蔣 漢，董 宇，徐澤鋒，張 匡，吳杰玉

（上?？臻g電源研究所，上海 200245）

2007 年10 月，中國第一顆探月衛(wèi)星“嫦娥一號(hào)”（CE-1）成功發(fā)射升空，中國成為世界上具備深空探測(cè)能力的國家之一[1]。探月工程三步走戰(zhàn)略的收官之戰(zhàn)“嫦娥五號(hào)”（CE-5）于2020 年11 月成功發(fā)射，并于12 月攜帶1731 克月球樣品返回地球，實(shí)現(xiàn)我國首次地外天體采樣返回。隨著中國深空探測(cè)計(jì)劃穩(wěn)步推進(jìn)，現(xiàn)階段我國小天體探測(cè)進(jìn)入設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段。我國計(jì)劃通過一次發(fā)射，實(shí)現(xiàn)近地小行星（NEA）伴飛、附著、采樣返回和主帶彗星繞飛，為小天體起源及演化等前沿研究提供科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)和真實(shí)樣品。本文研究分析國內(nèi)外類似深空探測(cè)任務(wù)的探測(cè)器電源系統(tǒng)特點(diǎn)，為我國小天體探測(cè)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 小天體探測(cè)任務(wù)特點(diǎn)

近年來，國內(nèi)外開展深空探測(cè)情況如表1 所示，相比于近地軌道探測(cè)器，小天體探測(cè)器的探測(cè)任務(wù)具有以下變化趨勢(shì)和特點(diǎn)：

表1 國內(nèi)外開展深空探測(cè)情況

1.1 任務(wù)形式更復(fù)雜

深空探測(cè)任務(wù)從過去飛躍探索，到現(xiàn)在的繞飛、附著、采樣返回，向今后偏轉(zhuǎn)、操控、利用發(fā)展。

1.2 探測(cè)距離更遠(yuǎn)

小天體探測(cè)器的近日點(diǎn)位于近地軌道，與太陽的距離小于1.3AU；遠(yuǎn)日點(diǎn)位于分布于火星和木星之間主帶小天體軌道，距離太陽2.0～4.0AU[2]。

1.3 能源需求更高

小天體探測(cè)軌道變化復(fù)雜，大多數(shù)探測(cè)器（“隼鳥號(hào)”“黎明號(hào)”“羅塞塔號(hào)”“貝皮·哥倫布號(hào)”等）都使用具有高比沖、長壽命和高度自主巡航特點(diǎn)[3]的電推進(jìn)方式執(zhí)行巡航階段軌道機(jī)動(dòng)。與此同時(shí)，電推進(jìn)負(fù)載提高對(duì)最大功率的需求，提高母線的電壓等級(jí)。

1.4 環(huán)境差異更大

探測(cè)任務(wù)初末期與太陽距離的大跨度變化，使得探測(cè)器工作的環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度存在更大差異，呈現(xiàn)寬溫度和光照變化范圍。

2 小天體探測(cè)電源系統(tǒng)

2.1 航天器電源系統(tǒng)架構(gòu)

太陽電池陣-蓄電池組聯(lián)合供電電源系統(tǒng)作為首選的典型空間電源系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長、技術(shù)成熟、功率范圍大等特點(diǎn)[4]，其可靠性得到實(shí)際飛行任務(wù)驗(yàn)證，適用于小天體探測(cè)任務(wù)，如圖1 所示。

圖1 航天器太陽電池-蓄電池組聯(lián)合供電拓?fù)?/p>

根據(jù)太陽陣功率調(diào)節(jié)方式不同分為串聯(lián)型功率調(diào)節(jié)器和并聯(lián)型功率調(diào)節(jié)器，前者為峰值功率跟蹤系統(tǒng)（PPT），后者為直接能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（DET）；根據(jù)母線蓄電池充放電模塊配置情況分為全調(diào)節(jié)母線、半調(diào)節(jié)母線和不調(diào)節(jié)母線。

2.2 深空探測(cè)器電源系統(tǒng)特點(diǎn)

不同于近地軌道的探測(cè)器和應(yīng)用衛(wèi)星，小天體探測(cè)器的探測(cè)任務(wù)的特點(diǎn)使其對(duì)電源系統(tǒng)供電保障的各項(xiàng)指標(biāo)提出更高要求[5]，主要體現(xiàn)在：

（1）對(duì)溫度和光強(qiáng)寬變化范圍的適應(yīng)性

探測(cè)距離大幅變化使得探測(cè)器工作的溫度和光強(qiáng)存在較大差異，影響著太陽電池陣輸出伏安特性曲線，太陽陣輸出電壓為寬變化范圍，如表2 所示。

表2 國外小天體探測(cè)器探測(cè)距離和輸出電壓對(duì)比

我國小天體探測(cè)器太陽電池陣預(yù)計(jì)輸出功率如表3所示，太陽陣輸出電壓為77.2V～119.8V，電壓差值為42.6V。因此，要求電源變換器具備溫度和光強(qiáng)的寬變化范圍適應(yīng)性，即具備寬輸入電壓范圍變換能力。

表3 我國小天體探測(cè)器太陽電池陣預(yù)計(jì)輸出功率

（2）高效率和高功率密度

深空探測(cè)受火箭帶載能力的約束，對(duì)電源分系統(tǒng)重量指標(biāo)更為嚴(yán)格。為滿足平臺(tái)負(fù)載需求，電源變換器需滿足高效率和高功率密度。典型深空探測(cè)器電源轉(zhuǎn)換效率如表4 所示，變換器轉(zhuǎn)換效率均在92%以上。因此，要求電源變換器輕量化設(shè)計(jì)，提升重量比功率。

表4 典型深空探測(cè)器電源變換器效率

（3）新型電源系統(tǒng)控制技術(shù)

小天體探測(cè)的軌道呈現(xiàn)出由近及遠(yuǎn)和循環(huán)往復(fù)的特點(diǎn)，如圖2 所示，“羅塞塔號(hào)”任務(wù)期間多次機(jī)動(dòng)改變軌道，探測(cè)器不斷在近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)間切換。同時(shí)，任務(wù)初期和末期的功率差異。我國小天體探測(cè)太陽電池陣輸出功率從初期9700W（0.9AU，132℃）到末期1202W（3AU，-111℃）;“羅塞塔號(hào)”從初期7125W（1AU，50℃）到末期400W（5AU，-130℃）；“黎明號(hào)”從初期10700W（1.0AU）到末期1100（3.0AU）差異明顯。

圖2 深空探測(cè)“羅塞塔號(hào)”任務(wù)軌道變化圖

近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)、初期和末期能源的變化差異，對(duì)傳統(tǒng)并聯(lián)分流調(diào)節(jié)器造成挑戰(zhàn)。通常，并聯(lián)分流調(diào)節(jié)器以環(huán)境能源惡劣端（末期遠(yuǎn)日點(diǎn)）設(shè)計(jì)分流電路，使得變換器的分流模塊在初期近日點(diǎn)大部分處于分流狀態(tài)，能量損耗在分流電阻上。這樣不僅給熱控系統(tǒng)造成壓力，同時(shí)為增加系統(tǒng)可靠性的冗余設(shè)計(jì)提高電源系統(tǒng)質(zhì)量，不適應(yīng)遠(yuǎn)距離探測(cè)任務(wù)。因此，為了提高對(duì)不同太陽電池輸出伏安特性曲線時(shí)功率利用率，采用串聯(lián)型功率調(diào)節(jié)器，并以適當(dāng)策略控制蓄電池充放電功率，需研究新型電源控制技術(shù)。

3 國外小天體探測(cè)器電源系統(tǒng)

根據(jù)國內(nèi)外開展深空探測(cè)情況，對(duì)典型深空探測(cè)電源系統(tǒng)總結(jié)如下。

3.1 “隼鳥號(hào)”“隼鳥二號(hào)”電源系統(tǒng)

“隼鳥號(hào)”的電源系統(tǒng)框圖如圖3 所示，JAXA 后來發(fā)射的“隼鳥二號(hào)”和“拂曉號(hào)”均繼承“隼鳥號(hào)”的電源系統(tǒng)技術(shù)?！蚌励B號(hào)”探測(cè)近地小行星“系川”（Itokawa）并取樣返回。為滿足遠(yuǎn)距離探測(cè)任務(wù)采用功率需求更大的離子電推進(jìn)。同時(shí)，太陽電池伏安特性在初期近日點(diǎn)和末期遠(yuǎn)日點(diǎn)存在較大差異，分別為近日點(diǎn)（1.0AU）2.6kW 和遠(yuǎn)日點(diǎn)（1.4AU）1.4kW。為此，母線功率調(diào)節(jié)方式并未采用成熟的并聯(lián)型諸如S3R、混合型或S4R，而是選用適應(yīng)寬輸入范圍的串聯(lián)型。電源系統(tǒng)基于串聯(lián)型功率調(diào)節(jié)方式設(shè)置雙母線，一條母線給大功率、高電壓電推進(jìn)模塊單獨(dú)供電，另一條母線經(jīng)Buck 降變換器變換為50～52V 母線電壓給平臺(tái)負(fù)載和蓄電池組供電。

圖3 深空探測(cè)“隼鳥號(hào)”電源分系統(tǒng)圖

3.2 “羅塞塔-菲萊”電源系統(tǒng)

“羅塞塔-菲萊”電源系統(tǒng)如圖4 所示，作為首個(gè)彗星附著探測(cè)器，探測(cè)最遠(yuǎn)距離達(dá)5.25AU。探測(cè)器未采用電推進(jìn)，但為滿足寬范圍溫度和光照變化，電源控制器為串聯(lián)型，母線為全調(diào)節(jié)單母線拓?fù)?。在太陽電池陣輸出電壓?2～80V 的范圍下，控制母線電壓為28±0.1V。

圖4 深空探測(cè)“羅塞塔-菲萊”電源分系統(tǒng)圖

3.3 “貝皮·哥倫布”電源系統(tǒng)

“貝皮·哥倫布”電源系統(tǒng)如圖5 所示，探測(cè)器的探測(cè)目標(biāo)為距離太陽最近的水星，任務(wù)進(jìn)行期間探測(cè)器環(huán)境溫度逐漸升高，太陽電池陣的輸出電壓降低，輸出功率增加。為了滿足寬范圍溫度和光照變化，電源控制器采用順序開關(guān)分流最大功率調(diào)節(jié)器（S3RMPR）與串聯(lián)型Weinberg 升壓變換器相接的結(jié)構(gòu)[6]，將并聯(lián)型的S3R 拓?fù)浜痛?lián)型的Weinberg 拓?fù)湎嘟Y(jié)合。既能降低母線的輸出阻抗，減小大功率電推進(jìn)負(fù)載開通關(guān)斷時(shí)母線電壓的紋波，又能利用串聯(lián)型Weinberg 的電壓控制環(huán)，保證變換器寬輸入范圍條件下輸出電壓的穩(wěn)定。新系統(tǒng)架構(gòu)結(jié)合S3R 和Weinberg 的高效率和輕量化的成熟設(shè)計(jì)，具備高達(dá)10kHz 的帶寬，能減小高功率高動(dòng)作頻率的電推進(jìn)負(fù)載對(duì)母線電壓的沖擊。

圖5 深空探測(cè)“貝皮·哥倫布”電源分系統(tǒng)圖

3.4 “嫦娥五號(hào)”電源系統(tǒng)

作為我國探月工程“繞、落、回”三步戰(zhàn)略最后一步的“嫦娥五號(hào)”分為軌道器、著陸器、上升器三部分，其軌道器電源系統(tǒng)框圖如圖6 所示?！版隙鹞逄?hào)”的近地軌道、地月轉(zhuǎn)移軌道和月球軌道相比于小天體探測(cè)的軌道而言距離跨度很小，太陽陣輸出伏安特性曲線差異小，因此采用傳統(tǒng)成熟的并聯(lián)型功率調(diào)節(jié)方式。電源系統(tǒng)設(shè)兩條母線，分別為母線電壓29±1V 的全調(diào)節(jié)母線和23～29V 的不調(diào)節(jié)母線。

圖6 深空探測(cè)“嫦娥五號(hào)”軌道器電源分系統(tǒng)圖

4 結(jié)論和啟示

國內(nèi)外開展的深空探測(cè)電源控制器的比較總結(jié)如表5 所示。

表5 國內(nèi)外電源控制器方案及輸入條件對(duì)比

通過表格的對(duì)比分析，可以得出小天體探測(cè)器的電源控制器啟示如下：

4.1 串/并聯(lián)型供電拓?fù)溥x擇

遠(yuǎn)距離小天體探測(cè)任務(wù)距離跨度大，太陽電池陣輸出電壓即變換器輸入電壓，受光照和溫度影響呈現(xiàn)寬電壓范圍。地球軌道航天器傳統(tǒng)采用的并聯(lián)型供電拓?fù)潆y以兼顧初期近日點(diǎn)和末期遠(yuǎn)日點(diǎn)的供電需求，會(huì)造成分流支路的冗余，增加電源系統(tǒng)質(zhì)量，增加熱控系統(tǒng)的散熱問題。因此，太陽電池陣輸出伏安特性曲線差異大的小天體探測(cè)任務(wù)，需采用串聯(lián)型供電拓?fù)洹?/p>

4.2 母線拓?fù)浜蛿?shù)量選擇

全調(diào)節(jié)、不調(diào)節(jié)和半調(diào)節(jié)母線拓?fù)溥x擇主要影響光照期和地影期母線的電壓波動(dòng)范圍、電磁兼容性（EMC）和輸出阻抗。母線拓?fù)浼軜?gòu)區(qū)別在于蓄電池組與母線間是否配置相應(yīng)的充放電模塊。設(shè)置充放電模塊雖然減小了電能轉(zhuǎn)換效率，但能減小母線電壓紋波、增強(qiáng)EMC 特性、減小母線的輸出阻抗。

母線數(shù)量的選擇主要考慮適應(yīng)不同特性的負(fù)載。電推進(jìn)負(fù)載不同于傳統(tǒng)平臺(tái)負(fù)載，具有大功率和頻繁開關(guān)的特點(diǎn)。雙母線方式下，電推進(jìn)負(fù)載單獨(dú)供電能減小其開通關(guān)斷過程中對(duì)傳統(tǒng)平臺(tái)負(fù)載的影響，同時(shí)高電壓等級(jí)的電推進(jìn)母線能更好滿足其對(duì)大功率的需求。

4.3 變換器拓?fù)溥x擇

串聯(lián)型功率調(diào)節(jié)方式中的變換器連接太陽陣和母線，通常為DC/DC 變換器。當(dāng)前國內(nèi)外深空探測(cè)器在降壓時(shí)采用成熟Buck 和Superbuck 拓?fù)?；升壓時(shí)采用Boost 和Weinberg 拓?fù)?。然而單一的升壓或降壓型拓?fù)湓陔妷鹤儽仍龃髸r(shí)，直接能量傳輸比減小，電壓轉(zhuǎn)換效率降低，同時(shí)限制太陽陣串并聯(lián)數(shù)設(shè)計(jì)的靈活性。因此，隨著深空探測(cè)距離增加，小天體探測(cè)電源系統(tǒng)可采用升降壓型拓?fù)洹?/p>