面向空间太阳能电站（SSPS）高功率传输的空间光伏电缆轻量化与空间环境效应研究进展

《Space Solar Power and Wireless Transmission》：Cable transmission and space environmental effects of large-scale solar arrays in space solar power station

　　

自1968年空间太阳能电站（space solar power station, SSPS）概念首次提出以来，SSPS因具备持续稳定供能、能量密度高和清洁发电的潜力而受到全球日益关注。然而，随着航天技术持续发展，包括SSPS在内的大型航天器对功率水平的要求不断提高。太阳能阵列作为空间应用中的主导能源系统，已由刚性设计经半刚性设计发展到柔性设计。在重量和体积约束严苛的航天环境中，发展采用大量电池阵列的超大型柔性太阳能阵列是提升功率密度的重要方向。该进展给空间光伏电缆的轻量化设计带来了前所未有的挑战。作为空间能源系统的关键要素，空间光伏电缆的质量显著影响阵列功率输出。因此，这些电缆的轻量化设计已成为空间太阳能阵列优化的关键焦点。本文围绕SSPS的高功率传输需求，首先回顾SSPS及其供配电系统的发展现状，然后总结空间太阳能阵列以及空间光伏电缆柔性和轻量化技术的研究进展。重点评述空间环境对空间光伏电缆的影响，包括各类环境因素对电缆整体结构以及绝缘材料在役行为的影响。同时，从材料、结构设计、测试与评价和工程应用等角度概述空间光伏电缆的未来发展方向，旨在为空间光伏电缆的未来应用、发展和防护提供理论基础与技术指导。

研究背景与问题：全球能源需求增长和碳中和目标推动可再生能源发展，空间太阳能辐射强度显著高于地表。Peter Glaser于1968年提出SSPS概念；近年来美国、中国、日本、韩国等持续推进相关计划。SSPS由千瓦（kW）级向兆瓦（MW）乃至吉瓦（GW）级发展，要求长距离、高电压、大功率、轻量化和长寿命输电。传统多铜线并联方案发热严重、温控复杂，质量和体积难以满足超高功率系统；太阳能阵列需同时提高功率、降低质量、提升效率；柔性材料和器件可降低发射成本。超大型空间基础设施还要求高可靠性和环境稳定性。现有国际SSPS方案多未给出详细配电系统设计，传统热输电方式不适用，太阳能阵列技术标准亦不同于现有航天设计。因此，研究人员围绕SSPS高功率传输和轻量化需求，综述空间太阳能阵列、空间光伏电缆及空间环境效应，指出柔性阵列、轻量化电缆和FPCB扁平电缆具有应用潜力，但长期空间环境适应性仍是关键约束；绝缘材料是决定环境适应性和长期可靠性的核心因素。该研究为空间光伏电缆设计、选材、测试评价和工程应用提供理论基础与技术指导。

关键技术方法（不超过250字）：本文为综述，研究人员主要采用文献综述与比较分析，整合SSPS概念与供配电、柔性太阳能阵列、空间光伏电缆结构轻量化、柔性印刷电路板（flexible printed circuit board, FPCB；以柔性基膜和导电线路构成的印制电路）制备与应用、聚合物绝缘空间环境效应研究；汇总的在轨或飞行验证来源包括ISS、CSS、DART、Hubble、Phoenix、InSight、Cygnus、Lucy等任务，以及EOIM-3、MISSE-2、ISS ROSA飞行试验和零重力等离子喷印试验；汇总的评估手段包括90°剥离测试、SEM/EDS、XPS、EPR、热刺激去极化电流（thermally stimulated depolarization current, TSDC）、有限元仿真及多因素环境模拟。

研究结果：
2.1 空间太阳能电站概念：通过概念比较归纳，SSPS可分为非聚光和聚光两类；非聚光包括集中供电和分布式供电，聚光以ALPHA-SSPS（Arbitrary Phase Array Space Solar Power Station）为代表。以MR-SPS（multi-rotary joints space solar satellite）为例，光伏模块500 V直流电经子阵升压至5 kV，再经100个中功率导电旋转关节传输至主结构并升至20 kV，经主干电缆送至微波发射天线；系统总功率超过2 GW，电缆需满足超高电压绝缘、低损耗、动态机械兼容和长寿命要求。
2.2 空间太阳能电站供配电发展现状：通过发展现状梳理，多数国际方案未给出详细配电设计；GW级SSPS不能沿用传统热输电。航天电源电压由28 V发展到100 V以上，并正向kV级发展；未来SSPS需高压绝缘、高功率传输、储能、微波或激光无线能量传输（wireless power transmission, WPT）及模块化高压供电可靠性。
3.1 空间太阳能阵列柔性设计：通过结构分类和任务案例比较，柔性阵列收拢体积可约为刚性阵列的十分之一，主要包括Z-folded、扇形和卷展式三类。
3.1.1 Z-folded太阳能阵列：通过ISS和CSS任务验证，Z-folded阵列可实现大功率输出；ISS四对柔性阵列总功率超过200 kW，CSS单翼面积138 m²、功率18 kW，建成后超过100 kW；但周期性大角度折叠使电缆承受集中交变弯曲应力。
3.1.2 扇形太阳能阵列：通过Phoenix、UltraFlex和MegaFlex等研究，扇形阵列部署刚度和质量功率密度较高，UltraFlex功率质量比达100 W/kg；径向布线在展开时长度变化大，需精确设计冗余长度。
3.1.3 卷展式太阳能阵列（roll-out solar array, ROSA）：通过工程样机、ISS飞行试验和DART任务得出，ROSA质量较传统刚性阵列降低33%、收拢体积降低75%；iROSA单翼20 kW，DART单翼超过6.6 kW且体积功率比>25 kW/m³；ROSA在质量、功率、体积和部署成本间平衡较好，是未来优选构型。
3.2 空间光伏电缆基本结构与轻量化：通过结构对比得出，空间光伏电缆导体常用镀锡、镀银或镀镍铜绞线，绝缘常用聚酰亚胺（polyimide, PI）、聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene, PTFE）和乙烯-四氟乙烯共聚物（ethylene-tetrafluoroethylene, ETFE）；还需关注真空兼容、低放气和电荷积累。通过柔性阵列收拢特征分析，传统圆线束难以适应紧密压缩，FPCB扁平电缆薄且适形，可与柔性基底集成并随阵列卷折，是轻量化柔性输电的有前景方案。
3.2.2.1 扁平电缆及其工业应用：通过FPCB应用文献分析，FPCB具有轻质、柔性、高密度布线优势，已用于计算、汽车、可穿戴、医疗和航天；但现有多为低压电子互连，尚不能直接证明其满足kV级高功率SSPS输电，需要评估载流与焦耳热、高压绝缘与真空闪络、反复弯曲机械可靠性及导体-聚合物界面长期稳定性。
3.2.2.2 FPCB扁平电缆制备工艺与关键技术：通过制备工艺和粘附研究得出，PI适用于柔性电路，传统光刻蚀刻和喷墨打印、等离子喷印、3D打印均可用于制造；铜/PI粘附是关键，Noh et al.的90°剥离测试表明Ni–Cr种子层由100 ?增至300 ?时粘附强度约提高25%；Zhou et al.提出无垂直互连全印刷多层柔性电路，等离子喷印已完成零重力飞行验证。
3.2.2.3 FPCB扁平电缆在航天领域应用：通过ISS、GoSolAr和McFadden et al.等研究得出，ISS太阳能阵列FPCB线束需在铰链区预留长度并控制弯曲半径；FPCB还可作为GoSolAr阵列结构材料和铰链；McFadden et al.研制的1.0 m抗辐射低质量高速FPC电缆在3×10¹⁶ protons/cm²（800 MeV）或2×10¹⁶ neutrons/cm²（1 MeV）环境下无可见电学或机械变化，并保持4.976 Gbps有效数据率。
4.1 空间环境对空间光伏电缆整体结构的影响：通过空间碎片模拟和热循环研究得出，低地球轨道（Low Earth Orbit, LEO）碎片平均相对速度约10 km/s，电缆完全暴露时冲击可造成开路、短路或多点损伤；Schimmerohn et al.的模拟试验表明太阳能阵列背面输电束风险最高，异极性断缆或冲击等离子体弧可致永久短路；FPCB高密度窄间距使单次切割可损伤多条线路，需抗碎片设计。热循环下PI与铜箔膨胀失配引起界面剪切、分层和微裂纹，FPCB更需地面热循环验证。
4.2.1 PI：通过电子/质子辐照、原子氧（atomic oxygen, AO）、热老化和电场耦合研究得出，PI在辐照后力学和热稳定性可退化，并出现辐射诱导电导率（radiation-induced conductivity, RIC）；Yue et al.发现循环电子辐照下RIC与辐照历史有关；Chen et al.在20 keV、8 nA/cm²和243–343 K热循环432 h后观察到电导率约升高两个数量级、阈值场降低72.3%；Li et al.和Pan et al.等表明电子辐照、工作电压、接地构型和屏蔽会改变表面闪络及内部电场。PI评价需扩展至空间电荷、RIC、表面电位、闪络和击穿场强。
4.2.2 PTFE：通过AO、紫外/真空紫外（vacuum ultraviolet, VUV）、质子、电子和表面充电研究得出，PTFE表面可被AO侵蚀并粗糙化，质子辐照引起脱氟、自由基演化和结构降解；高能电子可造成非均匀空间电荷和内部电场；铝屏蔽厚度超过3 mm时可显著降低电子通量；氮离子注入可降低表面陷阱能级和表面电阻率至约3×10¹⁵ Ω，抑制电荷积累并加速耗散。PTFE评价不能仅凭结晶度、拉伸强度或形貌。
4.2.3 ETFE：通过EOIM-3、MISSE-2、AO+UV和电子束研究得出，ETFE对AO并非完全惰性，MISSE-2中Tefzel ZM ETFE的AO侵蚀率约9.61×10^?25 cm³/atom；电子束辐照可导致主链断裂、HF消除、氧化和交联，高剂量下拉伸强度与断裂伸长率下降；ETFE电缆级VUV和AO数据较成熟，但高能电子所致深层充电、空间电荷和真空闪络研究有限。交联ETFE（cross-linked ETFE, X-ETFE）通过辐照交联改善尺寸稳定性、耐磨性和抗冷流性，但制造交联与服务期辐射老化存在竞争。
4.3.1 纳米改性PI复合材料：通过纳米填料、共混和多层结构研究得出，纳米改性可抑制PI空间电荷并提高介电强度；BT@ZrO₂/PI击穿强度较纯PI提高19%，PI/PEI 1:1共混膜在200 °C仍保持550 kV/mm。该策略可在不明显增厚增重下提高绝缘可靠性，但无机纳米粒子与基体相容性差，高浓度易相分离，高辐射、高电场和多因素耦合下长期可靠性研究仍不足。
4.3.2 X-ETFE：通过电子束交联、热老化和VUV研究得出，X-ETFE交联网络可限制高温下链段运动，提高尺寸稳定性、耐磨性和抗冷流性；Min et al.发现约8×10⁴ Gy剂量下样品拉伸性能较高，但辐照会改变结晶行为并释放含氟物种；Zhang et al.的8000等效太阳小时VUV试验中绝缘变暗、C=C结构增加并出现微裂纹，耐压和绝缘电阻总体下降，但测试范围内未观察到根本性电性能恶化。X-ETFE的空间电荷、陷阱、电导和击穿系统研究仍少于PI和PTFE。
5.1 结论（翻译）：本综述聚焦SSPS高功率传输与轻量化设计需求，总结空间太阳能阵列和空间光伏电缆发展现状，重点评述PI、ETFE、X-ETFE等聚合物绝缘材料的空间环境效应。现有研究表明，随着空间电力系统功率等级和传输距离提高，太阳能阵列与电缆系统在质量、体积、传输损耗和绝缘可靠性之间的权衡日益突出。柔性及ROSA构型，以及高电流密度导体和FPCB等轻量化输电技术，为降低系统质量提供可行途径；但其工程应用仍受长期空间环境适应性制约。对空间光伏电缆而言，绝缘材料是决定环境适应性和长期运行可靠性的关键因素。高能带电粒子、AO、极端温度和热循环等环境因素可诱导聚合物绝缘发生分子链断裂、交联、氧化、表面侵蚀和陷阱特性变化，进而影响电导率、空间电荷积累和局部电场分布。由于化学结构和微观结构差异，不同聚合物表现出不同环境敏感性和绝缘退化特征。总体而言，该领域研究已从机械、热学和介电性能的宏观表征逐步推进到微观结构、陷阱特性和电荷输运机制研究，为理解聚合物绝缘在空间环境中的击穿和表面闪络行为提供重要依据。总之，空间太阳能阵列轻量化设计、空间光伏电缆轻量化以及绝缘材料空间环境效应构成SSPS内部输电三个密切关联方面。现有研究识别了典型聚合物绝缘材料在辐射、AO和热环境下的主要损伤模式及部分电学响应，并表明多因素耦合可使绝缘退化过程更复杂。这些发现为后续空间光伏电缆绝缘结构设计、材料选择和入轨可靠性评估提供理论和实验基础。
5.2 未来研究展望（讨论总结）：未来空间电力系统将向更高电压、更高功率和更长传输距离发展，需建立材料微观结构—电荷输运—宏观绝缘失效的跨尺度关系，结合分子模拟、介观模型和电场计算量化分子结构、缺陷、陷阱参数与载流子输运、空间电荷和击穿特性的关联；通过分子结构设计、界面工程和复合改性协同提升抗辐射、抗热循环和抗AO能力；重视辐射、热循环、真空、电场和机械载荷共同作用下的多因素失效机制；建立空间电缆多因素加速老化和寿命评估框架、物理信息寿命预测模型及在线或原位监测；在工程应用层面建立不同轨道和任务环境的材料选择与适用性评估方法，发展高压电缆绝缘结构、电场控制和轻量化设计，并逐步形成材料筛选、多环境耦合试验、失效判据和寿命鉴定标准，以支撑超大型空间电力系统长期可靠运行。