創(chuàng)新攻關(guān)26年 摘取空間電源耀眼明珠

在世界航天技術(shù)飛速發(fā)展的歷程中，我國(guó)航天人經(jīng)過(guò)幾代人的努力已經(jīng)站在世界前列，特別是近二十六年來(lái)，我國(guó)的載人航天工程更是取得了數(shù)次歷史性的突破，至今已經(jīng)完成了十多次成功飛行，先后將11名宇航員送入太空，中華民族的飛天夢(mèng)在我們手中實(shí)現(xiàn)。載人航天工程是我國(guó)迄今為止技術(shù)難度最大，工程最龐大、管理最復(fù)雜的航天工程，是幾代數(shù)十萬(wàn)科技工作人員辛勞奮斗的結(jié)晶。在這載人航天工程研制波瀾壯闊的二十六年中，研制人員憑著堅(jiān)強(qiáng)的信念，跨越艱難，攻克了一個(gè)個(gè)技術(shù)難關(guān)，創(chuàng)造出一個(gè)個(gè)奇跡，承擔(dān)飛船電源分系統(tǒng)研制任務(wù)的航天科技集團(tuán)八院811所正是其中一個(gè)典型的縮影。

載人飛船系統(tǒng)是工程的核心，關(guān)系工程的成敗和進(jìn)度，電源分系統(tǒng)更是飛船系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵之一。對(duì)飛船來(lái)說(shuō)，電源分系統(tǒng)如同人體的心臟和血液一般重要，需要為其源源不斷地提供電能，它的工作穩(wěn)定與否直接關(guān)系到航天器所有設(shè)備的運(yùn)行，也是航天員最重要生命保障。811所自1992年起開始承擔(dān)神舟飛船電源分系統(tǒng)的論證任務(wù)，在二十六年的研制過(guò)程中，電源分系統(tǒng)三代設(shè)計(jì)人員突破重重險(xiǎn)阻，以全部的心血為神舟一號(hào)至十一號(hào)飛船、天宮一號(hào)和天宮二號(hào)目標(biāo)飛行器以及天舟一號(hào)飛船鑄就了持續(xù)健康穩(wěn)定的電能，從而確保了每一次飛行任務(wù)的成功。

二十六年漫漫征程路，摘取空間電源最耀眼的明珠

811所自1992年起開始承擔(dān)神舟飛船電源分系統(tǒng)的論證任務(wù)。飛船電源分系統(tǒng)需要采用多種電源同時(shí)向三個(gè)艙段供電，工作模式多，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)最為復(fù)雜、龐大的電源系統(tǒng)。系統(tǒng)研制起步時(shí)僅有6人，其中4人還是剛畢業(yè)的大學(xué)生。憑著“人生能有幾回搏”的豪氣和從事載人航天事業(yè)的光榮感，電源分系統(tǒng)于1994年4月在飛船各系統(tǒng)中首批通過(guò)方案評(píng)審，并成為飛船第一個(gè)轉(zhuǎn)入初樣研制的分系統(tǒng)。

1997年11月，為了盡快使載人飛船升空，工程領(lǐng)導(dǎo)決定用初樣電性船改造為試驗(yàn)飛船，進(jìn)行“飛船返回技術(shù)試驗(yàn)”和“參試系統(tǒng)試驗(yàn)”從而實(shí)現(xiàn)“上得去”“回得來(lái)”的目標(biāo)。為此，工程領(lǐng)導(dǎo)專程到上海進(jìn)行調(diào)研，正是電源分系統(tǒng)和推進(jìn)分系統(tǒng)堅(jiān)定有力的回答，為工程領(lǐng)導(dǎo)決策試驗(yàn)飛船提供了關(guān)鍵性的支持。隨著神舟二號(hào)、三號(hào)和四號(hào)飛船的上天，電源分系統(tǒng)攻克了主電源與留軌電源并網(wǎng)、發(fā)射窗口擴(kuò)大等關(guān)鍵性技術(shù)，為神舟五號(hào)載人飛船的發(fā)射奠定了最堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2003年10月15日，神舟五號(hào)在酒泉發(fā)射升空，太陽(yáng)帆板展開的那一刻，電源人十多年的夢(mèng)想終在此刻實(shí)現(xiàn)。接下來(lái)的四年里，神舟六號(hào)和七號(hào)的發(fā)射成功標(biāo)志著電源分系統(tǒng)在不同類型的電源并網(wǎng)，擴(kuò)大發(fā)射窗口，故障模擬仿真，可靠性安全性設(shè)計(jì)等領(lǐng)域達(dá)到了國(guó)內(nèi)空間電源領(lǐng)域的最高水平。

2007年隨著載人航天工程二期任務(wù)的全面開展，電源分系統(tǒng)進(jìn)行了專業(yè)整合，811所迎來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)。在總裝、集團(tuán)和八院的大力支持下，電源分系統(tǒng)歷經(jīng)近10年的拼搏，終于攻克了神舟八號(hào)三機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)和天宮一號(hào)低軌高壓電源系統(tǒng)技術(shù)兩項(xiàng)技術(shù)難題，而其中天宮一號(hào)的低軌高壓電源系統(tǒng)技術(shù)更是一個(gè)世界性的工程難題，它的攻克標(biāo)志著中國(guó)成為繼美國(guó)之后第二個(gè)掌握該項(xiàng)技術(shù)的國(guó)家。

2016年10月，作為擁有當(dāng)今組成最復(fù)雜、電源種類最多的型號(hào)，神舟十一號(hào)載人飛船電源分系統(tǒng)攻克難點(diǎn)，使得神舟十一號(hào)的太陽(yáng)電池翼在元器件上達(dá)到了90%以上國(guó)產(chǎn)化，成為了目前國(guó)內(nèi)所有衛(wèi)星型號(hào)中國(guó)產(chǎn)化最徹底的型號(hào)。

2017年4月，隨著天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船與天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室順利完成自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，載人航天工程進(jìn)入第三階段。電源分系統(tǒng)首次使用低軌高壓鋰電，中國(guó)載人航天電源在經(jīng)歷了鎘鎳電池時(shí)代、氫鎳電池時(shí)代，正式邁向“鋰電時(shí)代”

過(guò)去的二十六年是電源分系統(tǒng)的自主創(chuàng)新、勇攀高峰的二十六年。從載人飛船的論證開始到飛船每一艘的改進(jìn)和創(chuàng)新，從天宮一號(hào)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)再到當(dāng)前開展的如火如荼的空間站關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，電源分系統(tǒng)每一次都在引領(lǐng)空間電源技術(shù)的進(jìn)步。從不同種類的電源并網(wǎng)技術(shù)到低軌高壓電源系統(tǒng)技術(shù)再到長(zhǎng)壽命可維修的空間站電源系統(tǒng)技術(shù)，電源分系統(tǒng)經(jīng)歷了載人航天工程一期、二期和三期三次技術(shù)革新。其中神舟一號(hào)鎘鎳蓄電池組、天宮一號(hào)的低軌高壓電源系統(tǒng)技術(shù)、神舟八號(hào)的多機(jī)組電源并網(wǎng)技術(shù)和天舟一號(hào)的鋰電技術(shù)則更是凝聚著二十六年來(lái)電源分系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員無(wú)數(shù)個(gè)夜以繼日的奮戰(zhàn)成果，是我國(guó)空間電源技術(shù)最璀璨的幾顆明珠。

神舟一號(hào)鎘鎳電池組：填補(bǔ)國(guó)內(nèi)大容量貯能電源的空白

1992年，811所研制的鎘鎳電池只有四種規(guī)格，其中只有12Ah的電源經(jīng)過(guò)飛行試驗(yàn)考驗(yàn)，其余規(guī)格均處于研制階段。而即使在國(guó)外，實(shí)際應(yīng)用的航天鎘鎳電池最大容量也未超過(guò)50Ah。1994年5月方案確定，電池容量需提升到65Ah，這意味著需要研制一種新規(guī)格的鎘鎳電池，填補(bǔ)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)大容量貯能電源的空白。經(jīng)過(guò)深入分析討論，為滿足要求，811所將研制方針確定為：瞄準(zhǔn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平制定設(shè)計(jì)方案，力爭(zhēng)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際一流，而不僅僅是在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上作簡(jiǎn)單放大。

但當(dāng)時(shí)的811所，軟硬件薄弱、廠區(qū)狹小局促，生產(chǎn)場(chǎng)地?fù)頂D簡(jiǎn)陋。在這樣的情況下，研制一個(gè)全新規(guī)格、兼具國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際一流的大容量鎘鎳電池談何容易。鎘鎳電池極片制造的混粉、軋制、燒結(jié)的工作場(chǎng)地，冬天北風(fēng)不斷地往里灌，穿著棉大衣還覺(jué)著冷;夏天低矮狹小的空間充斥著控制在一千度左右的燒結(jié)爐和制氫爐散發(fā)的熱浪，進(jìn)去一會(huì)兒就汗流浹背?；钚晕镔|(zhì)浸漬也在臨時(shí)搭建的棚屋里進(jìn)行，雨天水嘩嘩地漏，冬天更是陰冷難忍，場(chǎng)景不亞于居里夫人煉鐳的情狀。

模樣階段開始的時(shí)候，沒(méi)有足夠的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，國(guó)外靠濕法拉漿出來(lái)的薄極片我們用干法能不能制造出來(lái)？大電流深充放電性能到底行不行？充電倍率的增加到底對(duì)壽命有多大的影響？選擇哪幾條充電終壓溫度補(bǔ)償曲線，才能保證飛船高可靠高功率的用電需求？要解決這些問(wèn)題，沒(méi)有現(xiàn)成答案，只有靠制定多套設(shè)計(jì)方案和工藝路線，然后大量反復(fù)地試驗(yàn)，不斷地修改完善。每種配比、每個(gè)參數(shù)往往要經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，不斷調(diào)整，獲得穩(wěn)定結(jié)果才能最終確定，研制人員常常是加班到晚上十一、二點(diǎn)。那時(shí)到底進(jìn)行了多少次試驗(yàn)，失敗了幾次，實(shí)在是難以統(tǒng)計(jì)。初樣階段更是遇到了交付產(chǎn)品的極片制造與遷址獨(dú)立建所整體搬遷的沖突，即使在這樣的困難條件下，大家齊心協(xié)力，繼續(xù)奮戰(zhàn)，最終電池產(chǎn)品完美地通過(guò)鑒定考核，技術(shù)性能全面超越任務(wù)要求，圓滿完成了神舟一號(hào)飛行試驗(yàn)。

天宮一號(hào)電源分系統(tǒng)：國(guó)內(nèi)首個(gè)、國(guó)際先進(jìn)的低軌高壓母線電源分系統(tǒng)

電源系統(tǒng)被稱為航天器的心臟，在天宮一號(hào)之前，這顆“心臟”的動(dòng)力并不算強(qiáng)大，神舟六號(hào)上的航天員為了節(jié)省電能，在天上吃的是冷飯冷菜。為了給航天員提供一個(gè)舒適的工作生活環(huán)境，必須在天宮一號(hào)的供電模式上實(shí)現(xiàn)重大突破。

面對(duì)這個(gè)在當(dāng)時(shí)我國(guó)功率最大，壽命最長(zhǎng)的飛行器，電源分系統(tǒng)面臨著一個(gè)前所未有的挑戰(zhàn)。為了適應(yīng)這一需求，電源分系統(tǒng)經(jīng)充分論證認(rèn)為必須要解決高壓母線體制、低軌高倍率循環(huán)次數(shù)氫鎳蓄電池組、半剛性太陽(yáng)基板、大面積三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池片、低軌太陽(yáng)電池翼高壓防護(hù)、高壓充放電控制設(shè)備等技術(shù)難點(diǎn)。而這些技術(shù)難點(diǎn)不僅僅是對(duì)電源分系統(tǒng)，對(duì)全國(guó)來(lái)說(shuō)都是全新的課題，國(guó)內(nèi)沒(méi)有任何相關(guān)的研制基礎(chǔ)。記得那是在2003年的冬季，天宮一號(hào)低軌高壓電源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)正式通過(guò)立項(xiàng)評(píng)審，通過(guò)前些年一些調(diào)研及準(zhǔn)備工作，我們認(rèn)為低軌高壓電源系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵材料是可以通過(guò)國(guó)際市場(chǎng)購(gòu)買或借鑒的?？烧l(shuí)知僅僅過(guò)了一個(gè)春節(jié)，一個(gè)又一個(gè)的問(wèn)題便接踵而至。首先是俄羅斯的技術(shù)合作項(xiàng)目出現(xiàn)了中斷，接著是日本將半剛性太陽(yáng)帆板的關(guān)鍵材料、美國(guó)將氫鎳蓄電池的關(guān)鍵材料、歐洲將高壓元器件相繼對(duì)我國(guó)實(shí)施了出口封鎖。此時(shí)怎么辦？是期待形勢(shì)好轉(zhuǎn)還是自己搞？五年時(shí)間電源分系統(tǒng)這個(gè)關(guān)攻得下來(lái)嗎？

國(guó)外的技術(shù)封鎖是航天人面臨必修課，這只能更加激勵(lì)811所通過(guò)自主創(chuàng)新來(lái)完成攻關(guān)任務(wù)。在短短的五年中，除系統(tǒng)內(nèi)單位外，電源分系統(tǒng)還牽頭電子科技集團(tuán)、兵器集團(tuán)、中科院、上海交大、東華大學(xué)等國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域最優(yōu)秀的50多家單位，開展了100多項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)。攻關(guān)項(xiàng)目涵蓋電子、機(jī)械、化學(xué)、材料等多個(gè)領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)艱苦攻關(guān)，終于研制出了比國(guó)外還要好的玻璃纖維網(wǎng)、離子交換膜、固體潤(rùn)滑劑、高壓繼電器等近百項(xiàng)新材料、新器件、新技術(shù)。

首次交會(huì)對(duì)接任務(wù)的完成，標(biāo)志著我國(guó)繼美國(guó)之后，成為第二個(gè)掌握低軌高壓電源系統(tǒng)核心技術(shù)的國(guó)家，天宮一號(hào)低軌高壓電源系統(tǒng)技術(shù)更是交會(huì)對(duì)接任務(wù)中四項(xiàng)具有國(guó)際先進(jìn)水平的技術(shù)之一。

神舟八號(hào)電源分系統(tǒng)：八個(gè)月完成兩年半的技術(shù)顛覆性改變

2009年6月，神舟八號(hào)飛船電源分系統(tǒng)已完成了初樣研制任務(wù)，各單機(jī)產(chǎn)品的鑒定試驗(yàn)已經(jīng)完成，可這時(shí)北京總體卻發(fā)現(xiàn)了原有總體方案的風(fēng)險(xiǎn)。為了解決這一風(fēng)險(xiǎn)，總體要求我們將供電能力設(shè)計(jì)值提升40%。不要小看這40%，這對(duì)電源分系統(tǒng)來(lái)說(shuō)卻是近乎顛覆性的改變。系統(tǒng)總體要重新構(gòu)架，單機(jī)產(chǎn)品要重新設(shè)計(jì)，測(cè)試設(shè)備也要重新研制。按照之前走過(guò)的初樣正常程序至少需要兩年半時(shí)間，但總體要求電源分系統(tǒng)于2010年3月交付正樣產(chǎn)品，即短短的八個(gè)月后。怎么辦？是接受還是拒絕？一周之內(nèi)，總體在等待著電源分系統(tǒng)的回答，總裝備部領(lǐng)導(dǎo)也在等待著電源分系統(tǒng)的表態(tài)。

那是一次緊急的決策會(huì)，會(huì)議從中午12點(diǎn)開到了第二天凌晨5點(diǎn)，房間里煙霧騰騰，每個(gè)人都在思考：在這么大的技術(shù)狀態(tài)變化情況下，需要完成電性、鑒定和正樣三個(gè)批次產(chǎn)品研制，再加上測(cè)試設(shè)備的研制，八個(gè)月的時(shí)間能行嗎？如果電源分系統(tǒng)說(shuō)不行，那么就意味著總體要承擔(dān)影響我國(guó)于2011年進(jìn)行首次交會(huì)對(duì)接任務(wù)的責(zé)任。這個(gè)千斤重?fù)?dān)，電源分系統(tǒng)扛還是不扛？回憶當(dāng)時(shí)的會(huì)議情景，參與其中的每一個(gè)電源人至今仍能深深的體會(huì)到做決定時(shí)那種壓力和煎熬。

為了總體方案的可行和不突破最后的節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)對(duì)技術(shù)的充分評(píng)估和對(duì)進(jìn)度的反復(fù)測(cè)算，電源分系統(tǒng)最后決定：拼了命也要干成！于是，項(xiàng)目管理人員按時(shí)間節(jié)點(diǎn)倒排計(jì)劃，計(jì)劃安排精確到了小時(shí)。當(dāng)拿到計(jì)劃表時(shí)，有的設(shè)計(jì)人員不禁感嘆道：這簡(jiǎn)直不是給人排的任務(wù)！在811全所一盤棋的協(xié)調(diào)指揮下，電源分系統(tǒng)集中了所內(nèi)最優(yōu)秀的各類資源，全所專家參與論證把關(guān)，在這攻堅(jiān)的八個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，除了過(guò)春節(jié)休息兩天，所有設(shè)計(jì)師都吃住在所里，每天工作14個(gè)小時(shí)以上。為了進(jìn)一步壓縮時(shí)間，把原本串行的電性和鑒定產(chǎn)品研制優(yōu)化為一定程度的并行研制，同時(shí)安排生產(chǎn)工人生產(chǎn)24小時(shí)三班倒……就這樣，八個(gè)月后電源分系統(tǒng)終于攻堅(jiān)克難，正樣產(chǎn)品提前十幾天交付總體，811所用實(shí)際行動(dòng)履行了自己的諾言。

天舟一號(hào)電源分系統(tǒng)：中國(guó)空間電源邁向“鋰電時(shí)代”

中國(guó)載人航天電源先后經(jīng)歷了鎘鎳電池時(shí)代、氫鎳電池時(shí)代。神舟七號(hào)伴隨衛(wèi)星曾開創(chuàng)載人航天首次使用鋰電的歷史，但在低軌高壓大容量鋰電領(lǐng)域，擁有2700W功率的天舟一號(hào)是中國(guó)航天史上的第一次。

據(jù)中國(guó)載人航天工程貨運(yùn)飛船系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師陳啟忠介紹，首次使用低軌高壓鋰電，也是為日后空間站打基礎(chǔ)。但作為我國(guó)在軌飛行最大的載人航天器，這個(gè)首次，讓811所的研制人員嘗盡了攻關(guān)中的酸甜苦辣。

因?yàn)椴捎昧巳碌牡蛙壐邏捍笕萘夸囯?，其充電方式和控制策略相?duì)以往的氫鎳電池均發(fā)生了根本性變化。天舟一號(hào)電源分系統(tǒng)擁有66個(gè)電池單體，電路較以往型號(hào)復(fù)雜許多，電路板面積有限，高密度的排布，在設(shè)計(jì)人員模擬電路設(shè)計(jì)時(shí)容易出現(xiàn)電磁兼容問(wèn)題。從型號(hào)初樣到正樣，1臺(tái)單機(jī)30次試驗(yàn)，電源分系統(tǒng)55臺(tái)單機(jī)，幾百次的試驗(yàn)，811所的研制人員通過(guò)一步步改進(jìn)、一步步驗(yàn)證，硬是將這塊硬骨頭給啃了下來(lái)。

型號(hào)發(fā)射成功是光榮的，光榮的背后是你所想不到的堅(jiān)韌地付出。參與天舟一號(hào)電源分系統(tǒng)的研制人員都是身兼多個(gè)型號(hào)，他們承擔(dān)了天宮二號(hào)、天舟一號(hào)和天舟二號(hào)的研制工作，三個(gè)飛行器的工作時(shí)常交叉。2016年，當(dāng)神舟十一號(hào)與天宮二號(hào)交會(huì)成功交會(huì)對(duì)接后，811所的試驗(yàn)隊(duì)員立馬趕往了北京的飛行控制中心，所有人員輪流24小時(shí)值班，實(shí)時(shí)關(guān)注航天器用電數(shù)據(jù)。從進(jìn)發(fā)射基地到完成飛控，整整四個(gè)半月。然而在這四個(gè)半月中，連北京飛控的人手都不夠，天舟一號(hào)面臨出廠、天舟二號(hào)還在生產(chǎn)中，每個(gè)型號(hào)都不能停。沒(méi)辦法，部門只能實(shí)施北京和上海兩地聯(lián)動(dòng)，將負(fù)責(zé)空間站和神舟飛船的每個(gè)人都發(fā)動(dòng)起來(lái)，才算渡過(guò)了難關(guān)。從2015年忙著天宮二號(hào)出廠、進(jìn)廠和飛控，到天舟一號(hào)出廠、進(jìn)場(chǎng)，再到天舟一號(hào)發(fā)射和飛控，1年中9個(gè)月的連軸出差，巨大的工作量、高強(qiáng)度的工作，電源分系統(tǒng)這一支團(tuán)隊(duì)扛下來(lái)了。

星空無(wú)限，探索無(wú)盡。載人航天事業(yè)二十六年的輝煌已為我們打開了眺望未來(lái)的窗口，太空深處，中國(guó)空間站的坐標(biāo)更加清晰。由于空間站要求功率大、壽命長(zhǎng)，而且在軌運(yùn)行時(shí)各艙體的帆板光照條件變化、遮擋情況變化復(fù)雜，對(duì)空間站電源系統(tǒng)總體架構(gòu)、艙段間能量調(diào)配、組合體運(yùn)行應(yīng)對(duì)各種故障的能力提出了較高的需求，811所電源分系統(tǒng)也將繼續(xù)以迎難而上、百折不回的態(tài)度，精益求精、勇挑重?fù)?dān)的行動(dòng)，顧全大局、無(wú)私奉獻(xiàn)的責(zé)任及志存高遠(yuǎn)、舍我其誰(shuí)的豪氣，向著目標(biāo)與夢(mèng)想邁進(jìn)自己每一步堅(jiān)實(shí)的腳步。