞，但會導致控制系統紊亂、失效，電力變換器中的PWM控制芯片尤其易受單粒子效應的影響，導致輸出不穩定甚至造成PWM控制器損壞，而錯誤的驅動脈沖在大功率變換裝置中會導致橋臂直通等致命性后果[33-35]。
3.2.3 絕緣材料的性能劣化
空間電力系統的絕緣材料包括暴露于星體外的電力傳輸電纜以及高壓電力變換設備和機電部件內部的絕緣介質，空間輻射環境對于絕緣材料的影響主要包括兩個方面：
（1）由于紫外輻射引發星外電纜絕緣材料的表面化學老化，在低溫下會發生表面脆化、產生微裂紋，微裂紋將導致絕緣體表面裂紋擴展，發生真空放電和電擊穿。其主要原因在于絕緣材料長時間處于紫外射線環境下，射線輻照造成高分子材料發生不可逆的化學反應，高分子材料內部產生大量強極性自由基，這些極性自由基重新結合后形成分子鏈的交聯及其他多種小分子，改變了高分子材料的成分和結構，導致電纜絕緣材料的物理和化學性能發生改變，最終引起絕緣和電氣性能的下降[36]。
（2）對于傳輸電纜和設備內容的絕緣介質，高能空間帶電粒子會穿過電纜表面以及設備殼體，在絕緣介質材料內部形成電荷積累，積累的位置和程度與高能電子的能量和密度分布有關。同時高壓導體也會將電荷注入絕緣材料內部，對于kV以上的高電壓環境，此因素將對絕緣材料內部的空間電荷分布起到重要影響。空間電荷的聚集會使電介質周圍電場發生畸變，使材料內部能量分布失衡從而導致材料老化，是導致絕緣材料局部放電甚至擊穿的主要原因。
3.2.4 靜電放電引起高壓大功率部件二次放電問題
由于空間輻射環境而導致的航天器表面充電和深層介質充電會造成航天器表面與周圍空間環境或航天器不同部件之間出現較大的電位差，當電位差達到一定量級時，會產生靜電放電，稱為一次放電。一次放電能量較小，一般不會對于材料或設備造成致命性影響。
但是對于高壓大功率部件，如太陽電池陣、太陽帆板驅動機構、高壓電力變換設備等，一次放電可能會產生一個低氣壓的等離子體導電通道，從而使得高壓正、負電極間直接導通，發生短路，由于電流很大，使得通道附近的材料熱解、熔化，進而造成部件局部或整體破壞。二次放電問題對于高壓太陽電池陣尤為重要，曾引發多起航天器重大事故。高壓太陽陣串間的高電位差和表面靜電放電是引起二次放電的必要條件。其典型過程如下：
（1）在空間等離子體環境中，由于表面充電，在高壓太陽陣表面由互連片、蓋片和膠組成的區域產生靜電放電事件。
（2）靜電放電在放電位置產生區域性的高密度等離子體環境。
（3）當高壓太陽陣串間電勢差高于二次放電電壓閾值時，電池電路高低電位之間通過高密度等離子體通路發生導通，產生二次放電。
二次放電效應是影響大功率電力系統在軌安全運行的最重要因素之一，將引發航天器出現嚴重故障，甚至直接導致航天器徹底失效[37-42]。
3.3 空間高壓大功率電力系統的輻射防護需求
3.3.1 高壓太陽電池陣輻射防護需求
高壓太陽電池陣輻射防護需求主要包括太陽電池的輻射防護和高壓電池陣的放電防護兩個方面。未來的高壓太陽電池陣的優選方向是基于薄膜砷化鎵電池的薄膜太陽電池陣，其外觀如圖9所示。該設計思路對于電池陣的輻射防護提出很高的要求。
首先，需要解決薄膜太陽電池的防輻射性能衰減問題，可以考慮開發新型的超輕的防護薄膜以取代傳統的玻璃蓋片以及開發新型的薄膜砷化鎵電池。此外，為了降低電池陣電纜的質量以及電力變換設備的電壓比，對于超大功率太陽電池陣的供電電壓需要達到400V以上[43-45]。針對高壓電池陣的放電防護，一般采用的防護手段包括降低相鄰電池片間的電壓、電池片間隙注膠、減小電池串電流等[46]，但以上方法均不適用于輕量化的薄膜大功率高壓電池陣，需要從薄膜高壓電池陣的特點出發，提出新的解決方案。
圖9 砷化鎵太陽電池
3.3.2 高壓大功率傳輸電纜的輻射防護需求
未來的高壓大功率傳輸電纜的工作電壓應達到1kV甚至10kV以上，其輻射防護需求主要是提高絕緣介質的防輻射性能，減少或優化空間電荷的積累，延緩老化，提高壽命。目前主要的研究思路是在電纜絕緣中加入無機納米氧化物來抑制電纜絕緣中的空間電荷[47,48]。
其中一個重要的研究方向是開發具有非線性電導特性的材料，既保證正常工作下的高絕緣性能，又能在高帶電情況下以暫態高電導釋放掉危險靜電荷[49-52]。目前該方法已將鐵氟龍（Polytetrafluoro Ethylene, PTFE）的非線性電導閾值從25kV/mm下降至7kV/mm，遠低于材料的擊穿強度。該方法對于高壓傳輸電纜可能會造成較大的損耗，需要進行深入研究。
3.3.3 導電旋轉關節的絕緣防護需求
太陽帆板驅動機構（Solar Array Drive Assembly, SADA）是航天器上關鍵的單點失效環節，發生事故對于衛星是致命的。其絕緣防護的重點是在正、負環間不發生致命性的放電短路。目前的地面試驗表明表面充放電未對設計合理的SADA正常工作造成明顯影響[43]。但隨著傳輸功率達到百千瓦以上、電壓達到千伏以上，所帶來的絕緣要求將大大提升，需要特別關注絕緣介質的深層充電帶來的破壞性放電的產生。
3.3.4 高壓大功率電力管理設備輻射防護需求
高壓大功率電力管理設備的輻射防護需要從器件和電路的抗輻射加固以及高壓絕緣防護幾方面考慮。器件抗輻射加固的重點是考慮新型的SiC、GaN器件，采用新型的封裝材料，并從器件的設計和工藝上采取措施進行加固，盡量減小出現單粒子翻轉和鎖定，杜絕出現單粒子燒毀。
基于器件可能出現的單粒子事件進行分析，從電路設計和軟件設計上采用抗干擾技術、容錯技術、簡編技術等保護措施以及硬件和軟件的數據檢錯和糾錯等措施，把單粒子效應所造成的影響降到最低，防止其產生重大危害。高壓絕緣防護一方面要通過增加整個設備的屏蔽，減小絕緣介質的深層充電；另一方面也要研究采用材料改性的方式來抑制空間電荷的積累，并要從設計和工藝上防止發生二次放電的風險[53-58]。
結論
人類探索太空和開發空間資源的步伐逐漸加大，對于航天器的供電要求也不斷提升，空間供電能力不足已成為制約航天技術提升的瓶頸之一。隨著功率需求的提升，高壓供電體制成為空間大功率電力系統發展的必然方向，而由于空間環境的特殊性，高壓大功率電力系統與空間輻射環境的作用機制成為待解決的關鍵問題。
發展空間高壓電力傳輸與管理系統，將牽引多項關鍵技術和新型材料及器件的發展，加快其研究對我國在超大功率航天器系統創新方面的逐步開拓，以及全面提升超大功率航天器系統的研發能力，不僅具有重要的戰略意義，其學術價值也特別重大。
