高压太阳电池阵在低地球轨道等离子体环境中发生表面充电效应，三结合处形成反向电位梯度，畸变电场容易诱发一次放电，可能导致介质表面受损和绝缘性能下降，甚至引发破坏性持续电弧，威胁航天器的安全运行。本文创新性地将表面充电效应与尖端击穿机制相结合，建立一次放电诱发微观模型，首次清晰揭示了三结合处一次放电的微观演化规律。
研究背景
在LEO等离子体环境中，电子与离子数密度接近但质量差异较大，电子速度远高于离子速度，导致介质表面易积累大量负电荷，尤其在空间太阳电池阵基板、银互联片和玻璃盖片之间形成反向电位梯度，表面微观不规则结构使局部电场大大增加，诱发一次放电。放电会造成表面材料侵蚀，影响电池阵光电转换效率，同时损伤材料表面的绝缘性能，甚至引起破坏性持续电弧，导致短路和供电失效。
图1 太阳电池阵三结合处微观不规则示意图
论文所解决的问题及意义
现有研究多数集中于表面充电效应结果，未能深入探究三结合处放电的微观诱发过程；同时理想条件下的尖端击穿机制无法完全适配复杂等离子体环境，忽略了不同工况下介质-等离子体的动态相互作用。
本文将表面充电效应与尖端击穿机制相结合，构建了一次放电诱发微观模型，从微观粒子角度探究放电诱发过程，明确了一次放电诱发的关键参数阈值与演化规律，为航天器高压太阳电池阵的结构优化、材料选择与防护设计提供了直接技术参考，有助于推动400V及以上超高压太阳电池阵的工程应用。
论文方法及创新点
1、基于电流平衡方程，建立航天器三维表面充电效应模型，通过PIC法和等效电路节点法模拟获得不同工况下的表面电位分布、等离子体鞘层特性及三结合处电场分布。
图2 航天器几何结构示意图
图3 光照区 100 V 航天器周围等离子体鞘层剖面图
图4 光照 100 V 三结合处电场分布
2、基于表面充电效应与真空尖端击穿机制，建立一次放电诱发微观模型，包含热功率平衡、尖端几何演变和中性粒子电离等多物理场耦合计算，探究不同偏压下的场致发射电流变化、尖端变化特性及微观粒子分布。
图5 一次放电诱发模拟几何示意图
图6 放电击穿时场致发射电子数密度分布
图7 放电击穿时二次电子数密度分布
结论
1）空间高压太阳电池阵工作电压等级的提高，导致表面充电电位更负，达到动态平衡时间更长。
2）三结合处的玻璃盖片侧面和银互连片之间、银互连片和底部基板之间易形成局部电场畸变，达到 107V/m 等级。
3）一次放电的偏压阈值为-100V左右，放电击穿时尖端场致发射电流密度约为1012A/m-2,局部电子密度达到1017m-3,且玻璃盖片二次电子明显增多，形成正向反馈，加剧场效应。
团队介绍
本团队长期致力于电器智能控制与故障诊断、开关电弧理论、电能质量与新能源技术等领域的研究，由武建文教授领衔，汇聚所学科研究力量。团队主持国家自然科学基金等纵向横向课题 30 余项，发表论文 180 余篇，获国家授权专利 30 余项，斩获中国机械工业技术发明一等奖、中国发明协会发明创新奖一等奖等多项重磅奖项。相关研究成果已在航空航天、国家电网等领域落地应用，还参与多项国家及行业标准编制，为航空航天和电力行业发展提供重要技术支撑。
尉德杰，北京航空航天大学博士研究生，研究方向为航天器电源系统空间环境效应和真空电弧理论。
武建文，北京航空航天大学教授，博士生导师，IEEE 高级会员，中国电工技术学会高级会员；中国电工技术学会理事，机械工业科学技术奖专业评审组专家等。研究方向为开关电弧理论及电器故障诊断技术，提出了新型真空开关灭弧室结构，深入揭示触头在不同磁控技术下真空电弧变规律、分断特性及重燃机理，研究高压断路器机械振动信号特征提取技术和故障诊断技术。
本工作成果发表在2025年第22期《电工技术学报》，论文标题为“航天器高压太阳电池阵一次放电的诱发微观过程研究“。本课题为国家自然科学基金资助项目。
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