Стеклянная пластина для радиационной и электростатической защиты фотоэлектрических преобразователей космических аппаратов

Полезная модель относится к области космического материаловедения и оптической техники и может быть использована для радиационной и электростатической защиты элементов космических аппаратов (КА), например, солнечных батарей, их фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) с повышенной радиационной стойкости к воздействию факторов космического пространства (протонному, электронному и УФ излучениям). Данная полезная модель используется для защиты ФЭПов от агрессивного воздействия космической окружающей среды и направлена на решение задачи надежного и виброустойчивого отвода накапливающегося статического электричества в условиях интенсивного корпускулярного потока протонного, электронного и УФ излучения космического пространства. Она представляет из себя т.н. двухслойный «сэндвич», состоящий из подложки на основе радиационно-стойкого стекла К-208, нанесенного на него токопроводящего покрытия. На последнем также создана небольшая низкоомная контактная металлизированная площадка, которая посредством пайки и/или сварки соединяется с корпусными деталями и элементам КА и выполняет роль точки заземления. Параметры площадки металлизации подобраны таким образом, чтобы наилучшим образом удовлетворить следующим требованиям: - обеспечение надежного контакта между токопроводящим слоем пластины и корпусом КА с минимальным собственным сопротивлением устойчивой к вибрационным нагрузкам и длительному корпускулярному облучению для предотвращения возникновения локальных электрических разрядов; - минимизация толщины покрытий для минимизации общего веса КА, - обеспечение необходимой радиационной стойкости покрытия для ФЭПов.

Полезная модель относится к области космического материаловедения и оптической техники и может быть использована для радиационной и электростатической защиты элементов космических аппаратов (КА), например, солнечных батарей, их фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) с повышенной радиационной стойкости к воздействию факторов космического пространства (протонному, электронному и УФ излучениям).

При эксплуатации в космическом пространстве солнечные батареи и, соответственно, ФЭП подвергаются воздействию радиации (радиационные пояса Земли, в виде корпускулярных потоков электронов и протонов, солнечное и космическое излучение). В результате этого происходит постепенное ухудшение их электрических характеристик и на диэлектрических поверхностях КА скапливается неоднородный электростатический заряд, который нужно отводить.

В настоящее время для радиационной защиты ФЭП от агрессивного воздействия космической окружающей среды, как правило, применяется стеклянные пластины из специального радиационно стойкого стекла марки К-208 по ОСТ3-3677-82.

Однако, между областями поверхности с разными электрическими потенциалами могут происходить разряды, вызывающие помехи или даже сбои бортовой электронной аппаратуры, существенно ускоряющие процесс деградации характеристик оптических поверхностей. Для предотвращения накопления статического электричества необходимо принимать специальные меры, например, в виде нанесения на внешнюю поверхность покрытия токопроводящих (электропроводных) слоев. Вопрос отвода статического электричества становится особенно важен для КА, запускаемых для исследования Солнца и параметров солнечного излучения.

Известно многослойное терморегулирующее покрытие класса «солнечный отражатель», которое выбрано в качестве аналога (Патент РФ 2168189 Многослойное покрытие МПК G02B 1/10, B64G 1/58, C23C 14/48, Опубл.: 27.05.2001), содержащее полимерную подложку с нанесенным на нее оптическим слоем с нитевидными или волокнистыми кристаллами оксида цинка с высокой отражательной способностью в интервале длин волн 0,3-2,4 мкм, при этом полимерная подложка выполнена эластичной.

Многослойное покрытие может также содержать полимерную подложку выполненную в виде полиэтилентерефталатной или полиимидной пленки.

Кроме этого, в данном многослойном покрытии нитевидные кристаллы или волокнистые кристаллы берут с отражательной способностью в интервале длин волн =0,3-2,4 мкм.

Кроме того, в предложенном многослойном покрытии в качестве связующего берут оптически прозрачное радиационно стойкое вещество.

Также в этом многослойном покрытии в качестве связующего взят поливиниловый спирт.

Покрытие получают путем многослойного полива: вначале поливается слой с меньшим содержанием пигмента, обеспечивающий адгезию покрытия к пленочной основе, затем верхний слой с высоким содержанием пигмента, позволяющий получить заданные оптические характеристики покрытия. Для нижнего оптического слоя соотношение пигмент - пленкообразователь по сухому веществу составляет 4:1, для верхнего - 5:1.

Основным недостатком использования данного покрытия у основы многослойной пластины для электростатической защиты ФЭП является малая электропроводность. Большинство органических связующих, в том числе приводимый в примере поливиниловый спирт, относятся к диэлектрикам, в результате покрытие накапливает электростатический заряд под действием заряженных частиц радиационных поясов Земли, что приводит к возникновению электрических разрядов, вызывающих помехи или даже сбои в бортовой аппаратуре КА. Последнее обстоятельство особенно проявится для КА, исследующих Солнце и параметры солнечного излучения.

Известно многослойное покрытие, состоящее из подложки с прозрачным электропроводным покрытием на внешней поверхности и отражающим покрытием на тыльной поверхности, выполненным в виде пленки металла с высокой отражательной способностью в интервале длин волн 0,3-2,4 мкм, прозрачное электропроводное покрытие включает не менее 2-х слоев, причем один из слоев содержит оксид церия, а подложка выполнена из полиимидной пленки. Один из слоев прозрачного электропроводного покрытия может быть выполнен на основе оксида олова SnO₂, легированного оксидом церия CeO₂, или на основе In₂O₃ . (Патент РФ 2269146 Многослойное покрытие МПК G02B 1/10, B64G 1/58 Опубл. 27.01.2006 Бюл. 03).

Это многослойное покрытие можно использовать в качестве основы многослойной пластины для радиационной и электростатической защиты ФЭП. Однако, у этого технического решения имеются следующие недостатки. Использование оксида олова SnO₂ в качестве электропроводного покрытия ограничивает прозрачность для спектра длин волн 0,3-2,4 мкм, используемого для ФЭП. Кроме того, недостаточно эффективно, технологично и надежно электрическое соединение данного многослойного покрытия к корпусу КА посредством пайки.

В качестве прототипа являющимся наиболее близким по количеству общих признаков и по технической сущности к предлагаемой полезной модели выбрано радиопрозрачное терморегулирующее покрытие (Патент РФ 2343509 Радиопрозрачное терморегулирующее покрытие МПК G02B 1/10, B64G 1/58 Опубл.: 10.01.2009 Бюл. 1), которое, среди прочего, содержит подложку из оптически прозрачного радиационно-стойкого материала, нанесенного на нее токопроводящее покрытие на основе оксида индия или оксида олова и точку заземления.

Это покрытие содержит также дополнительный электропроводный слой, прозрачный для электромагнитного излучения широкого интервала радиочастот и выполненный из полупроводника, который размещен между упомянутыми выше подложкой и токопроводящим покрытием. С тыльной стороны подложки также нанесен второй электропроводный светоотражающий слой, большей толщины.

Это техническое решение предназначено и оптимизировано преимущественно для выполнения функций терморегулирования и электростатической защиты в виде экранов или в виде покрытия, приклеенного к поверхности элементов конструкции космических аппаратов. В основе его лежит создание легкого и простого в изготовлении покрытия для термостабилизации и надежной электростатической защиты антенных систем, отражающего не менее 50% и пропускающего не более 5% солнечного излучении.

Это техническое решение можно использовать в качестве основы пластины для радиационной и электростатической защиты ФЭП КА. Однако, недостатком его использования является ограничения радиационной стойкости от корпускулярных потоков электронов и протонов, связанной с малой толщиной подложки этого покрытия от 12 до 60 мкм. Также для этого технического решения характерна низкая технологичность и надежность электрического присоединения токопроводящего покрытия через точку заземления к корпусу КА и соответственно низкая эффективность электростатической защиты;

Под технологичностью стеклянной пластины понимается обобщенный показатель, выражающий удобство его производства, эксплуатационные качества и ремонтопригодность.

Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение радиационной стойкости пластины, повышение технологичности, надежности электрического присоединения токопроводящего покрытия к корпусу КА и эффективности электростатической защиты ФЭПов.

Согласно предлагаемой полезной модели поставленная техническая задача достигается тем, что стеклянная пластина для радиационной и электростатической защиты фотоэлектрических преобразователей космических аппаратов содержащая подложку из оптически прозрачного радиационно-стойкого материала, нанесенное на нее токопроводящее покрытие, созданное за счет использования оксидов индия и олова, а также точку заземления, в качестве токопроводящего покрытия используют смесь оксида индия и оксида олова, а для подложки используют стекло марки К-208, толщиной от 0,1 мм до 0,14 мм, предпочтительно 0,12 мм с отклонением от плоскостности не более 0,3 мм, с шероховатостью нижней поверхности по 14 классу, при этом подложка имеет форму выпуклого шестистороннего многоугольника, длина первой стороны составляет от 80,4 до 80,6 мм, предпочтительно 80,5 мм, вторая и шестая стороны параллельны друг другу и расположены перпендикулярно по отношению к первой стороне с отклонением от перпендикулярности не более 0,1 мм, третья сторона лежит под углом 135 градусов по отношению ко второй и четвертой сторонам и является гипотенузой равнобедренного треугольника с длинами каждого катета от 13,3 до 13,5 мм, предпочтительно 13,4 мм, расстояние между первой и четвертой сторонами от 40,4 до 40,6 мм, предпочтительно 40,5 мм, при этом четвертая сторона параллельна первой стороне, а пятая сторона расположена под углом 135 градусов по отношению к четвертой и шестой сторонам и является гипотенузой равнобедренного треугольника с длинами каждого катета от 6,2 мм до 6,4 мм, предпочтительно 6,3 мм, при этом точка заземления выполнена в виде контактной площадки созданной за счет слоя металлизации нанесенного на токопроводящее покрытие вдоль пятой стороны пластины.

Помимо этого это достигается тем, что толщина токопроводящего покрытия составляет от 2 до 10 мкм, при условии, что интегральные потери пропускной способности подложки с этим покрытием не более 2% в условиях АМ0, где АМ0 - спектральное распределение Солнечного излучения за пределами земной атмосферы, а контактная площадка выполнена из меди или медесодержащих сплавов шириной от 4,9 мм до 5,1 мм, предпочтительно 5 мм и толщиной от 90 мкм до 110 мкм, предпочтительно 100 мкм.

Полученное новое качество от данной совокупности признаков ранее не было известно и достигается только в данной полезной модели.

Суть предлагаемой полезной модели поясняется чертежами.

Фиг. 1 показывает общий вид оптической пластины в проекции (в измененном масштабе).

На фиг. 2, 3 представлена предлагаемая стеклянная пластина: фронтально (фиг. 2) и в поперечном сечении (фиг. 3).

Предлагаемая стеклянная пластина (в дальнейшем по тексту - пластина) может иметь несколько вариантов исполнений с различными параметрами. Эти параметры зависят от особенностей полета КА, тактико-тактических характеристик, предъявляемых к ФЭПам, особенностей технологии производства таких пластин, появлением новых более эффективных материалов и других причин.

Предлагаемая пластина 1 (фиг. 1-3) состоит из подложки 2, напыленного с верхней поверхности токопроводящего покрытия 3 и созданной на ней контактной площадки (области) 4.

Подложка 2 используется в качестве основы предлагаемой пластины и выполнена из радиационно стойкого стекла марки К-208 (интернет-ресурс: http://www.saturn.kuban.ru/nuclear_fep.html) согласно ОСТ3-3677-82, толщиной l_а по оси OZ (фиг. 1) от 100 мкм до 140 мм, предпочтительно 120 мкм с отклонением от плоскостности для нижней поверхности не более 0,3 мм и шероховатостью для нижней поверхности по 14 классу. Подложка 2 используется для подавления составляющих радиационных излучений (корпускулярные потоки электронов и протонов), которые облучают КА в процессе его функционирования и имеет форму выпуклого шестистороннего многоугольника (с двумя прямыми и четырьмя тупыми углами)

Подложка 2 имеет прямоугольное поперечное сечение (фиг. 3), причем длина l_d первой 5 стороны (фиг. 2) составляет от 80,4 до 80,6 мм, предпочтительно 80,5 мм. Вторая 6 и шестая 10 стороны параллельны друг другу и расположены перпендикулярно по отношению к первой стороне 5 с отклонением от перпендикулярности не более 0,1 мм. Третья сторона 7 лежит под тупым углом 135 градусов по отношению ко второй 6 и четвертой 8 сторонам. Ее условно можно считать гипотенузой равнобедренного треугольника с длинами l_f и l_g (фиг. 2) каждого из катетов от 13,3 до 13,5 мм, предпочтительно 13,4 мм. Расстояние 1 _е между первой 5 и четвертой 8 сторонами составляет от 40,4 до 40,6 мм, предпочтительно 40,5 мм (фиг. 2).

Четвертая сторона 8 параллельна первой стороне 5. Пятая сторона 9 расположена под тупым углом 135 градусов по отношению к четвертой 8 и шестой 10 сторонам. Ее условно можно считать гипотенузой равнобедренного треугольника с длинами 1_k и l_g (фиг. 2) каждого катета от 6,2 мм до 6,4 мм, предпочтительно 6,3 мм.

На верхнюю поверхность подложки 2 методом напыления нанесено токопроводящее покрытие 3 для отвода образующегося статического заряда Q, образующегося из-за интенсивного корпускулярного потока протонного, электронного и УФ излучения космического пространства. По химическому составу это покрытие реализовано на основе оксида индия (In₂ O₃), оксида олова или их смеси с толщиной l_в по оси OZ (фиг. 1) в диапазоне от 2 до 10 мкм. Интегральные потери пропускной способности подложки с этим покрытием не более 2% в условиях АМ0, где АМ0 - спектральное распределение Солнечного излучения за пределами земной атмосферы (Сысоев В.К., Пичхадзе К.М., Грешилов П.А., Верлан А.А. Солнечные космические электростанции: пути развития. - Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2013, - 160 с. ).

Известно (Колтун М.М. Оптика и метрология солнечных элементов. М.: 1985, 280 с. ), что при прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения - озоном и рассеяния излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями.

Показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, называется воздушной массой («air mass»-AM). При этом AM определяется как секанс угла между Солнцем и зенитом, а характеристика АМ0 соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы (для предлагаемой стеклянной пластины - на космическом аппарате), т.е. при нулевой воздушной массе (Сысоев В.К., Пичхадзе К.М., Грешилов П.А., Верлан А.А. Солнечные космические электростанции: пути развития. - Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2013, - 160 с., Мейтин М. Фотовольтика - материалы, технология, перспектива//Электроника 2000. 6 с. 40-46, Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Книга 2-М.: Мир, 1984 - 456 с.. Колтун М.М. Оптика и метрология солнечных элементов. М.: 1985, 280 с., http://otherreferats.allbest.ru/physics/00173585_0.html, http://www.solarhome.ru/basics/pv/techirrad.htm?print=1).

С учетом вышесказанного, предлагаемые подложка с упомянутым выше покрытием пропускает 98% входного Солнечного излучения усредненно по всем длинам волн за пределами земной атмосферы, т.е. при условиях соответствующих АМ0, а 2% соответствует потерям. Эти потери вызваны в основном процессами поглощения, отражения и рассеивания покрытия и подложки.

Нанесенное токопроводящее покрытие 3 не может не отражать часть входного излучения, поэтому условно его можно считать светоотражающим. Но этот процесс светоотражения является лишь побочным эффектом при реализации основной функции - обеспечения электростатической защиты ФЭП.

Вдоль четвертой 9 стороны пластины на токопроводящем покрытии 3 за счет напыления сформирована точка заземления (контактная площадка) 4 на основе металлизированной полосы (слоя) шириной 1_i от 4,9 мм до 5,1 мм, предпочтительно 5 мм (фиг. 2). Она используется для создания электрического контакта с корпусом КА (подобно заземлению в электрических схемах). За счет этого электрического контакта происходит передача, т.н. «стекание» образованного пространственно распределенного электростатического заряда, т.е. его заземление на корпус КА. Для получения этой контактной площадки 4 используется напыление из меди или медесодержащих сплавов толщиной l_с от 90 мкм до 110 мкм, предпочтительно 100 мкм (фиг. 1). Суммарное поверхностное сопротивление площадки является достаточно низким и, как правило, не превышает 550 Ом.

Приведенные размеры пластины подобраны из расчета на 2-5%-ное превышение стандартных типовых размеров отдельных сегментов (элементов) ФЭП для КА.

При сборке КА эта контактная площадка 4 посредством припайки оловянно-свинцовым припоем низкоомной медной шины электрически соединяется с корпусом КА. Место припайки защищается от внешних воздействий при сборке, транспортировке, подготовке к запуску и запуска КА слоем силикона толщиной, как правило, не более 0,1-0,3 мм.

Предлагаемая пластина 1 крепится поверх ФЭПов за счет слоя оптически прозрачного клея типа К-8 нанесенного по периметру пластины и выполняет роль защитного экрана.

Функционирование пластины заключается в следующем. В процессе эксплуатации внешняя поверхность КА подвергается воздействию разнородной смеси солнечного излучения и потока разных заряженных частиц. Попадая на поверхность пластины 1, а именно, на поверхность токопроводящего покрытия 3 часть заряженных частиц рекомбинирует между собой, но большая часть остаточного заряда приводит к образованию статического заряда Q на нем. За счет электропроводности этого токопроводящего покрытия 3 и его малого сопротивления этот накопленный заряд Q имеет возможность перетекать от токопроводящего покрытия 3 к контактной площадке 4 и далее на корпус КА. Это приводит к перераспределению накопленного заряда и уменьшению общего локального заряда на поверхности пластины 1 и существенно снижает риск электрического пробоя и ее механического разрушения.

Радиационная часть входного потока, пройдя через токопроводящее покрытие 3, гасится подложкой 2, реализованной на основе радиационно стойкого стекла марки К-208 и, тем самым, защищает светочувствительную поверхность ФЭПов от раннего старения и деградации его оптических и электрических параметров.

Помимо этого, часть солнечного излучения, представляющая собой электрически нейтральный оптический поток, спектр которого соответствует окну прозрачности пластины 1 проходит через нее и освещает светочувствительную поверхность ФЭПа. Последний вырабатывает электрическую энергии, которая используется для функционирования КА.

Для решения задачи надежного и виброустойчивого отвода накапливающегося статического электричества в условиях интенсивного корпускулярного потока протонного, электронного и УФ излучения космического пространства в данной полезной модели на поверхности двухслойной пластины, представляющей по структуре типа «сэндвич», состоящей из слоя радиационно-стойкого стекла и токопроводящего покрытия, предлагается дополнительно сформировать низкоомную область металлизации. Эта область металлизации электрически присоединяется к корпусным деталям и элементам КА посредством пайки и/или сварки и выполняет роль «локального заземления» для каждой пластины.

К настоящему времени на предприятии уже разработаны и изготовлены опытные образцы покрытия. Проведенные испытания показали высокую стойкость покрытия к воздействию солнечного и корпускулярного излучения, факторам хранения (воздействие переменных температур и влажности) и эксплуатации (циклическое изменение температуры в вакууме (от -170 до +170°C). В процессе облучения электронами в вакууме статический заряд успешно отводился.

Предлагаемое техническое решение позволяет повысить радиационную стойкость пластины для ФЭПов, а также технологичность, надежности электрического присоединения токопроводящего покрытия к корпусу КА устойчивому к длительному корпускулярному облучению в широком диапазоне температур (от -150 до +150°C), а в результате этого повысить эффективность электростатической защиты ФЭПов.

Приведенные выше геометрические и физико-технические параметры пластины получены в результате теоретических и экспериментальных исследований по поиску наилучшего и оптимального их сочетания между ними для достижения технической задачи.

Данное изделие запланировано к выпуску, в настоящее время готовится техническая документация технологического процесса ее изготовления, вероятно, методом осаждения в вакууме, и контроля основных геометрических и физико-технических параметров.

1. Стеклянная пластина для радиационной и электростатической защиты фотоэлектрических преобразователей космических аппаратов, содержащая подложку из оптически прозрачного радиационно стойкого материала, нанесенное на нее токопроводящее покрытие, созданное за счет использования оксидов индия и олова, а также точку заземления, отличающаяся тем, что в качестве токопроводящего покрытия используют смесь оксида индия и оксида олова, а для подложки используют стекло марки К-208 толщиной от 0,1 мм до 0,14 мм, предпочтительно 0,12 мм, с отклонением от плоскостности не более 0,3 мм, с шероховатостью нижней поверхности по 14 классу, при этом подложка имеет форму выпуклого шестистороннего многоугольника, длина первой стороны составляет от 80,4 до 80,6 мм, предпочтительно 80,5 мм, вторая и шестая стороны параллельны друг другу и расположены перпендикулярно по отношению к первой стороне с отклонением от перпендикулярности не более 0,1 мм, третья сторона лежит под углом 135° по отношению ко второй и четвертой сторонам и является гипотенузой равнобедренного треугольника с длиной каждого катета от 13,3 до 13,5 мм, предпочтительно 13,4 мм, расстояние между первой и четвертой сторонами от 40,4 до 40,6 мм, предпочтительно 40,5 мм, при этом четвертая сторона параллельна первой стороне, а пятая сторона расположена под углом 135° по отношению к четвертой и шестой сторонам и является гипотенузой равнобедренного треугольника с длиной каждого катета от 6,2 мм до 6,4 мм, предпочтительно 6,3 мм, при этом точка заземления выполнена в виде контактной площадки, созданной за счет слоя металлизации, нанесенного на токопроводящее покрытие вдоль пятой стороны пластины.

2. Пластина по п.1, отличающаяся тем, что токопроводящее покрытие выполнено толщиной от 2 до 10 мкм при условии, что интегральные потери пропускной способности подложки с этим покрытием не более 2% в условиях АМ0, где АМ0 - спектральное распределение солнечного излучения за пределами земной атмосферы, а контактная площадка выполнена из меди или медесодержащих сплавов шириной от 4,9 мм до 5,1 мм, предпочтительно 5 мм, и толщиной от 90 мкм до 110 мкм, предпочтительно 100 мкм.