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1、空间电源的研究现状与展望空间电源的研究现状与展望空间电源的研究现状与展望中国电子科技集团公司第 18 研究所黄才勇摘要通过对国内外相关资料及我国未来空间信息系统对空间电源需求的分析,简要地论述了空间电源的技术现状与发展动态,并提出了思考建议和目标.关键词空间电源太阳电池阵储能控制装置核电源建议一,引言随着空间技术的迅猛发展,空间已经成为维护国家安全和打赢现代信息化战争的制高点,各国对进入和控制空间越来越重视,空间武器化已经不可避免,由此而引发的空间攻防战也正在到来.空间军事装备承担主要作战信息支援任务,包括侦察与监视,军事测绘,军事通信,数据中继,导弹预警,导航定位,海洋监视,军事气象等,并向
2、网络化方向发展.空间电源分系统是空间装备所有仪器工作的惟一电源,其基本功能是通过物理和化学过程,将太阳的光能,核能或化学能转化为电能,并对电能进行储存,调节,变换和管理,然后向空间装备其它各分系统不问断供电.1.对空间电源系统的要求空间电源系统的水平极大地影响空间平台的性能和寿命.空间平台总体设计对电源系统的要求主要有以下 5 方面.电性能要求:包括功率,电压,阻抗,纹波,瞬态特性.寿命要求:低轨卫星(LEO)35 年,地球静止卫星(GEO)815 年.重量和体积:卫星太阳电池阵的尺寸远大于卫星本体.中型以上卫星,电源重130500kg;微小卫星,电源占全星的 2043%.可靠性:超过 0.9
3、7.环境条件:太阳电池阵直接暴露在外太空中,环境恶劣且多变,要承受一 180 至80C 的温度变化,并承受比星上其他部件总剂量高 12 个数量级的高能带电粒子射线的辐射,要承受各种空间等离子环境的高压静电充/放电效应,对于低轨道则还有严重的原子氧剥蚀问题.卫星太阳电池阵往往是各种地基,空基和天基反卫星激光武器的首要打击对象.空间电源系统是一个非自主的分系统,太阳电池阵发电系统依赖于光照条件,因此又严重制约卫星的发射窗口,轨道参数,飞行程序,卫星的结构,尺寸,姿态和轨道控制,例如对某些采用体装式太阳电池阵的卫星,为了使太阳电池阵发出所需功率,其卫星平台的尺寸不得不成倍增加;对某些大功率卫星,耗功
4、超过 10kW,则太阳电池阵达到 100 平方米,对卫星的构型,基频,姿态控制和轨道阻力及轨道生存能力产生巨大的影响,因此,电源分系统的水平不仅仅影响自身输出功率,重量,寿命,而且对卫星总体设计,卫星姿态控制和轨道控制产生联锁反应.2.电源种类空间电源根据不同航天装备需求,主要有以下五种.1一次性电源主要有锌银电池组和锂/亚硫酰氯电池.它们作为短期卫星(少于 30 天)的主电源或应急,火工品点火的辅助电源.一次电源的特点是一次性使用,不能反复充电.核电源不同的热源和热电转换器构成了放射性同位素温差发电器,核反应堆温差发电器和核反应堆热离子发电器三种核电源.核电源适用于光强低,核辐射,空间攻防,
5、需轨道大机动和深空探测等特殊航天器.燃料电池(FC)空间用的燃料电池通常采用质子交换膜的氢氧燃料电池.它是以氢气为燃料,氧气为氧化剂,在 PI 催化剂存在和约 80C 的条件下产生如下的化学反应:2n2+O22O+电能电池系统配备液氢,液氧储存罐,供水和排水,氢氧气体流量,压力,增湿,温度调节,输出电压电流调节变换等辅助系统,是一种活动部件多,系统复杂的发电装置.质子交换膜氢氧燃料电池(PEMFC)可作为大功率短期飞行任务航天器的主电源.美国的航天飞机采用了这种电源.它的优点是独立性强,功率大,适合于低轨道及机动飞行,副产品水可供宇航员使用.其缺点是辅助系统复杂,系统总的重量比能量不高,液氢与
6、液氧低温储存难,安全性和可靠性较突出.由于液氢和液氧携带量有限,不适合半年以上空间任务的使用.太阳能热动力系统(SD)该系统是采用热能一机械能一电能的转化方式.整个系统由大口径抛物面聚焦式太阳光反射器,吸热,蓄热器,透平机,压缩机,发电机,散热器,冷却器,辐射器,电子控制盒等组成.其转化效率不高于 l8%,基本和单结砷化镓太阳电池/锂离子蓄电池供电系统相当.此外,太阳能热动力系统重量比功率很低.美国曾计划在自由号空间站(SSF)和国2际空间站(ISS)上采用 SD 系统.实际在 1996年被取消.有些报道指出,虽然 SSF 的 SD 已做了大量工作,但它毕竟是一个复杂的系统,许多技术难度大,有
7、些问题没有把握,没有通过空间飞行试验就在空间站上作为主电源有极大风险;另一种说法是经费太高.国际空间站最终仍然采用了太阳电池阵/蓄电池供电系统.太阳电池阵/蓄电池供电系统它由太阳电池阵,蓄电池组,电源控制单元三个子系统组成.在航天器处于轨道光照区,太阳电池阵通过光伏效应把太阳光能转换成直流电,并由电源控制单元分流,稳压调节,充电控制,向空间各种载荷供电,并对蓄电池组充电.在星蚀期,蓄电池组经过电源放电调节器控制,调节,向载荷供电.这种供电系统的工作寿命在高轨道超过 l0 年,低轨道超过 5 年.输出功率达到 75kW(国际空间站),结构相对简单,没有复杂活动部件,可靠性高.因此,全世界 95%
8、以上的空间采用这种系统.本文重点论述这种电源系统的现状和发展趋势.二,太阳电池/蓄电池空间电源分系统的总体技术电源分系统的太阳电池阵,蓄电池组和电源控制器对于不同的空间飞行器(轨道,耗功,航天器外形,电压要求等)特点选择不同的配置方案.(1)以能量传输方式分类有直接能量传递方式(DET)和太阳阵最佳点跟踪方式(SPRU)两种.2.以母线电压调节方式分类电源系统母线电压调节方式有不调节,半调节和全调节三种.(3)太阳电池充电阵,供电阵分开与统一母线全调节的电源系统国内外卫星的太阳电池阵结构有两种方式,第一种是充电阵和供电阵分开;第二种是太阳电池阵统一布片,统一母线输出,由电源控制单元实行“三域“
9、控制,完成光照期和地影期对负载稳压供电与对蓄电池组自主充电的控制.国外应用的典型航天器有阿尔卡特大型通信卫星平台 SB 一 3000 和 SB 一 4000,我国的东方红四号,前哨一号卫星也采用这种结构.统一母线设计还给太阳电池板标准化,通用化带来极大的方便.同时简化了太阳电池阵的电缆网和太阳翼对日跟踪滑环的结构,减轻了重量,提高了可靠性.(4)母线电压的选择电源系统母线电压的选择,典型值有28V,42V,100V,即低,中,高三种.母线电压的选择主要考虑如下因素:航天器功率需求水平;航天器功率电缆网的重量与损耗;可以得到的元器件的耐压与成本水平;航天器表面在空间等离子环境下不均匀充电,引起静
10、电击穿的危险性和太阳电池阵等离子漏电的严重性;对二次电源(DC/DC 变换器)的输入电压,转换效率与可靠性的影响.特别要指出采用 100V 以上电压,电压的提高会使电缆损耗或电缆网的重量以平方关系下降.但是 100V 以上电压会引起太阳电池阵诸多问题,必须逐一加以防范.主要问题有:太阳电池阵表面高绝缘盖片不均匀充电,有时高达上万伏,会产生静电放电,激发等离子通道,使太阳电池电路和太阳电池基板表面短路,太阳电池阵部分或全部功率丧失.(5)多机组并联与单机组配置有两种配置方式,一种是多机组方式.每个机组由独立的太阳电池阵,电池组,充电控制单元组成.这种方式在国际通信卫星系统和我国的东方红三号卫星平
11、台及 921 载人飞船得到应用.另一种配置是单机组(统一母线)配置.这种配置的太阳电池电路,分流调节器,充电调节器,放电调节器,蓄电池组都是冗余的多模块方式配置,但受统一的中心控制器(主误差放大器)指挥.只要改变各种模块的数量就可以实现系统输出功率的扩展.(6)电源系统多圈能量平衡技术随着低轨对地雷达与光学成像观测卫星应用越来越多,在成像仪开机和数据回放时耗功超过常值一倍以上,时间 1020 分钟.每天绕地球 16 圈左右,往往仅在某几圈经过的敏感地区开机.因此,各圈耗功平均值相差很大.为降低这类航天器电源系统的规模与重量,其配置应当由当圈能量平衡改为多圈能量平衡.多圈能量平衡技术是较复杂的技
12、术.(7)短时超大功率电源系统技术雷达侦察卫星(SAR)的雷达开机时耗功超过正常值的 23 倍,虽然时间不长,但对电源系统高倍率供电能力和供电母线的瞬态特性要求很高.如前所述,高倍率供电时要求:蓄电池组需要能提供高倍率的电流,应具有很低的欧姆内阻和极化内阻;蓄电池组放电调节器应当有很大的脉冲带载能力;电源系统各部件应具有良好的瞬态响应能力和承受高达 106MS 的浪涌电流能力,否则供电母线电压会出现几伏到几十伏的突跳,造成星上某些仪器低压保护或工作异常.(8)S4R 型电源系统技术在 2002 年 5 月的第六届欧洲空间电源会议上,由阿尔卡特公司的 A?CAPEL 等人提出.S4R 型电源系统
13、技术优点在于:结构上适合于模块化,通用化,标准化设计,具有极强的扩展能力.适用于高,中,低(包括太阳同步轨道)轨道空间任务,具有良好的动态特性和超大功率短时间带载能力.效率高,重量轻,发热量小.3三,太阳电池阵及太阳电池技术1.太阳电池阵技术太阳电池阵构型分类如图 1 所示.体装式的太阳电池阵适合于功率较小的卫星.体装式太阳电池阵的共同弱点是太阳电池的利用率很低,一般为 30%左右.平板展开式太阳电池阵必须和展开,释放,对日跟踪驱动机构(SADA)等部件配合使用.西方各国,根据不同的航天任务要求,在太阳电池阵体装式太阳电池阵平板展开式太阳电池阵发展刚性太阳电池阵的同时,对于大功率的卫星更多地采
14、用半刚性或全柔性太阳电池阵.柔性太阳电池阵和刚性太阳电池阵相比有很多优点:重量轻 3040%;太阳电池板光照时平衡工作温度低 l520cI:,输出功率可提高 710%;可利用地球约 30%反照光,实现太阳电池正面和背面双面发电,使太阳电池阵平均功率提高 10%以上;和机构相配合,太阳电池阵功率可高达上百千瓦;和相应的展开机构配合,可以实现多次收拢与展开.这对轨道需要大机动的航天器有重要意义.空间本体表面式太阳电池阵脱裙式太阳电池阵刚性折叠式(铝蜂窝式)非聚光式_-I_4 半刚性叠式聚光式全柔性卷式或折叠式带平面反射镜式太阳电池阵菲涅尔镜太阳电池阵围 1 航天器太阳电池阵构型分类太阳电池阵提高比
15、能量,降低成本的另一途径是使用聚光太阳电池阵.聚光太阳电池阵分为两类:一类是反射式,在太阳电池板两边安装薄膜式反射镜,使光强增加 50%到70%;另一类是菲涅尔透镜式聚光式,后者通常有两种:圆柱和圆锥;圆柱式要求太阳电池阵单轴对日定向;圆锥式要求太阳电池阵对日双轴跟踪定向.菲涅尔透镜的聚光度远高于反射式平板反射镜,聚光度可以达到几十4圆柱式圆锥式到几百个太阳常数光强.2.太阳电池器件技术可用于空间的太阳电池种类:薄膜太阳电池(非晶硅,硒铟铜太阳电池),单晶硅太阳电池及族的化合物太阳电池.目前空间上使用最多的是单晶硅太阳电池.其中 BSR 型电池生产水平的效率可达12.3%,耐辐射性能好,用于高
16、轨长寿命卫星.若增加背电场,效率可达 15%,耐辐射性能较差,一般用于辐射总剂量相对低的低轨道卫星上.进入九十年代后,美,日,西欧都大力发展“陷光效应“单晶硅太阳电池,光电效率达到 18%;并通过减少电池厚度,提高电池耐高能粒子辐射能力和降低重量.国外 20 世纪 90 年代以后空间太阳电池片研究的最大成就是采用 MOCVD 外延技术开发并在空间上应用的锗衬底多结砷化镓太阳电池.表 l 多结级联砷化镓太阳电池的理论效率砷化镓太阳理论光电已达到光电效率 TI(%)电池片效率 Tl(%)聚光非聚光单结 272220双结 3l2623三结(Ge)352826三结(1ev)383l28四结 413330注:光电效率条件 AMO135.3row/era2,25四,电源的控制与调节1.太阳电池阵的功率调节太阳电池阵本由于太阳入射角,温度,带电粒子轰击,微陨石,太阳紫外辐射等诸多因素的影响,其输出特性会发生变化;采用分流调节器能很好解决这个问题,它一方面使太阳电池阵的供电母线电压稳定,另一方面把太阳电池阵多余的功率通过改变其
