楊友超，李海偉，趙巖，徐海運，張翔

(中國運載火箭技術研究院研發(fā)中心，北京100076)

空間飛行器能源管理技術發(fā)展綜述

楊友超，李海偉，趙巖，徐海運，張翔

(中國運載火箭技術研究院研發(fā)中心，北京100076)

介紹了能源管理技術的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，提出了能源管理系統(tǒng)的一般組成和工作方式；從能源管理的發(fā)展和應用出發(fā)，提出了能源管理技術進一步發(fā)展所面臨的瓶頸，并對解決途徑進行了初步探討。

空間飛行器；能源管理；發(fā)展

能源系統(tǒng)是空間飛行器中最重要的分系統(tǒng)之一，負責在各階段向空間飛行器電氣負載提供穩(wěn)定可靠的電能。能源管理主要作用是對空間飛行器飛行階段全壽命周期的電能進行統(tǒng)一管理，保證滿足空間飛行器各種工況下的能源需求。隨著航天技術的不斷發(fā)展，空間飛行器呈現(xiàn)出載荷多樣化和任務復雜化的發(fā)展趨勢，一方面設備組成越來越復雜，能源需求隨之加大，而為提高飛行器機動能力和靈活性，對能源系統(tǒng)質(zhì)量、體積提出了更高的要求；另一方面，盡管現(xiàn)有飛行器在設計、研制過程中采取了一系列可靠性的措施，但其在軌飛行中仍有可能出現(xiàn)健康狀況惡化。當發(fā)生故障導致供電能力下降時，如何能夠及時定位并隔離故障、防止故障蔓延，并在有限能源供給的條件下優(yōu)化負載管理，保證飛行器的正常運行顯得尤為重要。

因此無論對于深空探測器，還是在軌長期運行的空間站、應用衛(wèi)星等，能源自主管理都是十分重要的發(fā)展方向，它可提高飛行器在突發(fā)性空間環(huán)境下的自主生存能力，減少對地面測控網(wǎng)的依賴，增強其安全性并降低運行成本，延長航天器使用壽命，能源管理的發(fā)展可為人類外太空的探索提供更加持續(xù)、長久的動力。

本文從能源管理的發(fā)展及應用出發(fā)，介紹了目前能源管理技術的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了能源管理系統(tǒng)的一般組成和進一步發(fā)展面臨的瓶頸，并對解決途徑進行了初步探討。

1 能源管理技術國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1 美國發(fā)展現(xiàn)狀

美國是最早開始進行空間飛行器能源管理技術研究的國家，其于70年代初提出的航天飛機能源自主控制電子系統(tǒng)主要用于解決航天飛機能源系統(tǒng)安全性和可靠性問題，利用計算機參與故障隔離和系統(tǒng)重構管理技術，成為能源管理技術的雛形。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)兩項功能：一是航天飛機負載供電安全性管理，即當負荷發(fā)生超載時，電源控制器切斷該負載與母線的連接，電源控制器會延時一定時間后對該負載進行復位，以便區(qū)分故障超載和短期超載；二是電源系統(tǒng)故障狀態(tài)下的系統(tǒng)重組管理，當電源供電能力因故障下降時，電源管理系統(tǒng)將根據(jù)預先設定的規(guī)則，按照各負載設備的優(yōu)先級，切掉部分負載，以保證飛行任務的能源需求。

能源管理系統(tǒng)(PMAD)由NASA研究機構于20世紀80年代中期正式提出，具有供配電系統(tǒng)故障診斷、隔離和恢復，蓄電池管理、載荷優(yōu)先級管理、能源計劃動態(tài)調(diào)度管理等功能。其主要任務是根據(jù)能源的供給與需求情況動態(tài)管理負載的切換，當由于內(nèi)部故障或外部干擾導致能量供給能力突然不足時，按優(yōu)先級首先供給優(yōu)先級高的設備的能量需求(如生命維持系統(tǒng))，并具備故障診斷和故障恢復的功能。它采用星地協(xié)同工作方式，星上自主電源管理系統(tǒng)負責供配電管理、監(jiān)測，地面專家系統(tǒng)作為故障診斷協(xié)作系統(tǒng)，根據(jù)遙測數(shù)據(jù)對空間站電源系統(tǒng)進行診斷和故障預測。其研究目標是減少供配電系統(tǒng)對地面測控的依賴，在保證安全性和可靠性的同時，實現(xiàn)自主故障監(jiān)測、診斷，以適應長時間運行、遠距離任務需求。隨著需求變化和技術發(fā)展，該系統(tǒng)演變?yōu)榉沼趪H空間站的智能功率管理系統(tǒng)。目前PMAD已在國際空間站、重返月球計劃和“羅塞塔”號無人飛船計劃等多個任務中得到應用。為了有效進行“自由”號空間站(后演變?yōu)閲H空間站)電源系統(tǒng)運營管理，專門研制了用于其性能預估的軟件系統(tǒng)，并已在國際空間站電源系統(tǒng)運營管理中應用。

NASA還提出了利用專家系統(tǒng)參與供配電系統(tǒng)的故障監(jiān)測、診斷和預測，參與供配電系統(tǒng)的控制決策，以降低地面測控人員的工作強度和操作失誤的概率。NASA Lew is研究中心建立了一套基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，作為地面故障診斷協(xié)作系統(tǒng)，通過對太空站供配電自主管理系統(tǒng)運行狀態(tài)和遙測資料的分析處理，為地面測控人員提供故障診斷、顯示和處理建議，以便減少地面工作人員的工作壓力。

在一些研究報告中還提出了元器件智能化能源管理概念，通過降低非繁忙時期工作頻率或轉入休眠狀態(tài)的方式的自主能源管理技術，降低CPU、RAM等高功耗器件功耗，提高無人飛行器能源的利用率，延長壽命。

1.1.2 歐洲發(fā)展現(xiàn)狀

XMM-New ton是歐洲空間局(ESA)“地平線2000”計劃中四個探測器中的第二個。其中XMM是X-ray Multi-M irror M ission的縮寫，意為X射線多重鏡面任務。XMM衛(wèi)星以及部分電氣設備如圖1所示。

圖1 XMM衛(wèi)星及部分電氣設備

XMM具有基本的在軌自主管理能力，采用了供配電系統(tǒng)故障診斷和故障恢復、蓄電池自動充放電和再調(diào)整、載荷優(yōu)先級管理等技術。此外，XMM的設計增強了故障恢復能力。它的設計要求航天器能夠在產(chǎn)生故障并且沒有地面干涉時生存36 h以上。因此，在借鑒衛(wèi)星的故障恢復經(jīng)驗上，XMM電源系統(tǒng)的設計注重改進了在產(chǎn)生各種故障情況下的恢復能力。這些改進已經(jīng)成功地在完整的航天器飛行模型上得到驗證，增強了在能源損耗的情況下恢復航天器正常功能的可能性。

俄羅斯的“和平”號空間站運行過程中，地面有一套相同的實物系統(tǒng)同步運行，其中能源系統(tǒng)用于對應在軌運行系統(tǒng)的故障模擬及措施驗證，為空間站能源系統(tǒng)運營管理提供支持。

通過對國外能源管理相關系統(tǒng)的研究，可以發(fā)現(xiàn)自主管理技術是能源管理和故障診斷技術的主要發(fā)展方向。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)在能源管理方面的研究工作開展得較晚，文獻[1]和文獻[2]中對我國空間站的能源管理系統(tǒng)進行了初步探討。目前國內(nèi)對能源系統(tǒng)明確提出自主工作具體要求的飛行器極少，現(xiàn)有能源管理的需求主要基于較長時間脫離地面站監(jiān)控的自主運行期內(nèi)保障主要有效載荷指標不降低，一次電源有足夠的功率余量，同時保證蓄電池組得到及時的容量補給，以保障一次電源的正常運行。

國內(nèi)大多在軌或預研衛(wèi)星所采取的自主管理多針對單機，主要包括充電控制器自主切換控制、蓄電池充電控制、帆板供電監(jiān)控以及過放安全保護控制等，特別是針對蓄電池的自主充放電管理進行了大量的研究及應用，其實現(xiàn)由數(shù)管計算機實時檢測蓄電池組壓力、電壓、主母線電壓等參數(shù)，實現(xiàn)蓄電池組充電的自動控制。

2 能源管理系統(tǒng)的一般組成

2.1 能源管理系統(tǒng)的功能需求

能源管理系統(tǒng)主要作用是保證能源供給的高效、可靠，在供電能力不足時，進行負載管理，合理調(diào)配電能；在故障狀態(tài)下，能迅速自主定位、處置，確保航天器供電安全。基于以上需求，能源管理系統(tǒng)的工作目標定位如下：(1)進行能源系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)測，根據(jù)任務需求對負載進行實時調(diào)配，使能源得到有效合理利用；(2)進行能源系統(tǒng)供電能力預計，優(yōu)化能源配置，使能源系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài)，延長使用壽命，降低置換成本；(3)進行故障診斷、隔離及系統(tǒng)重構，實現(xiàn)故障負載的智能切換，確保飛行器供電安全可靠，減少對地面的依賴。

2.2 能源管理系統(tǒng)的組成

能源管理系統(tǒng)一般采用文獻[3]中所述的“以天為主，以地為輔”的天地一體化管理模式，能源管理系統(tǒng)基本組成如圖2所示。相對于傳統(tǒng)的空間飛行器，在能源系統(tǒng)中增加了能源管理單元。能源管理單元是能源系統(tǒng)的中樞，負責整個能源系統(tǒng)運行狀態(tài)的全面監(jiān)測、性能預測、能量平衡分析、負載優(yōu)先級管理、能源調(diào)配、故障診斷等。其具體工作過程如下：(1)采集能源狀態(tài)信息，實時監(jiān)測能源系統(tǒng)運行狀態(tài)；并根據(jù)預先裝訂的能源預測模型(含性能預計、壽命預測等)，對能源(含太陽電池陣、蓄電池組等)后續(xù)供給狀態(tài)進行預計；(2)從數(shù)管計算機獲取目前的任務階段和負載狀態(tài)，依據(jù)裝訂的負載優(yōu)先級管理策略，確定當前階段各負載的優(yōu)先級別；并根據(jù)能源供給情況和負載狀態(tài)分析飛行器的能量平衡情況，并可對后續(xù)能源供給及消耗情況進行初步預計；(3)當能源供給充足時，按負載優(yōu)先級開啟相關載荷類負載，提高能源利用率；當由于故障或光照條件變差等導致能源供給不足時，能源管理系統(tǒng)按負載優(yōu)先級控制功率分配單元斷開部分負載供電，保證關鍵負載的能源供給以及全飛行器的能源平衡；(4)能量管理單元實時監(jiān)測功率分配單元狀態(tài)信息，當某關鍵負載功率分配通路出現(xiàn)故障時，按預先裝訂的故障管理策略進行故障的隔離和重構；(5)當空間飛行器長期在軌運行后，性能發(fā)生衰減，能源管理系統(tǒng)根據(jù)性能預計結果、任務階段，控制功率分配單元關閉某些負載，減輕能源供給壓力，優(yōu)化能源系統(tǒng)工作狀態(tài)，延長能源工作壽命；(6)能源管理單元將能源狀態(tài)信息、性能預計、故障管理等信息通過數(shù)管計算機、遙測系統(tǒng)發(fā)送給地面支持系統(tǒng)。由地面支持系統(tǒng)同步開展狀態(tài)分析，并經(jīng)專家?guī)爝M行能源管理、性能預計、故障診斷等工作，有必要時，則通過地面測控終端向飛行器發(fā)送控制指令進行人工干預。同時地面支持系統(tǒng)在接收當前數(shù)據(jù)后，與以往歷史數(shù)據(jù)進行對比分析，通過對數(shù)據(jù)變化趨勢的分析進行故障的自主預測，及早發(fā)現(xiàn)問題，采取措施。

圖2 能源管理系統(tǒng)基本組成

能源管理發(fā)展的終極目標是在完全不依賴地面的情況下，實現(xiàn)空間飛行器能源的自主、合理、可靠分配。

3 我國能源管理技術發(fā)展所面臨的瓶頸

隨著航天技術的不斷發(fā)展，長期在軌駐留空間站、深空探測器等進入我國航天工程發(fā)展戰(zhàn)略。空間站在許多方面不同于以往的航天器，其由多個航天器在軌組建而成，具有功率需求大、壽命長、組合狀態(tài)多、構型復雜、可在軌維修等特點，能源的高效合理利用、高精度的性能預計等成為亟需解決的問題之一；而對于深空探測器，實現(xiàn)長時間運行下的能源自主管理以及故障狀態(tài)下的通路重構尤為重要。而目前國內(nèi)空間飛行器能源管理多針對單機，特別是蓄電池的自主充放電管理，缺少對整個能源系統(tǒng)的安全建模、健康狀態(tài)預測、故障的診斷和重構以及整器級的動態(tài)能源調(diào)度和負載優(yōu)先級管理。要實現(xiàn)能源自主管理，還需解決以下問題：

(1)能源預計及評估

能源系統(tǒng)狀態(tài)確定是實現(xiàn)能源管理的基礎，而目前針對空間飛行器能源系統(tǒng)狀態(tài)的檢測只局限于通過有限的傳感器進行粗略的預估，如通過熱敏電阻檢測太陽電池溫度是否滿足預定要求，用霍爾傳感器檢測太陽電池、蓄電池組的供電電流確定其供電狀態(tài)是否正常，及文獻[4]中通過檢測蓄電池組的開路電壓對蓄電池組剩余容量進行大致估計等，上述措施僅僅能滿足能源系統(tǒng)工作狀態(tài)及簡單電路控制的需求，而對于實現(xiàn)能源自主管理是遠遠不夠的。能源管理系統(tǒng)不僅要能對當前工作狀態(tài)進行判斷，還要能對能源系統(tǒng)的后續(xù)性能及壽命進行預知，才能做到全任務周期內(nèi)的“精準”管理。因此對能源系統(tǒng)性能衰減和壽命進行預計，根據(jù)結果對能源系統(tǒng)的供電能力進行評估，為能量調(diào)配和決策提供支持也是實現(xiàn)能源自主管理亟需解決的問題。

要進行能源系統(tǒng)的性能和壽命預計，必須建立相應的預計模型。模型可通過以下方式獲得：模擬空間環(huán)境，開展能源(含太陽電池、蓄電池組等)各工況下的壽命試驗，分析試驗過程中的數(shù)據(jù)，對影響性能輸出和壽命的主要因素進行分析，結合能源自身的參數(shù)檢測，確定性能及壽命預計的模型，再通過加速試驗對模型進行驗證，保證其預計的正確性。

(2)能源的自主管理策略

以往空間飛行器對能源管理的實現(xiàn)大多通過數(shù)管計算機或地面實現(xiàn)，能源自主管理則意味著能源系統(tǒng)有了自己的“大腦”，可以根據(jù)能源狀態(tài)以及從數(shù)管計算機獲取的任務信息進行自己的判斷?？臻g飛行器工況復雜、負載多樣，且能源系統(tǒng)全周期內(nèi)運行的邊界條件存在很多不確定性，制定策略并實現(xiàn)策略是能源自主管理的難題之一。

實現(xiàn)能源自主管理，需要根據(jù)任務階段和電氣負載配置確定不同階段的負載優(yōu)先級列表，對全壽命周期中能源及負載的狀態(tài)進行分析，確定每種工況及狀態(tài)下的能源動態(tài)調(diào)度策略，根據(jù)當前能源供給、任務階段、負載狀態(tài)按負載優(yōu)先級進行供電或斷電，保證能源利用的合理、高效。

(3)能源系統(tǒng)的故障診斷和重構

由于空間環(huán)境復雜，空間飛行器長期在軌運行期間易發(fā)生故障。如何迅速判定故障區(qū)域及故障性質(zhì)，通過系統(tǒng)重構使故障得以消除或減弱，也是實現(xiàn)能源自主管理必須攻克的關鍵技術。以往空間飛行器在能源系統(tǒng)的故障重構方面的研究很少，文獻[1]提出了利用配電矩陣實現(xiàn)配電通路的重構，文獻[5]則主要利用多母線間的冗余切換保證供電的可靠，其實無論哪種方式，都必須解決兩個問題：故障的精確定位及重構的策略。

要實現(xiàn)故障的精確定位，就需要對能源系統(tǒng)的故障模式的機理和影響進行深入分析，并通過試驗確定每種故障模式下對應的各參數(shù)狀態(tài)及故障表征，建立故障專家?guī)?，使故障模式、參?shù)狀態(tài)、對能源供給的影響形成一一對應。針對每種模式及狀態(tài)開展分析，以保證飛行器工作正常為目標確定通路重構的需求，對于確定的重構需求制定相應的重構策略。

4 結束語

能源自主管理是空間飛行器能源系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，對于在軌運行空間站、深空探測等領域發(fā)展都具有重要的意義。本文從能源管理技術的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，提出了能源管理系統(tǒng)的一般組成，分析了我國開展能源管理技術所面臨的瓶頸，可為相關專業(yè)開展能源管理研究提供有益參考。

[1]楊亞紅，喬衛(wèi)新，徐慧棟，等.我國空間站能源管理系統(tǒng)方案設想[J].載人航天，2013，19(3)：22-27.

[2]方國隆，張玉花，馬季軍.“神舟”號載人飛船電源分系統(tǒng)的研制[J].上海航天，2003(5)：11-17.

[3]李平京，宋政吉，譚強，等.長期在軌衛(wèi)星的天地一體化運行管理系統(tǒng)框架研究[J].飛行器測控學報，2007，26(6)：1-6.

[4]安曉雨，譚玲生.空間飛行器用鋰離子蓄電池儲能電源的研究進展[J].電源技術，2006，30(1)：70-73.

[5]劉宏泰，王林濤，魏傳鋒，等.天宮一號與載人飛船組合體能源管理設計與驗證[J].中國科學，2014，44(2)：125-130.

Developmentsurvey of energymanagement for space aircraft

YANG You-chao，LIHai-wei，ZHAO Yan，XU Hai-yun，ZHANG Xiang
(China Academe ofLaunch Vehicle Technology R&D Center，Beijing 100076，China)

The domestic and foreign developmentof energymanagementwas described;the general com pose and work forms were put forward.Based on the development and application，the choke point for deeply developmentof the energymanagementwas presented and the approach was studied.

space aircraft;energymanagement;development

TM 619

A

1002-087 X(2016)07-1529-03

2015-12-02

楊友超(1979—)，男，山東省人，高級工程師，碩士，主要研究方向為電源及配電技術。