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上海矽諾國際貿(mào)易有限公司 2020-12-21 點擊1051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?！蓖ㄟ^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,；而單機的模塊數(shù)量,，則從原先的5個成功壓縮為2個，體積達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行混合布片，讓布片效率達到了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,。