【#深空科普# 为航天器的“心脏”穿上“防弹衣”】
航天器是人类探索宇宙的“星际信使”，而它的电力系统则如同这位“信使”的“心脏”和“血管”，负责产生、存储和分配电能，确保各类仪器设备正常运转。然而，看似寂静的太空中，潜藏着无形的威胁——空间辐射。来自太阳、银河系甚至地球磁场的高能粒子，虽然“个头”不大，却能对航天器电力系统的各个关键环节产生影响，甚至引发连锁故障，影响航天器正常运行。
太阳能电池板作为航天器的“能量采集板”，负责为航天器提供电能。当航天器进入阴影区时，锂离子电池便充当起“储能油箱”。当太空辐射环境中的高能质子和电子穿透电池板并撞击原子时，就会在锂离子电池内部形成深能级缺陷。这就像在锂离子电池内部设置了许多“陷阱”，捕获本应参与发电的电荷，导致电池效率下降、输出功率衰减。
电力电子器件作为电力系统的“开关”与“调节阀”，负责控制电能的变换与传输，它们对辐射极为敏感。一个高能粒子击中器件敏感区域，可能引发瞬时电流脉冲、逻辑状态翻转，甚至导致器件直接烧毁、栅极击穿。而长期累积辐射会在器件绝缘层中形成“电荷陷阱”，逐渐改变其电学特性，使其开关阈值漂移、漏电加剧及性能衰退。
航天器内部的高压电缆和绝缘部件，则如同输送电能的“血管”。高能粒子穿透绝缘材料，会在其中沉积电荷并扭曲内部电场，在高压和工作应力的共同作用下，加速绝缘材料老化、开裂，最终引发局部放电或彻底击穿，造成短路、断电等严重事故。
面对一系列严峻的辐射挑战，科学家和工程师们研发出了一整套防辐射策略，从多个层面提升电力系统的生存能力。
首先，从电力电子器件材料上进行革新。例如采用新型半导体材料（如碳化硅、氮化镓等）后，器件具有更好的耐高温、耐高压和抗辐射特性；还可以研发新型耐辐射聚合物和复合材料，用于电缆绝缘；对特别敏感的部件，采用铝、钨等金属进行局部屏蔽。
其次，对电力电子器件的设计与工艺进行优化。改进器件内部结构与版图设计，使器件能够更好地抵抗辐射；在设计太阳能电池板时，采用多结电池结构，提升发电效率与抗辐射能力；研发纳米线等新型结构，在减重的同时增强耐受力。
最后，为电力系统增加冗余与容错措施。关键电路采用“三模冗余”，即三套相同系统并行运行，通过“投票”机制输出正确结果，即使一套出错，也不影响整体；在软件中植入“看门狗”、纠错编码、定期刷新缓存等机制，及时发现并纠正因辐射导致的数据错误；利用传感器网络和人工智能技术，实时监测系统健康状态，预测故障风险，实现智能诊断与预警。
太空辐射环境是航天器电力系统必须直面的严酷考验。正是通过不断深入理解辐射作用机理，并运用材料科学、微电子技术、智能算法等多学科智慧，人类才能为航天器的“心脏”打造出越来越强大的“铠甲”，打赢这场与无形粒子之间的攻防战，确保在星辰大海的征途中，始终拥有稳定可靠的能量源泉。
来源/《中国航天报·飞天科普周刊》