【航天甲子年50讲】 32 航天器的劲霸之心:能源系统

【航天甲子年50讲】 32 航天器的劲霸之心:能源系统



文:晟宇(视频讲解)

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本文主要参考:

  1. 彭成荣,《航天器总体设计》
  2. Electrical Power Systems-Space System Design, MAE 342, Princeton University Robert Stengel
  3. Spacecraft Power Systems-David W. Miller
  4. Electrical Power Systems-Vincent Lempereur


https://www.zhihu.com/video/990007695977541632

前言


我们知道现在近地轨道上有很多空间碎片,这些空间碎片的成因各异,其中个头比较大的有很多是失效了的卫星。而很多卫星失效的原因就是他们的能源系统寿命终止了。


所以我们知道能源系统对于航天器来说就是生死要素。因为航天器上绝大多数的设备都需要电能来提供其工作的动力。


在如今以太阳帆板加蓄电池组的标配时代,我们在看发射直播的时候就知道太阳帆板能否正常展开是一个关键节点。


Darpa现在已经上马的RSGS的轨道服务项目中很主要的一项演示就是帮助未能正常展开帆板的卫星排除故障,使失效的卫星重获生机。(关于RSGS项目可回看:我是光,我是电,我是太空中的小护士~~ 闲聊DARPA的地球同步轨道卫星自助服务(RSGS)计划,其实我是蜘蛛侠






那么关乎生死还有一个延展的层面就是关乎卫星的寿命。我们知道卫星的寿命一般由推进剂携带量和能源系统寿命来共同决定其轨道和功能寿命。


尤其是能源系统,存在随着时间衰减失效的特性,所以结合航天器本身任务开展一些优化的设计就可以使得卫星得以延寿,例如对蓄电池组的管理一样。


这个道理和我们好的用电情况决定手机电池寿命一样,只是手机电池不行了可以马上换一块,航天器上的电池要换代价就很大了。


电源系统的设计还决定了卫星的能力,例如卫星上面有很多单机仪器,这些单机不可能无限制的工作因为能源有限,所以每轨都只能让主要载荷工作有限的时间,特别是那些耗电厉害的仪器。


而能源系统如果可以更充足的能源,这些仪器就可以干更多活,发挥更大价值。尤其是像SAR这种有着巨大能源需求的卫星,一个强大的能源系统是其发挥能力的最重要的基础。


最后更细一点说,能源系统的设计还决定了卫星的品质。这是卫星上面的仪器不但对功耗有需求,还在平稳、可靠、安全等很多方面有要求,这些也从另外一个方面影响着航天器做任务的效果。



能源系统都包含些啥


前面我们说到了现在的卫星都选择了太阳帆板+蓄电池组的标配,这种配置占到了90%以上的航天器。


在这里,太阳帆板就属于能源获取部分,也可以叫做发电装置。能源获取的手段还包括化学能和发射性能源。


太阳帆板这种属于外能,外能就收到环境的影响,所以帆板的设计也就根据轨道不同,光照不同设计的千差万别。


像化学能和核能就属于内能型的发电装置。早期的卫星和一些寿命要求很低的小卫星(例如立方星)在使用化学电池,整个使用的比例大概占整个航天器的5%。




第一代Phonesat@NASA


而一些深空旅行的航天器就会采用可以提供更持久和足量能源的核能。






能源存储设备一般都是服务于太阳帆板这种外能形式的,这是因为卫星的轨道上光照情况一致变化导致太阳帆板输出能源的状态也是变化的,为了应对诸如完全没有电的阴影和用电平稳的考虑就需要配备蓄电池组。这样多的时候存起来,不够的时候补上来。







而对于太阳帆板加蓄电池组这种使用方式,我们说了其变化的特点,所以需要对其使用采取一些控制措施来达到一个正常使用的要求。例如会采取电源母线调节、蓄电池组充放电控制、过充电保护之类。





不同任务的航天器对能源提出了不同的需求,所以我们也根据这些需求来选择合适的能源方案。







今天就重点聊聊标配吧


对于占比超过90%的标配是今天介绍的重点。


这种能源系统的设计不但影响到卫星的能力等等,还在很大程度上影响着卫星的构型。有兴趣请见:知乎解答:为什么有的卫星有一个电池板,有的有两个?


对于太阳帆板来说首要任务解决能产生多少能源的问题。


我们知道现在太阳电池阵的转化效率基本是固定的发展的速度并不是很快,那么到达地球附近的太阳能源也基本是固定的大概就1300多瓦的样子。


所以太阳帆板希望的就是尽可能的多照到点太阳,就是等效正对太阳照射的面积最大,照射时间最久了。





但是现实是不同的轨道,这种理想状态的差异都很大,最主要的是太阳入射角难以保证。


所以卫星要采取姿态调整或者安装SADA(太阳帆板驱动装置)来像向日葵一样尽量朝向太阳。但是依然无法避免的就是卫星总是要进入阴影。


那么根据进入阴影的特点,频率,时间等等来进行电源控制器的设计,这个一方面可以做到能源使用的优化,一方面也可以尽量延长卫星的使用寿命。


与此同时,太阳电池阵的串并联关系等都影响着输出的电压和电流。而且太阳电池阵还具有很强的温度特性,也就是对温度敏感。






由于轨道上的辐射环境,太阳电池阵也会随着时间的推移逐步地退化,也是在设计时考虑到使用寿命需要留出足够的余量。


攒机攻略


前面说了特性,知道了这些特性后,就可以根据任务来攒能源系统的配置了,也就是多少太阳电池,多大蓄电池的配置了。





一般来说卫星的轨道都是由其主要的任务来决定的,不会特别照顾能源系统的设计。另外卫星做任务的情况决定了用电量的大小和时间分布。所以一般是结合这两者来进行攒机的。


不同类型的航天器能源的占比也差异很大,有的占总质量不到10%,有的却超过30%。这都是由上面两个原因来确定的。


最后聊聊好的用电习惯


首先要爱惜电池,好的用电习惯咱这个电池就可以多用用。但是不同的轨道用法也是有差别的。





特别是存在记忆效应等特点,所以要控制对于蓄电池的充放电。


当然对于电源的控制还远不止对于电池的控制,包括我们前面提到的对于母线的控制。


这是为了让母线的电压控制在一个预期的范围内,当然进行母线的调节是要付出一定代价的,就是要消耗一些能源。





下次我们来说说卫星上面的控制系统,看看卫星是怎么做到想看哪里看哪里的。


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张晟宇- 中科院微小卫星创新研究院高级主管 | 到「在行」来约见我www.zaih.com图标