劉治鋼 蔡曉東 杜紅

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

嫦娥一號(hào)、二號(hào)作為中國(guó)探月工程“繞、落、回”三步走的第一步，已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)月球的環(huán)繞探測(cè)，開啟了中國(guó)深空探測(cè)的征程［1-2］?；鹦亲鳛樘栂抵信c地球臨近的行星，一直是人類探索未知太空的焦點(diǎn)之一。探測(cè)火星，研究火星的磁場(chǎng)、大氣與氣候、空間環(huán)境、地貌等內(nèi)容，是人類研究太陽系起源與演化，探尋生命起源的重要途徑。

火星環(huán)繞探測(cè)器與地球衛(wèi)星或月球探測(cè)器相比，其飛行任務(wù)和飛行環(huán)境都有很大的不同［3-4］，要求電源系統(tǒng)能夠適應(yīng)發(fā)射段、地火轉(zhuǎn)移段、火星捕獲段和火星環(huán)繞等各階段空間環(huán)境的變化，保證探測(cè)器能源供應(yīng)。本文針對(duì)火星環(huán)繞探測(cè)的特點(diǎn)，對(duì)采用太陽電池陣-蓄電池組的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入分析，可為未來火星探測(cè)器及其他深空探測(cè)器電源系統(tǒng)的任務(wù)分析提供參考與借鑒。

2 火星環(huán)繞探測(cè)器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2．1 火星環(huán)繞探測(cè)任務(wù)特點(diǎn)

相對(duì)于地球衛(wèi)星與月球探測(cè)器，火星環(huán)繞探測(cè)對(duì)探測(cè)器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響主要體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）空間環(huán)境：空間環(huán)境的特點(diǎn)制約著探測(cè)器的性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及壽命等?；鹦强臻g環(huán)境與地球軌道和月球軌道空間環(huán)境差異較大，主要包括光照強(qiáng)度、溫度變化明顯，因此要針對(duì)火星空間環(huán)境制定相應(yīng)的電源管理策略。

（2）通信時(shí)延：火星與地球距離很遠(yuǎn)，單程通信時(shí)延最長(zhǎng)為22 min，而月球軌道探測(cè)器僅1．35s。另外，在一年探測(cè)期內(nèi)還存在2次日凌，每次大約持續(xù)20d，日凌時(shí)火星探測(cè)器無法與地球通信，因此要考慮加強(qiáng)電源系統(tǒng)自主管理能力。

（3）輕小型化要求：火星距離地球很遠(yuǎn)，因此探測(cè)器要攜帶更多的推進(jìn)劑燃料，這就對(duì)設(shè)備提出了嚴(yán)格的減小質(zhì)量要求，火星探測(cè)器供配電系統(tǒng)要具有很高的質(zhì)量比功率。

結(jié)合火星探測(cè)器與已發(fā)射的地球衛(wèi)星和月球探測(cè)器的比較，下面從空間環(huán)境、軌道與姿態(tài)、負(fù)載需求、電源系統(tǒng)選型、能源自主管理，以及輕小型化設(shè)計(jì)等6個(gè)方面進(jìn)行任務(wù)分析。

2．2 空間環(huán)境影響

1）光照影響分析

火星上的平均太陽光強(qiáng)只有地球的0．43倍，目前國(guó)際上通常采用的地球軌道的光強(qiáng)為1367 W／m2，而火星探測(cè)器工作軌道的平均光強(qiáng)為590 W／m2，此外，火星的光強(qiáng)還會(huì)有±19%的波動(dòng)（太陽光強(qiáng)為493～717 W／m2）［5］。由于太陽光強(qiáng)大幅降低，在滿足相同功率需求的條件下，所需要的太陽電池片更多，面積和質(zhì)量更大，成本更高；與月球探測(cè)器相比，火星探測(cè)器要攜帶更多的推進(jìn)劑燃料，因此在一定質(zhì)量約束的前提下，必須大幅度提高能源的利用率，采用高轉(zhuǎn)換效率太陽電池片，解決能源緊張問題。另外，當(dāng)太陽光強(qiáng)逐步減小時(shí)，太陽電池陣輸出的伏-安曲線也在不斷變化，電源控制裝置設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能利用有限的太陽電池陣輸出功率。

2）粒子輻照影響

空間粒子輻照對(duì)電源系統(tǒng)的影響，主要體現(xiàn)在輻照總劑量、表面放電和內(nèi)帶電影響等，對(duì)太陽電池陣主要是輻照總劑量對(duì)性能衰降的影響和帶電粒子引起表面放電的影響。在電源控制設(shè)備設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮采取二次絕緣和靜電泄放等措施，以降低內(nèi)帶電效應(yīng)的影響。在整個(gè)任務(wù)期間，由于原子氧對(duì)火星探測(cè)器的影響較小，主要輻射來源于太陽宇宙線、銀河宇宙線，其輻照環(huán)境與月球探測(cè)器相似。

3）溫度影響

在近地軌道，由于受到太陽輻射及地球熱輻射影響，探測(cè)器所處的溫度較高。在地火轉(zhuǎn)移軌道以及環(huán)火軌道，由于距離太陽較遠(yuǎn)，探測(cè)器所處環(huán)境的溫度水平逐漸降低。如果實(shí)現(xiàn)在更低軌道對(duì)火星的觀測(cè)，通常為節(jié)省燃料，采用氣動(dòng)減速方式，這樣，氣體摩擦生熱會(huì)使探測(cè)器（尤其是太陽電池陣）處于高溫狀態(tài)。

由于太陽電池陣的輸出電壓、輸出電流與光強(qiáng)、溫度密切相關(guān)，因此在設(shè)計(jì)太陽電池陣與計(jì)算太陽電池陣輸出功率時(shí)，應(yīng)綜合考慮光強(qiáng)、溫度的變化。另外，在環(huán)火飛行段軌道，光照期與陰影期交替變化時(shí)，太陽電池陣溫度變化很大，這就要在設(shè)計(jì)中充分考慮各種工況下太陽電池陣上接插件、導(dǎo)線、元器件是否滿足溫度變化要求，并針對(duì)各種極端溫度條件開展相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

2．3 飛行程序、軌道與姿態(tài)影響

飛行程序是探測(cè)器在整個(gè)飛行階段的工作程序，包括飛行過程中事件、執(zhí)行時(shí)間及具體操作。它對(duì)電源系統(tǒng)影響較大的方面包括主動(dòng)段至太陽電池陣對(duì)日定向的時(shí)間，變軌姿態(tài)及執(zhí)行時(shí)間，各飛行階段中平臺(tái)及負(fù)載的工作狀態(tài)與工作模式等。軌道主要影響光照與陰影時(shí)間分配，從而決定太陽電池陣與蓄電池組的規(guī)模。飛行姿態(tài)主要影響太陽光矢量與太陽電池陣平面的夾角，以及航天器本體突出物對(duì)太陽電池陣的遮擋，這些因素均影響太陽電池陣的輸出功率。飛行程序、軌道及姿態(tài)與電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)相互制約，要進(jìn)行權(quán)衡。

火星環(huán)繞探測(cè)通常要經(jīng)歷主動(dòng)段、地火轉(zhuǎn)移段、近火捕獲段、環(huán)火飛行段，各段飛行軌道示意如圖1所示。

圖1 火星環(huán)繞探測(cè)任務(wù)飛行示意圖Fig．1 Flight schedule diagram for Mars orbiting exploration mission

從發(fā)射至太陽電池陣對(duì)日定向前，均由蓄電池組供電，因此蓄電池組設(shè)計(jì)應(yīng)滿足整個(gè)發(fā)射段能源需求，同時(shí)，也可以根據(jù)需要調(diào)整窗口，以減輕電源系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。在地火轉(zhuǎn)移段，探測(cè)器處于全光照區(qū)，時(shí)間通常接近10個(gè)月，除變軌期間，探測(cè)器均可由太陽電池陣供電，因此要考慮電源系統(tǒng)對(duì)蓄電池組進(jìn)行長(zhǎng)光照期管理的問題。在環(huán)火飛行段，根據(jù)軌道高度不同，光照和陰影的時(shí)間也不同。軌道高度低，每圈陰影時(shí)間所占比例大；軌道高度高，每圈陰影時(shí)間所占比例小，甚至?xí)霈F(xiàn)全光照期。因此，應(yīng)根據(jù)飛行程序與軌道設(shè)計(jì)結(jié)果，確定蓄電池組容量、放電深度、循環(huán)次數(shù)，并留有一定裕度。

軌道參數(shù)對(duì)電源系統(tǒng)（尤其是太陽電池陣與蓄電池組）的設(shè)計(jì)影響較大。對(duì)于太陽電池陣-蓄電池組電源系統(tǒng)，在光照期依靠太陽電池陣為負(fù)載供電，并對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電；在陰影期依靠蓄電池組供電。軌道周期、受曬因子μ（光照／軌道周期比值）、太陽光矢量對(duì)太陽電池陣的入射角θ、太陽光遮擋率，決定了太陽電池陣接收的太陽輻射量，進(jìn)而影響太陽電池陣輸出功率及蓄電池組充電／放電時(shí)間。其中，受曬因子μ與太陽光與軌道面夾角β之間的關(guān)系如式（1）所示。

式中：R為火星半徑；H為軌道高度。

對(duì)于火星環(huán)繞探測(cè)而言，β角在不同飛行階段也不同。例如，某火星探測(cè)器軌道傾角為93．1°，β角在一個(gè)火星年內(nèi)的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 某火星探測(cè)器一個(gè)火星年內(nèi)β角變化示意圖Fig．2 Diagram ofβangle variation in a Mars year for a Mars probe

2．4 負(fù)載需求

負(fù)載需求分析是指在各種飛行程序和工作模式下，對(duì)電源系統(tǒng)供電的所有負(fù)載（包括平臺(tái)和有效載荷）進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析。它是電源系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的必要條件，針對(duì)火星環(huán)繞探測(cè)器用電負(fù)載特點(diǎn)，通常應(yīng)包括以下幾個(gè)方面。

1）確定系統(tǒng)飛行程序及工作模式

在主動(dòng)段，要進(jìn)行發(fā)射前狀態(tài)設(shè)置。由于太陽電池陣尚未展開，設(shè)備工作所需能源主要依靠蓄電池組供電，整個(gè)過程的持續(xù)時(shí)間直接影響蓄電池組容量配置。再如環(huán)火飛行段，有效載荷設(shè)備開機(jī)，開展科學(xué)探測(cè)試驗(yàn)，在必要時(shí)還要開啟發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)姿和軌道控制，系統(tǒng)負(fù)載變化較大。因此，要根據(jù)不同飛行程序和工作模式，明確系統(tǒng)負(fù)載需求，從而確定電源系統(tǒng)方案。

2）確定負(fù)載特性

根據(jù)負(fù)載工作特性，探測(cè)器負(fù)載通常包括長(zhǎng)期負(fù)載、短期負(fù)載與脈沖負(fù)載等。長(zhǎng)期負(fù)載是指飛行過程中功率基本不變化的負(fù)載，如中心計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)管理單元等；短期負(fù)載是指根據(jù)任務(wù)需要間斷開機(jī)的負(fù)載，如加熱器根據(jù)探測(cè)器溫控需要進(jìn)行通斷控制；脈沖負(fù)載是指需要瞬時(shí)功率的設(shè)備，如火工品點(diǎn)火、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、電機(jī)啟動(dòng)等。在進(jìn)行電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般原則是滿足長(zhǎng)期負(fù)載和短期負(fù)載的用電需求，并具備提供脈沖負(fù)載所需瞬時(shí)功率的能力。

總之，在進(jìn)行電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要詳細(xì)統(tǒng)計(jì)發(fā)射段、地火轉(zhuǎn)移段和環(huán)火飛行段各階段負(fù)載功率需求，結(jié)合飛行程序、軌道設(shè)計(jì)結(jié)果，確定電源系統(tǒng)的拓?fù)渑c規(guī)模。另外，還要充分考慮線纜損耗、二次電源轉(zhuǎn)換效率等因素引起的額外功率需求。

2．5 電源系統(tǒng)選型

1）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選型

太陽電池陣輸出功率調(diào)節(jié)分為并聯(lián)調(diào)節(jié)和串聯(lián)調(diào)節(jié)兩大類［6-7］。在并聯(lián)調(diào)節(jié)電源系統(tǒng)中，如采用順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)（S3R）或采用串聯(lián)順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)（S4R）的電源系統(tǒng)，太陽電池陣的參考工作點(diǎn)通常按照壽命末期的光強(qiáng)和溫度條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要考慮輻照損失、溫度等條件的影響。但對(duì)于火星探測(cè)器而言，其壽命初期和末期所受到的光強(qiáng)、溫度的變化差異較大，因此，采用固定參考工作點(diǎn)不能使太陽電池陣輸出功率最大。在這種情況下，采用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，按照負(fù)載功率需求控制太陽電池陣輸出功率，可以最大限度地利用太陽電池陣輸出功率。歐洲航天局（ESA）研制的“火星快車”（Mars Express）環(huán)繞探測(cè)器，就是采用了MPPT 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［8-10］。

2）太陽電池選型

太陽電池的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)主要有光電轉(zhuǎn)換效率、抗輻射能力、開路電壓、短路電流及填充因子。目前，用于空間太陽電池陣的太陽電池主要有硅（Si）電池、單結(jié)砷化鎵（GaAs／Ge）電池及三結(jié)砷化鎵（GaInP／GaAs／Ge）電池。典型的3種太陽電池片性能參數(shù)如表1所示。

表1 3種太陽電池片性能參數(shù)Table 1 Parameters of 3kinds of solar cell

根據(jù)火星軌道空間環(huán)境分析結(jié)果及一定質(zhì)量約束要求，必須大大提高能源的利用率，采用高轉(zhuǎn)換效率太陽電池片，解決能源緊張問題。因此，建議選取轉(zhuǎn)換效率更高的三結(jié)砷化鎵太陽電池。

3）蓄電池選型

蓄電池是一種把化學(xué)反應(yīng)所釋放出來的能量直接轉(zhuǎn)變成直流電能的裝置。可在軌使用的蓄電池有鎘鎳（Ni／Cd）蓄電池、氫鎳（Ni／H2）蓄電池和鋰離子（Li-ion）蓄電池。它們的性能對(duì)比如表2所示。

表2 3種空間用蓄電池單體參數(shù)Table 2 Parameters of 3kinds of space used battery

由表2可以看到，鋰離子蓄電池具有比能量高、熱耗小、自放電小、便于模塊化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。由于火星探測(cè)器對(duì)質(zhì)量與體積的約束嚴(yán)格，因此，國(guó)外火星探測(cè)器通常采用鋰離子蓄電池組作為儲(chǔ)能電源。

2．6 能源自主管理需求

從地球到月球的單程通信時(shí)延為1．35s，而從地球到火星的單程通信時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)22 min。另外，若要實(shí)現(xiàn)超過一個(gè)火星年的探測(cè)任務(wù)，探測(cè)器將無法回避日凌問題。每個(gè)火星年出現(xiàn)2次日凌，每次持續(xù)時(shí)間20d以上。在此期間，地面測(cè)控站、地面應(yīng)用站無法與探測(cè)器建立聯(lián)系，地面實(shí)時(shí)控制將無法實(shí)現(xiàn)。因此，火星探測(cè)器要具備很強(qiáng)的自主運(yùn)行能力，探測(cè)器平臺(tái)能夠支持自主運(yùn)行至少20d，這就要求探測(cè)器電源系統(tǒng)具備與之相應(yīng)的自主管理能力，其自主管理任務(wù)至少應(yīng)包括以下內(nèi)容。

（1）能夠自主完成對(duì)太陽電池陣和蓄電池組的功率調(diào)節(jié)，為探測(cè)器提供穩(wěn)定的一次電源母線，能自主進(jìn)行功能／控制模塊的主備份切換。

（2）能夠自主實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組的充放電管理，包括開始充電和終止充電，以及充電過程中的過壓、過流等防護(hù)。對(duì)鋰離子蓄電池組，應(yīng)能夠自主實(shí)現(xiàn)適合鋰離子蓄電池的恒流-恒壓充電管理。

（3）能夠自主實(shí)現(xiàn)鋰離子蓄電池組的均衡管理，以及長(zhǎng)光照期鋰離子蓄電池組管理，以提高蓄電池組的壽命。

（4）能夠?qū)崿F(xiàn)鋰離子蓄電池組過充電、過放電防護(hù)的自主管理。一旦出現(xiàn)欠壓情況，先要求整器進(jìn)入安全模式；若情況繼續(xù)惡化，低于設(shè)定閾值，則進(jìn)入欠壓保護(hù)。

（5）為保證火星探測(cè)器的供電安全，必須加強(qiáng)電源系統(tǒng)智能化自主管理，以滿足太陽電池陣和蓄電池組聯(lián)合供電系統(tǒng)能應(yīng)對(duì)多種復(fù)雜工作模式和緊急情況的需求，加強(qiáng)系統(tǒng)的自主判斷控制能力，通過硬件對(duì)關(guān)鍵狀態(tài)的判斷控制，增強(qiáng)系統(tǒng)的故障診斷、隔離和恢復(fù)（FDIR）功能。

（6）電源系統(tǒng)與數(shù)管系統(tǒng)相互配合，完成火工品控制、整器負(fù)載優(yōu)先級(jí)管理與配電等相關(guān)功能。

2．7 輕小型化設(shè)計(jì)需求

通常，電源系統(tǒng)的質(zhì)量約占整個(gè)航天器干質(zhì)量的1／4。由于火星距離地球很遠(yuǎn)，在嚴(yán)格限制探測(cè)器質(zhì)量的前提下，為最大限度地實(shí)現(xiàn)科學(xué)探測(cè)目標(biāo)，對(duì)電源系統(tǒng)等平臺(tái)設(shè)備提出了嚴(yán)格的減小質(zhì)量要求。因此，輕小型化設(shè)計(jì)是火星環(huán)繞探測(cè)對(duì)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要約束，可從以下幾個(gè)方面開展工作。

（1）高比功率設(shè)備研制。瞄準(zhǔn)國(guó)際先進(jìn)水平，開發(fā)能量利用率更高的電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高蓄電池比能量，提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率。

（2）集成化設(shè)計(jì)。目前，功率調(diào)節(jié)與配電單元（PCDU）是國(guó)際先進(jìn)電源控制與配電裝置發(fā)展的趨勢(shì)，將探測(cè)器中電源控制器、配電器、適配器、火工品控制器等多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行集成，通過結(jié)構(gòu)與功能優(yōu)化設(shè)計(jì)減小設(shè)備質(zhì)量。

（3）總線化設(shè)計(jì)。通過總線實(shí)現(xiàn)遙控指令接收與遙測(cè)參數(shù)上傳，從而減少設(shè)備間互聯(lián)線，以減小質(zhì)量。

3 結(jié)束語

綜合以上所述，針對(duì)火星環(huán)繞探測(cè)任務(wù)的特殊軌道及空間環(huán)境，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)要重點(diǎn)考慮的因素包括：光照、溫度等空間環(huán)境因素，飛行程序、軌道及姿態(tài)等設(shè)計(jì)要素，探測(cè)器負(fù)載功率需求，通信時(shí)延對(duì)電源系統(tǒng)自主管理的需求等。通過任務(wù)分析，可在現(xiàn)有技術(shù)條件下對(duì)火星環(huán)繞探測(cè)器電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本文提出的任務(wù)分析方法，不僅適用于火星環(huán)繞探測(cè)器，在其他深空探測(cè)器電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中也可以借鑒與參考。

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