月球科研站建設(shè)初期的能源系統(tǒng)設(shè)計

陳恒智，張 明，劉玥怡，陳乘新

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

2020 年12 月，嫦娥五號攜帶月面采樣標本返回地球，實現(xiàn)了探月工程“繞、落、回”三期部署的收官之戰(zhàn)。2022 年10 月，隨著空間站第二個實驗艙發(fā)射成功，與空間站核心艙對接形成三艙組合體，標志著載人航天三步走戰(zhàn)略在“921”工程提出30 年后圓滿完成。在后續(xù)的航天發(fā)展中這兩大重點工程將會逐漸地進行融合，形成無人探測與載人工程的有機結(jié)合。月球科研站的建設(shè)正是這種結(jié)合的完美體現(xiàn)。2021 年3 月，中俄簽署了合作建設(shè)國際月球科研站諒解備忘錄，進一步推動了月球科研站的建設(shè)?？蒲姓镜慕ㄔO(shè)是個長期的工程，在建設(shè)初期通過幾次任務(wù)完成月球科研站基本型的建設(shè)[1-3]。

本文針對月球科研站建設(shè)初期的任務(wù)特點，從母線體制設(shè)計、供電系統(tǒng)設(shè)計及配電系統(tǒng)設(shè)計三方面提出一套能源系統(tǒng)的設(shè)計方案，并分析其中涉及需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。

1 月球科研站建設(shè)初期任務(wù)分析

1.1 總體任務(wù)分析

《國際月球科研站合作伙伴指南》中明確了，在月球科研站的建設(shè)上，采用“勘、建、用”三步走的策略?？碧诫A段：在2025 年前，利用無人探測航天器，對月球展開勘探，驗證高精度軟著陸技術(shù)。建設(shè)階段：在2030 年前，完成科研站指揮中樞技術(shù)驗證，大承載貨物運輸及軟著陸；在2035 年前，完成能源、通信、月面運輸?shù)然A(chǔ)設(shè)施建設(shè)，開展月球資源的原位利用研究。使用階段：2035 年以后，利用建成的月球科研站，開展無人及有人模式下月球探測、月基天文觀測、基礎(chǔ)科學試驗和技術(shù)驗證等工作[4]。

在三步走的最后一步，是要完成有人參與的月球科學試驗活動，而在國際月球科研站的建設(shè)中，并沒有將載人登月的研制活動納入其中，這只是代表載人登月工程不屬于國際合作的范圍。作為總體的規(guī)劃者及一線的設(shè)計人員，是需要同時考慮載人登月工程及科研站的國際合作項目，這樣才能達成科研站最終的使用目的。

2023 年8 月，載人登月項目正式立項，規(guī)劃2030年實現(xiàn)中國首次登陸月球。同一時間點科研站的指揮中樞技術(shù)得到驗證，這也標志著科研站的基本型建設(shè)完成。

將2030 年前的任務(wù)，作為科研站建設(shè)初期的任務(wù)，開展后續(xù)分析。在這個階段，具有單一功能的月面支持設(shè)備，如通信服務(wù)站、能源供給站、推進劑補加站等，及地月轉(zhuǎn)移路徑上的停泊補給點還未開展建設(shè)，因此為月球科研站項目初期研制的航天器需具備極強的“單兵作戰(zhàn)”能力，自成系統(tǒng)，完成任務(wù)；同時為這些航天器在科研站建設(shè)后期依然能集成進大系統(tǒng)，發(fā)揮作用，需設(shè)計統(tǒng)一及合理的接口，具備擴展升級的能力。

1.2 能源系統(tǒng)任務(wù)分析

經(jīng)過分析，建設(shè)初期的航天器應(yīng)包括無人月球探測器、科研站指揮中樞系統(tǒng)、第一批月面試驗設(shè)備、載人登月飛船、載人登月著陸器等[4-5]。

這些航天器中除載人登月飛船只做環(huán)月飛行外，其他航天器都需要降落至月表，經(jīng)歷的飛行階段繁多，工作模式復雜，對能源的要求多樣，既需要平穩(wěn)持續(xù)的能源供給，在特定階段還有短時間大功率的需求。因航天器長時間獨立飛行及運轉(zhuǎn)的特點，為了保證安全，提高航天器的任務(wù)完成率，還需設(shè)置應(yīng)急能源系統(tǒng)，以應(yīng)對系統(tǒng)的重大故障。同時部分航天器還會形成組合體運行，為了能源合理充分的使用，具備支持并網(wǎng)供電的能力。

能源系統(tǒng)任務(wù)要求與具備能力的對應(yīng)關(guān)系，如圖1。

圖1 能源系統(tǒng)任務(wù)要求與具備能力的對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)上述對能源系統(tǒng)的任務(wù)分析，科研站建設(shè)初期的航天器能源系統(tǒng)應(yīng)具備高可靠、質(zhì)量占比低、模塊化、可擴展的特點，以適應(yīng)航天器在多種工況、多種組合構(gòu)型下完成任務(wù)的能力。

2 母線體制設(shè)計

國內(nèi)外的航天器采用單母線體制、雙母線體制、混合母線體制的皆有，電壓主要采用28 及100 V，本章對現(xiàn)有航天器的母線體制設(shè)計進行總結(jié)，分析月球科研站項目的特點，給出其適用的設(shè)計方案。

2.1 國外航天器設(shè)計

(1)阿波羅號

阿波羅號飛船采用燃料電池及內(nèi)部儲能電池作為源端的28 V 雙母線體制，負載根據(jù)關(guān)鍵等級進行配電分配，如圖2。無冗余備份措施的關(guān)鍵設(shè)備從2條母線上取電，母線與負載間串聯(lián)隔離二極管，保證2 條母線的隔離；有冗余備份措施的關(guān)鍵設(shè)備，分別從不同母線上取電；無冗余備份措施的一般設(shè)備從一條母線上取電，根據(jù)每條母線的負荷安排負載，保證每條母線的負載平衡[6]。

圖2 阿波羅號母線體制

(2)獵戶座飛船

獵戶座飛船使用太陽電池與鋰離子電池組合作為源端的雙母線體制，提供2 條120 V 的獨立母線，如圖3。飛船配置2 臺“電源調(diào)節(jié)和分配單元”(PCDU)，負責向各個設(shè)備供電；“功率分配單元”PDU 實現(xiàn)整船負載的配電。

圖3 獵戶座飛船母線體制

2.2 國內(nèi)航天器設(shè)計

(1)天舟貨運飛船

我國現(xiàn)在服役的貨運飛船采用的是100 V 單母線體制，如圖4。配置2 塊太陽電池翼，配置功率管理器完成整船三組電池和左右太陽翼功率調(diào)節(jié)；功率管理器生成一條100 V 全調(diào)節(jié)母線，由母線控制單元、供電控制器完成100 V 母線分配、100 V 至28 V電壓變換，為負載設(shè)備供電[7]。

圖4 天舟貨運飛船母線體制

(2)嫦娥五號

嫦娥五號探測器系統(tǒng)采用復合母線體制。整個探測器由軌道器、上升器、著陸器和返回器構(gòu)成。軌道器、著陸器、上升器均采取復合雙母線體制，平臺負載采用全調(diào)節(jié)供電，鉆取等短時大電流負載采用不調(diào)節(jié)母線供電，其主要是為了解決短時大電流用電負載問題，母線間不具備冗余備份能力，如圖5 所示。返回器采用單母線體制，返回器轉(zhuǎn)內(nèi)電前采用軌道器提供的全調(diào)節(jié)母線供電，轉(zhuǎn)內(nèi)電后采用鋅-氧化銀蓄電池組供電。各器除單獨工作外，還存在著陸上升器組合、軌道返回器組合、軌返上升三器組合等工作狀態(tài)，軌道與著陸器、上升器與著陸器、返回器與軌道器間均設(shè)計了并網(wǎng)供電接口，形成了多器聯(lián)合供電的設(shè)計方案[8]。

圖5 嫦娥五號上升器及著陸器復合母線體制

2.3 月球科研站母線體制設(shè)計

月球科研站建設(shè)初期涉及的航天器眾多，應(yīng)統(tǒng)籌考慮功率等級、可靠性安全性開展設(shè)計。

(1)功率等級

載人登月及無人月球探測器涉及的航天功率等級在10 kW 以下，而月面指揮中樞及月面試驗設(shè)備的功率等級會達到數(shù)十千瓦，考慮母線體制的統(tǒng)型設(shè)計便于后續(xù)組合及擴展，同時兼顧能源的使用效率，應(yīng)采用100 V 的一次母線。

(2)可靠性安全性

月球科研站的建設(shè)涉及航天員的參與，因此保證航天員的安全成為設(shè)計中首先要考慮的環(huán)節(jié)。同時因為初期建設(shè)中，月面沒有對應(yīng)的支持設(shè)備，每個航天器都需要保證自身狀態(tài)的良好，圓滿完成自身承擔的任務(wù)，才能保證建設(shè)時間不被推遲，這就對航天器的可靠性提出了更高的要求。

在現(xiàn)有的母線體制中，雙母線是可靠性安全性最高的體制，即使單條母線完全失效，也能保證航天員的安全，并完成航天器承擔的基本任務(wù)。

綜合考慮航天器功率等級、可靠性安全性及后續(xù)集成擴展的要求，月球科研站項目的母線體制設(shè)計為100 V 的雙母線體制。

這種母線體制的設(shè)計與2014 年NASA 格倫研究中心做的大會報告《Overview of Intelligent Power Controller Development for Human Deep Space Exploration》中提出的用于載人深空任務(wù)的母線體制高度吻合，如圖6。

圖6 載人深空任務(wù)電源架構(gòu)

系統(tǒng)中采用了兩條獨立的直流母線，母線電壓120 V，每段直流母線分別連接一組12 kW 的光伏電池陣和兩組蓄電池。每個配電單元(PDU)分別連接到兩條直流母線，提高載荷供電可靠性。系統(tǒng)安裝了對外的并網(wǎng)功率接口，采用了雙向功率變換器使系統(tǒng)具有可擴展性。

3 供電系統(tǒng)設(shè)計

3.1 電源選用

月球科研站建設(shè)初期，涉及多個航天器的研制，對能源系統(tǒng)的要求也有差異，無法設(shè)計成完全統(tǒng)一的供電系統(tǒng)。但可以利用產(chǎn)品化的設(shè)計思路，通過分析這些航天器對能源系統(tǒng)要求的通用之處，作為供電系統(tǒng)的基本型進行設(shè)計，同時根據(jù)任務(wù)的差異，設(shè)計不同類型的供電模塊，供航天器選用。

航天器主要使用能源共三種，分別為化學能、太陽能、核能?；瘜W能一般是用在短壽命的航天器上，或被用作備用應(yīng)急電源；太陽能一般用于中等功率長壽命的航天器上；核能一般用于長壽命的航天器上，適用的功率范圍很廣，從100 W 到100 MW 級皆可適應(yīng)，目前比較成熟的核能技術(shù)是放射性同位素電源技術(shù)，只能用于低功率的航天器[9]。

月球科研站建設(shè)初期涉及的航天器功率在千瓦到幾十千瓦量級，不適合使用單純的化學能電池，現(xiàn)有的核能技術(shù)水平不足以支持前期的建設(shè)，因此選用太陽電池加儲能電池的電源系統(tǒng)作為主能源供給。

載人飛船、著陸器、指揮中樞系統(tǒng)等航天器因其對可靠性安全性的更高要求，需配置應(yīng)急電源系統(tǒng)?？紤]質(zhì)量代價及應(yīng)急使用的屬性，選用高比能的一次性化學電池作為應(yīng)急電源。

無人月球探測設(shè)備、月面的部分移動設(shè)備、載人飛船的逃逸系統(tǒng)等因其存在短時間大功率的需求，需要配置低容量高放電倍率的電池。

綜合以上分析，月球科研站建設(shè)初期的電源系統(tǒng)設(shè)計如圖7，是以太陽電池加儲能電池作為主電源，再根據(jù)各個航天器的不同特點選用高比能電池、大倍率放電電池等配合使用。

圖7 電源系統(tǒng)設(shè)計

3.2 電源控制設(shè)計

電源控制系統(tǒng)需要承擔充電控制、分流控制、放電控制、母線濾波、驅(qū)動控制、自主策略執(zhí)行、MEA信號控制、過壓保護、限流控制等工作。為滿足任務(wù)輕量化、小型化的需求，采用模塊化的設(shè)計理念，根據(jù)航天器的不同特點，配置不同的模塊，形成控制單機，完成特定的控制任務(wù)。

充電控制、分流控制、放電控制、母線濾波、MEA信號控制、過壓保護、限流控制模塊為太陽電池加儲能電池的必要控制模塊，作為必選項。航天器如設(shè)有驅(qū)動機構(gòu)，則選擇驅(qū)動模塊；如電源系統(tǒng)有自身需要閉環(huán)執(zhí)行的自主管理策略，則選擇下位機模塊，承載軟件以執(zhí)行管理策略。模塊配置情況如圖8。

圖8 電源控制模塊化設(shè)計

4 配電系統(tǒng)設(shè)計

4.1 設(shè)計原則

月球科研站的配電系統(tǒng)遵循輕量化、標準化、智能化、高可靠高安全的原則開展設(shè)計，具體設(shè)計思路為：

(1)高可靠高安全性原則：按照一重故障保業(yè)務(wù)連續(xù)、二重故障保安全的原則開展配電體制設(shè)計，采用合理的冗余設(shè)計，提高任務(wù)可靠性，消除單點故障，提高安全性、可靠性。

(2)標準化原則：基于供電和火工引爆需求，通過功率通路芯片選型、對外接口定義規(guī)范，實現(xiàn)配電、火工母線、火工引爆的標準化設(shè)計；通過規(guī)范連接器選型及接點布局，實現(xiàn)電纜的標準化設(shè)計；通過標準化提高可擴展能力。

(3)智能化原則：采取芯片化SSPC，對功率通路狀態(tài)及關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行實時采集，對于短路等災(zāi)難性故障，能自主及時在本地切除，防止故障蔓延。

(4)輕量化原則：基于供電需求，負載功率分時復用在軌工況，將功率變換集中設(shè)計，通過系統(tǒng)層面的分時復用，最大程度減少模塊的使用；采取芯片化SSPC 替代繼電器，提高配電功率密度，降低系統(tǒng)質(zhì)量。

4.2 配電系統(tǒng)組成

配電系統(tǒng)設(shè)計包括母線控制設(shè)計、電能分配設(shè)計、火工控制設(shè)計、并網(wǎng)控制設(shè)計、電纜網(wǎng)設(shè)計。其中電能分配、火工控制、電纜網(wǎng)這三項設(shè)計屬于配電設(shè)計的基本項，各航天器均需開展。母線控制設(shè)計取決于航天器的能源是否為單一來源，如為多源系統(tǒng)，需要設(shè)計母線控制系統(tǒng)，對供電系統(tǒng)提供的能源采取必要的隔離及切換控制。并網(wǎng)控制設(shè)計取決于航天器內(nèi)部的艙段間或兩個航天器間是否需要并網(wǎng)供電。

月球科研站初期設(shè)計的配電系統(tǒng)組成詳見圖9。

圖9 配電系統(tǒng)組成

4.3 配電系統(tǒng)構(gòu)架

按輕量化、標準化、智能化的原則開展設(shè)計，最符合的系統(tǒng)構(gòu)架為綜合電子體系下的配電系統(tǒng)。月球科研站涉及的航天器大部分功率等級在2 000 W以上，根據(jù)之前的研究成果，宜采用分散式為主的綜合電子配電體系，強弱電隔離，二次母線集中變換[10]，具體構(gòu)架詳見圖10。

圖10 綜合電子體系的配電系統(tǒng)架構(gòu)

圖中母線管控單機及并網(wǎng)控制器根據(jù)功能需要為選配項，28 V 配電涉及加熱等大功率用電，在母線管控單機內(nèi)實現(xiàn)功率變換，5 及12 V 用電功率等級小，分散到各個配電單機(綜合業(yè)務(wù)單元中)。配電功能的實現(xiàn)依托于綜合業(yè)務(wù)單元內(nèi)的配電板卡，不單獨形成配電單機，可降低配電系統(tǒng)質(zhì)量。

5 能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

在月球科研站建設(shè)初期，能源系統(tǒng)有大量的關(guān)鍵技術(shù)需要攻關(guān)突破，為了攻關(guān)工作的有序開展，需要梳理出對任務(wù)影響最大，關(guān)系到成敗的技術(shù)，作為優(yōu)先突破的關(guān)鍵點。通過研究分析，梳理出兩大類關(guān)鍵技術(shù)：第一類就是保證航天器可靠性安全性的技術(shù)；第二類是現(xiàn)有設(shè)備無法支持月球科研站建設(shè)，需要增加功能或提升性能的技術(shù)。本章對這兩大類技術(shù)進行分析及總結(jié)。

5.1 可靠性安全性提升技術(shù)

(1)芯片式SSPC 技術(shù)

芯片式SSPC 作為配電系統(tǒng)最為關(guān)鍵的器件，具備控制配電通道通斷、過流I2T 保護、立即跳閘保護功能，由核心控制芯片、電源監(jiān)控芯片、功率MOS管、采樣電阻及外圍電路構(gòu)成。其中除兩類芯片外，其他部分的設(shè)計用于實現(xiàn)指令接收，響應(yīng)設(shè)置好的過流保護功能，已在遙感平臺及空間站上得到了應(yīng)用驗證。核心控制芯片用于實現(xiàn)對SSPC 參數(shù)的配置、與上位機的SPI 通信、保護算法的實現(xiàn)等功能，以及提供開關(guān)狀態(tài)和保護狀態(tài)輸出，表征SSPC 開關(guān)自身健康狀態(tài)；驅(qū)動芯片主要用于對功率MOSFET 的驅(qū)動和控制，以及對于MOSFET 的一些快速保護功能，如過壓過流保護等。

在原有SSPC 研制的基礎(chǔ)上，集成芯片，可增加配電通道的自主保護模式，自由配置反時限保護曲線，采集處理更多的狀態(tài)量，具備更強的應(yīng)用適應(yīng)性，同時，高度集成滿足輕量化設(shè)計原則，符合月球科研站建設(shè)對航天器質(zhì)量的嚴苛要求。

(2)碎片防護技術(shù)

隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，空間碎片數(shù)量增加迅速，近年來不斷爆出有航天器因受空間碎片撞擊導致功能受損甚至整星失效的事情。參考地球軌道的空間碎片增加速度，隨著各國月球探測活動的不斷深入，月球軌道的碎片也將會在不久的將來成為一項必須考慮的問題。由于月球沒有大氣層，無法燒毀或減速流星體，因此很小質(zhì)量的流星也會高速撞擊到月表，形成濺射物，速度可達到每秒幾十到幾百米，影響范圍可達到距撞擊中心數(shù)十千米外[11]。

月球科研站建設(shè)使用的航天器都要穿過地球軌道空間碎片覆蓋的范圍，抵達月球軌道，大部分航天器還會降落至月表，并長期運行，因此需要承擔多種碎片帶來的撞擊風險。從目前在軌運行的航天器著手進行分析，最容易受到碎片影響的能源系統(tǒng)設(shè)備為太陽翼及艙外功率電纜。太陽翼受到損傷后會造成電池片的性能下降，產(chǎn)生等離子體破環(huán)供電系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)穿孔，甚至解體。功率電纜受到損傷后，會造成局部開路損失部分功率輸出，嚴重的會造成短路放電，燒毀電纜，并影響周圍的電纜，直至影響整星的供電輸出[12]。

太陽電池翼目前的防護措施為使用玻璃蓋片進行碎片的阻擋，艙外功率電纜使用防護材料進行包裹[12]。后續(xù)的研究中，一方面是要繼續(xù)開展防護材料技術(shù)的研究，另一方對于功率電纜的防護要從源頭出發(fā)，從設(shè)計初始就將重要的功率電纜設(shè)計到艙內(nèi)，或設(shè)計對應(yīng)的結(jié)構(gòu)進行防護。

5.2 功能性能提升技術(shù)

(1)高比能電池技術(shù)

為適應(yīng)月球科研站建設(shè)對航天器質(zhì)量的嚴苛要求，能源系統(tǒng)的質(zhì)量將進一步縮減，高比能電池技術(shù)的研究迫在眉睫。

現(xiàn)有在軌使用的鋰離子蓄電池單體比能沒有超過200 Wh/kg，無法滿足任務(wù)的需要。需從電極、電池和使用工況等方面開展研究，進一步提升電池的比能量和循環(huán)壽命。其中高容量電極材料方面，借鑒目前高比能鋰離子電池的材料選型，從電子傳輸路徑，鋰離子擴散路線與熱傳導路徑三個方面進行長效穩(wěn)定性電極的設(shè)計。匹配功能性有機電解液，研究新型溶劑或者添加劑提升電解液在寬溫度范圍內(nèi)的電導率和電化學穩(wěn)定性。匹配高容量正負極，形成穩(wěn)定的電極/電解液界面，提升單體的能量密度。

鋰氟化碳電池是具有高比能量的一次性化學電池，理論比能量可達2 180 Wh/kg[13]，在月球科研站的建設(shè)中可用于應(yīng)急電源系統(tǒng)?，F(xiàn)有的鋰氟化碳單體比能量可到達530 Wh/kg，距離理論值仍有差距，具備進一步研究的前景。同時高比能量及應(yīng)急使用場景帶來的溫度控制問題也成為后續(xù)研究的重點方向[14]，如何在提升電池比能量及提高電池熱穩(wěn)定性能中做出平衡，也成為一項重要的研究工作。

(2)高倍率放電電池技術(shù)

以目前的月球科研站建設(shè)應(yīng)用場景看，月面需要移動的航天器通過一些特殊地形，月面鉆取勘探及飛船逃逸等工況會用到大功率負載，這些航天器或特定系統(tǒng)的共同點就是體積小，質(zhì)量要求極為嚴苛。后續(xù)研究中針對短時間大功率的航天器使用需求，探索20C以上的放電倍率電池的研制，已獲得使用更小質(zhì)量代價完成短時大功率任務(wù)的目的。

(3)并網(wǎng)供電技術(shù)

為實現(xiàn)月球科研站航天器間的能源相互補給，合理利用，結(jié)合設(shè)計的雙母線體制，開展大功率雙向并網(wǎng)供電技術(shù)研究。目前的技術(shù)已可以做到單母線4 kW 級的并網(wǎng)供電，1 kW 負載階躍時，電壓在90～110 V 范圍內(nèi)超調(diào)量小于4%，效率不低于93%。

在輸入電壓110 V、輸出電壓90 V 和輸出電流22 A 的工況下，超調(diào)量為3.6%，恢復時間為0.060 s。波形詳見圖11。

圖11 并網(wǎng)供電切換階躍響應(yīng)波形圖(輸入電壓、輸出電壓、輸出電流)

后續(xù)的研究中，要在此基礎(chǔ)上開展雙母線雙向并網(wǎng)供電技術(shù)研究，進一步提高轉(zhuǎn)換效率，并網(wǎng)功率等級增加到10 kW 級以上。

6 結(jié)論

本文結(jié)合月球科研站建設(shè)初期的任務(wù)特點，從母線體制、供電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)三個方面的設(shè)計出發(fā)，提出了一套基本構(gòu)架一致，根據(jù)任務(wù)特點進行產(chǎn)品及模塊級選配的能源系統(tǒng)設(shè)計方案，并分析了實現(xiàn)方案的關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)月球科研站基本型的建設(shè)提供了設(shè)計參考。