飞行器太阳能源计算方法

介绍了空间飞行器典型电源系统组成,通过对影响太阳能源输出的各项参数因素分析,提出了空间飞行器太阳能源计算方法,该方法包括由功率计算所需太阳阵面积的公式和由太阳阵面积计算输出功率的公式,达到了准确计算太阳能源的效果,解决了以往空间飞行器太阳能源估算误差大,在总体回路设计中电源参数难以闭环的问题。     

空间太阳能电站聚光模式研究

空间太阳能电站是指能够在轨道上将太阳能通过工程技术手段有效采集、转化并传输到地面,再转化成为电能供地面使用的系统。聚光是空间太阳能收集的途径之一,多种SSPS方案采用了聚光方式。文章介绍了聚光式SSPS的研究现状,对现有SSPS方案中的不同聚光技术方案进行了综述分析,将空间太阳能电站聚光技术划分为3个层次,总结成4种模式,详细分析了每种模式的优点与技术难点,并对聚光式空间太阳能电站的发展提出建议。     

On-orbit verification of fuel-free attitude control system for spinning solar sail utilizing solar radiation pressure

This paper introduces a new attitude control system for a solar sail, which leverages solar radiation pressure. This novel system achieves completely fuel-free and oscillation-free attitude control of a flexible spinning solar sail. This system consists of thin-film-type devices that electrically control their optical parameters such as reflectivity to generate an imbalance in the solar radiation pressure applied to the edge of the sail. By using these devices, minute and continuous control torque can be applied to the sail to realize very stable and fuel-free attitude control of the large and flexible membrane. The control system was implemented as an optional attitude control system for small solar power sail demonstrator named IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun). In-orbit attitude control experiments were conducted, and the performance of the controller was successfully verified in comparison with the ground-based analytical performance estimation.     

平流层飞艇太阳能源系统研究

以平流层太阳能飞艇平台为背景,对平流层太阳能飞艇能源系统展开了分析和研究。文中建立了飞艇表面太阳能电池接收太阳直接辐射、散射辐射、反射辐射的模型。利用该模型对某飞艇太阳能电池进行计算,结果显示飞艇接收的太阳辐射能量与飞艇的工作纬度、季节、太阳能电池阵列表面面积、飞行姿态密切相关。当飞艇的脊背从日出到日落时刻正对太阳光线时,太阳能电池接收到的太阳辐射能量将是最大的。     

碟式斯特林发电系统性能分析模型与仿真

基于传热学、热力学、动力学、电学理论以及系统控制模型,建立了可用于碟式斯特林发电系统分析、设计、优化和控制的性能分析模型.模型包括太阳能聚光器、接收器、斯特林循环热力学、斯特林发动机机构动力学、起动/发电机等各子系统及相互作用关系,可分析系统从起动到全功率状态时的稳态性能和动态特性.使用该模型对碟式斯特林系统进行了仿真分析,结果表明,在发动机热端温度不变的控制条件下,系统一天内的输出电功率表现出与太阳直射强度类似的抛物形变化,系统效率变化较平稳;系统充气过程压力突增,在太阳直射强度不变的情况下,发动机热端温度下降,发电功率先增加一点,后随温度下降而下降.     

低轨道航天器高电压太阳电池阵电流泄漏效应分析计算

在一种简化的太阳电池阵结构模型基础上, 利用太阳电池阵电流收集经验模式,基于电流平衡, 建立了一种计算低轨道航天器高电压太阳电池阵在等离子体环境中电流泄漏的方法. 利用该方法, 对高电压太阳电池阵电流泄漏效应与低轨道等离子体环境、电池阵电压、电池阵裸露金属面积的关系进行了分析计算.结果表明, 随着轨道高度增加, 电流泄漏引起的电池阵功率损失迅速下降, 影响最严重的区域为电离层等离子体密度最高的300～400 km高度的轨道区域; 电流泄漏引起的功率损失与太阳电池阵电压呈指数关系, 电压越高功率损失越大; 200 V以下的电池阵功率损耗较小, 远低于电源系统总功率的1%;电流泄漏与太阳电池阵裸露金属导体的表面积呈正比关系, 因此, 通过减少太阳电池阵裸露面积, 可以降低电流泄漏的影响.      

相变材料容器的瞬态热分析

空间太阳能热动力发电系统是很有前途的空间电源系统。基于微重力状态下的导热控制微分方程，采用焓法对相变材料容器进行了二维数值分析，改进了以往的模拟计算，对计算结果给予了讨论。     

Climatology of extreme upper atmospheric heating events

We use a trio of empirical models to estimate the relative contributions of solar extreme ultraviolet heating, Joule heating and particle heating to the global energy budget of the earth’s upper atmosphere. Daily power values are derived from the models for the three heat sources. The SOLAR2000 solar irradiance specification model provides estimates of the daily extreme EUV solar power input. Geomagnetic power comes from a combination of satellite-derived electron precipitation power and an empirical model of Joule power derived from hemispherically integrated estimates of high-latitude heating, which we discuss in this paper. From 1975 to mid-2002, the average daily contributions were electrons: 51 GW, Joule: 95 GW and solar: 784 GW. Joule and particle heating combine to provide more than 17% of the total global upper atmospheric heating. For the top 10% and 1% of heating events, contributions rise to 20% and 25%, respectively. In the top 15 heating events, geomagnetic power contributed more than 50% of the total power budget. During three events, the Joule power alone exceeded solar power.     

航天用太阳电池地面标定测试装置研究

传统的标准太阳电池标定方法分为高空标定与地面标定,地面标定方法已纳入国际标准。地面标定由于操作简便、标定结果较为精准目前被广泛应用。太阳电池标定结果准确与否对航天器电源系统姿态敏感期、地面环境模拟的设计具有重要意义。本文对太阳电池地面标定方法展开研究,根据国家标准中地面标定方法原理研制了便携式、高准确度的地面标定测试设备,包括准直孔、太阳电池托盘、太阳跟踪器等标定装置,使地面标定过程简易化,对航天用太阳电池地面标定有着重要意义。     

深远空连续推进动力与施图林格解的解析

针对太阳系远深距离的探测将是人类下一阶段深空探测活动的主要目标。这一目标的实现依赖于探测器连续推进动力技术的突破。从描述连续常值推力下太空飞行的施图林格解出发,对其中反映的深远空飞行任务有效载荷比、任务时间、飞行距离等关键参数与发动机性能之间的关系进行了深入分析。给出了在特定任务时长、特定飞行距离要求下发动机比冲、功率需要满足的条件及其对有效载荷比、最终飞行速度等指标的影响。此外,基于二体轨道动力学对太阳系行星探测的大椭圆转移轨道和转移能量进行了推导,并对连续推力的太阳帆任务方案涉及的关键技术指标做了理论性的计算。这些结论是对深空探测连续推力方案基础理论的归纳,可以为我国未来开展深远空探测活动提供重要的启发和指导。     

核动力深空探测器现状及发展研究

深空探测中,由于无法使用太阳能或者太阳能的利用效率太低,需要使用空间核电源。当前用于月球表面、火星表面、木星及以远的飞行任务中的核动力深空探测器,均利用的同位素核源衰变能,包括同位素热源用于温度控制和采用温差发电用于供电。研究中的深空探测核动力应用包括月球基地、载人火星飞行、无人探测、使用核反应堆裂变能等。空间裂变电源的反应堆包括液态金属冷却堆和气冷堆两种方式,前者支持温差、斯特林和布雷顿发电,后者支持布雷顿和磁流体发电。近期开始探索研究核聚变深空探测器。纵观核动力深空探测器的发展历程,同位素电源依然在深空探测中发挥着重要作用,大功率空间核电源结合电推进将成为未来深空探测的重要关注方向。     

月球基地能源系统初步研究

建设月球基地、深入开展月球探测是后续深空探测发展的必然趋势,能源系统是维持月球基地正常工作的基本条件。结合月球基地能源需求和月面环境特点,确定了能源系统的基本要求;对比分析了各种能源类型的特点及应用前景,明确了初级阶段月球基地能源系统应以太阳能的利用为主要方式,核心技术是解决太阳能的高效存储问题;通过储能技术的分析,提出了热化学制氢结合氢氧燃料电池及光伏发电装置的能源系统方案,并对系统设计的关键技术进行了分析,相关内容可为月球基地的深入论证及其能源系统的具体设计提供借鉴。     

太阳电池阵极月轨道在轨热分析

以极月轨道上太阳电池阵作为研究对象,详细分析了该轨道上电池阵所得各外热流的确定方法.以此为基础,对太阳电池阵进行在轨温度数值模拟,得到月球轨道上电池阵所得外热流以及温度的周期分布.计算结果与地球卫星的相应数据进行比较,明确了月球轨道上电池阵所得外热流以及温度的周期分布特点,为月球卫星上太阳电池阵以及整个卫星的设计提供了有利的数据参考.      

基于LED光源的运动式太阳模拟器控制系统

为了解决编码式太阳敏感器装星后现场的功能测试,研制了一种基于LED光源的运动式太阳模拟器,为该测试提供模拟的太阳光信号和太阳光矢量信号.基于太阳模拟器组成与工作原理,对光源辐亮度和矢量运动的控制系统进行研究.根据太阳光信号要求,通过光源选取与功率计算确定LED型号和个数,并采用压控恒流源驱动技术对光源辐亮度进行线性调节.根据太阳光矢量信号要求,通过负载扭矩与功率计算选取GUS-60型超声电机,采用16位绝对式编码器对运动角度进行测量,以数字信号处理器为主要器件对电机进行闭环反馈控制.测试结果表明,光源控制系统能够实现辐亮度在0～527.4W·m-2内线性可调,矢量运动装置在-15°～40°内的运动角度控制精度优于±0.01°,满足编码式太阳敏感器的测试要求.      

太阳发电机理论研究

太阳活动主要是由磁场产生的, 因此, 对太阳磁场性质和起源的研究具有重要意义. 太阳发电机理论主要研究的是太阳上观测到的与太阳活动相关的磁场起源、磁场特征、各种活动现象之间的相关性及其变化规律. 其是太阳物理学中有待解决的最基本、最重要的问题. 根据太阳黑子及太阳周期的相关观测, 介绍了构成发电机的基本要素, 具体描述了各种典型发电机模型, 并对其分别进行评述, 进而探讨了目前存在的问题及发展方向.      

Orbit-attitude-vibration coupled dynamics of tethered solar power satellite

A new orbit-attitude-vibration coupled dynamic model of the tethered solar power satellite (Tethered SPS) is established based on absolute nodal coordinate formulation. The Hamilton’s equation of the system is derived by introducing generalized momentum through Legendre transformation. The correctness of the proposed model is verified by an example. The dynamic characteristics of the Tethered SPS are studied using the symplectic Runge-Kutta method. Simulation results show that the orbital radius and the total energy of the system are well preserved. The attitude of the system is unstable when the mass of the bus system is small. However, the attitude stability is dependent on some other parameters of the system, which requires further studies. It is also found that the average tether force/deformation can be roughly estimated by simplifying the solar panel as a particle. The proposed model can be used to study the orbit-attitude-vibration coupled dynamics and control problems.     

一种航天器太阳电池阵供电能力计算方法

太阳电池阵为航天器提供能源,在型号研制和在轨运营过程中需对其供电能力进行计算,为此提出了一种航天器太阳电池阵供电能力的计算方法。首先,利用太阳电池片的地面测试数据得到标准测试条件(STC)下的电池片伏安模型,并利用电池片在轨等效光强和温度修正电池片伏安模型的光生电流、串联电阻和并联电阻等参数,得到电池片在轨伏安模型,然后,根据基尔霍夫定律推导出电池阵中电池片工作电压、电流以及旁路二极管和隔离二极管的输出情况,从而得到太阳电池阵的伏安模型。仿真结果表明,本文方法可以精确计算航天器在任意光强、温度和遮挡下的太阳电池阵伏安模型,可以精确分析旁路二极管和隔离二极管对太阳电池阵供电能力的影响,较已有方法计算精度提高20%。     

Energy requirements of a thermally processed ISRU radiation shield for a lunar habitat

The purpose of this study was to establish, on a first principles basis, the order of magnitude of energy requirements for a thermally processed, lunar regolith radiation shield constructed using an in-situ resource utilisation (ISRU) approach. This was done by developing a reference scenario habitat and using thermodynamic relationships and specific heat capacity expressions to determine the energy required to bring such a regolith volume up to sintering temperatures (c. 1,375 K). Once the energy requirements were developed some power system architectures were outlined conceptually and a nuclear power plant of c. 400 kW was suggested as a means to supply the necessary energy. This is well beyond current space nuclear applications. The study concludes that it is likely that the most efficient near-term solution is chemical processing of regolith, from an energy requirements perspective. The technology is also more mature and likely to be delivered on near term projects as it does not require such scaled-up power system architectures. Alternatively, bringing storm shelters up with the habitat to provide a means of weathering major solar events, and adding additional radiation protection to habitat quarters, possibly through a water blanket or similar mechanism, could provide a non-ISRU solution with current technology. However, in the longer term, the development of MW-scale power system architectures (fission, solar etc.), may permit a very large volume of material to be processed thermally for construction material, making a large, permanent human presence on the Moon more easily realisable.     

Extreme ultraviolet observations of the solar corona: First results from the coronal diagnostic spectrometer on SOHO

We present first results from the Coronal Diagnostic Spectrometer (CDS) aboard the ESA/NASA Solar and Heliospheric Observatory (SOHO). CDS is a double spectrometer operating in the 151–785 Å range. This region of the solar spectrum is rich in emission lines from trace elements in the solar atmosphere, which can be used to derive diagnostic information on coronal and transition region plasmas. Early spectra are presented and well identified lines are listed. In addition, examples of images in selected wavelength ranges are shown, for a prominence, a loop system and a bright point, demonstrating well the power of such extreme ultraviolet observations.     

便携式太阳电池特性参数获取系统

为了快速以及准确地获取太阳电池的特性参数（包括光生电流、反向饱和电流、二极管理想因子、串联电阻、并联电阻、短路电流、开路电压、最大输出功率、最佳工作电压、最佳工作电流和填充因子等11个参数）,研制了一套由太阳模拟器模块、控制及处理模块、电子负载模块、信号采集模块、按键模块和显示模块6个部分构成的测试系统.该系统的主要特点在于,依次采用程控恒流型和恒压型电子负载以及变频采样技术,实现太阳电池电流与电压信号高精度测量;集成太阳电池参数解析提取算法进入数字信号处理芯片,实现便携式提取电池光生电流等参数.对不同光强下单晶硅太阳电池的测量以及数据拟合,获取了11个特性参数;并得到拟合曲线中电流最大均方误差小于0.006 A,证实参数获取是正确的.