航天器百千瓦级分布式可重构电源系统设计

随着大功率通信卫星、高分辨率SAR卫星、大功率电推进航天器、核动力航天器、大型在轨服务站等对超大功率能源系统需求不断增强,100 kW超大功率电源系统成为未来大功率航天器电源系统的发展趋势。文章结合航天器电源系统研究基础,对100 kW电源系统的高压、大功率、分布式的任务特点进行分析,设计一种分布式可重构电源系统,提出了系统拓扑架构和相应的控制策略,并对高压大功率变换控制技术、多通道能源管理技术、高压大功率元器件技术和系统可靠性、安全性技术进行研究。对文章提出的电源系统进行软件建模和仿真,结果表明:100 kW电源系统拓扑架构和管理控制策略合理可行,系统稳定性较好,鲁棒性强,可为后续大功率航天器电源系统研究和设计提供参考。     

国外航天飞机、空间站贮能系统的发展

未来的空间电源系统在很大程度上决定着航天飞机、航天运输系统的工作性能。据美国空军所属的劳埃德航空实验室估计,近期空间电源系统的功率要求为5～10千瓦,并指出,目前最有可能满足这个功率要求的电源系统仍为太阳能和电化学贮能装置组成的电源系统。美国联合技术公司和休斯公司也认为,未来二十年内,大多数空间任务仍将采用太阳能电源与某种能源贮存装置相匹配的电源系统;并认为,十之八九仍将使用化学贮能装置。     

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。     

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。     

一种新的航天器电源系统拓扑

介绍了一种新的航天器电源系统拓扑结构,通过采用最大功率跟踪控制器控制顺序开关系统调节（S3R）分流调节器,并使用升压变换器获得稳定的100V一次输出母线,使得太阳电池阵功率被充分使用。这种拓扑结构已被用于欧洲贝皮·哥伦布水星探测器,并可为我国航天器电源技术发展提供借鉴。     

航天器新型固态配电技术研究

为了满足航天器电功率不断增加及对可靠性提高的需求,基于固态配电和计算机综合管理技术,设计了关键器件固态功率控制器和配电中心原理样机.各种状态的试验结果表明固态配电技术可以为电源系统提供更全面的保护功能,可以减轻配电系统的体积和重量,实现电源系统高度自主运行.配电中心为航天器的健康管理提供大量的有用信息,大大提高了航天器的可靠性,采用模块化设计技术便于不同型号航天器配电系统的扩展.     

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。     

基于软件定义的航天器分布式电源系统设计

针对电源系统架构灵活性的需求,提出了一种基于软件定义智能功率单元的可重构航天器分布式电源系统设计。给出了系统的分布式架构,采用了一种可软件定义的标准功率单元实现所有发电单元、储能单元的分布式接入。智能功率单元可以通过星载计算机软件定义工作模式,满足不同单元的接入需求。通过搭建分布式电源系统仿真模型,对不同故障情况进行了验证,结果表明:分布式电源系统的可重构控制策略,实现了电源系统高可靠运行。最后,对提出电源系统设计的优势进行了总结。     

航天器二次电源的低温工作特性研究

由于航天器在深空探测中处于低温环境中,其二次电源的低温工作特性尤为重要。文章首先介绍了航天器二次电源的供电结构;再从组成二次电源的关键元器件着手,对功率半导体器件（功率MOS管和功率二极管）、PWM控制芯片的低温特性进行深入探讨;最后对一个25W/5.8V输出的航天器二次电源在-35~80℃温度范围内工作的试验数据展开分析,这些工作可为后续深空探测任务的实施提供技术储备。     

空间电源技术的发展

空间电源技术的发展马宗诚；李雨庆空间电源系统是各种航天器中必不可少的关键系统之一。它一般占整个航天器重量的１５％～３０％，是航天器完成预定任务必不可少的前提和保证条件。随着航天活动的进一步开展、航天技术的进一步开发利用，对空间电源的要求也越来越高，总...     

航天器组合体能量平衡分析系统设计及应用

针对航天器组合体的任务特点,提出了适用于组合体飞行、电源系统并网运行的能量平衡分析方法,并在此基础上设计了能量平衡分析系统。该系统包括能量平衡分析及实时监控两个模块,其中:能量平衡分析模块通过遮挡计算输出精确的太阳电池阵发电能力,利用实时负载状态及飞行程序计算航天器负载变化,并内嵌有应对长期在轨运行电源系统性能衰降问题的用户数据交互界面,同时考虑并网功率以及电源系统正常、故障多种工作模式,保证能量平衡计算精确度;实时监控模块将航天器在轨运行实时下传数据与理论分析值同步显示,可读性高,便于及时发现问题。文章设计的系统应用于2次交会对接飞行控制任务中,其计算效率高,精度高,为电源系统使用规划提供了理论基础。     

航天器集成健康管理系统研究

航天器故障诊断技术不仅要求提高航天器安全性和可靠性 ,而且要求削减航天器全寿命周期成本 ,现在的故障诊断系统已从原来单一的分系统 (如电源系统 )的故障诊断专家系统 ,向集系统状态监测、故障诊断和故障修复为一体的航天器集成健康管理 (IVHM)系统发展。本文介绍了航天器集成健康管理系统的基本概念 ,并对我国新型航天器整个集成健康管理系统、在轨健康管理系统、地面健康管理系统以及主要采用的技术作了详细的阐述。文中强调了基于模型推理技术 (特别是多信号建模技术 )在航天器集成健康管理系统中的重要性。文章最后指出了应采用从上至下的方案开发该集成健康管理系统。     

航天器电源母线纹波测试系统设计

航天器电源母线纹波可以反映系统的稳定性。文章设计了一种基于PXI构架的电源母线纹波测试系统,实现对航天器电源母线安全、不间断的测试,有效地反映航天器测试过程中母线的动态特性,为型号改进设计及试验分析提供参考。该系统解决了以往型号对母线纹波测试只能依靠示波器或示波表,安全系数低、数据信息量小的问题,将在航天器电测中发挥重要作用。     

MOSFET单粒子烧毁引起的DC/DC电源变换器功能失效试验研究

文章利用回旋加速器产生的Kr离子,对双路输出的DC/DC电源变换器开展了单粒子效应试验研究,分析了在空载和加载两种偏置条件下的试验结果,指出内部功率MOSFETs器件的漏-源端电压在单粒子辐照条件下超出了器件的击穿电压是导致DC/DC电源变换器单粒子功能失效的直接原因,最后给出了航天器电源系统抗辐射设计和功率MOSFETs器件选用建议。     

高压大功率S3MPR电源控制器设计与验证

针对航天器平台一级能源变换高压大功率的应用需求,采用并联式DC/DC变换器的最大功率点跟踪(MPPT)拓扑结构,设计一种顺序开关分流最大功率调节(S~3MPR)电源控制器。为了解决传统S~3MPR技术的算法电路复杂、跟踪精度低等问题,兼顾航天器应用环境的特殊性,通过采用模拟电路实现的方式设计出一种基于交错扰动方法的MPPT控制算法电路。该算法可以实现太阳电池阵电压电流输出较大范围内精确跟踪其最大功率输出。研制了5 kW功率(10路太阳电池阵)的原理样机对设计进行试验验证,结果表明:电源控制器性能良好,满足高压大功率航天器平台的应用需求。     

航天器直流电源系统稳定性分析方法研究

航天器直流分布式电源系统由于在母线上使用的直流/直流变换器等部件数量的迅速增加,导致各个部件间相互影响问题较为突出。文章就航天器直流分布式电源系统的稳定性问题进行了研究,对影响系统稳定性的主要因素进行了分析,并对目前在"国际空间站"直流分布式电源系统稳定性研究中所采用的分析方法进行了比较研究。最后针对我国航天器直流分布式电源系统特点,提出了开展系统稳定性研究的建议。     

载人航天器放电调节器稳定性研究

电源系统的稳定性是保证载人航天器在轨飞行可靠安全的要素之一。文章研究了应用混合型功率调节技术的电源系统放电调节器的建模方法,获得了系统开环传递函数,进行了仿真验证,在此基础上分析了影响放电调节器稳定性的因素,表明系统中存在过大的延迟会使系统的稳定性大幅降低甚至造成不稳定,地面试验结果验证了此结论的正确性。     

一种航天器间并网供电方案的研究

结合型号实际,对载人运输飞船与对接目标航天器之间的并网供电提出了一种设计方案。分析了并网供电需求及飞船电源系统的现状,初步研究了并网供电系统的组成、拓扑结构、工作原理;提出了并网控制器输出电压的一种计算方法;通过并网控制器与飞船电源系统的并网供电试验对设计方案进行了验证,结果表明此方案可以满足两个航天器间的并网供电要求。     

空间电源性能测试仿真系统设计与实现

提出一种基于空间电源控制器的半实物动态环境测试仿真系统,主要由电源控制器、太阳电池模拟阵、蓄电池模拟器、程控电子负载和仿真计算机组成。以电源控制器为被测对象,搭建的仿真系统可实时模拟航天器在空间动态环境下太阳电池阵的输出特性,包括不同轨道、太阳光照角等状态条件下的输出,对航天器上的电源性能进行测试,通过仿真结果验证空间电源系统设计的正确性。     

航天器电源智能判读规则框架构建与应用

规则判读是航天器地面测试与在轨异常检测的重要手段,具有机理清晰、结论明确、易于工程实施的优点。目前,判读规则制定缺乏指导性框架与模板,不利于规则的有效推开。针对该问题,文章基于航天器电源设计机理与判读方法论,从工作模式分析、冗余遥测一致性、遥测参数功能关联、能源趋势分析4个方面出发,设计了航天器电源智能判读规则框架,并在航天器测试与在轨监测中进行了实例化应用。应用结果表明：智能判读规则框架能提升航天器电源系统异常的实时检测能力,可作为国内航天器电源健康状态监测的技术参考。