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        商業(yè)航天電源系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和展望

        2023-08-28 19:09:40許薇鄢婉娟黃洪昌
        國際太空 2023年6期
        關(guān)鍵詞:單機蓄電池研制

        許薇 鄢婉娟 黃洪昌

        (1 中電科藍天科技股份有限公司 2 航天東方紅衛(wèi)星有限公司)

        自國務(wù)院發(fā)布《2016 中國的航天》白皮書以后,我國商業(yè)航天領(lǐng)域開始呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢,以商業(yè)遙感衛(wèi)星星座、商業(yè)微小SAR 衛(wèi)星星座、低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星、商業(yè)運載火箭等為代表的商業(yè)航天各領(lǐng)域迅速發(fā)展,推動我國航天產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)新的發(fā)展態(tài)勢。在航天技術(shù)進步的驅(qū)動下,商業(yè)航天規(guī)模化生產(chǎn)成為可能,發(fā)展商業(yè)航天產(chǎn)業(yè),提升航天技術(shù)水平,對支撐我國成為航天強國具有重要意義。商業(yè)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)代航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展的時代所需,引領(lǐng)了一種全新的衛(wèi)星研制生產(chǎn)和運營模式:①衛(wèi)星研制周期短;②多星組網(wǎng)運行,快速部署,需求量大;③成本可控。電源系統(tǒng)是航天器的主要系統(tǒng)之一,為航天器的工作提供能量,是航天器的“心臟”,隨著商業(yè)衛(wèi)星有效載荷能力不斷提升,電源分系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)更要適應新模式[1-3]。

        1 商業(yè)衛(wèi)星電源發(fā)展現(xiàn)狀

        第一代電源系統(tǒng)

        最初商業(yè)衛(wèi)星主要以立方星為主,屬于微小衛(wèi)星,因此,電源系統(tǒng)拓撲也是以微小衛(wèi)星的電源系統(tǒng)為技術(shù)基線,包含了太陽電池陣、蓄電池組和電源控制器(模塊/板)等電源單機產(chǎn)品。我國從21 世紀初就開始了微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)的研制,二十年來的技術(shù)積累和皮納衛(wèi)星研制經(jīng)驗為第一代商業(yè)衛(wèi)星電源系統(tǒng)提供了相對成熟可靠的系列產(chǎn)品和技術(shù),這也為商業(yè)衛(wèi)星得以快速發(fā)展提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

        第一代商業(yè)衛(wèi)星電源系統(tǒng)仍然是太陽電池陣和蓄電池組的拓撲結(jié)構(gòu),大部分為不調(diào)節(jié)母線,其中太陽電池翼多為體裝式或單板展開的形式,基板主要為碳纖維鋁蜂窩基板、鋁合金基板和PCB 板等,面積在1m2以內(nèi),表面貼裝剛性太陽電池片;蓄電池一般為18650 鋰離子電池或者小容量鋰離子電池組成的蓄電池組;電源控制器功能相對中高功率衛(wèi)星相對簡單,一般是一塊電源控制板。

        電源系統(tǒng)的現(xiàn)狀

        基于微小衛(wèi)星規(guī)模小、研制周期短等特點,微小衛(wèi)星一直是航天技術(shù)發(fā)展最快的一個分支,是航天產(chǎn)品智能化和集成化技術(shù)驗證的先行者,這也是對商業(yè)衛(wèi)星電源系統(tǒng)最有利的促進因素。

        近年來,商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量和單次發(fā)射體量日益增長,衛(wèi)星有效載荷也越來越大,已經(jīng)接近甚至超過傳統(tǒng)航天領(lǐng)域的小衛(wèi)星,例如,立方體衛(wèi)星已經(jīng)從體裝式帆板,發(fā)展為多折展開式太陽翼或卷軸式太陽翼,平均功率已近上千瓦,而很多商業(yè)衛(wèi)星的平臺輸出功率最高可達到數(shù)千瓦,因此蓄電池組和電源控制器的能力需要同步增長,電源控制器也從一塊單板升級到了以傳統(tǒng)衛(wèi)星電源控制器為基礎(chǔ)改進的功率調(diào)節(jié)與配電一體化的輕量化電源調(diào)控器。

        商業(yè)航天的產(chǎn)業(yè)化方向更注重其在國民經(jīng)濟中的社會價值和經(jīng)濟效益,追求實用性和高效性,因此低成本高可靠一直是其重要特點和優(yōu)勢所在,同時也是商業(yè)航天所追求的目標和發(fā)展方向。隨著商業(yè)衛(wèi)星的應用領(lǐng)域越來越廣泛,商業(yè)航天作為航天產(chǎn)業(yè)社會化大發(fā)展的一種基本形態(tài),經(jīng)濟屬性、市場屬性、資本屬性也日益突出,并逐漸由單一產(chǎn)業(yè)豐富為多產(chǎn)業(yè)構(gòu)建的引領(lǐng)性產(chǎn)業(yè)綜合體,深度融入社會經(jīng)濟發(fā)展大系統(tǒng)。因此,作為商業(yè)航天的重要分系統(tǒng),電源系統(tǒng)產(chǎn)品需要改變傳統(tǒng)航天研制模式,從技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)測試、物料供給等方面都要開展全新研制和生產(chǎn)模式。

        電源系統(tǒng)面臨的問題

        商業(yè)衛(wèi)星對電源系統(tǒng)設(shè)計的靈活性、高效性和產(chǎn)品一致性提出了嚴格的要求。從產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展來看,要實現(xiàn)高效、輕質(zhì)、低成本目的,提高功率密度;從產(chǎn)品設(shè)計架構(gòu)來看,單機產(chǎn)品從整機設(shè)計逐步趨于標準模塊化、可插拔、可擴展的架構(gòu)設(shè)計,逐步從定制產(chǎn)品的生產(chǎn)模式向批量化貨架產(chǎn)品生產(chǎn)轉(zhuǎn)變。

        (1)產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新性不夠

        國內(nèi)在軌的商業(yè)衛(wèi)星電源系統(tǒng)以及單機產(chǎn)品目前主要以航天技術(shù)中成熟、高可靠技術(shù)為基礎(chǔ),針對各用戶的任務(wù)需求,對現(xiàn)有技術(shù)逐步開展技術(shù)適應性改造和創(chuàng)新。

        (2)產(chǎn)品的集成度不高

        電源系統(tǒng)由單機組成,整體的體積和重量都較大,面對當前商業(yè)衛(wèi)星電源平臺的小型、輕量和高能量密度的需求,還需要進行系統(tǒng)集成技術(shù)的研究和攻關(guān),這也是產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新不夠的表現(xiàn)。

        (3)產(chǎn)品的批產(chǎn)能力不夠

        商業(yè)衛(wèi)星為了實現(xiàn)更高的經(jīng)濟效益和社會效益,都是以星座的形式出現(xiàn),因此需要兼顧實用性與時效性,實現(xiàn)快速部署。而目前國內(nèi)的衛(wèi)星電源系統(tǒng)供應商大多是以傳統(tǒng)航天電源單位為主,生產(chǎn)模式正在逐步從定制化向標準化、模塊化轉(zhuǎn)變,但是與市場需求的快速增長仍然存在差距。

        (4)產(chǎn)品的成本較高

        由于產(chǎn)品的生產(chǎn)體系還不夠健全和完善,還沒有建成完整的標準化、模塊化研制和生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)鏈,因此,產(chǎn)品的成本相對于市場的期望目標還存在較大差距,電源系統(tǒng)成本約占整星成本的10%~15%,也是制約衛(wèi)星成本的重要因素。

        因此,商業(yè)衛(wèi)星電源系統(tǒng)要以用戶需求為導向,發(fā)展公用平臺技術(shù),建立組批生產(chǎn)與測試機制,提升商業(yè)衛(wèi)星的組網(wǎng)速度和質(zhì)量。

        2 商業(yè)衛(wèi)星電源的發(fā)展趨勢

        根據(jù)商業(yè)航天市場低成本、高性價比、快速部署的顯著特點,電源系統(tǒng)單機產(chǎn)品的生產(chǎn)模式要打破原有思想,重新打造一條適合商業(yè)衛(wèi)星市場的產(chǎn)業(yè)化道路,需從以下方面開展工作。

        優(yōu)化電源系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

        高度集成化設(shè)計是公認提高能量密度和減重最有效的途徑,因此將一體化設(shè)計應用于電源系統(tǒng)或者是電源單機產(chǎn)品上,可以徹底打破大衛(wèi)星電源輕小型化的模式,實現(xiàn)“輕裝上陣”。

        (1)太陽翼集成化和柔性化

        開展太陽電池陣和太陽翼結(jié)構(gòu)的一體化集成設(shè)計,實現(xiàn)太陽翼整機綜合性能提升。推進太陽翼柔性輕量化、高收納設(shè)計,實現(xiàn)太陽翼面密度和體積比功率大幅度提升,同時柔性基板的制造成本較剛性基板大幅降低。

        (2)智能化蓄電池包

        為節(jié)省整星資源,提升蓄電池組的能量密度,蓄電池組朝著多功能集成方向發(fā)展,形成智能蓄電池包。開展緊湊型單機智能化設(shè)計,蓄電池包可實現(xiàn)自主充放電管理、自主均衡管理和自主加熱功能管理等功能。

        (3)能源控制器

        開展新型能源控制器拓撲研究,通過供配電系統(tǒng)一體化設(shè)計,有利于電功率的集中處理和傳輸,減少供電、配電兩個環(huán)節(jié)之間的功率損失,提高功率密度。以現(xiàn)有的公用衛(wèi)星平臺為基礎(chǔ),完善不同功率等級衛(wèi)星的電源調(diào)控器型譜,適應不同規(guī)模商業(yè)衛(wèi)星的供電需求,實現(xiàn)快速組裝和批量制造。

        (4)產(chǎn)品設(shè)計規(guī)范化

        對于低成本小衛(wèi)星供配電系統(tǒng),以“標準化、貨架式”產(chǎn)品開發(fā)為指導思想,對產(chǎn)品的電氣接口、機械接口、信息接口等進行系統(tǒng)規(guī)劃,完善專用產(chǎn)品保證體系和設(shè)計規(guī)范,加速實現(xiàn)快速組裝、快速更換和快速批量構(gòu)建的目標。針對同一平臺的供配電設(shè)備,規(guī)定標準的供電接口(即統(tǒng)一母線電壓、輸出路數(shù)、接插件型號等設(shè)計),實現(xiàn)整機或單模塊的插拔式替換。

        降低單機產(chǎn)品的生產(chǎn)成本

        當前國內(nèi)商業(yè)衛(wèi)星關(guān)鍵核心部件依然依托體制內(nèi)的研究院所,暫且沒有實現(xiàn)全商業(yè)化的研制模式及供應鏈條,且體制內(nèi)星上產(chǎn)品的整體成本定價高,并不符合商業(yè)衛(wèi)星低成本的采購需求,因此減低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本是必然之舉。

        (1)適當應用商業(yè)現(xiàn)貨(COTS)器件

        通過地面篩選、抗輻照加固和有效冗余設(shè)計,引入先進COTS 器件或成熟工藝的汽車級或工業(yè)級高性能集成芯片,經(jīng)過地面篩選和環(huán)境試驗摸底,逐步推進低成本器件在軌驗證和應用。通過制定COTS器件篩選機制和商業(yè)衛(wèi)星COTS 優(yōu)選目錄,首選有飛行經(jīng)驗和質(zhì)保的COTS 器件,降低研制成本。

        但是COTS 器件也有它的特點,需要在選用的時候加以慎重考慮。一是生命周期短。COTS 的性能升級符合“摩爾定律”,現(xiàn)在選擇的一款新產(chǎn)品,兩年后就可能會停產(chǎn),所以對于研制周期較長的衛(wèi)星,需要對器件做好充分的鑒定試驗和驗證后,要充分調(diào)研產(chǎn)品的后續(xù)規(guī)劃,或者做好戰(zhàn)略儲備,但是會相應提高儲存成本,因此要綜合各項因素開展選型。二是批次間一致性。宇航級元器件需要經(jīng)過專業(yè)鑒定,鑒定的本質(zhì),是對技術(shù)狀態(tài)變化的管理,COTS 器件沒有這樣的管理程序,從上市到成熟期,會不斷改進技術(shù)和工藝,以降低成本、提升良品率,但這些改進的細節(jié)并不會公開,也不會通知到每個用戶,這些改變對商業(yè)用戶無害,但對航天用戶的影響有時是致命的。三是禁限用工藝。宇航用元器件為了適應太空環(huán)境,對元器件選用有一系列的禁限用工藝,比如為了避免在真空環(huán)境下生長出“錫須”,太空環(huán)境下“純錫”鍍層是被禁止使用的,必須在鍍層合金中摻入5%左右的鉛。但目前絕大多數(shù)COTS 器件的表面鍍層,都采用了環(huán)保的“無鉛工藝”,在太空工作中會引入短路風險[4]。

        (2)建設(shè)批量化產(chǎn)線

        美國太空探索技術(shù)公司(SpaceX)的衛(wèi)星工廠具備設(shè)計、生產(chǎn)、集成、測試的全流程能力,目前國內(nèi)商業(yè)衛(wèi)星的大部分研制單位尚不具備這樣的能力,這也是研制成本高的一個主要原因。商業(yè)衛(wèi)星均為星座,需要標準化產(chǎn)品和規(guī)?;纳a(chǎn)能力,傳統(tǒng)衛(wèi)星的單機大部分還是定制模式,電源系統(tǒng)也一樣,因此要想降低成本,需要通過規(guī)?;a(chǎn)來降低研制單位的制造成本,那么將生產(chǎn)過程自動化或者部分工序自動化是必然發(fā)展趨勢,既能夠解決成本問題,又能夠解決產(chǎn)能問題。目前,已經(jīng)有研制單位正在建設(shè)面對商業(yè)航天的電源單機產(chǎn)品自動化產(chǎn)線,充分借鑒民品行業(yè)成熟的制造技術(shù),結(jié)合航天產(chǎn)品的特有屬性,正在建設(shè)和已經(jīng)建設(shè)完成了太陽電池陣制造的自動化生產(chǎn)、組裝線,鋰離子蓄電池智能生產(chǎn)線、蓄電池組PACK 產(chǎn)線、元器件自動焊接產(chǎn)線等,未來能夠滿足商業(yè)航天領(lǐng)域年產(chǎn)百套電源系統(tǒng)的能力。

        (3)批量產(chǎn)品自動化集成測試

        具備批量生產(chǎn)能力后,自然就需要自動化集成測試來滿足研制需求。對于商業(yè)衛(wèi)星星座,批量產(chǎn)品測試與總裝是總體設(shè)計的重要方面。產(chǎn)品接口標準化是自動化測試與集成的基礎(chǔ),也是實現(xiàn)快速組裝的必要條件。對于電源系統(tǒng),需要在自動化產(chǎn)線實現(xiàn)自動檢測,開發(fā)通用自動化測試系統(tǒng)實現(xiàn)電源單機以及系統(tǒng)測試,減少人為測試失誤;同時,自動化測試系統(tǒng)需要設(shè)計標準的供電接口、供電測試流程和測試平臺,確保供電安全。

        3 結(jié)束語

        因為商業(yè)衛(wèi)星的經(jīng)營模式是產(chǎn)業(yè)化運作模式,所以各分系統(tǒng)的產(chǎn)品也需要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和運行,才能夠跟隨商業(yè)航天發(fā)展的步伐。未來的商業(yè)衛(wèi)星電源系統(tǒng)和單機產(chǎn)品必然是加速推進產(chǎn)品的型譜化和標準化設(shè)計,形成貨架產(chǎn)品;大膽嘗試先進技術(shù)的應用,提升商業(yè)衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計活力。

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