月球科研站基本型能源系統(tǒng)方案設計與關鍵技術研究

張 明，唐程雄，杜 紅，彭 兢，馬力君，鄭 莎，黃秀軍，徐紅艷

(1.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；2.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384；3.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094；4.山東航天電子技術研究院，山東煙臺 264670)

我國探月工程四期的總目標是在2030 年前后研制建設月球科研站基本型，為國際月球科研站選址和初步建設提供支撐[1-4]。探月工程四期由嫦娥七號、嫦娥八號組成，兩次任務共同建成月球科研站基本型。月球科研站基本型在科學應用方面，將深化對極區(qū)環(huán)境資源的認識，驗證資源利用技術；在產品模塊研制方面，形成地月往返運輸、月面操作、月面低空飛躍、月球中繼等通用模塊。嫦娥八號任務作為探月工程四期的最后一次任務，主要開展月球資源開發(fā)利用和技術試驗驗證。

月球科研站基本型由月球軌道器和月面探測器共同構成，承擔了關鍵技術先期驗證的任務要求，月球科研站正式建設所必須的關鍵技術，應盡可能在基本型任務中得到應用和在軌驗證，為月球科研站奠定堅實的技術基礎。

月球科研站的建立，首先需要解決月面長期能源供給問題，而嫦娥七號任務目前仍采用常規(guī)的“太陽電池+蓄電池”電源系統(tǒng)配置，來為探測器在月晝期間工作提供電能，通過Pu238同位素核熱源為過月夜提供生存保溫熱量，無法實現(xiàn)月夜工作。目前全球面臨Pu238同位素短缺困難，且其價格極其昂貴，我國自研與生產能力距離任務需求尚有較大差距。當前我國近場無線傳能樣機已經實現(xiàn)了空間在軌驗證；遠場無線傳能樣機已在無人機等航空領域研制了多款樣機，并進行了試飛；空間燃料電池在天舟五號上已經完成了搭載驗證。國外方面，美國、日本、印度、俄羅斯等國家，也開展月球能源系統(tǒng)研究，特別是美國依托“阿爾忒彌斯”計劃，對能源系統(tǒng)技術發(fā)展進行了規(guī)劃，將于2027 年完成“垂直太陽電池陣技術”、“可再生燃料電池技術”、“月面無線輸電技術”等在軌驗證，2030 年前完成“月面裂變電源技術驗證”。

本文將基于國內外月球科研站能源技術實際進展，結合嫦娥八號任務目標和任務定位，開展能源系統(tǒng)方案論證，對能源系統(tǒng)任務需求、功能性能、工作原理和工作模式進行分析，提出了三種月球科研站基本型能源系統(tǒng)方案，并開展了方案比對，對關鍵技術的技術途徑進行初步探討，對后續(xù)工作給出了具體建議。

1 能源系統(tǒng)任務需求分析

1.1 月球科研站基本型工程任務目標

探月工程四期任務以突破月球科研站建設的一系列關鍵技術為目的，掌握科研站建設和資源應用基本能力，推動對月球科學研究的進一步深化，為進一步的深空探測科學研究和航天活動奠定堅實基礎，帶動相關產業(yè)發(fā)展并促進科學技術進步。

作為探月工程四期最后一次任務，嫦娥八號任務將研制出可搭載更多載荷的著陸器，形成月面科研站運送模塊，并著陸在嫦娥七號任務著陸區(qū)附近，與嫦娥七號任務探測器共同構建月面通信網絡，形成月球科研站基本型。嫦娥八號任務工程目標包括：

(1)突破月面大承載著陸、多器協(xié)同作業(yè)、月面通信組網、智能化綜合指揮控制中樞等關鍵技術，研制著陸器等月面功能模塊，建立月球科研站基本型。

(2)開展月面多器聯(lián)合探測、科學實驗和技術試驗，初步形成長期科學探測與實驗、原位資源利用、科研站長期自主運行等綜合能力。

(3)初步構建月球科研站工程體系，為建設國際月球科研站等月面基礎設施，開展更大規(guī)模的月球探測與開發(fā)利用活動奠定基礎。

1.2 月球科研站基本型組成

月球科研站基本型由嫦娥七號與八號的月面軌道器及其探測器組成，形成測月、巡天、觀地和月面基礎科學試驗等長期研究能力。月面軌道器包括嫦娥七、八號軌道器及中繼星，具備測月、巡天與觀地功能；月面探測器包括嫦娥七號著陸器、巡視器、飛躍器與嫦娥八號著陸器、巡視器、飛躍器以及作業(yè)機器人等其他月面探測機器人，月球科研站基本型中的月面探測器將與月面軌道器共同構建月面通信網絡，同時開展多器聯(lián)合探測，進行月面基礎科學實驗與月球資源原位開發(fā)與利用等，構建智能化綜合指揮控制中樞，部分月面探測器之間將進行器間能源交互，實現(xiàn)月面能源統(tǒng)一規(guī)劃利用，構建月面能源互聯(lián)網基本型。

圖1 為月球科研站基本型設想圖。

圖1 月球科研站基本型設想圖

1.3 能源系統(tǒng)任務需求分析

月球科研站基本型位于月球南極地區(qū)，該地區(qū)的光照具有太陽高度角低、受地形地貌影響大的特點，對于月球極區(qū)的永久陰影區(qū)(如撞擊坑底部)，陽光永遠無法照射，其內溫度極低，對于海拔較高的區(qū)域，由于可以得到長時間的光照，溫度相對較高。此外，由于月球南極區(qū)存在為期半年的極晝與極夜現(xiàn)象，因此能源系統(tǒng)在滿足探測器復雜極區(qū)環(huán)境下探測長期能源供給的任務需求同時要為月面探測器度過月夜提供能源保障甚至滿足月夜工作等任務要求。

月球科研站基本型能源系統(tǒng)以嫦娥七號和嫦娥八號能源系統(tǒng)為基礎，功率規(guī)模覆蓋百瓦級的巡視器、飛躍器、作業(yè)機器人等以及千瓦級的著陸器。目前嫦娥七號仍采用傳統(tǒng)“太陽電池+蓄電池”的能源系統(tǒng)配置，為提升能源系統(tǒng)局部任務能力，奠定未來月球科研站能源系統(tǒng)基礎，結合嫦娥八號任務工程目標，需進行部分成熟度較高的電源技術在軌先期驗證，例如熱電一體能源綜合利用技術、空間燃料電池技術與無線傳能技術等。

2 能源系統(tǒng)方案設計

2.1 國內外技術研究進展

2.1.1 遠場激光無線傳能技術

激光無線能量傳輸以激光作為能量傳輸載體，可以實現(xiàn)中遠距離下的無線電能傳輸，自20 世紀70年代起，以空間太陽能電站應用為目標，國際上廣泛開展了激光無線能量傳輸技術研究。隨著相關技術的進步和效率的提升，國內外激光無線能量傳輸技術發(fā)展迅速，尤其是歐美日等發(fā)達國家和地區(qū)，將激光傳能作為未來驅動新興產業(yè)的重要技術。目前，激光無線能量傳輸研究已經擴展到諸多應用領域，主要包括空間航天器無線能量傳輸以及地面無人飛行器的無線供電等代表性應用[5-8]。

(1)國外研究進展

國外方面，在地面遠距離激光無線傳能實驗中，美國、日本、德國、以色列以及瑞典等均開展大量的嘗試和探索工作，為該領域進行了大量的技術儲備。在月球開發(fā)與探測領域，美國NASA 和日本航天局近年來就月面激光無線傳能系統(tǒng)做了大量的論證和設計工作。

2019 年，日本航天局提出一種應用于2023 年月球極地陰影區(qū)探測的激光無線傳能巡視車方案，該巡視車能夠實現(xiàn)0.5～1 km 距離下供電20 W 激光無線能量傳輸。

圖2 為日本宇航局提出的月球探測激光無線傳能巡視車方案。

圖2 日本宇航局提出的月球探測激光無線傳能巡視車方案

2020 年，NASA 格倫研究中心提出了用于月球極區(qū)探測的激光輸能概念設計方案(圖3)，發(fā)射激光功率250 W，傳輸距離50 m，激光接收端采用激光和太陽光輻照復用的方式，通過激光接收陣轉換出100 W 的電力。

圖3 美國NASA月球車激光無線傳能系統(tǒng)方案示意圖

2022 年4 月，NASA 格倫研究中心和太空技術任務部公布了阿爾忒彌斯月球基地建設規(guī)劃，在2030年的月球南極前哨戰(zhàn)的基塊電源技術規(guī)劃中，將激光無線能量傳輸技術作為其中一種重要的電力傳輸方式，主要用于月面移動設備和探測器的供能。

(2)國內研究進展

相比于國外，國內激光無線能量傳輸?shù)难芯科鸩较鄬^晚，開展相關研究工作的單位主要有山東航天電子技術研究所、中國電子科技集團公司第十八研究所、上?？臻g電源研究所、軍科院新能源所、武漢大學、北京理工大學等，但目前關于激光傳能的研究主要基于地面驗證或無人機應用等，在空間應用領域的研究相對較少。

山東航天電子技術研究所作為國內較早研究激光無線能量傳輸?shù)膯挝唬?014 年開展了飛艇間激光傳能試驗，傳輸距離100 m，傳輸電功率28.08 W。此外其在2018 年和2019 年繼續(xù)開展相應試驗，在2021年設計了一套航天器間激光傳能系統(tǒng)，激光功率1 kW，空間傳輸距離50 km。

2014 年，北京理工大學研制了激光波長為793 nm、發(fā)射功率為24 W 的激光無線傳能系統(tǒng)，并進行了距離100 m 的激光無線傳能實驗，整體電-電效率為11.6%。

2022 年，軍事科學院能源系統(tǒng)研究所團隊開展了地面遠距離激光無線傳能實驗，具體傳輸功率未披露。

(3)空間應用發(fā)展趨勢分析

總體來看，目前在空間應用領域，特別是月球極地陰影區(qū)探測方面，激光無線能量傳輸具有極大的應用潛力，提升激光無線能量傳輸?shù)膫鬏敼β?、傳輸效率、整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)的體積是未來應用于月球探測中重點需要解決的問題，未來面向空間應用的激光無線能量傳輸技術，將重點圍繞可靠性激光器技術研究、小型化APT 控制技術研究、多光束激光無線能量傳輸技術研究等方面展開。

2.1.2 近場無線傳能技術

近場無線能量傳輸技術因其具有電氣隔離、方便安全、環(huán)境適應性強和易維護等優(yōu)點，能很好地解決有線電能傳輸中遇到的問題，成為時下研究的熱點，目前該技術已經被廣泛應用于電動汽車、植入式醫(yī)療設備、工業(yè)機器人、水下用電設備等場合[9-12]。在航天領域，無線能量傳輸技術還屬于一項較為前沿技術，將為可靠、安全、高效的空間能源互聯(lián)提供一種全新的設計思路及技術途徑。

(1)國外研究進展

國外方面，在航天應用領域，美歐及日本等國家和地區(qū)進行了大量研究與實驗。2007 年，美國洛克馬丁空間系統(tǒng)公司研制一種面向航天器在軌服務的近場無線能量傳輸系統(tǒng)，初步驗證了航天器間進行近場無線電能傳輸?shù)目尚行浴Ｔ撓到y(tǒng)最大傳輸功率300 W，在原副邊線圈距離9 cm 時效率達到最高，約為90%；原副邊線圈距離為30 cm 和1.3 m 時，效率分別為70%和10%。

圖4 為美國洛克馬丁公司研制的近場無線電能傳輸系統(tǒng)。

圖4 美國洛克馬丁公司研制的近場無線電能傳輸系統(tǒng)

2013 年，麻省理工大學開展了磁感應近場能量傳輸系統(tǒng)(RINGS)演示試驗，該裝置于2013 年8 月被發(fā)射到國際空間站(ISS)，RINGS 利用兩個或者多個航天器上線圈電流產生的力矩實現(xiàn)無推進劑電磁編隊飛行控制。RINGS 在國際空間站(ISS)艙內成功演示了無線電能傳輸試驗，在傳能距離為0.5 m 的條件下，兩個航天器之間的傳輸功率達到28 W，效率為24%。

圖5 為RINGS 在國際空間站(ISS)無線電能傳輸試驗。

圖5 RINGS在國際空間站(ISS)無線電能傳輸試驗

2022 年6 月，美國NASA Glenn Research Center(GRC)協(xié)同Astrobotic 公司在賓夕法尼亞州成功開展月面著陸器對月球車CuberRover 無線充電試驗，試驗過程模擬了月面的極端溫度、惡劣粉塵環(huán)境等條件，系統(tǒng)功率達到400 W，總效率達到80%～85%。

圖6 為美國Astrobotic 公司研制的月球車無線充電樣機。

圖6 美國Astrobotic公司研制的月球車無線充電樣機

此外，NASA 分別在2012 年、2015 年以及2020年發(fā)布的技術路線圖(NASA Technology Roadmaps)中針對無線能量傳輸技術(wireless power transmission)進行了規(guī)劃，以未來地外天體探測、在軌服務、子母航天器等復雜航天任務為牽引，對無線能量傳輸技術開展能力差距評估、關鍵技術評估、應用潛力分析，并制定了詳細的技術路線。

(2)國內研究進展

國內對于航天領域無線能量傳輸應用研究更多處于原理驗證階段，北京空間飛行器總體設計部、山東煙臺航天電子技術研究所、中國電子科技集團公司第十八研究所、上?？臻g電源研究所等在空間應用領域進行了一定的研究與實驗，其中上?？臻g電源研究所完成了應用于我國首顆太陽探測科學技術試驗衛(wèi)星“羲和”號的無線產品研制，實現(xiàn)了衛(wèi)星的載荷艙和平臺艙的物理隔離，系統(tǒng)傳輸效率達到80%以上，目前搭載該模塊的衛(wèi)星已在軌正常運行。

(3)空間應用發(fā)展趨勢分析

總體來看，盡管在空間應用領域近場無線能量傳輸應用較少，但由于近場無線能量傳輸具有高效率、大功率能量傳輸以及環(huán)境適應性強的特點，能有效解決空間航天器間無人能源交互能源安全性的問題，同時極大提升航天器的綜合能力。結合未來空間領域的應用場景，近場能量傳輸技術將重點圍繞無人近場無線能源交互系統(tǒng)設計研究、強抗偏移無線能量傳輸技術研究、空間環(huán)境下高可靠性和安全性研究以及輕質高效能量傳輸技術研究等方面展開。

2.1.3 空間燃料電池技術

燃料電池可以不經過卡諾循環(huán)，直接將化學能轉換為電能，相比于傳統(tǒng)發(fā)電裝置具有更高的效率，其比能量可高達300～1 000 Wh/kg，在航天航空和太空探索中具有極大的應用潛力[13-16]。20 世紀60 年代，燃料電池在航空航天領域中得到應用，并因此得到廣泛研究及快速發(fā)展。

(1)國外研究進展

在國外，美國已先后研制出利用可再生燃料電池發(fā)電的電解水制氧系統(tǒng)、廢水回收利用系統(tǒng)及二氧化碳回收處理系統(tǒng)，并分步投入空間站測試使用，實現(xiàn)了空間站水及二氧化碳的處理率超過85%。NASA設計、制造了使用太陽電池-可再生燃料電池的“太陽神”(Helios)高空長航時無人機，并在1998—2003年進行了飛行試驗，以驗證可再生燃料電池系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性，全系統(tǒng)比能量為400 Wh/kg，能量轉換效率為50%。此外在美國阿爾忒彌斯計劃中，明確再生燃料電池系統(tǒng)在月球基地及月面有效載荷設備中的應用，主要體現(xiàn)在可持續(xù)發(fā)電、生命保障及原位資源利用活動三個方面。

圖7 為美國阿爾忒彌斯計劃中再生燃料電池應用。

圖7 美國阿爾忒彌斯計劃中再生燃料電池應用

日本宇航探索局JAXA 確定了再生燃料電池在航天任務中的應用，JAXA 確定了木星及行星探測任務的儲能系統(tǒng)。2019 年3 月，JAXA 和豐田共同宣布，將聯(lián)手打造可載人的月球車。采用太陽能帆板+燃料電池作為能源系統(tǒng)，計劃2029 年發(fā)射。該燃料電池車計劃續(xù)航里程達到1.6 萬公里，將實現(xiàn)月面長距離活動和探測(圖8)。

圖8 JAXA燃料電池月球車

此外，俄羅斯、德國、以色列等國家均針對燃料電池在空間應用開展相關研究，可見可再生燃料電池系統(tǒng)研究將在未來太空探索中起到重要的作用。

(2)國內研究進展

為了配合我國航空航天技術的發(fā)展，我國有多家科研單位在再生燃料電池領域從事相關研究開發(fā)工作。在空間燃料電池及再生燃料電池研究開發(fā)方面，主要研究單位有北京衛(wèi)星制造廠有限公司、上?？臻g電源研究所及北京航天動力研究所等。

針對宇航應用上海空間電源研究所研制了再生燃料電池原理樣機并開展了1 kW 級一體式再生燃料電池堆的研究；中國科學院氫能所針對再生燃料電池開展了大量研究，并提升了靜態(tài)排水效率，為系統(tǒng)水管理提供了有效的思路。

2022 年，由北京衛(wèi)星制造廠有限公司承擔的天舟五號燃料電池搭載載荷項目順利完成了在軌實驗任務，標志著我國首次完成了空間燃料電池在軌試驗。在軌實驗過程通過多個工況的循環(huán)驗證，順利完成了所有既定任務，取得了圓滿成功，初步驗證了燃料電池能源系統(tǒng)在軌艙外真空、低溫及微重力條件下發(fā)電特性、變功率響應規(guī)律以及電化學反應的界面特性，為空間燃料電池能源系統(tǒng)的研制和關鍵技術攻關提供重要的數(shù)據和理論支撐。

(3)空間應用發(fā)展趨勢分析

總體來看，國內外針對燃料電池在空間應用方面均進行了大量研究與試驗，再生燃料電池作為能量存儲系統(tǒng)應用到空間站、月球基地等具有廣闊的前景，特別在月夜和長時間無太陽光照等環(huán)境下可解決采用光伏發(fā)電系統(tǒng)存在的諸多問題。考慮到空間應用燃料電池的微重力和工作環(huán)境因素，使得燃料電池結構設計、流體管理和控制邏輯與地面應用燃料電池系統(tǒng)存在本質上的差異。結合空間環(huán)境特點與應用特點，燃料電池技術未來將在提高功率密度、環(huán)境適應性、可靠性、壽命等方面開展進一步研究。

2.2 能源系統(tǒng)組成與分析

月球科研站基本型的能源系統(tǒng)由嫦娥七號傳統(tǒng)的“太陽電池+蓄電池”以及嫦娥八號“太陽電池+蓄電池+新型電源技術”組成，根據嫦娥八號可能搭載驗證的新型電源技術的種類與數(shù)量的不同，月球科研站基本型能源系統(tǒng)可分為基礎型能源系統(tǒng)、增強型能源系統(tǒng)和綜合型能源系統(tǒng)。

(1)基礎型能源系統(tǒng)

基礎型能源系統(tǒng)中各探測器能源系統(tǒng)配置單一，均采用以傳統(tǒng)的“太陽電池+蓄電池”，組成框圖如圖9 所示，基礎型能源系統(tǒng)由太陽電池陣發(fā)電模塊、蓄電池儲能模塊、功率變換與調節(jié)模塊以及配電管理模塊組成。月面工作過程中，各探測器能源系統(tǒng)相互獨立，月晝期間太陽電池陣發(fā)電模塊發(fā)電，通過功率變換與調節(jié)模塊及配電管理模塊為探測器負載供電，同時為蓄電池儲能模塊補充充電。

圖9 基礎型能源系統(tǒng)組成圖

該類型能源系統(tǒng)只適用于在光照區(qū)長期工作、陰影區(qū)短期工作的探測器，以該能源系統(tǒng)為基礎的月球科研站基本型不具備月夜工作與陰影區(qū)長期探測的能力。

(2)增強型能源系統(tǒng)

增強型能源系統(tǒng)在基礎型能源系統(tǒng)的基礎之上增加遠場激光無線傳能模塊與近場無線傳能模塊，組成框圖如圖10 所示。探測器根據能源配置的不同可分為主能源探測器、補充能源探測器與被動能源探測器。

圖10 增強型能源系統(tǒng)組成圖

主能源探測器能源系統(tǒng)由大型太陽電池陣發(fā)電模塊、蓄電池儲能模塊、遠場無線傳能發(fā)射模塊、近場無線傳能發(fā)射模塊、功率變換與調節(jié)模塊以及配電管理模塊組成，負責月球科研站基本型的主能源供給，通過遠/近場無線傳能發(fā)射模塊為補充/被動能源探測器提供能源補給，提升補充/被動能源探測器的工作能力與月夜生存能力。

補充能源探測器能源系統(tǒng)由太陽電池陣發(fā)電模塊、蓄電池儲能模塊、遠/近場無線傳能接收模塊、功率變換與調節(jié)模塊以及配電管理模塊組成，月晝期間依靠太陽電池陣發(fā)電模塊發(fā)電為負載供電，陰影區(qū)工作時通過遠場傳能接收端從主能源探測器獲取遠距離能源補給，用于支持探測器陰影區(qū)長時間工作，此外根據任務的不同，補充能源探測器可通過大功率近場接收模塊從主能源探測器短時快速補充所需能量，執(zhí)行下一次任務或依靠主能源探測器提供的能量順利度過月夜。

被動能源探測器能源系統(tǒng)僅由遠/近場無線傳能接收模塊、蓄電池儲能模塊、功率變換與調節(jié)模塊以及配電管理模塊組成，該類型探測器通過遠/近場無線傳能接收模塊從主能源探測器獲取工作所需能量，對于使用近場接收模塊的被動能源探測器，其必須工作在主能源探測器附近，按照任務規(guī)劃完成既定任務后返回主能源探測器進行能源補給；對于使用遠場接收模塊的被動能源探測器，其可工作在主能源探測器km 范圍內。

增強型能源系統(tǒng)依靠遠/近場模塊將探測器子能源系統(tǒng)聯(lián)系起來，實現(xiàn)月球科研站基本型能源系統(tǒng)的無線組網與能源統(tǒng)一管理，極大提升能源系統(tǒng)的能源利用率與探測器的工作能力。

(3)綜合型能源系統(tǒng)

綜合型能源系統(tǒng)在增強型能源系統(tǒng)的基礎之上增加燃料電池模塊并引入熱電一體化能源綜合利用技術，其組成框圖如圖11 所示。

圖11 綜合型能源系統(tǒng)組成圖

探測器根據能源配置的不同可分為綜合能源探測器、補充能源探測器與被動能源探測器，其中補充能源探測器與被動能源探測器的能源配置與探測器工作特點與增強型中一致。綜合能源探測器相比于增強型中主能源探測器增加燃料電池模塊，利用其熱電聯(lián)產的優(yōu)勢，在月晝工作期間，燃料電池模塊利用太陽能進行水電解；在月夜期間，利用燃料電池發(fā)電特性和發(fā)熱特性為探測器提供電能和熱能，實現(xiàn)探測器月夜工作。通過熱電一體化能源綜合利用技術，實現(xiàn)光能、電能和熱能之間的高效轉換與利用，顯著提升能源綜合利用效率。

綜合型能源系統(tǒng)具備月夜工作與陰影區(qū)長期探測的能力，實現(xiàn)系統(tǒng)光、電、熱綜合利用，可為科研站基本型完成各項探測任務提供較為全面的能源保障。

2.3 能源系統(tǒng)主要性能指標

結合嫦娥七號與八號資源配置情況，給出月球科研站基本型三種能源系統(tǒng)中各型探測器太陽電池陣發(fā)電模塊、蓄電池儲能模塊以及功率變換與調節(jié)模塊等組成模塊主要性能指標(表1～表3)。

表2 增強型能源系統(tǒng)組成模塊主要性能指標

表3 綜合型能源系統(tǒng)組成模塊主要性能指標

在基礎型能源系統(tǒng)中，各探測器子能源系統(tǒng)中太陽電池陣發(fā)電模塊、蓄電池儲能模塊以及功率變換與調節(jié)模塊主要指標根據其任務特點與功能定位有所差異，功率范圍在500～2 000 W 之間；增強型能源系統(tǒng)與綜合型能源系統(tǒng)中補充能源探測器與被動能源探測器能源子系統(tǒng)模塊組成與性能指標完全一致。

3 關鍵技術分析

3.1 熱電一體化能源綜合利用技術

針對月球科研站基本型對高效長壽命能源供給需求，結合燃料電池熱電聯(lián)產優(yōu)勢，研究空間燃料電池的電輸出和熱輸出的耦合規(guī)律，提出熱電一體化能源綜合利用管理策略和控制方法，實現(xiàn)能源綜合高效利用。在燃料電池的熱設計方面，可與探測器熱控系統(tǒng)統(tǒng)籌設計，通過共用或復用熱管等導熱材料，實現(xiàn)燃料電池與探測器的熱控一體化設計。月晝期間，利用太陽電池陣的發(fā)電功率持續(xù)為燃料電池水電解提供電解能量，采用相變儲熱材料，收集和存儲水電解過程中產生的熱能，便于月夜時期利用；在月夜期間，利用燃料電池的發(fā)電特性為探測器提供電能，同時釋放月晝期間儲存的熱能為探測器保溫。最終達到熱能高效利用，避免熱量浪費的目的。

3.2 復雜多源能源系統(tǒng)穩(wěn)定性建模與分析技術

月球科研站基本型具有多源、多載、多場景的應用特點，各級電源系統(tǒng)和各負載之間存在相互影響，可能引起能源系統(tǒng)級聯(lián)失穩(wěn)，需開展多源多載能源系統(tǒng)穩(wěn)定性建模與分析工作，研究電源系統(tǒng)各模塊的拓撲參數(shù)，并完成仿真建模，結合推導的傳遞函數(shù)及相關曲線分析穩(wěn)定性；對各個能源模塊進行單獨仿真，分析電壓電流波形以及效率等參數(shù)；建立能源系統(tǒng)級聯(lián)穩(wěn)定性評價體系，按照系統(tǒng)多種工作模式推導各模塊的輸入或者輸出阻抗表達式，計算阻抗比，利用阻抗比判據分析級聯(lián)穩(wěn)定性并對能源系統(tǒng)進行穩(wěn)定性仿真和分析。

3.3 可再生燃料電池高可靠及高效控制技術

作為復雜的電化學反應系統(tǒng)，燃料電池亟待開展月面空間輻照、月塵、低重力等環(huán)境條件對質子交換膜燃料電池電堆的低傳輸阻力、高質子傳導率和快速水遷移性能的影響研究，開展膜電極的耐久性及壽命評價研究；開展燃料電池高耦合的水、氣、熱等控制參數(shù)優(yōu)化和性能評估驗證等。作為一個正向-可逆化學反應的復雜控制過程，可再生燃料電池系統(tǒng)采用高壓電解池原位產氣和高密度儲氣方式實現(xiàn)可再生循環(huán)工作。基于可再生循環(huán)方式，需開展水、氣低壓-高壓/高壓-低壓密封回路過程的水熱綜合管理平衡規(guī)律及控制方法研究，開展空間環(huán)境下膜電極的加固設計和耐久性評價方法研究，實現(xiàn)精準調控和長效運行。

3.4 小型化高效遠場激光無線傳能技術

采用激光無線能量傳輸方式，由固定型探測器(著陸器)為移動型探測(巡視器/作業(yè)機器人)，提供遠距離連續(xù)靈活供電，以充電、供電和續(xù)航能源等多種形式提升移動型探測器人生存能力。開展快速熱傳輸和大功率廢熱排散等高效冷卻技術研究，通過材料外延生長、激光器結構和封裝優(yōu)化等方式，提高激光器壽命和可靠性；開展遠場動目標高精度APT 技術和輕量化光束控制技術研究，通過軸系優(yōu)化，提高光束控制系統(tǒng)的可靠性，滿足移動型探測器大范圍移動充電需求；開展光電熱耦合系統(tǒng)平衡條件下的激光照射最佳光電轉換研究，優(yōu)化鏈路能流密度，提升太陽電池在極端溫度范圍中的熱穩(wěn)定性和耐輻射特性。

3.5 千瓦級近場無線傳能技術

針對月球科研站基本型中作業(yè)機器人等探測器與著陸器之間能源交互需求，構建以近場無線傳能技術為基礎的大功率、高效率、高安全性的器間無線能源交互系統(tǒng)，提升探測器的月面工作能力與月球科研站基本型能源系統(tǒng)的安全性。研究傳輸距離、水平偏移距離、角度偏移對磁耦合機構耦合性能的影響，提出強抗偏移磁耦合機構，并對補償拓撲進行深入分析，確定適用于月球科研站基本型的千瓦級強抗偏移無線傳能系統(tǒng)基本拓撲；構建系統(tǒng)效率模型，研究磁耦合機構參數(shù)、補償拓撲參數(shù)、系統(tǒng)頻率對系統(tǒng)效率的影響，通過參數(shù)優(yōu)化提升系統(tǒng)效率，研究溫度對系統(tǒng)參數(shù)的影響，同時對系統(tǒng)閉環(huán)控制策略進行深入分析，提出系統(tǒng)效率閉環(huán)控制策略，提高探測器在復雜月面環(huán)境下進行無線能源交互的能源利用率；研究分析無線傳能系統(tǒng)中關鍵元器件、拓撲、閉環(huán)控制策略的可靠性安全性，提出系統(tǒng)可靠性安全性設計方案，提升無線能源交互的安全性與可靠性。

4 結束語

月球科研站基本型作為未來月球科研站的基礎，其能源系統(tǒng)決定了未來月球科研站能源系統(tǒng)的基本架構，需盡快開展相應空間電源技術的在軌驗證與月面復雜環(huán)境適應性研究，構建月球科研站能源互聯(lián)網，實現(xiàn)光、電、熱綜合利用，為未來月球科研的正式建設打下堅實的能源基礎。