新一代載人飛船試驗船能源管理功能研制特點

鐘丹華，唐 筱，舒 斌，張思義

(上海空間電源研究所，上海200245)

1 引言

新一代載人飛船試驗船(簡稱試驗船)能源管理功能(電源系統(tǒng))作為試驗船的核心平臺系統(tǒng)之一，需要為試驗船在待發(fā)段、發(fā)射段、飛行段、返回和著陸段等各個飛行階段安全、可靠地提供所需連續(xù)、間斷和瞬時的電能，以保障整船飛行任務(wù)的順利實施。

根據(jù)試驗船總體的規(guī)劃，能源管理功能的研制始于2016年，為滿足低成本、快速研制，且可靠、安全地支撐試驗船再入控制、再入熱防護(hù)、回收著陸等關(guān)鍵技術(shù)項目驗證的需求，在研制過程中充分借鑒了神舟載人飛船電源系統(tǒng)的技術(shù)特點，在總體方案設(shè)計上具有更高的可靠性和安全性，更強(qiáng)的故障冗余能力。設(shè)計在主電源上實現(xiàn)了多機(jī)組冗余備份，并具有獨(dú)立的備份電源再對主電源進(jìn)行多重冗余備份；在部分子功能項(單機(jī)產(chǎn)品)的研制和地面測試中，引入了較先進(jìn)的設(shè)計和試驗方法，解決了技術(shù)難題，并起到了簡化流程、降本增效的作用。

本文介紹能源管理功能總體方案技術(shù)特點，并對部分子功能項產(chǎn)品的研制特點，特別是部分使用了平均光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到34%的三結(jié)砷化鎵太陽電池電路的飛行驗證情況進(jìn)行研究和總結(jié)。

2 總體方案技術(shù)特點

能源管理功能具有高可靠性、高安全性的總體方案技術(shù)特點。由主電源、應(yīng)急電源、返回著陸電源、火工品電源和輔助電源5種電源組成。其中，主電源和應(yīng)急電源安裝于服務(wù)艙，返回著陸電源、返回艙火工品電源和輔助電源安裝于返回艙。

主電源采用儲能蓄電池組-光伏電源系統(tǒng)設(shè)計方案，為全調(diào)節(jié)母線，母線電壓調(diào)節(jié)范圍為27.8～30.6 V，與應(yīng)急電源、輔助電源的并網(wǎng)工作域為27.8～30 V。主電源艙內(nèi)控制設(shè)備和儲能蓄電池組分為3個完全獨(dú)立的機(jī)組，3個機(jī)組分別向服務(wù)艙供電管理器提供3條獨(dú)立的供電母線，在服務(wù)艙供電管理器內(nèi)并網(wǎng)后形成一條供電主母線，對整船負(fù)載供電，設(shè)計壽命不低于1年。

應(yīng)急電源由2臺鋅銀電池組并聯(lián)輸出組成，在主電源發(fā)生故障時自動接入與主電源并網(wǎng)供電或獨(dú)立供電，通過獨(dú)立的火工品母線為服務(wù)艙火工品供電。

返回著陸電源為1臺鋅銀電池組，提供飛船在返回艙分離后的用電；返回艙火工品電源由2組鋅銀電池組組成，通過獨(dú)立的火工品母線為返回艙火工品供電。

輔助電源由8臺鋅銀電池組組成，每2臺電池組并聯(lián)輸出，在整船出現(xiàn)長期峰值功率或主電源部分機(jī)組失效乃至完全失效時，與主電源并網(wǎng)供電或獨(dú)立供電，滿足全任務(wù)供電需求；與返回著陸電源并網(wǎng)供電或獨(dú)立供電，滿足飛船在返回艙分離后的用電。

其中，應(yīng)急電源、返回著陸電源、返回艙火工品電源濕荷電態(tài)壽命不小于10個月，輔助電源濕荷電態(tài)壽命不小于6個月，滿足試驗船不小于7 d任務(wù)時間指標(biāo)要求。

為滿足總體對電源系統(tǒng)提出的高可靠性、高安全性的設(shè)計要求，通過在方案頂層開展故障模式與影響分析(Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA)和故障樹分析(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)，在分系統(tǒng)設(shè)計上實現(xiàn)了“滿足發(fā)生一重故障時，能源管理功能可以連續(xù)工作，保障試驗船飛行任務(wù)的連續(xù)性；發(fā)生二重故障時，不會出現(xiàn)供電功能失效，仍然可以保障試驗船飛行任務(wù)的連續(xù)性”的設(shè)計目標(biāo)，消除了分系統(tǒng)級單點故障環(huán)節(jié)。

2.1 主電源故障容限設(shè)計

主電源由3個完全獨(dú)立的機(jī)組組成，提供整船額定負(fù)載(P)供電能力。具有三機(jī)組并聯(lián)工作模式、雙機(jī)組并聯(lián)工作模式以及單機(jī)組獨(dú)立工作模式，可在單個機(jī)組故障模式或2個機(jī)組故障模式下穩(wěn)定提供1/2P或1/3P供電能力，配合整船制定的低功耗飛行策略，可以長期穩(wěn)定地運(yùn)行，如圖1所示。

圖1 主電源太陽電池翼故障模式工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of m ain power solar cell w ing failure workingmode

主電源具有應(yīng)對單個太陽電池翼未展開/不發(fā)電的能力。在單翼未展開故障模式下，切換成已展開太陽電池翼＋1個半機(jī)組并聯(lián)工作模式，穩(wěn)定提供1/2P供電能力，配合整船制定的低功耗飛行策略，可以長期穩(wěn)定地運(yùn)行，如圖2所示。

圖2 主電源機(jī)組故障模式工作示意圖Fig.2 Schem atic diagram of main power unit failure working m ode

主電源具備母線電壓跌落到標(biāo)稱電壓V以下ΔV時(可設(shè)定)或主電源儲能蓄電池組放電深度超過70%時，自動觸發(fā)接通應(yīng)急電源＋1組輔助電源并網(wǎng)供電的能力。

上述分系統(tǒng)級故障容限設(shè)計保證了主電源自身在局部故障下，仍然可以穩(wěn)定連續(xù)工作。

2.2 輔助電源故障容限設(shè)計

輔助電源供電輸出分為4個獨(dú)立的功率單元，功率單元之間互相隔離，根據(jù)供電需求可以任意接入或退出供電母線。每個功率單元由2臺輔助電源并聯(lián)輸出，均可以提供整船額定負(fù)載(P)供電能力，如圖3所示。輔助電源的并網(wǎng)一般采取輪流接入的方式，前一組使用完畢前，再依次接入下一組。

圖3 輔助電源并網(wǎng)工作示意圖Fig.3 Schem atic diagram of parallel auxiliary power supply

輔助電源作為主電源和返回著陸電源的備用電源，具有表1所列舉的并網(wǎng)供電或獨(dú)立供電工作模式。輔助電源的多樣化并網(wǎng)供電工作模式，保證了主電源、返回著陸電源在局部故障乃至完全失效的多重故障下，不會出現(xiàn)供電功能失效，仍然可以保障試驗船飛行任務(wù)的連續(xù)性。

表1 輔助電源并網(wǎng)工作模式Table 1 Parallel working mode of auxiliary power supp ly

3 部分子功能研制特點

3.1 太陽電池翼

試驗船為大直徑艙體，為滿足火箭整流罩包絡(luò)要求，太陽電池翼收攏安裝在服務(wù)艙凹壁空間內(nèi)。該安裝方式導(dǎo)致常用的太陽電池翼地面展開吊掛裝置在安裝、收攏過程中與艙體上端面干涉而無法實施，而傳統(tǒng)的氣浮裝置無法在凹艙壁內(nèi)與艙體對接。為滿足試驗船太陽電池翼在艙體上展開、收攏和壓緊安裝的需要，對單翼展開面積超過12 m的剛性太陽電池翼引入了氣浮平臺＋可拆卸延長板的氣浮展開方案，如圖4與圖5所示。

圖4 太陽電池翼氣浮展開方案示意圖Fig.4 Deployment scheme of solar cell w ing in gas floating p latform

圖5 太陽電池翼氣浮展開試驗圖Fig.5 Deployment test of solar cellw ing in gas floating p latform

氣浮平臺采用天然花崗巖平臺和人造花崗巖框架組合制造工藝，為便于運(yùn)輸與安裝，由3塊平臺拼接組成，每塊平臺的重量為5 t，總面積7.5 m×2.4 m，組裝完成后整體平面度優(yōu)于0.1 mm。太陽電池翼每塊基板上均設(shè)置有2個氣墊組件接口，通過氣墊組件支撐在氣浮平臺上。由專用調(diào)壓配氣設(shè)備對氣墊組件通壓縮氣體，在氣墊組件與氣浮平臺間形成薄層氣膜后可以浮起太陽電池翼，實現(xiàn)低摩擦阻力移動。氣浮展開方案的摩擦阻力小于傳統(tǒng)吊掛展開方案，更能反映太陽電池翼在空間失重環(huán)境下的展開鎖定過程，多次展開的實測時間范圍集中在13～17 s之間，離散度小，優(yōu)于吊掛展開時16～27 s的時間范圍。

3.2 太陽電池電路

試驗船太陽電池翼在右太陽電池翼的中外板上各使用了一路平均光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到34%的正裝三結(jié)砷化鎵太陽電池電路，為國內(nèi)在軌實施功能應(yīng)用的最高光電轉(zhuǎn)換效率的三結(jié)砷化鎵太陽電池電路。該路太陽電池電路作為主電源其中一個機(jī)組儲能蓄電池的涓流充電電路，在太陽光0°入射角時的工作點電流約為1.5 A。在充電主回路充滿斷開后，可以繼續(xù)給儲能蓄電池提供涓流浮充電流。在可靠性安全性設(shè)計上，高效率太陽電池電路作為儲能蓄電池的涓流充電電路，既可以驗證該項目在軌應(yīng)用的功能和性能，又與主充電回路進(jìn)行了隔離，即使失效也不對能源管理功能產(chǎn)生影響。

高效率太陽電池片單片尺寸為60.5 mm×40.0 mm，面積為23.95 cm，如圖6所示。按照GJB 7392-2011《空間用三結(jié)砷化鎵太陽電池通用規(guī)范》制定技術(shù)條件，抽樣電池片分為5組，均通過了鑒定試驗的考核，包括溫度沖擊試驗、帶電粒子輻照試驗、反向偏置試驗、穩(wěn)態(tài)濕熱試驗，以及蓋片增益、太陽吸收率、半球向輻射率、曲率和耐彎曲試驗項目。主要試驗結(jié)果如下:

圖6 34%效率三結(jié)砷化鎵太陽電池片F(xiàn)ig.6 34%conversion efficiency triple junction GaAs solar cell of

1)經(jīng)過溫度沖擊后最大輸出功率衰降0.71%，滿足不大于2%的指標(biāo)要求；

2)經(jīng)過等效1 MeV、3×10e/cm帶電粒子輻照后工作電流平均衰降1.55%，滿足不大于3%的指標(biāo)要求；

3)經(jīng)過恒壓反向偏置試驗后工作電流平均衰降0.35%、反向偏置交變試驗后工作電流平均衰降0.12%，滿足不大于2.5%的指標(biāo)要求；

4)經(jīng)過穩(wěn)態(tài)濕熱考核后工作電流平均衰降0.86%，滿足不大于2.5%的指標(biāo)要求。

高效率太陽電池電路的發(fā)電能力評定以地面標(biāo)準(zhǔn)測試條件作為判定標(biāo)準(zhǔn)，因受在軌遙測精度的限制，在軌遙測數(shù)據(jù)作為輔助判斷。在裝機(jī)太陽電池片交付總裝前，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下(太陽光譜AM0，太陽光強(qiáng)度1353W/m，溫度25℃)，對其進(jìn)行了電性能測試，主要測試數(shù)據(jù)分布情況如下，平均值詳見表2。

表2 34%效率三結(jié)砷化鎵太陽電池測試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of 34%conversion efficiency triple junction GaAs solar cell

工作點電壓≥2200 mV的電池片占裝機(jī)電池片比例為100%；工作點電流≥482.4 mA的電池片占裝機(jī)電池片比例為100%。

裝機(jī)電池片光電轉(zhuǎn)換效率測試值在33.5%～34.5%之間，平均光電轉(zhuǎn)換效率為34.1%。

在軌飛行全過程中，高效率太陽電池作為涓流充電電路均工作正常，充電電流穩(wěn)定，太陽光25°入射角的工作點電流遙測值在1.2～1.6 A之間，符合指標(biāo)要求。折算為0°入射角的工作點電流遙測值在0.44～0.58 A/并之間，符合地面測試數(shù)據(jù)分布范圍，達(dá)到了飛行試驗?zāi)康摹Ｔ陲w行任務(wù)末期，一個典型光照區(qū)的絹流充電電流遙測數(shù)據(jù)如圖7所示，圖例中“-”號表示充電狀態(tài)。

圖7 涓流充電電路遙測數(shù)據(jù)Fig.7 Remote sensing data of trickle charging circuit

4 地面測試技術(shù)特點

4.1 電子電源替代鋅銀電池測試

鋅銀電池組具有較好的放電穩(wěn)定性、較低的自放電率和較高的可靠性安全性，在加液激活后的壽命期內(nèi)免于再次維護(hù)，是作為輔助電源、應(yīng)急電源等備份電源的較優(yōu)選擇。但作為一次性激活電池，其缺點是壽命有限，不能多次充放電循環(huán)使用。傳統(tǒng)型號研制中，需投產(chǎn)一套或數(shù)套與正樣件接口特性、功率特性完全一致的電測工藝件，長期參加分系統(tǒng)聯(lián)試和整船測試，正樣產(chǎn)品在發(fā)射前再加液激活。電測工藝件與正樣產(chǎn)品一樣，也存在著壽命有限的缺點，且成本高。

在試驗船方案階段，能源管理功能與總體開展共同設(shè)計，策劃全流程使用通用電子電源替代鋅銀電池用于分系統(tǒng)聯(lián)試和整船測試。電子電源一次性采購到位后可以長期使用，并可配套給多艘船使用，不受電池壽命約束，但要替代真電池需要滿足以下設(shè)計條件:電壓-電流工作特性與真電池一致；供電輸出接口與真電池匹配。

鋅銀電池單體電壓工作范圍一般為1.35～1.6 V，放電平臺可以長期穩(wěn)定在1.50 V附近，電子電源的穩(wěn)壓供電模式可以模擬鋅銀電池平穩(wěn)的放電工作特性。根據(jù)模擬的放電工作段的需要，初期可設(shè)定電子電源電壓為單體電壓1.5 V×單體數(shù)量，末期可逐漸降低電子電源電壓設(shè)定值，至單體截止放電電壓1.35 V×單體數(shù)量，具有程控功能的電子電源可以更容易地模擬該漸變過程。為實現(xiàn)供電輸出接口與真電池匹配，需要與配電系統(tǒng)開展聯(lián)合設(shè)計。通過在艙內(nèi)電纜網(wǎng)連接轉(zhuǎn)接電纜，將電池端接口引出到艙外電子電源端，以保證艙內(nèi)功率通路的一致性和測試覆蓋性。

使用電子電源替代鋅銀電池參加長期分系統(tǒng)聯(lián)試和整船測試，除減少投產(chǎn)電測工藝件的成本外，測試過程還可以配合測試需求，靈活多變地開展各種電壓、電流極限拉偏測試。

4.2 異地遠(yuǎn)程協(xié)同測試

試驗船的總裝總測地點位于北京，能源管理功能研制單位位于上海。在試驗船方案階段，能源管理功能與總體開展共同設(shè)計，推進(jìn)并實施了異地遠(yuǎn)程協(xié)同測試方案。

由中國空間技術(shù)研究院的綜合測試中心完成日常測試上下行指令發(fā)送、數(shù)據(jù)解析工作，經(jīng)北京-上海的專用光纖網(wǎng)絡(luò)，由上?？臻g電源研究所的分布式測試節(jié)點在本地完成數(shù)據(jù)監(jiān)視判讀、音視頻調(diào)度和工作總結(jié)等。

經(jīng)實踐摸索，除整船集中開展的大型專項試驗(如整船力學(xué)試驗、整船熱學(xué)試驗)協(xié)同和組織較復(fù)雜，還需到現(xiàn)場集中測試外，日常測試均可以通過異地遠(yuǎn)程協(xié)同測試的方式開展。整船綜合測試期間，累計成功開展了5個多月的遠(yuǎn)程協(xié)同測試，起到了降本增效的作用。

5 結(jié)論

新一代載人飛船試驗船能源管理功能的成功研制，充分保障了試驗船飛行任務(wù)的順利實施。在研制過程中采用了高可靠性和高安全性系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)、高光電轉(zhuǎn)換效率太陽電池電路工程應(yīng)用技術(shù)、艙壁內(nèi)嵌大型剛性太陽電池翼安裝和展開技術(shù)、異地遠(yuǎn)程測試技術(shù)等，實現(xiàn)了航天器電源系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)的一定技術(shù)突破。