航天器多通道近场无线能量传输系统设计

针对航天领域空间交会对接、航天器配电、在轨服务与维护等领域对无缆化的需求，提出了多通道近场无线能量传输系统，建立了多通道磁耦合近场无线能量传输系统数学模型，分析了影响系统传输效率的重要参数，并对关键参数对系统效率的影响进行了仿真分析。通过线圈高效耦合设计，实现了多通道近场无线能量传输系统的效率最优。所提系统解决了能量的无线传输，并实现多负载接收的问题。通过一台1 000 W多通道近场无线能量传输样机进行了实验研究，结果表明，所提多通道近场无线能量传输装置具有传输效率高的特点，解决了航天器无线能量传输的多负载问题。      

空间太阳能电站统一调度设计及电能管理分析

针对多旋转关节空间太阳能电站(Space Solar Power Station, SSPS)，提出一种环形拓扑的电力系统架构。基于功率分层准则对SSPS电力拓扑架构进行设计，提出U1~U7共7个层级、母线电压5000V、功率等级为MW的太阳能电站电力系统。针对分层架构中多太阳电池阵子阵并联(U6层)，提出分层功率平衡统一控制策略，对MPPT控制、MPPT控制+稳定直流母线电压混合控制、MPPT算法+下垂稳定直流母线电压混合控制三种控制方法开展仿真分析。结果表明，提出的基于虚拟阻抗的下垂控制策略可以有效调节、分配功率，解决了空间发电站母线电压无法稳定的问题。     

LEO卫星太阳电池电路原子氧效应分析及试验研究

分析了原子氧环境对低地球轨道(LEO)卫星太阳电池电路损伤效应,得到目前常用的太阳电池电路材料中银互联材料和聚酰亚胺膜对原子氧环境较为敏感。采用20μm的可伐互联片及50μm的银互联片样品,开展原子氧试验研究。试验结果表明:在原子氧总通量为1.7×1022 atoms/cm2以下时,可以选择银互联片作为连接介质,不会因为原子氧侵蚀对互联片产生危害。当原子氧总通量为2.5×1022 atoms/cm2以上时,可以考虑采用可伐互联片。文章的研究结果可为适用于高原子氧总通量的太阳电池电路互联片设计提供依据。     

木星环绕探测器电源系统设计研究

木星环绕探测任务的规划,对电源系统的设计提出了新的需求和挑战。文章结合木星及木星系环绕探测器任务各个阶段的温度、光照、辐射等空间环境特点,分析了电源方案的设计需求,并调研了以美国伽利略号(Galileo)、朱诺号(Juno)和欧洲木星冰卫星探测器(JUICE)为代表的国外木星环绕探测器的电源系统设计。根据我国的能源和航天技术发展现状,比较了同位素电源和太阳电池阵2种技术路径,提出"太阳电池-蓄电池"是木星环绕探测电源系统的可行方案。最后给出了电源系统的初步设计方案和输出仿真,并通过分析建议在低温低光照太阳电池、宽域电源控制器和太阳电池辐照防护等技术方面针对任务进行适应性改进,以满足木星环绕探测的任务需求。     

国外小天体探测器电源系统设计分析

介绍了日本隼鸟号(Hayabusa)、欧洲罗塞塔(Rosetta)、美国黎明号(Dawn)小天体探测器的电源系统设计概况,对电源系统拓扑、母线体制、太阳电池阵功率调节方式、锂离子蓄电池组配置等技术方案的特点进行归纳,总结了小天体探测器电源系统的最大功率点跟踪(MPPT)拓扑、电能自主运行和管理等关键技术,分析了3种不同拓扑结构的MPPT,以及电能自主管理应具备的能力。最后,提出了我国小天体探测器电源系统技术发展的建议,包括优化MPPT功率调节方式、重视电能自主运行和管理的研究,同时开展电源系统轻小型化设计工作。     

我国深空探测任务电源系统发展需求

针对我国后续月球极区探测、小天体探测、火星探测、木星系探测深空探测重点任务,在梳理分析每个探测任务约束的基础上,提出电源系统的具体需求;对上述4个方向的深空探测任务的电源系统需求进行归纳总结,提出我国后续深空探测任务的电源系统主要发展建议,具体包括宽温度和光强适应性、抗辐照的太阳电池阵,轻小型智能化的电源控制装置,高功率密度的电源系统MPPT拓扑;最后对同位素温差发电技术进行了发展展望,为后续深空探测电源系统研究和设计提供参考。     

太阳电池阵表面充电反向电位梯度的地面模拟

太阳电池阵等部件由于其表面介质的高二次电子发射及光电子发射特性,使得其在轨表面充电典型表现为反向电位梯度（inverted potential gradient, IPG）。为了评估航天器部组件在轨的表面充电风险,需要研究IPG的特点及在地面模拟IPG的方法。文章通过分析地球中高轨道与低轨道空间等离子体环境中表面充电的特点,提出了地面模拟IPG表面充电的方法,并给出典型试验结果。推荐中高轨道利用电子枪或紫外源、低轨道利用冷稠等离子体源模拟表面充电IPG;模拟过程中为了建立IPG,试样基底导电部位需要悬浮且有直流负偏压电源驱动;模拟IPG时需要针对试样尺度进行缩比补偿;文章给出的方法可用于一般太阳电池阵或其他在轨充电会产生IPG的试样开展地面模拟及静电放电防护性能评价试验。     

锂氟化碳电池对火星探测任务工况适应性研究

锂氟化碳电池在固体正极体系一次电池中拥有最高的理论比能量（约2180 W·h·kg-1）,特别适合对载荷质量要求苛刻的深空探测任务。我国首个火星探测器“天问一号”在其着陆巡视器内部使用了一组锂氟化碳电池用于完成进入—下降—着陆段的供电任务。文章提炼锂氟化碳电池与深空探测应用密切相关的4项基本特性,根据火星探测任务的特点提出电池特性分析的新需求,并开展相关专项试验,进一步验证电池对任务的适应性。结果表明:锂氟化碳电池适应低倍率短时放电工况,具有耐受一定过充过放电的能力以及较好的抗辐照能力;电池对高温敏感,65 ℃以上贮存会导致电池寿命严重缩短,建议低温贮存。     

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。     

一种新型大功率升降压变换器及控制方法

现有的升降压拓扑中双管级联变换器最符合高效大功率场合的使用要求,但如果工作模式标准选择不当,串联结构和Boost电路的非线性直流增益很容易在升降压转换过程中产生严重的振荡。本文提出了一种新颖的大功率IPOSBHB变换器,阐述了其电路结构及基本关系,建立了降压模式和升压模式下的开环小信号模型,设计了载波平移的组合控制方法,分析了升降压模式切换时传递函数的不一致性、占空比的不连续性和输入电压的扰动对变换器输出特性的影响,并给出了补偿措施。本文提出的载波平移组合控制策略和补偿方法很容易实现稳态时的高效控制和升降压模式切换时的平滑过渡,同时降低了输入电压扰动的不利影响。通过一台15 k W样机对本文提出的理论加以验证。