木星環(huán)繞探測(cè)器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張文佳 劉治鋼 張曉峰 朱立穎 田岱

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

隨著美國(guó)木星探測(cè)器朱諾號(hào)(Juno,2011年發(fā)射)任務(wù)的進(jìn)行,大量觀測(cè)數(shù)據(jù)和精美圖像再次引發(fā)了人們對(duì)木星探測(cè)的熱烈關(guān)注[1-2]。從1972年發(fā)射的先驅(qū)者10號(hào)任務(wù)開(kāi)始,國(guó)外先后有7個(gè)探測(cè)器在飛行過(guò)程中交會(huì)飛越木星,伽利略號(hào)探測(cè)器(Galileo,1989年發(fā)射)[3-4]和朱諾號(hào)探測(cè)器也分別于1995年和2016年抵達(dá)木星并對(duì)其進(jìn)行環(huán)繞探測(cè)。木星具有與太陽(yáng)類似的成分組成,大氣中含有大量的氫和氦,巨大的質(zhì)量和龐大的星系,使得木星及木星系就像是太陽(yáng)系的一個(gè)縮影。木星及木星系的探測(cè),有助于深入研究太陽(yáng)系的起源和演化,木衛(wèi)二和木衛(wèi)三表面有大氣,并且表面冰層下可能存在液態(tài)海洋,因此可能存在生命或者適宜于生命活動(dòng),是太陽(yáng)系內(nèi)最具探測(cè)價(jià)值的星體之一。

我國(guó)目前也在規(guī)劃2030年前后對(duì)木星及其星系進(jìn)行環(huán)繞探測(cè)。木星系探測(cè)任務(wù)距離遙遠(yuǎn),任務(wù)周期長(zhǎng),空間環(huán)境復(fù)雜,技術(shù)難度大,特別是木星周邊低溫和低光強(qiáng)條件,給探測(cè)器的能源設(shè)計(jì)帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)。

本文分析了木星環(huán)繞探測(cè)器的不同飛行階段的任務(wù)特點(diǎn)和相應(yīng)的能源設(shè)計(jì)需求,調(diào)研了國(guó)外木星探測(cè)任務(wù)的電源系統(tǒng)方案,在此基礎(chǔ)上結(jié)合我國(guó)能源技術(shù)現(xiàn)狀,提出了適合我國(guó)木星探測(cè)任務(wù)電源系統(tǒng)的初步方案設(shè)想和針對(duì)木星探測(cè)任務(wù)進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)的發(fā)展建議,為未來(lái)我國(guó)實(shí)施木星環(huán)繞任務(wù)提供有價(jià)值的參考。

1 木星探測(cè)的任務(wù)特點(diǎn)和能源設(shè)計(jì)約束

1.1 木星環(huán)繞器任務(wù)分析

木星環(huán)繞探測(cè)器的飛行過(guò)程可以分為“發(fā)射入軌-地木轉(zhuǎn)移-木星捕獲-木星環(huán)繞”4部分組成[5]。對(duì)于電源系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)既需要滿足各飛行階段的需求,也需要綜合考慮各階段帶來(lái)的設(shè)計(jì)約束。

木星環(huán)繞探測(cè)器在發(fā)射階段不能提供像飛越探測(cè)器一樣高的初速,同時(shí)木星環(huán)繞器在飛行過(guò)程中還需要經(jīng)歷一段減速制動(dòng)過(guò)程,才能夠被木星引力捕獲,成為木星的“人造衛(wèi)星”。對(duì)于木星飛越探測(cè),飛行全程會(huì)有更大的速度,一般會(huì)在飛行2年左右飛越木星;對(duì)于木星環(huán)繞探測(cè),則會(huì)經(jīng)歷5～6年的飛行過(guò)程到達(dá)木星星系。飛行時(shí)間對(duì)電源系統(tǒng)的壽命設(shè)計(jì)和關(guān)鍵單機(jī)的衰減考核有重要影響。

在地木轉(zhuǎn)移階段,根據(jù)探測(cè)器質(zhì)量、火箭能力、初速和發(fā)射窗口的綜合考慮,會(huì)設(shè)計(jì)行星借力來(lái)進(jìn)行飛行加速和變軌,行星借力一般會(huì)借助金星或地球的引力。如果借力飛越序列中包括了金星借力,則意味著探測(cè)器需要能夠承受金星附近的空間環(huán)境,主要包括太陽(yáng)距離0.7 AU附近的光強(qiáng)、熱流,這些對(duì)探測(cè)器熱控設(shè)計(jì),以及使用太陽(yáng)能發(fā)電時(shí)的整星功率輸出有很大影響。

最后木星環(huán)繞探測(cè)階段,一方面要根據(jù)對(duì)木星不同衛(wèi)星的飛越探測(cè)需求,另一方面要根據(jù)不同供電體制,設(shè)計(jì)木星系內(nèi)環(huán)繞探測(cè)軌道。木衛(wèi)一～木衛(wèi)四的公轉(zhuǎn)半徑從6倍～26.5倍木星半徑不等,木星系內(nèi)對(duì)一顆或者多顆衛(wèi)星進(jìn)行探測(cè),需要進(jìn)行精巧的飛行路徑設(shè)計(jì);若采用太陽(yáng)能供電,則還需要考慮光照條件對(duì)探測(cè)器設(shè)計(jì)的影響:若采用木星極軌軌道,可以最大限度獲取太陽(yáng)光照,但極軌軌道則難以對(duì)木星衛(wèi)星進(jìn)行探測(cè);若采用赤道平面的飛行軌道,就需要頻繁經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá)數(shù)個(gè)小時(shí)的木星地影期,但卻可以在飛行過(guò)程中對(duì)多顆木星衛(wèi)星進(jìn)行飛越探測(cè)。在對(duì)木星大氣和木星衛(wèi)星的探測(cè)中,采用再入器或著陸器是進(jìn)行深入探測(cè)的有效手段,再入器和著陸器的能源方案也需要考慮在總體能源設(shè)計(jì)中。

木星由于距離太陽(yáng)為4.95～5.46 AU,能夠接受到的太陽(yáng)光強(qiáng)僅為46～54 W/m2,是地球軌道的3.4%,溫度低至－140℃。木星磁場(chǎng)帶來(lái)的輻射帶中富含強(qiáng)于地球輻射帶數(shù)千倍的高能粒子,將對(duì)探測(cè)器的電子設(shè)備以及太陽(yáng)電池片造成巨大的危害。因此木星環(huán)繞探測(cè)器都需要對(duì)器內(nèi)電子設(shè)備進(jìn)行專門(mén)的防輻射設(shè)計(jì),對(duì)于采用太陽(yáng)能的探測(cè)器,需要對(duì)太陽(yáng)電池片進(jìn)行低溫低光強(qiáng)的材料設(shè)計(jì),并對(duì)電池片強(qiáng)化抗輻照防護(hù)設(shè)計(jì)。

1.2 國(guó)外典型木星環(huán)繞探測(cè)器電源設(shè)計(jì)

木星環(huán)繞探測(cè)器的電源方案呈現(xiàn)了非常多樣的設(shè)計(jì)思路,采用同位素和太陽(yáng)能作為主要的能量來(lái)源,可以演化出多種不同的方案和任務(wù)形式。伽利略號(hào)探測(cè)器,采用了放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器(Radioisotope Thermoelectric Generator,RTG)的電源方案,是人類首次實(shí)現(xiàn)對(duì)木星的環(huán)繞探測(cè)。隨著太陽(yáng)電池技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步,使用太陽(yáng)能進(jìn)行木星探測(cè)成為可能,朱諾號(hào)探測(cè)器就采用了“太陽(yáng)電池-蓄電池”的電源體制,使用了約60 m2的太陽(yáng)翼為探測(cè)器供電。與此同時(shí),歐洲航天局也籌劃了木星冰衛(wèi)星探測(cè)器任務(wù)(Jupiter Icy Moons Explorer,JUICE,計(jì)劃2022年發(fā)射),該探測(cè)器也采用太陽(yáng)翼-蓄電池的方案。

伽利略號(hào)探測(cè)器采用了核電源的方案[3-4],攜帶2個(gè)RTG,安裝在2個(gè)5 m長(zhǎng)的橫梁上,各載有9 kg的同位素燃料,提供可靠和長(zhǎng)期持續(xù)的電能,且不受空間寒冷環(huán)境和木星高輻射的限制(圖1)。伽利略號(hào)探測(cè)器使用的RTG采用了硅-鍺發(fā)電器件,單個(gè)RTG 質(zhì)量為55.9 kg,直徑42.2 cm,長(zhǎng)114cm,熱功率為4500 W,標(biāo)稱輸出功率為285 W,輸出電壓為30 V,比功率達(dá)到了5.2 W/kg,高溫端溫度為1000℃左右,熱電轉(zhuǎn)化效率最高可以達(dá)到6.7%。在發(fā)射時(shí),2個(gè)RTG可產(chǎn)生不小于570 W的電功率,輸出電功率以平均每月0.6 W的速度衰減,當(dāng)伽利略號(hào)探測(cè)器到達(dá)木星時(shí),輸出電功率為493 W。再入器的主電源為3組鋰-二氧化硫電池,并輔以2組鈣系熱電池用于再入過(guò)程的火工品引爆。主電源的3組電池,每組由13只電池串聯(lián)而成,單體標(biāo)稱容量為7.2 Ah,3組電池總?cè)萘繛?1.6 Ah,用于再入器與探測(cè)器分離到再入過(guò)程的150天的能源供應(yīng)。由于采用了核電源方案,中止工作的伽利略號(hào)探測(cè)器為了消除對(duì)木星衛(wèi)星的核污染隱患,于2003年9月21日在木星大氣層受控墜毀,這也是深空探測(cè)任務(wù)中行星保護(hù)原則的具體體現(xiàn)。

圖1 伽利略號(hào)探測(cè)器及其RTG電源Fig.1 Galileo and its RTG power source

朱諾號(hào)探測(cè)器采取了“太陽(yáng)電池-蓄電池”的電源系統(tǒng)架構(gòu)[1-2,6],為了保障抵達(dá)木星時(shí),探測(cè)器載荷400 W的能源需求,朱諾號(hào)探測(cè)器配置了60 m2的太陽(yáng)翼和2組55 Ah(9串)的鋰離子蓄電池組,母線電壓調(diào)節(jié)至29.4 V,見(jiàn)圖2。設(shè)計(jì)運(yùn)行的極軌環(huán)繞軌道能夠保證太陽(yáng)翼始終處于光照環(huán)境下,太陽(yáng)翼采用的三結(jié)砷化鎵電池針對(duì)木星空間環(huán)境的低溫低光強(qiáng)進(jìn)行了專門(mén)的設(shè)計(jì),以保證電池在－130℃下能夠正常輸出電能。太陽(yáng)電池片正反兩面采用屏蔽保護(hù),正面采用的玻璃蓋片厚度達(dá)到300μm,以抵抗木星輻射帶的電離輻射和高能粒子。按照設(shè)計(jì)預(yù)期,進(jìn)入木星軌道時(shí)太陽(yáng)電池的輸出功率應(yīng)為462.2 W,2年任務(wù)末期時(shí)輸出應(yīng)為422.6 W,在木星強(qiáng)輻射下太陽(yáng)電池衰減接近10%。隨著任務(wù)周期從2018年2月延長(zhǎng)至2021年7月,電源系統(tǒng)將面臨更長(zhǎng)時(shí)間的輻照考驗(yàn),同時(shí)還將承受約6 h的木影期,最初的能源設(shè)計(jì)中蓄電池組容量的不足可能會(huì)影響和限制探測(cè)器工作。

圖2 朱諾號(hào)探測(cè)器及其太陽(yáng)翼電源Fig.2 Juno and its solar array power source

歐洲主導(dǎo)研制的木星冰衛(wèi)星探測(cè)器[7-8],目標(biāo)是對(duì)木星系的木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四進(jìn)行探測(cè),將是人類第一個(gè)木星衛(wèi)星環(huán)繞探測(cè)器。任務(wù)計(jì)劃在木星系內(nèi)進(jìn)行復(fù)雜的制動(dòng)和借力飛行,完成2次木衛(wèi)二和14次木衛(wèi)四的飛越探測(cè),并進(jìn)入木衛(wèi)三的環(huán)繞軌道探測(cè)9個(gè)月。探測(cè)器計(jì)劃采用太陽(yáng)電池-蓄電池的電源體制。太陽(yáng)電池布置在10個(gè)等尺寸的太陽(yáng)翼帆板上,為了防止木星系內(nèi)部的轉(zhuǎn)移過(guò)程的靜電累積和電離輻照,太陽(yáng)電池表面覆蓋厚度為152μm的抗輻射玻璃屏蔽層,見(jiàn)圖3。太陽(yáng)電池采用針對(duì)低光照低溫度設(shè)計(jì)的的三結(jié)砷化鎵電池,目前單體電池還在研制中。為了能夠在46 W/m2的最差光照強(qiáng)度下仍能夠滿足不小于850 W的功率輸出需求,太陽(yáng)翼總面積達(dá)到了97 m2。同時(shí)木星系內(nèi)復(fù)雜探測(cè)任務(wù)有最長(zhǎng)達(dá)8.5 h的木星陰影期,因此還需要按照需求配置一定規(guī)模的蓄電池組。

圖3 木星冰衛(wèi)星探測(cè)器及其太陽(yáng)翼Fig.3 JUICE and its solar arrays

除了以上3個(gè)已經(jīng)或者正在實(shí)施的木星環(huán)繞探測(cè)計(jì)劃外,國(guó)外很多國(guó)家和機(jī)構(gòu)也設(shè)想和論證了其他的木星探測(cè)器方案,其中值得一提的還有美國(guó)普羅米修斯計(jì)劃中的木星冰衛(wèi)星軌道探測(cè)器(Jupiter Icy Moons Orbiter,JIMO)概念設(shè)計(jì),采用核反應(yīng)堆作為探測(cè)器和大功率電推進(jìn)器的能量來(lái)源,JIMO反應(yīng)堆電源的額定功率為100 k W,需進(jìn)行3次獨(dú)立的發(fā)射,并在地球軌道進(jìn)行組裝,強(qiáng)大的能源供應(yīng)能夠保障探測(cè)器分別對(duì)木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的環(huán)繞探測(cè)。

表1給出了以上幾個(gè)國(guó)外已經(jīng)發(fā)射和建造中的木星系環(huán)繞探測(cè)器的電源系統(tǒng)對(duì)比,可以看出:①隨著太陽(yáng)電池技術(shù)和大面積太陽(yáng)翼機(jī)械結(jié)構(gòu)的發(fā)展,使用太陽(yáng)能方案已經(jīng)逐漸成為木星探測(cè)器優(yōu)先考慮的方案;②暴露在探測(cè)器外部的太陽(yáng)電池,比溫差組件對(duì)空間輻射更敏感,需要針對(duì)木星的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境加強(qiáng)輻射防護(hù)設(shè)計(jì);③對(duì)木衛(wèi)多次飛越探測(cè)需要采用低傾角軌道,因此電源系統(tǒng)還需要考慮木星遮擋的長(zhǎng)地影期影響。這些分析結(jié)合國(guó)內(nèi)木星探測(cè)的主任務(wù)目標(biāo),會(huì)對(duì)我國(guó)的木星環(huán)繞探測(cè)器的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案產(chǎn)生重要影響或約束。

表1 國(guó)外典型木星環(huán)繞探測(cè)器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)比Table 1 Power system comparison of typical Jupiter and Jovian system orbiting probes

2 我國(guó)木星探測(cè)器的電源系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)分析

根據(jù)我國(guó)未來(lái)的航天任務(wù)規(guī)劃,對(duì)木星探測(cè)的工程實(shí)施預(yù)計(jì)在2025—2030年期間開(kāi)展,計(jì)劃先對(duì)木星進(jìn)行環(huán)繞探測(cè),然后對(duì)木星衛(wèi)星高價(jià)值目標(biāo)進(jìn)行環(huán)繞探測(cè)。能源設(shè)計(jì)的約束包括:

(1)計(jì)劃采用“地球—金星—地球—地球—木星”的多次行星借力飛行軌道[9];

(2)木星捕獲后,繞木星極軌進(jìn)行環(huán)繞探測(cè),并在木星系內(nèi)進(jìn)行變軌,逐漸降低軌道傾角,實(shí)現(xiàn)對(duì)木星衛(wèi)星的多次飛越探測(cè),最終實(shí)現(xiàn)對(duì)木星衛(wèi)星高價(jià)值目標(biāo)的環(huán)繞探測(cè)[10];

(3)功率需求可參考國(guó)外探測(cè)器,不小于400 W;

(4)能夠承受木星周圍的輻射環(huán)境[11]。

2.1 電源系統(tǒng)方案設(shè)想

木星探測(cè)器可以采用的電源方案包括太陽(yáng)能電源、同位素電池、核反應(yīng)堆電源3種形式。由于反應(yīng)堆電源的空間應(yīng)用目前還在研發(fā)階段,尚不具備應(yīng)用條件,以下從技術(shù)基礎(chǔ)、研制難度、應(yīng)用環(huán)境、資源代價(jià)、研制風(fēng)險(xiǎn)和在軌壽命等方面比較了太陽(yáng)能電源和同位素電源兩個(gè)方案,如表2所示。

綜合考慮我國(guó)目前的技術(shù)水平和工程實(shí)施周期,我國(guó)的首顆木星探測(cè)器建議采用太陽(yáng)能電源作為木星探測(cè)電源方案的優(yōu)選,同位素電池作為備選方案。太陽(yáng)電池配合蓄電池、電源控制器技術(shù)基礎(chǔ)較好,在地球軌道、月球探測(cè)和火星探測(cè)中均有應(yīng)用,能夠?qū)崿F(xiàn)2025—2030年發(fā)射的任務(wù)規(guī)劃。在具體的設(shè)計(jì)中還要綜合考慮空間飛行軌道和環(huán)境、環(huán)繞探測(cè)的軌道和環(huán)境以及任務(wù)的功率需求等因素,各項(xiàng)設(shè)計(jì)約束與電源系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)作用以及設(shè)計(jì)思路如圖4所示。

表2 木星探測(cè)器電源方案比較Table 2 Comparison of energy design of Jupiter and Jovian system orbiting probe

結(jié)合任務(wù)的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析,初步設(shè)計(jì)如下:

太陽(yáng)電池選用三結(jié)砷化鎵電池,木星軌道的太陽(yáng)光強(qiáng)最差條件為46 W/m2,在木星軌道環(huán)繞運(yùn)行2年末期輸出不小于400 W,面積不小于60 m2;探測(cè)器最長(zhǎng)陰影期10.5 h,配置200 Ah蓄電池組;太陽(yáng)電池輸出功率通過(guò)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)(MPPT)進(jìn)行調(diào)節(jié),采取混合布陣的方式,確保太陽(yáng)電池的輸出。太陽(yáng)電池陣的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)為對(duì)電池片進(jìn)行專門(mén)的設(shè)計(jì),措施包括采用專門(mén)的低溫低光強(qiáng)電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗輻照表面封裝材料設(shè)計(jì)和太陽(yáng)電池陣的防靜電設(shè)計(jì)。

對(duì)于此任務(wù)而言,飛行的范圍涵蓋了從金星到木星的距離范圍,全飛行過(guò)程的太陽(yáng)電池發(fā)電能力變化很大,木星軌道附近的太陽(yáng)電池的輸出電壓約為地球軌道的152%,而輸出的功率金星軌道約為地球軌道的2倍,木星軌道僅為地球軌道的3.4%?？紤]到電源控制設(shè)備的質(zhì)量與控制功率有一定的線性關(guān)系,采取與朱諾號(hào)探測(cè)器類似的混合布陣的方式,可以一定程度上減小電源控制設(shè)備的負(fù)載壓力,起到減重的目的。在不同的空間距離和飛行階段,啟用不同的太陽(yáng)電池電路,保持電源系統(tǒng)輸出的可用功率始終保持在400 W以上。采用太陽(yáng)翼-蓄電池組的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)拓?fù)浼軜?gòu)和電池陣的參考啟用距離如圖5所示[12]。

圖5 我國(guó)木星探測(cè)器電源系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭DFig.5 Jupiter probe power system functional block diagram

經(jīng)過(guò)6～7年的空間飛行,抵達(dá)木星軌道之后,在太陽(yáng)電池采用了一定的防護(hù)措施下,發(fā)電功率的衰減依然高于正常情況,根據(jù)朱諾號(hào)探測(cè)器的在軌實(shí)際,木星軌道太陽(yáng)電池第一年的衰減達(dá)到了25%。按照本任務(wù)的設(shè)計(jì),飛行全過(guò)程的電源系統(tǒng)功率的輸出能力如圖6所示,設(shè)計(jì)后的輸出仿真如圖7所示,可以看到,在木星環(huán)繞探測(cè)1年后輸出功率約為400 W,能夠滿足載荷功率需求;探測(cè)4年后約為200 W,仍然能夠維持整星基本功能。

圖6 木星探測(cè)器太陽(yáng)電池總輸出能力仿真Fig.6 Total capability of Solar Arrays’power generation during the interplanetary trajectory

圖7 木星探測(cè)器太陽(yáng)電池設(shè)計(jì)輸出能力仿真Fig.7 Design capability of Solar Arrays’power generation during the interplanetary trajectory

2.2 設(shè)計(jì)方案特點(diǎn)分析

從對(duì)木星探測(cè)器的設(shè)計(jì)分析和方案設(shè)想中可以看出,太陽(yáng)電池-蓄電池的電源體制的設(shè)計(jì)原則和方法和地球軌道的衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)有很多相似之處,但木星任務(wù)[9-10]和環(huán)境的特殊性[11]帶來(lái)這種傳統(tǒng)電源體制的一些技術(shù)方面的適應(yīng)性改進(jìn),具體包括:

1)低溫低光照太陽(yáng)電池

從地球到木星,探測(cè)器會(huì)經(jīng)歷劇烈的太陽(yáng)光照環(huán)境變化,相比于地球環(huán)境,木星軌道的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度都遠(yuǎn)低于地球軌道。以太陽(yáng)電池作為主要的能量來(lái)源,需要掌握太陽(yáng)電池在低溫低光照條件下的性能特征。一方面太陽(yáng)電池的輸出特性使得低溫條件下,太陽(yáng)電池的電壓會(huì)提升52%;另一方面,低光照條件下太陽(yáng)電池的輸出能力的下降差異顯著,需要有針對(duì)性地進(jìn)行低溫低光強(qiáng)(LILT)篩選。

2)寬域電源控制器

圖6展示了在飛行過(guò)程中電源系統(tǒng)太陽(yáng)翼的輸出能力最高達(dá)到了32 000 W,將電源的實(shí)際輸出控制在400～2000 W之間,并且能夠承受飛行過(guò)程中太陽(yáng)電池電壓52%的提升,本文給出的分陣式設(shè)計(jì)是一種代價(jià)較小,控制簡(jiǎn)單的方法,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠、自主運(yùn)行的寬域電源控制設(shè)備將是木星探測(cè)電源系統(tǒng)的核心。

3)太陽(yáng)電池輻照防護(hù)

在木星軌道環(huán)繞過(guò)程中,探測(cè)器需要經(jīng)歷惡劣的木星磁場(chǎng)環(huán)境,經(jīng)過(guò)計(jì)算,木星環(huán)繞探測(cè)極軌在軌運(yùn)行1年所受到的能量粒子總通量與地球GEO軌道最惡劣情況在軌15年的總通量接近[12],太陽(yáng)電池作為星外的設(shè)備,需要重點(diǎn)進(jìn)行防護(hù),具體的防護(hù)措施可以參考以下幾個(gè)方面:①在太陽(yáng)電池陣質(zhì)量允許的情況下,選用較厚的玻璃蓋片;②在太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)中,采用外形尺寸略大的玻璃蓋片對(duì)電池片進(jìn)行防護(hù),兩側(cè)裸露的間隙用膠粘劑填縫覆蓋;③太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該結(jié)合玻璃蓋片選型,預(yù)估太陽(yáng)電池的損傷總劑量,并在設(shè)計(jì)時(shí)留充足余量,作為計(jì)算太陽(yáng)電池陣末期輸出功率的依據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)木星環(huán)繞探測(cè)任務(wù)的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,從任務(wù)目標(biāo)、軌道空間等多方面進(jìn)行了電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析,并對(duì)國(guó)外木星探測(cè)器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了調(diào)查研究。在對(duì)比了同位素電源方案和太陽(yáng)電池-蓄電池電源方案之后,提出以太陽(yáng)電池-蓄電池方案作為我國(guó)木星探測(cè)器電源系統(tǒng)的優(yōu)選方案具有較高的可行性,并給出了以太陽(yáng)電池為能量來(lái)源的初步方案設(shè)想,可為我國(guó)木星探測(cè)和其他深空探測(cè)任務(wù)的論證與規(guī)劃提供參考。

電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與總體設(shè)計(jì)聯(lián)系緊密,從地球到木星的飛行過(guò)程以及在木星及木星系環(huán)繞探測(cè)的軌道選擇都會(huì)對(duì)電源系統(tǒng)的方案產(chǎn)生影響,并且目前的方案設(shè)計(jì)還沒(méi)有考慮探測(cè)器的載荷工作模式,因此也無(wú)法估算蓄電池組的規(guī)模。此外,是否攜帶木星大氣的再入探測(cè)器或者木星衛(wèi)星的著陸探測(cè)器,都會(huì)帶來(lái)復(fù)雜多器電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難題。隨著木星環(huán)繞探測(cè)任務(wù)深化論證的展開(kāi),目前的方案仍有待于進(jìn)一步的分析和優(yōu)化。