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上海矽諾國際貿(mào)易有限公司 2020-12-21 點擊1419次
電源是航天器在廣袤太空中持續(xù)運行的重要支撐。在嫦娥五號任務(wù)中，中國航天科技集團(tuán)八院811所承擔(dān)了著陸器、上升器、軌道器、返回器4個平臺中軌道器、著陸器及上升器電源產(chǎn)品的研制任務(wù)。電源系統(tǒng)由電源控制器、鋰離子蓄電池組及太陽電池陣組成，為了確保以最好的性能保障此次任務(wù)，中國航天科技集團(tuán)八院811所研制人員卯足了馬力，“電源控制器比功率國內(nèi)最高、國際領(lǐng)先，鋰離子蓄電池航天應(yīng)用比能量最高，太陽電池陣面積比功率國內(nèi)最高”，是他們交出的滿意的答卷。
這是怎么做到的？研制人員自有秘笈。
適應(yīng)多器多飛行階段的多個狀態(tài)
嫦娥五號任務(wù)包括運載發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、近月制動、環(huán)月運行、月面下降、月面工作、月面上升、交會對接、環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移和再入回收11個階段，著陸器、上升器、軌道器、返回器在飛行狀態(tài)中有多種組合和分離方式，電源如何以最佳的狀態(tài)適應(yīng)多器多飛行階段的多個狀態(tài)，研制人員開展了變革。
電源控制器是探測器電源系統(tǒng)的“大腦”，為解決在嫦娥五號四器飛行過程中能源緊張、重量資源受限的問題，控制器經(jīng)歷了一次從PCU到PCDU的升級。
“從PCU到PCDU，在于從單一功能向多功能的升級。在嫦娥三號、嫦娥四號任務(wù)中，電源控制器只包括功率調(diào)節(jié)模塊，嫦娥五號則集中了功率調(diào)節(jié)模塊、配電模塊、火工品控制模塊、智能接口單元等幾個功能，這是探月工程的首次應(yīng)用”，嫦娥五號電源產(chǎn)品主任設(shè)計師鄭磊介紹道。
而在單機(jī)內(nèi)部，也經(jīng)歷了一次脫胎換骨的變革，研制人員在參考國外相關(guān)技術(shù)資料、權(quán)衡相關(guān)利弊后，大膽挑戰(zhàn)，國內(nèi)首創(chuàng)多個高度集成化技術(shù)，讓電源控制器比功率達(dá)到國內(nèi)最高、國際領(lǐng)先水平，實現(xiàn)了性能的跨越性的提升。
嫦娥五號電源產(chǎn)品技術(shù)負(fù)責(zé)人徐澤峰說，“針對原先電路板集成密度不高的問題，我們經(jīng)過多次試驗，摒棄了當(dāng)時國內(nèi)衛(wèi)星型號普遍采用的直插式工藝，首次采用了大規(guī)模表貼式工藝，這個首次引領(lǐng)了該技術(shù)在后續(xù)其他型號應(yīng)用的新局面；同時，在模塊間創(chuàng)新性采用信號母板、印制板載流技術(shù)和匯流條優(yōu)化等措施，實現(xiàn)了模塊電纜的高度集成，大幅度減少了體積和重量。”通過與嫦娥三號產(chǎn)品的對比可以看到，原先的正面直插式工藝被換成了雙面貼片，電路板集成密度大大提高；原先布滿了密密麻麻導(dǎo)線的電路板，現(xiàn)在整齊地分布著寥寥幾條清晰的線路，產(chǎn)品密度得到了提高；而單機(jī)的模塊數(shù)量，則從原先的5個成功壓縮為2個，體積達(dá)到了嫦娥三號控制器體積的1/3。這些技術(shù)，在后續(xù)實現(xiàn)了二十多個專利的授權(quán)。
按照嫦娥五號的工作模式，在抵達(dá)月球軌道后，著陸器和上升器的組合體與軌道器和返回器的組合體分離，著陸器和上升器落到月球表面，開展月面采集樣本工作。
充分考慮到此次月面執(zhí)行任務(wù)的時間及電源產(chǎn)品的工作模式后，按照總體的方案，研制人員在著陸器和上升器組合體的能源設(shè)計上做了優(yōu)化。徐澤峰說，“著陸器的電源產(chǎn)品包括太陽電池陣和電源控制器，上升器的電源產(chǎn)品包括太陽電池陣、電源控制器以及鋰離子蓄電池。分離之前，在飛行階段和月面階段光照期，著陸器的太陽電池電路承擔(dān)起了為組合體供電的責(zé)任；而當(dāng)組合體在月面階段分離后，上升器迅速轉(zhuǎn)換角色，由太陽電池電路在光照期為自身供電。而在非光照期，著陸器和上升器共用一組鋰離子蓄電池，由該蓄電池為組合體提供電源。”
助力四器組合的“繞、落、回”終極目標(biāo)
在月球探測任務(wù)中，探測器所需能源較傳統(tǒng)衛(wèi)星緊張的多。嫦娥五號為四器組合體設(shè)計，且需一次性完成“繞、落、回”三個目標(biāo)，所需能源更是超過了我國任何一項月球探測、深空探測任務(wù)。因此，提高太陽電池陣和鋰離子蓄電池組的能源供給能力，是研制人員需要解決的重要問題。
“為了提高太陽電池陣發(fā)電功率，我們給自己設(shè)定了目標(biāo)，在太陽電池陣的正面，確保貼片面積達(dá)到最大化”，嫦娥五號太陽電池電路技術(shù)負(fù)責(zé)人陳城介紹道。
但在探月任務(wù)中太陽電池帆板面積受到嚴(yán)重的限制，同時，不同于普通衛(wèi)星，探測器本身的構(gòu)型決定了帆板的不規(guī)則形狀，嫦娥五號的太陽電池帆板有三角形和多邊形等多種形狀。基板面積小，且奇形怪狀，怎么辦？
“一般的衛(wèi)星型號，我們設(shè)計太陽電池電路時僅采用單一尺寸的太陽電池。針對嫦娥五號，我們打破常規(guī)思路，采用多種尺寸的電池進(jìn)行混合布片，讓布片效率達(dá)到了91%以上，這比常規(guī)產(chǎn)品高了5%-10%。同時，還要選擇最高效率的太陽電池，嫦娥三號和嫦娥四號的太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率分別為28.6%和30.84%，嫦娥五號達(dá)到了31%以上”。經(jīng)過不懈努力，嫦娥五號太陽電池板單位面積下的輸出功率不僅在產(chǎn)品研制時，即使在現(xiàn)在，都為國內(nèi)最高水平。
比能量是鋰離子蓄電池的一大性能指標(biāo)，數(shù)值越高，單位體積或重量可以存儲的能量越多。攻關(guān)伊始，國內(nèi)鋰離子蓄電池單體的比能量最高為155Wh/kg，國際上最高為165Wh/kg。針對嫦娥五號鋰離子蓄電池產(chǎn)品使用壽命短，放電深度高的特點，研制人員在仔細(xì)分析了技術(shù)指標(biāo)的可行性、查閱了大量的文獻(xiàn)資料、調(diào)研了鋰電企業(yè)的技術(shù)資料后，制定了攻關(guān)方案?！拔覀冞x用了比能量更高的鈷酸鋰正極材料和石墨負(fù)極材料、選用了高分子量的粘結(jié)劑材料降低粘結(jié)劑用量、并優(yōu)化極片配方提高活性物質(zhì)的含量”，嫦娥五號鋰離子蓄電池主管設(shè)計師王曉銳說道。輕描淡寫的介紹，背后是大量的工藝試驗，新的電極材料、新的材料配比，與過去完全不同的各項理化參數(shù)導(dǎo)致混粉、制漿等工序的工藝發(fā)生很大變化，但研制人員一步一個腳印，踏踏實實地驗證了每一道工序。經(jīng)過8個月的努力，他們將蓄電池的重量比能量提高至195Wh/kg。這個數(shù)值，為目前航天用鋰離子蓄電池比能量最高值。