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飞向火星的漫长旅程,“动力之源”如何保驾护航,上海航天人这样破解
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来源:上观新闻 作者:刘锟 2020-07-23 14:32
摘要:火星环绕器从地球环境逐步过渡到火星环境,电源如何做好保障,提供源源不断的动力?

火星,这颗距离地球最近的红色行星,让人类产生过很多幻想,但到火星“串门”,却没那么容易。从地球飞往火星需要7个月时间,加上停泊火星轨道约3个月。也就是说,在火星车开始巡视之前,由上海航天技术研究院研制的火星环绕器需要独自工作10个月。

这漫长的10个月,火星环绕器从地球环境逐步过渡到火星环境,电源如何做好保障,提供源源不断的动力?研制环绕器电源分系统的上海航天811所科研人员向记者解读了电源背后的秘密。

飞行阶段各不相同,如何做到能量平衡?

火星探测器飞行任务共分发射、地火转移、制动捕获、轨道调整、中继通信、科学任务等阶段,环绕器全程经历所有阶段。工作模式多、光照变化大,如何保证各阶段工作模式能量平衡,是一大难点。

811所研制人员根据光照条件完成了环绕器各飞行阶段的太阳阵输出功率,在设计中对能源平衡进行了详细计算以及复核复算,“能源平衡复核复算覆盖了在轨所有极端工况,尤其在捕获轨道、中继通信等能量平衡较为困难的工况。”电源分系统副主任设计师许峰说。

据许峰透露,环绕器将根据太阳电池阵输出功率决定系统工作模式,太阳电池阵输出功率由小到大分别对应三种供电模式:锂离子蓄电池组供电模式、太阳电池阵与锂离子蓄电池组联合供电模式、太阳阵供电模式。如,在地火转移段的中途修正期间,由于太阳帆板工作条件不确定,提前根据可能经历的最严酷飞行情况制订了能源管理措施,保证了蓄电池组有足够的“能源裕度”;在中继通信轨道运行期间,将经历一个最长的“火影阶段”,时长为110分钟。考虑到最严重的后果,灵活制定了在轨分时段开启大功率单机的飞行策略,以7至15天为周期完成中继通信、轨道调整,确保能量平衡。

飞往火星的过程中,环绕器长期经历光照,尤其在环火轨道长光照期及地火转移段,锂离子蓄电池基本处于不工作的状态,“而蓄电池的荷电态和储存温度对其性能影响很大,通过试验发现,高荷电态与高温很容易造成电池容量衰减加剧、电池使用寿命缩减的后果”,锂离子蓄电池主管设计师王晓锐说。蓄电池要控制多少荷电态?储存温度要控制在多少度对电池最有利?为此,研制人员设计了相应的地火转移段蓄电池管理策略,综合考虑蓄电池自放电、采样电路耗电以及环绕器应急供电的需求,通过验证后将蓄电池的荷电态控制在60%-80%,温度控制在-10℃到10℃。

光照温度变化跨越大,恶劣环境如何应对?

环绕器从近地球轨道飞行到火星环绕轨道阶段,随着与太阳的距离越来越远,环境会变得越来越恶劣。

首先是光照强度的逐渐减弱带来的问题。火星的平均太阳光强只有地球40%,地火光照条件的差别会造成环绕器在不同飞行阶段的功率输入相差较大,多余的能量怎么处理?同时,光照强度越来越低,对太阳电池发电效率是否会有影响?

研制人员将因地火轨道光强差异造成的2300瓦多余能量进行分流,不过,这又给电源控制器热设计带来了难题。“我们需要在单块分流模块输出功率接近1000瓦时,将器件结温控制在85℃以下,但按照以往的设计经验,类似的分流模块在相同的尺寸下,输出功率达到800瓦时,功率器件结温就有可能超过95℃”,许峰说。

为从根本上减少模块发热量,研制人员放弃了常用型号的器件选型,经过反复查阅资料和多次验证,选用了一批热性能参数最优的功率器件。针对发热源,在结构设计上进行了分散排布,“最大化散热面积,同时对比仿真结果进行调整,实现最优热设计结果。在按照总体要求开展的热平衡试验中,即使在各种极端工况下,功率器件结温均未超过78℃,问题迎刃而解。”

其次,另一道需要跨过的坎,是大范围的温度跨越。近火轨道最低温度可达到-190℃,最高温度可达到40℃。随着轨道运行,环绕器反复进出光照和阴影区,高低温环境对太阳电池阵的国产化基板带来严峻挑战。考虑到极端温度可能对太阳电池阵的材料造成损坏,从而使太阳电池失效,同时,为了验证太阳电池阵上接插件、导线、元器件是否满足各种极端温度条件下的使用要求,研制人员开展了-190℃到40℃温度环境可靠性验证。

为什么选择在这个温度范围?“我们参考了从发射到环绕火星阶段的整个生命周期。-190℃是我们目前开展的温度环境可靠性验证工作的最低温度,实施起来有些难度”,太阳电池阵主管设计师王文强王文强说。开展低温试验的液氮液化的极限温度在-196℃,为了确保试验准确性,特别制作了太阳电池电路试验小板,采用液氮、烘箱的两箱法进行了试验。为了防止液氮飞溅在试验小板上,采用了聚酰亚胺薄膜对试验小板进行包覆。试验结果表明,低温达到预期,811所的三结砷化镓太阳电池阵技术能承受非常严酷的环境考核。

距离远任务时间长,电池最大效率如何发挥

由于火星探测距离地球较远,任务时间较长,因此火星探测需要携带更多的推进剂燃料,这对电源分系统重量提出严苛要求。

为了提高环绕器电源分系统质量比功率,各单机均需进行“减肥”。为最大效率发挥锂离子蓄电池功效,811所研制人员通过开展工艺攻关、选用新型材料让火星探测器上环绕器锂离子蓄电池的重量比能量达到了195瓦时/千克,195瓦时/千克是国内外有报道的空间用锂离子蓄电池重量比能量的最高值。

采访中,记者还了解到在锂离子蓄电池研制过程中的一个小插曲。

为满足环绕器质心配平和能源需求,研制人员对蓄电池的结构进行了调整,但这时距离整器力学实验和热实验分别只剩下3个月和5个月的时间。“从原先两并七串的卧式结构改成三并七串的立式结构,这对蓄电池来说相当于完全推翻了原先的设计”,王晓锐说。新的设计方案需要验证,为了节约时间,研制人员打破了之前先验证后投产正样的流程,采取验证件与正样件两组电池的结构件投产同步进行的策略。

短短5个月时间,研制人员完成了环绕器锂离子蓄电池组从验证件的“设计-仿真-投产-鉴定验证”到正样件的“研制-试验-交付”等全部工作,确保了火星探测器整器力学试验和热试验的及时顺利进行,而在正常情况下,这一整套流程需要一年半时间。

栏目主编:刘锟 文字编辑:刘锟 题图来源:中国航天科技集团
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