載人月球任務(wù)能源系統(tǒng)初探

馬季軍，何小斌，喬衛(wèi)新，朱 凱

(上海空間電源研究所，上海200245)

1 引言

目前，在載人航天工程總體部署下，中國(guó)近地空間站項(xiàng)目正在穩(wěn)步推進(jìn)。按照探月工程總體安排，“三步走”的最后一步——月面資源采樣與返回正在展開(kāi)。通過(guò)載人航天工程與月球探測(cè)活動(dòng)的有機(jī)結(jié)合，借助已取得的成功經(jīng)驗(yàn)，適時(shí)開(kāi)展載人登月任務(wù)，是一種符合技術(shù)發(fā)展邏輯的選擇[1]。

載人登月是迄今為止最為復(fù)雜的載人航天任務(wù)?；谠虑蚩臻g站的載人月球任務(wù)航天器構(gòu)型多變，包括重型運(yùn)載火箭、上面級(jí)、月球空間站、載人飛船、月球登月艙、月球基地等[2]。這些航天器系統(tǒng)復(fù)雜，很多都采用分艙段設(shè)計(jì)，分階段、分步驟建造。載人月球每個(gè)階段任務(wù)實(shí)施環(huán)境不盡相同，如月球空間站建設(shè)、載人環(huán)/繞月任務(wù)實(shí)施環(huán)境是環(huán)月軌道，而月球基地建設(shè)任務(wù)實(shí)施環(huán)境是月球表面。同時(shí)載人月球任務(wù)統(tǒng)籌考慮近地空間站航天員、物資運(yùn)輸，后續(xù)載人火星探測(cè)等需求，具備較好的擴(kuò)展性和繼承性，能為后續(xù)任務(wù)的實(shí)施節(jié)省經(jīng)費(fèi)、縮短研制周期、提高系統(tǒng)可靠性。

空間能源系統(tǒng)是空間能源產(chǎn)生、儲(chǔ)存、變換、調(diào)節(jié)和分配的分系統(tǒng)，是航天器四大關(guān)鍵分系統(tǒng)之一，主要采用太陽(yáng)電池陣+蓄電池組能源結(jié)構(gòu)。載人月球任務(wù)復(fù)雜、難度更大、要求更高[1]，為滿足不同任務(wù)能源需求，迫切需要探討能源系統(tǒng)總體方案，分析能源技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向，并梳理共性關(guān)鍵技術(shù)，減少攻關(guān)次數(shù)，縮短攻關(guān)周期。

2 載人月球任務(wù)能源系統(tǒng)需求特點(diǎn)

載人月球任務(wù)復(fù)雜多樣，不同的任務(wù)需要不同的航天器來(lái)完成，而且每個(gè)任務(wù)實(shí)施環(huán)境也不盡相同，對(duì)能源系統(tǒng)提出了不同需求。載人飛船需求強(qiáng)調(diào)能源系統(tǒng)輕量化、高可靠高承載特性；月球空間站能源系統(tǒng)在輕量化基礎(chǔ)上，要求在軌可重復(fù)利用、能源擴(kuò)展功能及在軌可維修、可更換設(shè)計(jì)；登月艙能源系統(tǒng)采用模塊化、集成化設(shè)計(jì)，要求高質(zhì)量比功率和高體積比功率；月球基地能源系統(tǒng)要求強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性，需要在月球的極端環(huán)境條件下長(zhǎng)期發(fā)電及儲(chǔ)能。綜上，載人月球任務(wù)能源系統(tǒng)綜合需求表現(xiàn)為以下五個(gè)方面。

2.1 高效、輕量化

與近地軌道相比，對(duì)載人月球航天器能源系統(tǒng)提出了更大的功率需求。通過(guò)運(yùn)載發(fā)射、推進(jìn)器助推、著陸等方式，將能源系統(tǒng)從地球表面送到環(huán)月軌道、月球表面，受任務(wù)可靠性和運(yùn)載能力的限制，要求能源系統(tǒng)必須具有重量輕、體積小、高安全可靠性等特點(diǎn)，能源的高效利用是十分必要的。

2.2 能源類型多樣化

載人月球任務(wù)多樣、實(shí)施環(huán)境復(fù)雜，要求根據(jù)不同任務(wù)和實(shí)施環(huán)境特點(diǎn)采用不同能源形式，進(jìn)行多源混合電源利用與管理，通過(guò)能源系統(tǒng)協(xié)同控制，完成各種能源之間能量調(diào)配，實(shí)現(xiàn)能源互補(bǔ)。

2.3 資源集約、高效利用

載人月球探測(cè)任務(wù)中，有效載荷(包括能源)體積、重量不僅關(guān)系到新一代火箭的運(yùn)載能力，也嚴(yán)重影響代價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)。所以，要求對(duì)月面設(shè)施資源高效利用，集約資源。對(duì)于能源系統(tǒng)而言，不僅需要高效、輕量化，而且需要利用每一個(gè)能源單元滿足任務(wù)需求。

2.4 模塊化、可擴(kuò)展

載人月球航天器能源系統(tǒng)龐大復(fù)雜，可發(fā)射的系統(tǒng)規(guī)模又受到運(yùn)載火箭包絡(luò)限制，因此，分批次發(fā)射多模塊、多模塊在軌組裝是唯一的可行途徑，這就對(duì)能源系統(tǒng)可擴(kuò)展性提出了新的要求。通過(guò)對(duì)能源模塊機(jī)械、電氣等標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計(jì)，支持在軌維修、更換，實(shí)現(xiàn)多能源模塊在軌組裝及能源系統(tǒng)擴(kuò)展。

2.5 高可靠、高安全

為確保人類月面探測(cè)活動(dòng)順利開(kāi)展以及人類自身安全，能源系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)必然非常復(fù)雜，需全面提升能源系統(tǒng)自主控制、管理、故障診斷與應(yīng)對(duì)能力，進(jìn)行能源系統(tǒng)自身狀態(tài)監(jiān)測(cè)、性能預(yù)測(cè)與自主決策，同時(shí)，提升能源系統(tǒng)可重構(gòu)、可維護(hù)性，實(shí)現(xiàn)高可靠和高安全性。

3 國(guó)外載人月球任務(wù)能源系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)、俄羅斯、歐空局均已經(jīng)開(kāi)展了載人月球任務(wù)研究工作，并對(duì)月球軌道空間站、載人飛船、登月艙、月面站、月球車及機(jī)器人等多種能源系統(tǒng)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)論證、試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 載人登月飛船

美國(guó)Apollo是目前唯一成功的載人登月計(jì)劃，NASA對(duì)Apollo飛船能源系統(tǒng)進(jìn)行了專門的論證，認(rèn)為作為飛船的動(dòng)力源必須具備高功率密度與高能量密度的特性[3]。Apollo登月飛船上使用的1.5 kW電源由三個(gè)獨(dú)立的燃料電池模塊并聯(lián)構(gòu)成，通過(guò)氫氣循環(huán)進(jìn)行排熱和排水。每個(gè)模塊包含31個(gè)串聯(lián)的獨(dú)立電池單元，工作電壓范圍27～31 V，額定輸出功率563～1420 W，最大峰值輸出功率2300 W(＠20.5 V)，工作溫度206℃，重約113 kg。模塊額定工作時(shí)間為400 h，實(shí)際運(yùn)行690 h而沒(méi)有失效，該燃料電池模塊如圖1所示。

近年來(lái)，基于阿波羅登月計(jì)劃經(jīng)驗(yàn)，在星座計(jì)劃支持下，NASA設(shè)計(jì)了Altair登月器用氫氧燃料電池供電方案[4]，額定功率 3 kW、峰值功率5.5 kW，主要為下降段和上升段在近月軌道提供電力以及著陸后作為月球表面電源系統(tǒng)使用，同時(shí)航天員生保系統(tǒng)與供電系統(tǒng)一體化結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)復(fù)用。

3.2 月面居住艙

圖1 Apollo計(jì)劃使用的燃料電池模塊[3]Fig.1 Fuel cell module used by Apollo program[3]

美國(guó)NASA提出了一種可居住的機(jī)器人艙Habot(圖2)，采用圓柱形艙身，頂部安裝太陽(yáng)電池陣以維持在月球上電源供應(yīng)，艙體底部安裝的無(wú)線電熱能生成裝置(RTG)則作為備用電源系統(tǒng)[5]。

圖2 可移動(dòng)的機(jī)器人艙Habot[5]Fig.2 Mobile robot cabin-Habot[5]

此外，Habot還有其他兩種能量供給方式：電子束能和核能[6]。電子束能主要通過(guò)激光或微波為月球車供電，在月球車頂部安裝一個(gè)圓盤型的天線，可接收微波或激光，能量來(lái)源是月球同步軌道上的空間太陽(yáng)能衛(wèi)星，可全天時(shí)對(duì)準(zhǔn)月球，為月球車提供100～300 kW電能，如圖3(a)所示。核能方式通過(guò)基于核反應(yīng)堆的能源供給車，懸掛在月球車后面，時(shí)刻為月球車供電，如圖3(b)所示。

3.3 月球能源站

美國(guó)NASA JSC設(shè)計(jì)了一種采用光伏能、核能、燃料電池等多能量來(lái)源、多物質(zhì)復(fù)合供給站。從能量供給角度，在太陽(yáng)光照充足時(shí)，太陽(yáng)電池陣發(fā)電為負(fù)載供電，核反應(yīng)堆電源、燃料電池堆產(chǎn)生的多余能量則存儲(chǔ)起來(lái)；在太陽(yáng)光照不足時(shí)，核反應(yīng)堆電源、燃料電池堆與能量存儲(chǔ)裝置聯(lián)合為負(fù)載供電，如圖4所示[7]。

圖3 月面居住艙[6]Fig.3 Lunar habitat[6]

圖4 NASA月球基地多能源、多物質(zhì)復(fù)合供給站[7]Fig.4 Multi-energy and multi-material compound supply station of NASA lunar base[7]

從物質(zhì)供給角度，燃料電池發(fā)電的產(chǎn)物——水，直接供航天員飲用；水通過(guò)電解產(chǎn)生氫氣與氧氣，氧氣保證航天員日常生活需要。此外，燃料電池發(fā)電以及氫氣與氧氣燃燒過(guò)程，均可獲得熱量為航天員提供保溫功能。

此外，在美國(guó)“重返月球”計(jì)劃中[8]，月球南極有望成為選址地點(diǎn)，月球居留地至少要在最初幾年依靠太陽(yáng)能電池板。月球基地后期，將考慮利用核反應(yīng)堆供能。這些反應(yīng)堆的功率為40 kW。反應(yīng)堆上方的黑色面板是散熱器，可用來(lái)疏散過(guò)剩的熱量。為了防止航天員受到反應(yīng)堆傷害，這些設(shè)施都距離居留地有一段距離，而且周圍被成袋的月球土包圍，如圖5所示。

圖5 NASA“重返月球”計(jì)劃[8]Fig.5 NASA′s plan to return to the moon[8]

3.4 載人月球車

目前已研制的各種載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)可歸結(jié)為兩大類：無(wú)可增壓裝置載人月球車和有可增壓裝置載人月球車。對(duì)應(yīng)用于各種月球車中的能源系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，燃料電池、同位素電池、可充電電池是載人月球車較好的選擇。美國(guó)JPL研制的月球車如圖6所示，采用同位素電源供電，供電功率達(dá)110 W，可14 d月夜長(zhǎng)期工作[9]。

圖6 載人月球車[9]Fig.6 Manned lunar rover[9]

綜上所述，歐美國(guó)家在已經(jīng)開(kāi)展的載人月球探測(cè)任務(wù)中，依據(jù)各飛行器特點(diǎn)設(shè)計(jì)論證或試驗(yàn)驗(yàn)證了能源系統(tǒng)，具有以下特點(diǎn)：

1)能源類型多樣。根據(jù)不同任務(wù)階段、環(huán)境特點(diǎn)采用不同的高效、輕質(zhì)能源類型，包括太陽(yáng)電池陣、燃料電池、鋰離子電池、RTG核電源、核反應(yīng)堆電源等；

2)短期月面駐留，氫氧燃料電池作為一種重要能源形式，再生氫氧燃料電池與環(huán)控生保系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)及熱量的循環(huán)利用；

3)長(zhǎng)期大功率月面能源基地的建設(shè)采用模塊化擴(kuò)展、逐步構(gòu)建，且在初期采用太陽(yáng)能發(fā)電構(gòu)造基礎(chǔ)能源，在此基礎(chǔ)上逐步構(gòu)建核電源系統(tǒng)；

4)月面能源系統(tǒng)中，如何高效實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間(14 d)、低溫(-187℃)的月夜能源供給，無(wú)線能量傳輸、RTG保溫等方式具有可行性。

4 載人月球任務(wù)能源系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)想

載人月球探測(cè)能源系統(tǒng)復(fù)雜，航天器構(gòu)型多變，以滿足不同階段任務(wù)需求。月球空間站(多功能艙、推進(jìn)艙、指揮艙)、載人飛船(服務(wù)艙、指揮艙、再入飛行器)、登月艙(著陸器、上升器)等采用分艙段設(shè)計(jì)，各艙段既具備單個(gè)飛行器的獨(dú)立自主飛行能力，又能通過(guò)交會(huì)對(duì)接，在軌組裝技術(shù)形成多艙段組合體飛行，這就要求各個(gè)飛行器(或艙段)具備自己獨(dú)立的電源系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)接組建完成后又能通過(guò)并網(wǎng)技術(shù)將多個(gè)電源系統(tǒng)融合統(tǒng)一。月球登月艙、月球站(發(fā)電站、通信站)、月球車、機(jī)器人等月面設(shè)施不僅任務(wù)覆蓋區(qū)域廣泛，而且建造復(fù)雜，需要分階段、分步驟開(kāi)展，這就要求能源系統(tǒng)具備分布性特征，功率模塊化設(shè)計(jì)，利于擴(kuò)展，并能實(shí)時(shí)重構(gòu)，滿足各種任務(wù)能源需求。為此，將各飛行器、各月面設(shè)施構(gòu)建由分布式發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)荷、控制與管理裝置等共同組成的能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的能源子站。能源子站既可以孤立運(yùn)行，完成特定構(gòu)建階段、特定任務(wù)的能源供給，也可以與其他子站并網(wǎng)運(yùn)行，共同構(gòu)成復(fù)雜的載人月球航天器能源系統(tǒng)，如圖7～8所示。

分布式發(fā)電(DG)根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)和實(shí)施環(huán)境采用太陽(yáng)能電池發(fā)電、核熱發(fā)電、燃料電池發(fā)電及月球原位資源發(fā)電等多形式最大功率獲取能源。能源存儲(chǔ)系統(tǒng)(ESS)采用燃料電池和各種致密儲(chǔ)能電池。通過(guò)合理、有效的能量管控策略，在不同工況下，對(duì)不同能源供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行整體上的補(bǔ)充、協(xié)調(diào)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多種能源間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和深度融合。

圖7 載人月球任務(wù)能源系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖Fig.7 Diagram of energy system overall architecture in manned lunar mission

圖8 載人月球任務(wù)能源系統(tǒng)總體架構(gòu)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Overall structure composition of energy system in manned lunar mission

能源系統(tǒng)物質(zhì)高效利用，對(duì)能源、動(dòng)力、環(huán)控、生保等多個(gè)航天器分系統(tǒng)間的物質(zhì)兼容備份和工質(zhì)共用，實(shí)現(xiàn)多能質(zhì)一體化供給(圖9)。燃料電池發(fā)電產(chǎn)生的廢物——水，通過(guò)生保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)水的回收與純化，可供航天員日常生活使用；燃料電池發(fā)電產(chǎn)生的余能——熱能，通過(guò)環(huán)控系統(tǒng)對(duì)熱能的回收利用，可供航天員日常生活取暖和設(shè)備保溫。形成開(kāi)放式架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化接口，滿足模塊復(fù)用、功率擴(kuò)展及在軌維修、更換需要。標(biāo)準(zhǔn)化接口應(yīng)充分考慮接口的機(jī)械、電氣設(shè)計(jì)，以方便各個(gè)模塊間的快速連接與斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)模塊間的柔性插拔。為實(shí)現(xiàn)功率擴(kuò)展，能源系統(tǒng)宜采用開(kāi)放式總線架構(gòu)，根據(jù)功率需求可以方便增減各種符合接口協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)模塊，以此獲得系統(tǒng)的通用性和可擴(kuò)展性。

圖9 太陽(yáng)電池、燃料電池、生保與熱控一體化系統(tǒng)Fig.9 Integrated system of solar cell,fuel cell,life support and thermal control

5 載人月球任務(wù)能源系統(tǒng)共性關(guān)鍵技術(shù)

在能源系統(tǒng)總體架構(gòu)下，不同的飛行器或月面設(shè)施根據(jù)任務(wù)環(huán)境和要求，可能采用不同的能源系統(tǒng)和不同的能源技術(shù)。為了從頂層設(shè)計(jì)出發(fā)，對(duì)能源技術(shù)進(jìn)行歸一化，梳理出通用共性關(guān)鍵技術(shù)，有利于減少攻關(guān)次數(shù)，縮短攻關(guān)周期。結(jié)合能源系統(tǒng)需求特點(diǎn)，從能源產(chǎn)生、存儲(chǔ)和管理方面，共性關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下6項(xiàng)。

5.1 柔性太陽(yáng)電池陣技術(shù)

太陽(yáng)電池陣作為載人登月任務(wù)的主能源，廣泛應(yīng)用于多個(gè)飛行器、多個(gè)月面設(shè)施，輕量化、高效率是太陽(yáng)電池陣的基本要求，上升與著陸器還提出了強(qiáng)度高、可重復(fù)展收等要求。柔性太陽(yáng)電池陣與剛性、半剛性太陽(yáng)電池陣相比，質(zhì)量比功率和體積比功率優(yōu)勢(shì)明顯，是載人登月太陽(yáng)電池陣的首選形式。

自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，圍繞大面積柔性翼展開(kāi)方案、展開(kāi)結(jié)構(gòu)、高比功率等性能要求，美國(guó)、日本、俄羅斯及歐洲為代表的主要航天大國(guó)先后提出了多種柔性太陽(yáng)電池翼方案[10-11]，主要包括卷繞展開(kāi)薄膜陣、手風(fēng)琴式展開(kāi)薄膜陣、扇形展開(kāi)薄膜陣以及二維展開(kāi)薄膜陣等幾類展開(kāi)方式，質(zhì)量比功率超過(guò)150 W/kg，滿足超大功率航天器任務(wù)需求。

目前，國(guó)內(nèi)正在進(jìn)行空間站柔性太陽(yáng)電池翼的研制工作，并同時(shí)開(kāi)展了扇形柔性太陽(yáng)電池陣與充氣展開(kāi)太陽(yáng)電池陣的研究(圖10)。

針對(duì)載人月球任務(wù)大面積太陽(yáng)電池陣應(yīng)用需求，重點(diǎn)開(kāi)展柔性太陽(yáng)電池陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、高效薄膜砷化鎵太陽(yáng)電池、空間環(huán)境防護(hù)、大面積組陣及展開(kāi)、功率傳輸?shù)燃夹g(shù)研究，突破高效砷化鎵薄膜砷化鎵集成內(nèi)聯(lián)、全柔性一體化復(fù)合技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，支撐未來(lái)載人月球基地新型能源系統(tǒng)發(fā)展。

圖10 柔性太陽(yáng)翼與二維展開(kāi)薄膜陣收攏與展開(kāi)構(gòu)型圖Fig.10 Packed and deployed configurations of flexible solar arrays and two-dimensional expanded thin film arrays

5.2 空間核電源技術(shù)

空間核電源是指用核裂變能或核衰變能作熱源，通過(guò)靜態(tài)轉(zhuǎn)換或動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，為空間飛行器提供電力的裝置，主要包括同位素核電源和核反應(yīng)堆電源，放射性同位素溫差電源輸出電功率較小，空間核反應(yīng)堆是大功率需求發(fā)展的必然結(jié)果。

在月夜長(zhǎng)達(dá)14個(gè)地球日，溫度達(dá)-187℃的條件下，如何實(shí)現(xiàn)能源有效供給是載人月面長(zhǎng)期駐留與活動(dòng)需要首先解決的問(wèn)題。放射性同位素電源具有不依賴太陽(yáng)光照、輸出電功率小(＜1 kW)、大量熱需要耗散、壽命長(zhǎng)、可靠性高等特點(diǎn)，可用于無(wú)光照條件下的小功率供電以及設(shè)備保溫。核反應(yīng)堆電源則是未來(lái)月球開(kāi)發(fā)與利用任務(wù)超大功率(50～100 kW)需求的終極能源形式。

自20世紀(jì)60年代開(kāi)始，美國(guó)就對(duì)可用于月球或火星基地的空間核反應(yīng)堆能源系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，比較有代表性的有SNAP-8系列，可提供幾十千瓦電功率，供6～12人的有人月球基地使用；SP-100布雷頓系統(tǒng)，能提供幾十到幾百千瓦級(jí)電功率[12]；俄羅斯研制的Акация核反應(yīng)堆，電功率為150 kW，壽命不低于10年[13]。日本研究了一種適合于月球表面的鋰?yán)淇熘凶雍朔磻?yīng)堆電源，可以提供200 kW電功率，反應(yīng)堆熱功率為5 MW左右[14]。

國(guó)內(nèi)空間核電源技術(shù)起步較晚，多為關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)或者原理驗(yàn)證，還需要突破工程化等一系列問(wèn)題。為了適應(yīng)載人月球任務(wù)需求，需要開(kāi)展空間用核反應(yīng)堆電源技術(shù)研究，重點(diǎn)解決耐高溫燃料與材料、廢熱排放方式、輻射屏蔽模式、空間核反應(yīng)堆電源的應(yīng)用安全等關(guān)鍵技術(shù)?？臻g核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)組成如圖11所示。

圖11 空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)組成Fig.11 Power system of space nuclear reactor

5.3 空間燃料電池技術(shù)

燃料電池是一種將燃料和氧化劑的化學(xué)能通過(guò)電極直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置?？臻g燃料電池以氫氧燃料電池為主，可分為空間氫氧燃料電池和空間再生燃料電池兩類。

俄羅斯、美國(guó)等已經(jīng)將燃料電池作為航天器能源系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，燃料電池已經(jīng)在國(guó)外飛行器上得到了成功應(yīng)用，并成為主要的能源供應(yīng)系統(tǒng)[2-3]。近期，美國(guó)聯(lián)合科技公司宣布其開(kāi)發(fā)的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)在任務(wù)中成功運(yùn)行了105h[15]。

我國(guó)是世界上從事燃料電池研究較早的國(guó)家之一，研究主要包括高性能質(zhì)子交換膜燃料電池堆，水電解制氫裝置，新型航天飛行器用PEM燃料電池系統(tǒng)等，空間微重力、低溫、低氣壓等環(huán)境適應(yīng)性得到初步驗(yàn)證。針對(duì)載人登月飛行器、航天員落月、月表活動(dòng)、長(zhǎng)期駐留等能源消耗需求，重點(diǎn)開(kāi)展空間氫氧再生型燃料電池綜合利用研究，包括：產(chǎn)物水回收循環(huán)與生保供給，反應(yīng)熱作為低溫推進(jìn)劑加熱能源和飛行器環(huán)控加溫能源，飛行器氫氧儲(chǔ)箱自蒸發(fā)氫氧氣加溫利用，電解氫氣與生保系統(tǒng)二氧化碳合成甲烷方案等，如圖12所示。

圖12 再生燃料電池綜合能源系統(tǒng)方案示意圖Fig.12 Schematic diagram of integrated energy system for regenerative fuel cell

5.4 寬溫鋰離子電池技術(shù)

鋰離子電池作為第三代空間儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。針對(duì)目前月球表面活動(dòng)和登陸器等的要求，在2015年NASA技術(shù)路線圖中重點(diǎn)發(fā)展安全型低溫應(yīng)用鋰離子電池，通過(guò)采用新型固態(tài)聚合物電解質(zhì)，在提高電池安全性能的同時(shí)，將工作溫度降低到-60℃[16]。由Yardney公司研制的火星登陸器用鋰離子蓄電池組具體技術(shù)參數(shù)如下：容量：33 Ah(25℃)，25 Ah(-20℃)；體積比能量：358 Wh/L；重量比能量：145 Wh/kg；循環(huán)壽命：≥2100周；充電倍率：1 C；工作溫度：-40℃～+65℃[17]。

國(guó)內(nèi)空間鋰離子蓄電池技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)水平基本同步。針對(duì)載人月球探測(cè)任務(wù)著陸/上升器、月面設(shè)施等對(duì)寬溫度致密儲(chǔ)能電池的要求，突破寬溫度范圍功能電解液設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、寬溫度高比能鋰離子電池安全性控制等關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)展寬溫幅高容量電極材料應(yīng)用、高孔隙率安全隔膜增效技術(shù)、寬溫度高比能鋰離子電池設(shè)計(jì)及過(guò)程控制、電池性能驗(yàn)證技術(shù)研究以滿足寬溫度范圍、高能量輸出、高安全的任務(wù)需求。

5.5 廣域多特性負(fù)載能量補(bǔ)給技術(shù)

廣域多特性負(fù)載能量補(bǔ)給技術(shù)是指根據(jù)機(jī)器人、月球車、作業(yè)設(shè)備等不同負(fù)載的用電模式、工作環(huán)境等因素，考慮與月面供電站間距離遠(yuǎn)近，從功率、作用距離、效率、復(fù)雜度、可行性等多方面，利用無(wú)線能量傳輸技術(shù)快速、方便實(shí)現(xiàn)能量補(bǔ)給。目前，實(shí)現(xiàn)無(wú)線能量傳輸方式主要有：感應(yīng)耦合、磁場(chǎng)共振、微波和激光，可提供近、中、遠(yuǎn)不同距離上的解決方案。無(wú)線傳能技術(shù)克服了電接觸的不穩(wěn)定性、電氣設(shè)備移動(dòng)的局限性等問(wèn)題，但傳輸效率低于有線傳輸。為此，需要從無(wú)線傳能的能量產(chǎn)生、投送、接收整流轉(zhuǎn)換以及傳能系統(tǒng)與環(huán)境的兼容協(xié)同等共性環(huán)節(jié)出發(fā)，突破能量在傳送過(guò)程中的效率瓶頸。廣域多特性負(fù)載能量補(bǔ)給技術(shù)示意圖如圖13所示。

圖13 廣域多特性負(fù)載能量補(bǔ)給技術(shù)示意圖Fig.13 Schematic diagram of wide-area and multicharacteristic load energy replenishment

5.6 自主運(yùn)行控制技術(shù)

載人月球任務(wù)中，能源系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，同時(shí)月球距離地球非常遙遠(yuǎn)，這就需要能源系統(tǒng)長(zhǎng)期自主穩(wěn)定運(yùn)行。一旦發(fā)生故障，可以根據(jù)故障情況進(jìn)行自主故障恢復(fù)。目前，能源系統(tǒng)故障檢測(cè)與診斷已在國(guó)際空間站、重返月球計(jì)劃以及ESA的Rosseta飛行器等多個(gè)任務(wù)中得到應(yīng)用[18]。

載人月球任務(wù)能源系統(tǒng)自主運(yùn)行控制技術(shù)是指基于傳感器直接數(shù)據(jù)和模型間接數(shù)據(jù)，搜集與理解環(huán)境信息和自身信息，并進(jìn)行分析判斷和規(guī)劃自身行為，動(dòng)態(tài)優(yōu)化能源產(chǎn)生、消耗的過(guò)程，提升能源系統(tǒng)運(yùn)行效率。其主要研究?jī)?nèi)容包括能源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)表征及自主檢測(cè)、能源系統(tǒng)關(guān)鍵部件性能演化機(jī)理分析、能源系統(tǒng)健康評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)方法、能源動(dòng)態(tài)平衡仿真及優(yōu)化調(diào)度策略和能源系統(tǒng)供配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)及安全運(yùn)行等，如圖14所示。

圖14 能源系統(tǒng)狀態(tài)感知及自主運(yùn)行控制Fig.14 State perception and autonomous operation control of the energy system

6 結(jié)束語(yǔ)

有效解決能源供給問(wèn)題是載人月球任務(wù)順利開(kāi)展的基礎(chǔ)。本文從載人月球任務(wù)能源系統(tǒng)需求特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合國(guó)外載人月球航天器能源系統(tǒng)現(xiàn)狀，提出采用分布式能源網(wǎng)總體架構(gòu)，梳理出能源系統(tǒng)重點(diǎn)研究方向和共性關(guān)鍵技術(shù)，為未來(lái)載人月球任務(wù)能源系統(tǒng)順利實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。