馬季軍，何小斌，涂 浡

（上海空間電源研究所，上海 200245）

0 引言

1992 年，中國載人航天工程列入國家計劃，成為中國高科技領(lǐng)域的標志性工程之一［1-3］。按照規(guī)劃載人航天執(zhí)行“三步走”的戰(zhàn)略：第1 步是發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程，開展空間應用試驗，隨著我國第一名航天員楊利偉于2003 年10 月16 日安全返回，中國載人航天工程取得歷史性突破；第2 步是在第一艘載人飛船發(fā)射成功后突破載人飛船和空間飛行器的交會對接技術(shù)，并利用載人飛船技術(shù)改裝、發(fā)射空間實驗室，解決有一定規(guī)模、短期有人照料的空間應用問題，天宮一號（TG-1）飛行器先后成功與神舟八號、神舟九號載人運輸飛船完成了空間交會對接，標志著我國空間交會對接技術(shù)取得重大突破；第3 步就是建造長期有人駐留的空間站，解決有較大規(guī)模的、長期有人照料的空間應用問題，當前已全面轉(zhuǎn)入空間站在軌建造任務階段。

載人航天電源系統(tǒng)負責在發(fā)射場待發(fā)段、發(fā)射段、上升段、運行段等各個階段向飛行器安全、可靠地提供連續(xù)、間斷和瞬間的電能。載人航天電源系統(tǒng)是迄今為止國內(nèi)獨立研制的最復雜、功率最大、壽命最長的低軌高壓電源系統(tǒng)。研究人員在綜合當時空間電源研制成果的基礎(chǔ)上，集中國內(nèi)優(yōu)勢力量，獨立自主、刻苦攻關(guān)，突破了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，取得多項重大科技創(chuàng)新成果［4-5］，引領(lǐng)我國空間電源技術(shù)的跨越式發(fā)展。

1 載人航天電源系統(tǒng)組成

1.1 載人飛船電源系統(tǒng)

神舟載人飛船電源系統(tǒng)由主電源、應急電源、返回著陸電源和火工品電源4 種電源組成，具體組成如圖1 所示［5-6］。

圖1 神舟飛船電源系統(tǒng)組成Fig.1 Power system of Shenzhou spacecraft

圖1 中，主電源采用光伏電源系統(tǒng)，母線電壓為28 V 體制，額定功率1 800 W。由太陽電池陣、鎘鎳蓄電池組、母線電壓調(diào)節(jié)、蓄電池充電控制、對日定向等幾部分組成；應急電源為獨立配置的鋅銀電池組，在主電源發(fā)生故障或出現(xiàn)峰值負載時，接入與主電源存活部分并網(wǎng)供電或獨立供電，滿足載人飛船應急飛行用電需求。

1.2 目標飛行器電源系統(tǒng)

TG-1 飛行器作為我國載人航天工程第2 步研制的新一類飛行器［7］，采用低軌100 V 高壓母線電源系統(tǒng)，儲能電池采用了重量功率比相對較高、充放性能較好的氫鎳蓄電池太陽電池翼，采用了耐原子氧和絕緣性好、以玻璃纖維為主體的半剛性基板，配備發(fā)電效率28%的三結(jié)砷化鎵電池片。電源系統(tǒng)額定功率3 500 W，設計壽命2 a。TG-1 目標飛行器電源系統(tǒng)組成如圖2 所示。

圖2 TG-1 目標飛行器電源系統(tǒng)組成圖Fig.2 Power system of TG-1 target spacecraft

1.3 貨運飛船電源系統(tǒng)

貨運飛船電源系統(tǒng)充分繼承TG-1 產(chǎn)品研制技術(shù)，由半剛性太陽電池翼、儲能蓄電池組、母線電壓調(diào)節(jié)、蓄電池充放電控制、對日定向功能組成；母線電壓為100 V 體制，額定供電能力2 700 W，并首次在低軌高壓體系上使用鋰離子蓄電池，具體組成如圖3所示。

圖3 天舟一號貨運飛船電源系統(tǒng)組成Fig.3 Power system of Tianzhou-1 cargo spacecraft

1.4 空間站電源系統(tǒng)

空間站電源系統(tǒng)采用光伏系統(tǒng)方案，是目前國內(nèi)最復雜、功率最大、壽命最長的新一代低軌高壓100 V 電源系統(tǒng)。空間站電源系統(tǒng)由核心艙、實驗艙I 和實驗艙II 構(gòu)成，每艙均包括太陽電池翼、對日定向機構(gòu)、儲能蓄電池、功率調(diào)節(jié)設備［8］。計壽命

15 a，在軌可維修、可更換、可擴展［9］，具體組成如圖4 所示?？臻g站電源系統(tǒng)規(guī)模龐大，采用多功率通道架構(gòu)，各功率通道相對獨立，通過配電網(wǎng)絡實現(xiàn)不同級別的負載調(diào)配供電。每個功率通道又采用多機組配置，以提高功率通道供電的可靠性。

圖4 空間站電源系統(tǒng)組成Fig.4 Power system of space station

2 載人航天電源系統(tǒng)主要特點

2.1 嚴酷的低地軌道運行環(huán)境

載人航天器的軌道高度一般在300～400 km。這個高度范圍處于等離子體稠密、溫度交變頻繁、原子氧密集的運行環(huán)境，設計時需充分考慮原子氧、等離子體、輻照等影響。尤其是太陽電池翼，需經(jīng)受頻繁的高低溫沖擊，同時頻繁的充放電對儲能蓄電池的工作壽命、熱設計也提出了更大挑戰(zhàn)。

2.2 復雜的電源系統(tǒng)構(gòu)型

載人航天器電源系統(tǒng)是國內(nèi)航天器中構(gòu)成種類最復雜的電源系統(tǒng)，在軌組合構(gòu)型多、構(gòu)型復雜。為滿足載人航天器的待發(fā)段、上升段、自主飛行段、在軌組合體、返回著陸段及留軌段的工作需求和可靠性保障，電源系統(tǒng)就需要配置由不同類型電源共同構(gòu)成的復合系統(tǒng)，且需在多機組之間、多艙段之間、組合體航天器之間采用并網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)能量調(diào)配，優(yōu)化能源使用，提高故障應對靈活性。

2.3 高可靠、高安全性的要求

電源系統(tǒng)可靠供電是其他系統(tǒng)正常工作的前提，它直接關(guān)系到航天員的安全。載人航天器電源系統(tǒng)關(guān)鍵功能遵循“一重故障正常工作，二重故障降級使用，三重故障母線安全”的原則設計［6，10］，并配置可靠的應急蓄電池電源，在主電源一旦故障后，啟用應急電源安全返回。

2.4 在軌可維修、可更換

空間站在軌飛行10 a，具備延壽到15 a 的能力，長期有人駐留，為設備的在軌維修和更換提供了便利的條件。電源系統(tǒng)的儲能電池需采用在軌更換的方法，以降低對充放電循環(huán)次數(shù)的需求。電源系統(tǒng)的艙外大型太陽電池翼處于艙外微流星、空間碎片的環(huán)境，15 a 運行可能會造成局部受損，需要由航天員結(jié)合大型機械臂對受損部位進行維修和更換等。

3 載人航天電源系統(tǒng)的主要技術(shù)成就

從載人飛船的論證開始到每一艘飛船的改進和創(chuàng)新，從TG-1 的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)再到當前開展得如火如荼的空間站建造，電源系統(tǒng)經(jīng)歷了載人航天工程I 期、II 期和III 期多次技術(shù)革新，引領(lǐng)空間電源技術(shù)的進步。

3.1 電源系統(tǒng)架構(gòu)

載人航天工程電源系統(tǒng)從載人I 期的整船輸出功率1.35 kW 發(fā)展到III 期的整艙輸出功率27 kW，隨著功率的提高，母線電壓由載人I 期的28 V 體系發(fā)展到III 期的100 V 體系。

3.1.1 28 V 低壓電源系統(tǒng)

神舟飛船電源系統(tǒng)主電源母線調(diào)節(jié)釆用28 V全調(diào)節(jié)母線方案，突破了多電源高可靠并網(wǎng)控制、高效硅背場太陽電池、諧波傳動的新型驅(qū)動機構(gòu)及長濕荷電壽命的銀鋅蓄電池等關(guān)鍵技術(shù)，是當時國內(nèi)飛行器中構(gòu)成種類最復雜的電源系統(tǒng)，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 神舟飛船電源系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.5 Topology structure of power system for Shenzhou spacecraft

3.1.2 100 V 高壓電源系統(tǒng)

TG-1 飛行器電源系統(tǒng)為國內(nèi)首個自主研制的低軌100 V 高壓大功率電源系統(tǒng)，創(chuàng)新突破高壓母線及防護、半剛性太陽電池翼、低軌國產(chǎn)氫鎳電池以及國產(chǎn)化高壓器件及組件的空間環(huán)境驗證等技術(shù)，解決了電源系統(tǒng)低軌高壓安全性、可靠性及長壽命設計難題，系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 TG-1 飛行器電源系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.6 Topology structure of power system for TG-1 spacecraft

3.1.3 新一代100 V 高壓電源系統(tǒng)

空間站電源系統(tǒng)是國內(nèi)目前在研系統(tǒng)最復雜、功率最大、壽命最長的新一代低軌高壓100 V 電源系統(tǒng)，是空間站“四大關(guān)鍵攻關(guān)技術(shù)”中難度之最，創(chuàng)新突破大面積柔性太陽翼及柔性控制、雙自由度對日定向、多飛行器并網(wǎng)、低軌空間環(huán)境防護、在軌維修與更換等技術(shù)瓶頸，總功率達27 kW?？臻g站電源系統(tǒng)采用多母線、多機組、多艙段并網(wǎng)的總體方案。核心艙、實驗艙I 和實驗艙II 電源系統(tǒng)均配置兩條母線，在軌組合體狀態(tài)下，母線間可通過并網(wǎng)控制器進行功率并網(wǎng)調(diào)配，滿足在軌各種工況下的安全可靠供電，如圖7 所示。

圖7 空間站電源系統(tǒng)基本架構(gòu)Fig.7 Topology structure of power system for space station

3.2 太陽電池翼

載人航天電源系統(tǒng)太陽電池翼由I 期的剛性太陽電池陣、II 期的半剛性陣發(fā)展到III 期的柔性大面積可展收太陽電池翼，實現(xiàn)了高效率、大面積柔性太陽電池翼國內(nèi)首次完全自主研制。太陽電池電路也從14.8%轉(zhuǎn)換效率的硅電池、28%效率的砷化鎵太陽電池，發(fā)展到30%效率的高效多結(jié)砷化鎵太陽電池，為后續(xù)型號的選用提供了飛行驗證。

3.2.1 剛性太陽電池陣

載人飛船電源系統(tǒng)采用剛性太陽電池陣，如圖8 所示，配備平均光轉(zhuǎn)換效率14.8%的高效背場硅太陽電池片，遠高于當時其他衛(wèi)星12%左右的光電轉(zhuǎn)換效率，有效地減少了帆板的面積和質(zhì)量，使我國光電電池的效率水平上了一個臺階［5］。為防止局部遮擋產(chǎn)生熱斑，在電池片上集成了旁路二極管。上述高效背場和集成旁路二極管電池技術(shù)已在后續(xù)的通信衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星等中得到廣泛應用。

圖8 神舟飛船剛性太陽電池陣Fig.8 Rigid solar array for Shenzhou spacecraft

3.2.2 半剛性太陽電池陣

TG-1 飛行器太陽電池翼通過“基板網(wǎng)格面板成型工藝”攻關(guān)，確定了耐原子氧和絕緣性好的碳纖維框架加玻璃纖維網(wǎng)格的半剛性結(jié)構(gòu)形式，這是我國航天器高壓半剛性太陽電池翼的首次應用；并選用了光電轉(zhuǎn)換效率28%的三結(jié)砷化鎵太陽電池，這也是其首次大批量使用，數(shù)量達到14 000 多片。TG-1 飛行器半剛性太陽電池陣如圖9 所示。

圖9 TG-1 飛行器半剛性太陽電池陣Fig.9 Half-rigid solar array for TG-1 spacecraft

3.2.3 大面積柔性太陽電池翼

空間站電源系統(tǒng)采用重量輕、可折疊、收攏體積小的柔性太陽電池翼，如圖10 所示，每套太陽電池翼采用鉸接式伸展機構(gòu)支撐雙邊柔性陣方案，配備發(fā)電效率30%的三結(jié)砷化鎵太陽電池，實現(xiàn)空間發(fā)電的跨越式發(fā)展［11-12］。針對空間站所處的空間環(huán)境特點和長壽命要求，開展了柔性太陽電池陣空間環(huán)境適應性在軌綜合驗證，全面系統(tǒng)分析了低軌道等離子體環(huán)境對高電壓柔性太陽電池陣的影響，提出柔性太陽電池陣等離子體環(huán)境適應性在軌監(jiān)測方案，確保太陽電池陣在軌安全可靠運行。

圖10 空間站可展收柔性太陽電池翼Fig.10 Deployable flexible solar array for space station

對日定向機構(gòu)設計具有主/備模式的雙回轉(zhuǎn)支撐機構(gòu)（Trundle Bearing Assembly，TBA）面對面串聯(lián)總體構(gòu)型，如圖11所示。它采用帶惰輪結(jié)構(gòu)的滾環(huán)進行高壓大功率電傳輸，采用驅(qū)動鎖定機構(gòu)驅(qū)動末端大型直齒輪副的機械傳動，使太陽電池翼有兩個互相正交的旋轉(zhuǎn)軸，而實現(xiàn)兩個維度的對日定向和發(fā)電能力最大化。

圖11 空間站雙自由度對日定向機構(gòu)Fig.11 Two degrees of freedom sun-tracking mechanisms for space station

3.3 儲能蓄電池

載人航天電源系統(tǒng)儲能電池由I 期的鎘鎳蓄電池、II 期的氫鎳蓄電池發(fā)展到III 期的第三代空間用鋰離子蓄電池，實現(xiàn)了儲能電池的更新?lián)Q代。

3.3.1 鎘鎳蓄電池

神舟飛船儲能電池配套的是第一代空間儲能電池——鎘鎳蓄電池［13］，如圖12 所示，容量達到70 Ah，填補當時國內(nèi)大容量貯能電源的空白。鎘鎳蓄電池組充電采用電壓溫度補償（V-T）為主、安時（Ah）容量為輔的冗余控制方式，充分利用充電陣太陽電池的恒流段，以0.5 C 充電倍率直接對蓄電池組充電，圓滿完成了飛船首次返回、首次載人飛行、首次無人交會對接、首次載人交會對接等重要任務。

圖12 神舟飛船鎘鎳蓄電池Fig.12 Cadmium-nickel battery for Shenzhou spacecraft

3.3.2 氫鎳蓄電池

TG-1 飛行器配套第二代空間儲能電池——氫鎳蓄電池如圖13 所示，容量40 Ah，電壓33.2～44.8 V，圓滿地完成了交會對接等重要任務。它的特點是采用耐高溫強堿的無機隔膜，具有優(yōu)異的壽命性能［14］。TG-1 飛行器氫鎳電池采用P-T 和安時控制相結(jié)合的控制方式，提高了氫鎳電池充電控制的準確性，可有效減少氫鎳電池發(fā)熱，提高電池充放電循環(huán)壽命。

圖13 TG-1 目標飛行器氫鎳蓄電池Fig.13 Nickel-metal hybrid battery for TG-1 target spacecraft

3.3.3 鋰離子蓄電池

神舟七號伴隨衛(wèi)星開創(chuàng)載人航天首次使用鋰電的歷史［15］，擁有2 700 W 功率的天舟一號首次采用低軌高壓大容量鋰電，標志著我國空間電源邁向高壓鋰電時代。

空間站儲能電池采用了第三代空間儲能電池——鋰離子蓄電池。為提高大容量高壓鋰離子電池組安全性，首次采用具有更高安全性的陶瓷隔膜單體，其外形及性能如圖14 所示。在單體發(fā)生內(nèi)短路時，即使隔膜的有機物底膜發(fā)生熔化，無機涂層仍然能夠保持一定完整性，有效防止大面積正/負極短路現(xiàn)象的出現(xiàn)。同時，電池組模塊采用箱體式高安全性結(jié)構(gòu)設計，內(nèi)部加入由環(huán)氧玻璃布層壓板和鋁蜂窩材料組成的電池間隔片，既能夠保證單體間的絕緣，又能夠降低蓄電池單體的爆破壓力，減小蓄電池單體故障造成的影響，提高蓄電池模塊的安全性。

圖14 陶瓷隔膜單體外形及性能圖Fig.14 Shape and performance diagrams of ceramic diaphragm monomer

3.4 高可靠并網(wǎng)控制技術(shù)

載人航天器在軌組合構(gòu)型多、構(gòu)型復雜，電源系統(tǒng)不僅需要配置不同類型電源，而且需要在多機組之間、多艙段之間、組合體航天器之間采用并網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)能量調(diào)配，以優(yōu)化能源使用，提高故障應對靈活性。

神舟飛船參與并網(wǎng)的4 種電源各不相同，為實現(xiàn)不同種類、不同艙段電源的并網(wǎng)，電源系統(tǒng)在設計上采用了確定并網(wǎng)順序、電源電壓分配技術(shù)、并網(wǎng)電流分配技術(shù)、電源安全性保護等措施，實現(xiàn)了飛船電源系統(tǒng)異構(gòu)電源的并網(wǎng)供電［5-6］。

神舟飛船與目標飛行器采用了三機組并網(wǎng)供電方案，突破三機組均流并網(wǎng)控制、三機組故障重構(gòu)和多機組與銀鋅蓄電池組并網(wǎng)比例輸出控制等技術(shù)，并通過了神舟八號飛船與TG-1 目標飛行器組合體飛行驗證，如圖15 所示［16］。

圖15 TG-1 目標飛行器與神舟飛船并網(wǎng)方案Fig.15 Grid connected power supply scheme between TG-1 and Shenzhou spacecrafts

空間站并網(wǎng)供電是指各艙段對接組合后通過電源變換技術(shù)和管理技術(shù)實現(xiàn)多艙間能量的流動，使空間站有限的能量得到科學、合理的分配，是實現(xiàn)多電源系統(tǒng)電能傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，具有供電功率大、多電源系統(tǒng)集成、可靠性高和可人工干預等特點，采用“電源管理+智能并網(wǎng)控制器”的供電方案［16］，涉及大功率DC/DC 變換、能源管理、測量、控制及通信等諸多技術(shù)。

3.5 在軌可維修、可更換

可維修性技術(shù)是空間站的重要特點之一，通過維修更換電源設備，達到提高并延長整個空間站的運行壽命。在軌可維修性設計與地面產(chǎn)品的可維修性設計不同，要受到空間環(huán)境、航天員操作能力、空間站存儲空間、維修工具和后勤保障能力等因素的特殊限制，需要從概念定義、指標分配及評價體系、維修策略、工具設計、維修性虛擬仿真及驗證等方面開展研究。

為此，電源系統(tǒng)開展了系統(tǒng)及單機維修性設計、研制及試驗等工作。航天員使用通用拆裝電動工具安裝太陽電池翼螺釘示意圖如圖16 所示，當固定安裝螺釘后，機械臂與太陽電池翼分離?？筛鼡Q鋰電池組如圖17 所示，保證了蓄電池組組裝、操作、拆卸、更換等過程的安全性。維修試驗驗證和工效學評價結(jié)果表明，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、接口、界面等滿足維修操作和工效學要求，維修加斷電流程合理有效，維修過程安全可靠［17］。

圖16 航天員安裝太陽電池翼螺釘Fig.16 Astronaut installation of solar array screws

圖17 可更換鋰電池組Fig.17 Replaceable lithium-ion battery

4 載人航天電源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢

載人月球探測是我國繼空間站完成后發(fā)展載人航天新的發(fā)展目標。在我國載人航天工程和月球探測工程之后，我國基本具備了實施以月球為代表的載人深空探測的技術(shù)條件［18］。

圍繞我國載人月球探測任務特點，要求能源系統(tǒng)更具高效輕量化、可控性和彈性，傳統(tǒng)飛行器的太陽電池陣+蓄電池組的單一能源結(jié)構(gòu)難于滿足任務需求。為此，載人月球探測電源系統(tǒng)技術(shù)起點要高，重點發(fā)展和試驗以高承載柔性可展收太陽電池翼、空間可再生氫氧燃料電池、空間核電源等為代表的與月面極端環(huán)境（?180 ℃，+165 ℃）匹配耦合的新一代能源技術(shù)，引領(lǐng)我國空間電源學科發(fā)展方向和技術(shù)跨越［19］。

4.1 多源協(xié)同分布式電源系統(tǒng)技術(shù)

載人月球探測能源系統(tǒng)任務多樣，實施環(huán)境復雜，系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)（如圖18 所示），由多個自主運行的分布式能源子站構(gòu)成。各子站間既相互獨立，完成特定構(gòu)建階段、特定任務的能源供給，又具備拓展以及并網(wǎng)供電能力，“即插即用”，滿足任務分階段、分步驟、模塊化構(gòu)建要求。

圖18 多源協(xié)同分布式發(fā)電組成Fig.18 Schematic diagram of multi-source cooperative distributed generation

根據(jù)任務需求和總體方案分析，從功率流和信息流兩個維度開展分布式高效能源系統(tǒng)架構(gòu)設計、多能源高效接入、并網(wǎng)供電和功率調(diào)控、通用模塊化構(gòu)建及系統(tǒng)運行保護與應急保障等技術(shù)研究，提升能源系統(tǒng)運行可靠性和自主運行效能。

4.2 柔性太陽電池陣技術(shù)

太陽電池陣作為載人月球探測任務的主能源，廣泛應用于相關(guān)飛行器和月面設施，輕量化和高效率是太陽電池陣的基本要求。柔性太陽電池陣與剛性、半剛性太陽電池陣相比，質(zhì)量比功率和體積比功率優(yōu)勢明顯［11］，是載人登月太陽電池陣的首選形式，如圖19 所示。

圖19 柔性太陽翼與二維展開薄膜陣收攏與展開構(gòu)型圖Fig.19 Packed and deployed configurations of flexible solar arrays and two-dimensional expanded thin-film arrays

針對載人月球任務大面積太陽電池陣應用需求，重點開展柔性太陽電池陣系統(tǒng)設計、高效薄膜砷化鎵太陽電池、空間環(huán)境防護、大面積組陣及展開、功率傳輸?shù)燃夹g(shù)研究，突破高效薄膜砷化鎵集成內(nèi)聯(lián)、全柔性一體化復合技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，支撐未來載人月球基地新型能源系統(tǒng)發(fā)展。

4.3 空間核電源技術(shù)

月面長達14 個地球日月夜，月夜溫度接近?180 ℃，如何實現(xiàn)能源有效供給是載人月面長期駐留與活動的基礎(chǔ)。放射性同位素電源具有不依賴太陽光照、輸出電功率?。ǎ? kW）、大量熱需要耗散、壽命長、可靠性高等特點，可解決無光照條件下的小功率供給以及設備保溫（如圖20 所示）。核反應堆電源（如圖21 所示）則是未來月球開發(fā)和利用超大功率（＞50～100 kW）任務需求的終極能源形式［20］。

圖20 同位素核電源組成Fig.20 Isotopic nuclear power supply

圖21 核反應堆供能模塊Fig.21 Nuclear reactor energy supply module

國內(nèi)空間核電源技術(shù)起步較晚，多為關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)或者原理驗證，還需要突破工程化等一系列問題。為了適應載人月球任務需求，需要開展空間用核反應堆電源技術(shù)研究，重點解決耐高溫燃料與材料、廢熱排放方式、輻射屏蔽模式、空間核反應堆電源的應用安全等關(guān)鍵技術(shù)。

4.4 空間燃料電池技術(shù)

燃料電池是一種將燃料和氧化劑的化學能通過電極直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置?？臻g燃料電池以氫氧燃料電池為主，可分為空間氫氧燃料電池和空間再生燃料電池。針對載人月球探測飛行器、宇航員落月、月表活動、長期駐留等能源消耗需求，重點開展空間氫氧再生型燃料電池綜合利用研究（如圖22 所示），包括產(chǎn)物水回收循環(huán)與生保供給、反應熱作為低溫推進劑加熱能源和飛行器環(huán)控加溫能源、飛行器氫氧儲箱自蒸發(fā)氫氧氣加溫利用、電解氫氣與生保系統(tǒng)二氧化碳合成甲烷方案等。

圖22 太陽電池、燃料電池、生保與熱控一體化系統(tǒng)Fig.22 Integrated system of solar cell，fuel cell，life support，and thermal control

4.5 月球原位資源發(fā)電技術(shù)

月球上含有豐富的能源和礦產(chǎn)資源，太陽能和氦-3 等都是地球能源之外的重要補充與額外儲備。月球原位資源發(fā)電技術(shù)是指根據(jù)月球的地質(zhì)地貌、環(huán)境等特點，利用月面資源、原材料等將其他形式能量轉(zhuǎn)化為電能為負載供電，如圖23 所示。月球原位資源發(fā)電技術(shù)減少了對地球供給的依賴，給任務執(zhí)行和資源保障模式帶來突破性改變，增強空間自給自足能力，它是人類真正走出地球、邁向深空并可持續(xù)發(fā)展過程中必不可少的基礎(chǔ)之一［21］。

圖23 月球原位資源發(fā)電技術(shù)Fig.23 In-situ power generation technology for lunar resources

4.6 廣域多特性負載能量補給技術(shù)

廣域多特性負載能量補給技術(shù)是指根據(jù)機器人、月球車、作業(yè)設備等不同負載的用電模式、工作環(huán)境等因素，考慮與月面供電站間距離遠近，從功率、作用距離、效率、復雜度、可行性等多方面，利用無線能量傳輸技術(shù)快速、方便實現(xiàn)能量補給。目前，實現(xiàn)無線能量傳輸方式主要有：感應耦合、磁場共振、微波和激光，可提供近、中、遠不同距離上的解決方案。無線傳能技術(shù)克服了電接觸的不穩(wěn)定性、電氣設備移動的局限性等問題，但傳輸效率低于有線傳輸。為此，需要從無線傳能的能量產(chǎn)生、投送、接收整流轉(zhuǎn)換以及傳能系統(tǒng)與環(huán)境的兼容協(xié)同等共性環(huán)節(jié)出發(fā)，突破能量在傳送過程中的效率瓶頸。

5 結(jié)束語

載人航天電源系統(tǒng)是一個龐大的系統(tǒng)工程，狀態(tài)復雜、可靠性要求高、技術(shù)難度大，系統(tǒng)充分利用了現(xiàn)代能源技術(shù)的最新成果，輸出功率從載人I 期的整船1.35 kW 發(fā)展到III 期的整艙輸出功率27.0 kW。隨著功率的提高，母線電壓由載人I 期的28 V 體系變化到III 期的100 V 體系；太陽電池翼由I 期的14.8%效率硅太陽電池、單自由度對日定向、剛性陣發(fā)展到III 期的30%效率三結(jié)砷化鎵、雙自由度對日定向、柔性大面積可展收太陽電池翼；儲能電池由I 期的鎘鎳蓄電池、II 期的氫鎳蓄電池發(fā)展到第三代空間用鋰離子蓄電池；以及首次采用在軌可維修、可更換技術(shù)，體現(xiàn)了載人航天電源系統(tǒng)的先進性、創(chuàng)新性和引領(lǐng)性。載人航天電源系統(tǒng)技術(shù)及應用成果為后續(xù)空間站運營、載人月球探測任務研制奠定了堅實基礎(chǔ)，為航天電源技術(shù)的發(fā)展提供了十分寶貴的經(jīng)驗。