商業(yè)航天電源系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和展望

許薇 鄢婉娟 黃洪昌

（1 中電科藍天科技股份有限公司 2 航天東方紅衛(wèi)星有限公司）

自國務院發(fā)布《2016 中國的航天》白皮書以后，我國商業(yè)航天領域開始呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢，以商業(yè)遙感衛(wèi)星星座、商業(yè)微小SAR 衛(wèi)星星座、低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星、商業(yè)運載火箭等為代表的商業(yè)航天各領域迅速發(fā)展，推動我國航天產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)新的發(fā)展態(tài)勢。在航天技術進步的驅動下，商業(yè)航天規(guī)模化生產(chǎn)成為可能，發(fā)展商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)，提升航天技術水平，對支撐我國成為航天強國具有重要意義。商業(yè)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)代航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展的時代所需，引領了一種全新的衛(wèi)星研制生產(chǎn)和運營模式：①衛(wèi)星研制周期短；②多星組網(wǎng)運行，快速部署，需求量大；③成本可控。電源系統(tǒng)是航天器的主要系統(tǒng)之一，為航天器的工作提供能量，是航天器的“心臟”，隨著商業(yè)衛(wèi)星有效載荷能力不斷提升，電源分系統(tǒng)技術發(fā)展和生產(chǎn)更要適應新模式[1-3]。

1 商業(yè)衛(wèi)星電源發(fā)展現(xiàn)狀

第一代電源系統(tǒng)

最初商業(yè)衛(wèi)星主要以立方星為主，屬于微小衛(wèi)星，因此，電源系統(tǒng)拓撲也是以微小衛(wèi)星的電源系統(tǒng)為技術基線，包含了太陽電池陣、蓄電池組和電源控制器（模塊/板）等電源單機產(chǎn)品。我國從21 世紀初就開始了微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)的研制，二十年來的技術積累和皮納衛(wèi)星研制經(jīng)驗為第一代商業(yè)衛(wèi)星電源系統(tǒng)提供了相對成熟可靠的系列產(chǎn)品和技術，這也為商業(yè)衛(wèi)星得以快速發(fā)展提供了良好的技術基礎。

第一代商業(yè)衛(wèi)星電源系統(tǒng)仍然是太陽電池陣和蓄電池組的拓撲結構，大部分為不調節(jié)母線，其中太陽電池翼多為體裝式或單板展開的形式，基板主要為碳纖維鋁蜂窩基板、鋁合金基板和PCB 板等，面積在1m2以內，表面貼裝剛性太陽電池片；蓄電池一般為18650 鋰離子電池或者小容量鋰離子電池組成的蓄電池組；電源控制器功能相對中高功率衛(wèi)星相對簡單，一般是一塊電源控制板。

電源系統(tǒng)的現(xiàn)狀

基于微小衛(wèi)星規(guī)模小、研制周期短等特點，微小衛(wèi)星一直是航天技術發(fā)展最快的一個分支，是航天產(chǎn)品智能化和集成化技術驗證的先行者，這也是對商業(yè)衛(wèi)星電源系統(tǒng)最有利的促進因素。

近年來，商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量和單次發(fā)射體量日益增長，衛(wèi)星有效載荷也越來越大，已經(jīng)接近甚至超過傳統(tǒng)航天領域的小衛(wèi)星，例如，立方體衛(wèi)星已經(jīng)從體裝式帆板，發(fā)展為多折展開式太陽翼或卷軸式太陽翼，平均功率已近上千瓦，而很多商業(yè)衛(wèi)星的平臺輸出功率最高可達到數(shù)千瓦，因此蓄電池組和電源控制器的能力需要同步增長，電源控制器也從一塊單板升級到了以傳統(tǒng)衛(wèi)星電源控制器為基礎改進的功率調節(jié)與配電一體化的輕量化電源調控器。

商業(yè)航天的產(chǎn)業(yè)化方向更注重其在國民經(jīng)濟中的社會價值和經(jīng)濟效益，追求實用性和高效性，因此低成本高可靠一直是其重要特點和優(yōu)勢所在，同時也是商業(yè)航天所追求的目標和發(fā)展方向。隨著商業(yè)衛(wèi)星的應用領域越來越廣泛，商業(yè)航天作為航天產(chǎn)業(yè)社會化大發(fā)展的一種基本形態(tài)，經(jīng)濟屬性、市場屬性、資本屬性也日益突出，并逐漸由單一產(chǎn)業(yè)豐富為多產(chǎn)業(yè)構建的引領性產(chǎn)業(yè)綜合體，深度融入社會經(jīng)濟發(fā)展大系統(tǒng)。因此，作為商業(yè)航天的重要分系統(tǒng)，電源系統(tǒng)產(chǎn)品需要改變傳統(tǒng)航天研制模式，從技術創(chuàng)新、產(chǎn)品設計、生產(chǎn)測試、物料供給等方面都要開展全新研制和生產(chǎn)模式。

電源系統(tǒng)面臨的問題

商業(yè)衛(wèi)星對電源系統(tǒng)設計的靈活性、高效性和產(chǎn)品一致性提出了嚴格的要求。從產(chǎn)品技術發(fā)展來看，要實現(xiàn)高效、輕質、低成本目的，提高功率密度；從產(chǎn)品設計架構來看，單機產(chǎn)品從整機設計逐步趨于標準模塊化、可插拔、可擴展的架構設計，逐步從定制產(chǎn)品的生產(chǎn)模式向批量化貨架產(chǎn)品生產(chǎn)轉變。

（1）產(chǎn)品的技術創(chuàng)新性不夠

國內在軌的商業(yè)衛(wèi)星電源系統(tǒng)以及單機產(chǎn)品目前主要以航天技術中成熟、高可靠技術為基礎，針對各用戶的任務需求，對現(xiàn)有技術逐步開展技術適應性改造和創(chuàng)新。

（2）產(chǎn)品的集成度不高

電源系統(tǒng)由單機組成，整體的體積和重量都較大，面對當前商業(yè)衛(wèi)星電源平臺的小型、輕量和高能量密度的需求，還需要進行系統(tǒng)集成技術的研究和攻關，這也是產(chǎn)品技術創(chuàng)新不夠的表現(xiàn)。

（3）產(chǎn)品的批產(chǎn)能力不夠

商業(yè)衛(wèi)星為了實現(xiàn)更高的經(jīng)濟效益和社會效益，都是以星座的形式出現(xiàn)，因此需要兼顧實用性與時效性，實現(xiàn)快速部署。而目前國內的衛(wèi)星電源系統(tǒng)供應商大多是以傳統(tǒng)航天電源單位為主，生產(chǎn)模式正在逐步從定制化向標準化、模塊化轉變，但是與市場需求的快速增長仍然存在差距。

（4）產(chǎn)品的成本較高

由于產(chǎn)品的生產(chǎn)體系還不夠健全和完善，還沒有建成完整的標準化、模塊化研制和生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)鏈，因此，產(chǎn)品的成本相對于市場的期望目標還存在較大差距，電源系統(tǒng)成本約占整星成本的10%～15%，也是制約衛(wèi)星成本的重要因素。

因此，商業(yè)衛(wèi)星電源系統(tǒng)要以用戶需求為導向，發(fā)展公用平臺技術，建立組批生產(chǎn)與測試機制，提升商業(yè)衛(wèi)星的組網(wǎng)速度和質量。

2 商業(yè)衛(wèi)星電源的發(fā)展趨勢

根據(jù)商業(yè)航天市場低成本、高性價比、快速部署的顯著特點，電源系統(tǒng)單機產(chǎn)品的生產(chǎn)模式要打破原有思想，重新打造一條適合商業(yè)衛(wèi)星市場的產(chǎn)業(yè)化道路，需從以下方面開展工作。

優(yōu)化電源系統(tǒng)架構設計

高度集成化設計是公認提高能量密度和減重最有效的途徑，因此將一體化設計應用于電源系統(tǒng)或者是電源單機產(chǎn)品上，可以徹底打破大衛(wèi)星電源輕小型化的模式，實現(xiàn)“輕裝上陣”。

（1）太陽翼集成化和柔性化

開展太陽電池陣和太陽翼結構的一體化集成設計，實現(xiàn)太陽翼整機綜合性能提升。推進太陽翼柔性輕量化、高收納設計，實現(xiàn)太陽翼面密度和體積比功率大幅度提升，同時柔性基板的制造成本較剛性基板大幅降低。

（2）智能化蓄電池包

為節(jié)省整星資源，提升蓄電池組的能量密度，蓄電池組朝著多功能集成方向發(fā)展，形成智能蓄電池包。開展緊湊型單機智能化設計，蓄電池包可實現(xiàn)自主充放電管理、自主均衡管理和自主加熱功能管理等功能。

（3）能源控制器

開展新型能源控制器拓撲研究，通過供配電系統(tǒng)一體化設計，有利于電功率的集中處理和傳輸，減少供電、配電兩個環(huán)節(jié)之間的功率損失，提高功率密度。以現(xiàn)有的公用衛(wèi)星平臺為基礎，完善不同功率等級衛(wèi)星的電源調控器型譜，適應不同規(guī)模商業(yè)衛(wèi)星的供電需求，實現(xiàn)快速組裝和批量制造。

（4）產(chǎn)品設計規(guī)范化

對于低成本小衛(wèi)星供配電系統(tǒng)，以“標準化、貨架式”產(chǎn)品開發(fā)為指導思想，對產(chǎn)品的電氣接口、機械接口、信息接口等進行系統(tǒng)規(guī)劃，完善專用產(chǎn)品保證體系和設計規(guī)范，加速實現(xiàn)快速組裝、快速更換和快速批量構建的目標。針對同一平臺的供配電設備，規(guī)定標準的供電接口（即統(tǒng)一母線電壓、輸出路數(shù)、接插件型號等設計），實現(xiàn)整機或單模塊的插拔式替換。

降低單機產(chǎn)品的生產(chǎn)成本

當前國內商業(yè)衛(wèi)星關鍵核心部件依然依托體制內的研究院所，暫且沒有實現(xiàn)全商業(yè)化的研制模式及供應鏈條，且體制內星上產(chǎn)品的整體成本定價高，并不符合商業(yè)衛(wèi)星低成本的采購需求，因此減低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本是必然之舉。

（1）適當應用商業(yè)現(xiàn)貨（COTS）器件

通過地面篩選、抗輻照加固和有效冗余設計，引入先進COTS 器件或成熟工藝的汽車級或工業(yè)級高性能集成芯片，經(jīng)過地面篩選和環(huán)境試驗摸底，逐步推進低成本器件在軌驗證和應用。通過制定COTS器件篩選機制和商業(yè)衛(wèi)星COTS 優(yōu)選目錄，首選有飛行經(jīng)驗和質保的COTS 器件，降低研制成本。

但是COTS 器件也有它的特點，需要在選用的時候加以慎重考慮。一是生命周期短。COTS 的性能升級符合“摩爾定律”，現(xiàn)在選擇的一款新產(chǎn)品，兩年后就可能會停產(chǎn)，所以對于研制周期較長的衛(wèi)星，需要對器件做好充分的鑒定試驗和驗證后，要充分調研產(chǎn)品的后續(xù)規(guī)劃，或者做好戰(zhàn)略儲備，但是會相應提高儲存成本，因此要綜合各項因素開展選型。二是批次間一致性。宇航級元器件需要經(jīng)過專業(yè)鑒定，鑒定的本質，是對技術狀態(tài)變化的管理，COTS 器件沒有這樣的管理程序，從上市到成熟期，會不斷改進技術和工藝，以降低成本、提升良品率，但這些改進的細節(jié)并不會公開，也不會通知到每個用戶，這些改變對商業(yè)用戶無害，但對航天用戶的影響有時是致命的。三是禁限用工藝。宇航用元器件為了適應太空環(huán)境，對元器件選用有一系列的禁限用工藝，比如為了避免在真空環(huán)境下生長出“錫須”，太空環(huán)境下“純錫”鍍層是被禁止使用的，必須在鍍層合金中摻入5%左右的鉛。但目前絕大多數(shù)COTS 器件的表面鍍層，都采用了環(huán)保的“無鉛工藝”，在太空工作中會引入短路風險[4]。

（2）建設批量化產(chǎn)線

美國太空探索技術公司（SpaceX）的衛(wèi)星工廠具備設計、生產(chǎn)、集成、測試的全流程能力，目前國內商業(yè)衛(wèi)星的大部分研制單位尚不具備這樣的能力，這也是研制成本高的一個主要原因。商業(yè)衛(wèi)星均為星座，需要標準化產(chǎn)品和規(guī)?；纳a(chǎn)能力，傳統(tǒng)衛(wèi)星的單機大部分還是定制模式，電源系統(tǒng)也一樣，因此要想降低成本，需要通過規(guī)?；a(chǎn)來降低研制單位的制造成本，那么將生產(chǎn)過程自動化或者部分工序自動化是必然發(fā)展趨勢，既能夠解決成本問題，又能夠解決產(chǎn)能問題。目前，已經(jīng)有研制單位正在建設面對商業(yè)航天的電源單機產(chǎn)品自動化產(chǎn)線，充分借鑒民品行業(yè)成熟的制造技術，結合航天產(chǎn)品的特有屬性，正在建設和已經(jīng)建設完成了太陽電池陣制造的自動化生產(chǎn)、組裝線，鋰離子蓄電池智能生產(chǎn)線、蓄電池組PACK 產(chǎn)線、元器件自動焊接產(chǎn)線等，未來能夠滿足商業(yè)航天領域年產(chǎn)百套電源系統(tǒng)的能力。

（3）批量產(chǎn)品自動化集成測試

具備批量生產(chǎn)能力后，自然就需要自動化集成測試來滿足研制需求。對于商業(yè)衛(wèi)星星座，批量產(chǎn)品測試與總裝是總體設計的重要方面。產(chǎn)品接口標準化是自動化測試與集成的基礎，也是實現(xiàn)快速組裝的必要條件。對于電源系統(tǒng)，需要在自動化產(chǎn)線實現(xiàn)自動檢測，開發(fā)通用自動化測試系統(tǒng)實現(xiàn)電源單機以及系統(tǒng)測試，減少人為測試失誤；同時，自動化測試系統(tǒng)需要設計標準的供電接口、供電測試流程和測試平臺，確保供電安全。

3 結束語

因為商業(yè)衛(wèi)星的經(jīng)營模式是產(chǎn)業(yè)化運作模式，所以各分系統(tǒng)的產(chǎn)品也需要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和運行，才能夠跟隨商業(yè)航天發(fā)展的步伐。未來的商業(yè)衛(wèi)星電源系統(tǒng)和單機產(chǎn)品必然是加速推進產(chǎn)品的型譜化和標準化設計，形成貨架產(chǎn)品；大膽嘗試先進技術的應用，提升商業(yè)衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設計活力。