国外航天用化学电源的发展和我们的方向

一、引言由于航天飞机的出现,未来20年内,宇航事业将获得飞速的发展。未来的宇航任务对于功率的要求,将有大幅度的增长。因此要求空间电源系统,在技术上要进一步提高。这里包括能量的贮存方式、电源的寿命、功率的调节和控制、电源的体积、重量等,都要进一步改进。而且还强调了降低空间电源成本的问题。     

航天器的新一代太阳能电源——可自旋展开薄膜电池阵

目前世界上绝大多数航天器都是采用太阳能电源。太阳能电源从结构上分为体装式和帆板式两类：体装式是将太阳能电池安装在卫星的外表面,仅适用于自旋稳定而且功率小的卫星：帆板式是将太阳能电池安装在可折叠的硬板上．在太空将其展开。一般来说。电源系统约占航天器重量的1／4到1／3。随着航天器功能的增强．所需电力还在不断增长。因此．降低太阳能电源系统的重量并提高其发电功率．具有举足轻重的意义。     

立方星电源系统最大功率点跟踪优化控制方法

针对立方星在能量来源严重受限条件下如何提高太阳能利用率的难题，提出一种适用于立方星的集中供电式空间微电源架构(EPS)，并设计基于改进粒子群优化算法的最大功率点跟踪(MPPT)控制策略来提升能量转换效率。首先，推导太阳电池阵列的数学模型，并根据太阳电池阵列的工作特性，提出电源系统最大功率点跟踪控制的物理系统实现结构。其次，设计基于改进粒子群优化(PSO)的最大功率点跟踪控制算法，并进行了数学仿真校验。最后，对所设计的电源系统架构进行了硬件实现和试验验证。地面试验结果表明，电源系统的太阳能最大转换效率可达95.5%。该电源系统成功应用于世界首颗12U立方星“翱翔之星”的飞行试验，在轨数据表明电源系统工作状态良好，为微纳卫星电源系统的设计提供了有益参考。     

空间斯特林热电转换技术在轨试验

为提高空间同位素电源的效率和功率,满足深空探测、载人登月和火星登陆等航天任务对航天器能源的需求,梳理了空间自由活塞斯特林热电转换涉及的关键技术,设计了天宫空间站空间自由活塞斯特林热电转换装置的在轨试验方案,在轨开展了斯特林热电转换试验,验证了空间微重力环境下双活塞自由运动的间隙密封、双活塞相位保持等关键技术,获取了空间环境下双自由活塞精确的运动相位保持及漂移特性、动力学与热力学强耦合特性等关键参数。在轨试验结果表明,试验装置在轨运行性能良好,热电转换效率达到24.72%,为未来空间高效同位素电源等不依赖太阳能的能源技术应用奠定了基础。     

美国空间站的电源系统

TRW 公司和洛克韦尔国际公司的洛克达因分公司已经开始向美航宇局(NASA)介绍空间站电源系统的初步设计方案。首先要决定的一个问题是选用光电池电源系统(它需要的几块大而积的太阳帆板),还是用太阳能动力发电系统(它需要若干个抛物面反射镜和一台热机)。目前两公司都还没有明确采用哪一种方案,但洛克达因分公司的高级职员正在考虑一种联合使用光电池和太阳能动力发电系统的装置,作为空间站在初始运行阶段供电的投标方案。TRW 公司则在评价一种先用光电池供电最后转为用太阳能动力发电的装置。     

空间堆核动力技术选择研究

目前,基于太阳能、化学能的空间电源与空间推进技术,其技术能力的发展已接近极限状态,未来亟需开发基于核能的先进空间动力技术。针对低成本空间轨道运输、高功率载荷航天器、深空探测器、行星表面探测与开发等应用场景,以空间堆核电源为重点,分析了国际发展现状和未来航天需求,分别针对大功率(100 kWe～1 MWe)和小功率(1 kWe～10 kWe)应用需求,提出了技术主导方案,围绕主导技术方案梳理了关键技术,为我国空间堆核动力技术发展规划和预先研究提供参考。     

航天器太阳电池阵列的发展历程

电源系统是航天器的重要组成部分.航天器电源系统主要有三种类型,化学电池、核电源和太阳电池阵列,而太阳能是航天器系统广泛应用的能源.太阳电池阵列是将太阳能转换成电能的装置,它像翅膀一样在航天器的两边展开,所以又称太阳翼.太阳翼上贴有半导体材料,如掺有5价磷和3价硼元素的硅片,常用的半导体材料还有单结砷化镓和三结砷化镓.太阳电池阵列靠这些半导体材料将太阳能转换成电能.     

采用太阳电池阵和储能飞轮的电源系统设计与分析

飞轮储能装置具有比能量高、寿命长、任务期内无衰减等优点,可替代航天器中传统的化学储能装置。为论证太阳电池阵-储能飞轮电源系统的可行性,本文从航天器总体设计的角度分析了其关键设计要素,论述了其对航天器机、电、热等方面的影响,并给出提高系统可行性的合理化建议,以及针对低轨卫星的太阳电池阵-储能飞轮电源系统的设计举例。通过与传统电源系统的技术指标对比分析,表明太阳电池阵-储能飞轮电源系统具有较高的比功率,并在降低航天器质量、节约发射成本方面具有很大优势,在未来航天器的应用中具有很大的潜力。     

空间电源功率调节技术综述

介绍了空间电源功率调节装置(PCU)的分流调节器(SR),蓄电池的充电控制器(BCR)、放电控制器(BDR)和主误差放大器(MEA)的原理和技术现状。阐述了顺序开关分流调节(S3R)、混合型调节和顺序开关分流串联调节(S4R)三种基本拓扑的工作原理,并对三者进行了性能比较,认为S4R是目前最先进的调节技术。讨论了功率调节装置模块化、智能化和小型化的发展趋势并分析了大功率的功率调节装置研制难点。     

兆瓦级探月火箭空间核电源系统设计与性能研究

针对目前空间核电源在深空探测领域功率不足的问题，结合热离子热电转换空间核电源和碱金属热电转换空间核电源的发电方式，提出一种新型空间核电源。计算堆芯有效增殖因子、功率峰值因子、冷却剂空泡系数和停堆深度等安全性参数，并通过分析接收极功函数和碱金属热电转换系统电流密度等性能参数。之后，对比耦合发电系统与原热离子热电转换空间核电源和碱金属热电转换空间核电源的效率，发现新型耦合发电系统发电效率分别较另两种发电系统提高约6％和约10％。最后建立动态模型进行分析，确保核电源可以稳定运行，为大功率核电源设计提供理论依据。     

月面巡视器太阳能帆板功率衰减特性研究

太阳能帆板的功率衰减特性分析,对地外天体表面探测器的功率平衡、电源系统健康管理以及长寿命在轨管理有重要意义。通过对月面巡视器在轨运行第2到11月昼的电流遥测进行研究,提出了一种基于有限遥测的太阳能帆板功率衰减特性分析方法。首先利用一种滞环的方法对大量的电流遥测进行数据处理;然后进行日月距离和太阳入射角的归一化,通过数据拟合计算,得出落月第一年太阳能帆板功率衰减约为2.5%,并利用巡视器历次月昼唤醒时刻的太阳入射角变化情况验证了该方法的有效性,对地外天体的太阳能帆板功率衰减特性计算提供一定参考。     

SSPS太阳能收集系统研究现状及发展趋势

为研究太阳能收集系统在未来空间太阳能电站(SSPS)中的发展和应用,对比和分析国内外典型系统设计方案的结构特点、光收集特性及优、缺点,展望空间太阳能电站太阳能收集系统的发展趋势,并提出对新材料、新结构、新技术、新理论和新方法的发展和应用需求。     

空间太阳能发电系统及其关键材料

考虑到未来世界能源的发展,文章综述了空间太阳能发电系统国内外研究和发展现状,包括空间太阳能发电系统的结构演化以及世界各国相关项目的实施和进展,重点讨论了空间太阳能发电系统相关材料技术的发展。针对目前我国在航天和新材料领域的基础,提出了我国发展空间太阳能发电系统的建议。     

一种提高太阳能帆板受晒效率方法

为提高航天器空间太阳能利用率,提出了一种可实现帆板对日定向功能的改进太阳能帆板双自由度驱动机构。根据航天器的轨道理论推导出在对日定向要求下太阳能帆板的运动规律和机构的运动轨迹,并给出了双自由度驱动机构的轨迹规划和驱动轴实时转角。仿真结果表明:用该法能实现帆板的对日定向,提高其受晒效率,对未来航天器太阳能帆板驱动机构设计与控制有一定的参考价值。     

空间太阳能发电站拓扑架构及能量管理控制策略

针对超大功率空间太阳能电站(SSPS),提出了一种分布式+集中式系统拓扑架构,将系统电力传输分为太阳电池阵区、主结构电力传输区及发射天线阵区三大部分。根据系统三大阵区的能量流动关系,本文将SSPS系统的工作模式划分为最大功率点跟踪(MPPT)工作模式、跟踪功率指令工作模式及阴影区工作模式,并提出分层能源管理控制策略。最后,针对兆瓦级太阳电池阵的不同工作模式,利用Matlab/Simulink搭建空间太阳能电站系统仿真模型,进行仿真试验及对比分析,试验结果验证了拓扑架构的合理性及控制策略的有效性,为解决空间太阳能发电技术电力传输与能量管理问题提出了新思路。     

基于最优梯度法的MPPT全数字控制仿真

为满足深空探测和低轨大功率航天器等特定电源需求、适应未来空间电源智能化管理的发展趋势,文章提出一种基于最优梯度法的最大功率点跟踪(MPPT)全数字控制方法,克服了采用硬件电路增量电导法因参数漂移而导致峰值功率跟踪精度不高的缺点。介绍了基于最优梯度法的MPPT算法的数字实现逻辑,并在Matlab/simulink软件中搭建了太阳电池阵MPPT控制的电源系统仿真模型,在模拟两种不同的太阳电池阵特性曲线突变的条件下,对所提出的MPPT控制策略进行了仿真,仿真结果验证了控制策略的准确度和有效性。     

可再生燃料电池系统在空间电源中的应用研究

概述了可再生燃料电池的工作原理和特性;介绍了国外可再生燃料电池的空间应用,在"太阳神"无人机和平流层飞艇上的设计验证经验,以及国内的技术发展水平;分析了可再生燃料电池系统应用于空间电源所要解决的系统优化设计、电解器和燃料电池的高性能及安全性设计、功率控制器的集成化设计、氢气/氧气的空间储存及后处理等关键技术;提出了用于空间电源的可再生燃料电池系统初步设计方案,对系统的组成和工作流程、各子系统的功能和设计方式进行了论述,可为我国未来的新型航天器电源系统设计提供参考。     

折纸技术，让太空盛开“太阳花”——NASA研制可折叠的太阳能板

太阳能板是太阳能发电系统中的杨心部分,也是太阳能发电系统中最重要的部分。在太空中,太阳能板源源不断的吸收能量,供给卫星、航天器的运行,未来还可能采集太阳能量,之后传输至地面。然而单体太阳电池必须以组件方式提供电源,这就使得太阳能板向太空的运输形成了新问题,不过,最近科学家将古老的折纸技术应用于太阳能板上,赋予了运送太阳能板进入太空的新方式。     

航天器电源系统大功率智能配电技术

随着航天器功能的增多和容量的增大,对电源系统的配置、管理、故障检测与诊断以及可靠性和可维修性都提出了更高的要求,促使航天器配电技术向着大功率和智能化方向发展。文章介绍了“天宫一号”目标飞行器电源系统采用的大功率智能配电单元,并在此基础上提出了智能能源管理单元设计。通过采用智能数据处理、固态功率控制等改进技术,将大功率智能配电系统进一步提升和完善,拓展其应用领域,以满足未来载人航天和深空探测任务发展的需要。     

空间电源数字孪生系统

数字孪生系统是一种详细描述现实系统的数字化模拟系统,基于虚拟空间中的模型理解、预测、优化和控制现实系统,与现实系统具有实时性、同步进化性和交互性。为满足未来空间飞行器智能化、高机动性、多目标任务的特点,需要提升空间电源系统智能化监测管理能力。本文分析了空间电源数字孪生系统的构成要素,从数字孪生模型构建、新型传感技术以及数据驱动原理出发,构建数字孪生系统。依据天上-地面-数字空间各1套电源系统的原则,实现对空间电源荷电状态、电源健康状态等性能进行精准状态诊断和预测并优化控制策略,在保证飞行器任务实现的前提下提高电源系统的可靠性。