陳恒智，張 明，劉玥怡，陳乘新

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

2020 年12 月，嫦娥五號(hào)攜帶月面采樣標(biāo)本返回地球，實(shí)現(xiàn)了探月工程“繞、落、回”三期部署的收官之戰(zhàn)。2022 年10 月，隨著空間站第二個(gè)實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射成功，與空間站核心艙對(duì)接形成三艙組合體，標(biāo)志著載人航天三步走戰(zhàn)略在“921”工程提出30 年后圓滿(mǎn)完成。在后續(xù)的航天發(fā)展中這兩大重點(diǎn)工程將會(huì)逐漸地進(jìn)行融合，形成無(wú)人探測(cè)與載人工程的有機(jī)結(jié)合。月球科研站的建設(shè)正是這種結(jié)合的完美體現(xiàn)。2021 年3 月，中俄簽署了合作建設(shè)國(guó)際月球科研站諒解備忘錄，進(jìn)一步推動(dòng)了月球科研站的建設(shè)?？蒲姓镜慕ㄔO(shè)是個(gè)長(zhǎng)期的工程，在建設(shè)初期通過(guò)幾次任務(wù)完成月球科研站基本型的建設(shè)[1-3]。

本文針對(duì)月球科研站建設(shè)初期的任務(wù)特點(diǎn)，從母線(xiàn)體制設(shè)計(jì)、供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)三方面提出一套能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并分析其中涉及需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。

1 月球科研站建設(shè)初期任務(wù)分析

1.1 總體任務(wù)分析

《國(guó)際月球科研站合作伙伴指南》中明確了，在月球科研站的建設(shè)上，采用“勘、建、用”三步走的策略?？碧诫A段：在2025 年前，利用無(wú)人探測(cè)航天器，對(duì)月球展開(kāi)勘探，驗(yàn)證高精度軟著陸技術(shù)。建設(shè)階段：在2030 年前，完成科研站指揮中樞技術(shù)驗(yàn)證，大承載貨物運(yùn)輸及軟著陸；在2035 年前，完成能源、通信、月面運(yùn)輸?shù)然A(chǔ)設(shè)施建設(shè)，開(kāi)展月球資源的原位利用研究。使用階段：2035 年以后，利用建成的月球科研站，開(kāi)展無(wú)人及有人模式下月球探測(cè)、月基天文觀(guān)測(cè)、基礎(chǔ)科學(xué)試驗(yàn)和技術(shù)驗(yàn)證等工作[4]。

在三步走的最后一步，是要完成有人參與的月球科學(xué)試驗(yàn)活動(dòng)，而在國(guó)際月球科研站的建設(shè)中，并沒(méi)有將載人登月的研制活動(dòng)納入其中，這只是代表載人登月工程不屬于國(guó)際合作的范圍。作為總體的規(guī)劃者及一線(xiàn)的設(shè)計(jì)人員，是需要同時(shí)考慮載人登月工程及科研站的國(guó)際合作項(xiàng)目，這樣才能達(dá)成科研站最終的使用目的。

2023 年8 月，載人登月項(xiàng)目正式立項(xiàng)，規(guī)劃2030年實(shí)現(xiàn)中國(guó)首次登陸月球。同一時(shí)間點(diǎn)科研站的指揮中樞技術(shù)得到驗(yàn)證，這也標(biāo)志著科研站的基本型建設(shè)完成。

將2030 年前的任務(wù)，作為科研站建設(shè)初期的任務(wù)，開(kāi)展后續(xù)分析。在這個(gè)階段，具有單一功能的月面支持設(shè)備，如通信服務(wù)站、能源供給站、推進(jìn)劑補(bǔ)加站等，及地月轉(zhuǎn)移路徑上的停泊補(bǔ)給點(diǎn)還未開(kāi)展建設(shè)，因此為月球科研站項(xiàng)目初期研制的航天器需具備極強(qiáng)的“單兵作戰(zhàn)”能力，自成系統(tǒng)，完成任務(wù)；同時(shí)為這些航天器在科研站建設(shè)后期依然能集成進(jìn)大系統(tǒng)，發(fā)揮作用，需設(shè)計(jì)統(tǒng)一及合理的接口，具備擴(kuò)展升級(jí)的能力。

1.2 能源系統(tǒng)任務(wù)分析

經(jīng)過(guò)分析，建設(shè)初期的航天器應(yīng)包括無(wú)人月球探測(cè)器、科研站指揮中樞系統(tǒng)、第一批月面試驗(yàn)設(shè)備、載人登月飛船、載人登月著陸器等[4-5]。

這些航天器中除載人登月飛船只做環(huán)月飛行外，其他航天器都需要降落至月表，經(jīng)歷的飛行階段繁多，工作模式復(fù)雜，對(duì)能源的要求多樣，既需要平穩(wěn)持續(xù)的能源供給，在特定階段還有短時(shí)間大功率的需求。因航天器長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)立飛行及運(yùn)轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，為了保證安全，提高航天器的任務(wù)完成率，還需設(shè)置應(yīng)急能源系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的重大故障。同時(shí)部分航天器還會(huì)形成組合體運(yùn)行，為了能源合理充分的使用，具備支持并網(wǎng)供電的能力。

能源系統(tǒng)任務(wù)要求與具備能力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖1。

圖1 能源系統(tǒng)任務(wù)要求與具備能力的對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)上述對(duì)能源系統(tǒng)的任務(wù)分析，科研站建設(shè)初期的航天器能源系統(tǒng)應(yīng)具備高可靠、質(zhì)量占比低、模塊化、可擴(kuò)展的特點(diǎn)，以適應(yīng)航天器在多種工況、多種組合構(gòu)型下完成任務(wù)的能力。

2 母線(xiàn)體制設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)外的航天器采用單母線(xiàn)體制、雙母線(xiàn)體制、混合母線(xiàn)體制的皆有，電壓主要采用28 及100 V，本章對(duì)現(xiàn)有航天器的母線(xiàn)體制設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，分析月球科研站項(xiàng)目的特點(diǎn)，給出其適用的設(shè)計(jì)方案。

2.1 國(guó)外航天器設(shè)計(jì)

(1)阿波羅號(hào)

阿波羅號(hào)飛船采用燃料電池及內(nèi)部?jī)?chǔ)能電池作為源端的28 V 雙母線(xiàn)體制，負(fù)載根據(jù)關(guān)鍵等級(jí)進(jìn)行配電分配，如圖2。無(wú)冗余備份措施的關(guān)鍵設(shè)備從2條母線(xiàn)上取電，母線(xiàn)與負(fù)載間串聯(lián)隔離二極管，保證2 條母線(xiàn)的隔離；有冗余備份措施的關(guān)鍵設(shè)備，分別從不同母線(xiàn)上取電；無(wú)冗余備份措施的一般設(shè)備從一條母線(xiàn)上取電，根據(jù)每條母線(xiàn)的負(fù)荷安排負(fù)載，保證每條母線(xiàn)的負(fù)載平衡[6]。

圖2 阿波羅號(hào)母線(xiàn)體制

(2)獵戶(hù)座飛船

獵戶(hù)座飛船使用太陽(yáng)電池與鋰離子電池組合作為源端的雙母線(xiàn)體制，提供2 條120 V 的獨(dú)立母線(xiàn)，如圖3。飛船配置2 臺(tái)“電源調(diào)節(jié)和分配單元”(PCDU)，負(fù)責(zé)向各個(gè)設(shè)備供電；“功率分配單元”P(pán)DU 實(shí)現(xiàn)整船負(fù)載的配電。

圖3 獵戶(hù)座飛船母線(xiàn)體制

2.2 國(guó)內(nèi)航天器設(shè)計(jì)

(1)天舟貨運(yùn)飛船

我國(guó)現(xiàn)在服役的貨運(yùn)飛船采用的是100 V 單母線(xiàn)體制，如圖4。配置2 塊太陽(yáng)電池翼，配置功率管理器完成整船三組電池和左右太陽(yáng)翼功率調(diào)節(jié)；功率管理器生成一條100 V 全調(diào)節(jié)母線(xiàn)，由母線(xiàn)控制單元、供電控制器完成100 V 母線(xiàn)分配、100 V 至28 V電壓變換，為負(fù)載設(shè)備供電[7]。

圖4 天舟貨運(yùn)飛船母線(xiàn)體制

(2)嫦娥五號(hào)

嫦娥五號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)采用復(fù)合母線(xiàn)體制。整個(gè)探測(cè)器由軌道器、上升器、著陸器和返回器構(gòu)成。軌道器、著陸器、上升器均采取復(fù)合雙母線(xiàn)體制，平臺(tái)負(fù)載采用全調(diào)節(jié)供電，鉆取等短時(shí)大電流負(fù)載采用不調(diào)節(jié)母線(xiàn)供電，其主要是為了解決短時(shí)大電流用電負(fù)載問(wèn)題，母線(xiàn)間不具備冗余備份能力，如圖5 所示。返回器采用單母線(xiàn)體制，返回器轉(zhuǎn)內(nèi)電前采用軌道器提供的全調(diào)節(jié)母線(xiàn)供電，轉(zhuǎn)內(nèi)電后采用鋅-氧化銀蓄電池組供電。各器除單獨(dú)工作外，還存在著陸上升器組合、軌道返回器組合、軌返上升三器組合等工作狀態(tài)，軌道與著陸器、上升器與著陸器、返回器與軌道器間均設(shè)計(jì)了并網(wǎng)供電接口，形成了多器聯(lián)合供電的設(shè)計(jì)方案[8]。

圖5 嫦娥五號(hào)上升器及著陸器復(fù)合母線(xiàn)體制

2.3 月球科研站母線(xiàn)體制設(shè)計(jì)

月球科研站建設(shè)初期涉及的航天器眾多，應(yīng)統(tǒng)籌考慮功率等級(jí)、可靠性安全性開(kāi)展設(shè)計(jì)。

(1)功率等級(jí)

載人登月及無(wú)人月球探測(cè)器涉及的航天功率等級(jí)在10 kW 以下，而月面指揮中樞及月面試驗(yàn)設(shè)備的功率等級(jí)會(huì)達(dá)到數(shù)十千瓦，考慮母線(xiàn)體制的統(tǒng)型設(shè)計(jì)便于后續(xù)組合及擴(kuò)展，同時(shí)兼顧能源的使用效率，應(yīng)采用100 V 的一次母線(xiàn)。

(2)可靠性安全性

月球科研站的建設(shè)涉及航天員的參與，因此保證航天員的安全成為設(shè)計(jì)中首先要考慮的環(huán)節(jié)。同時(shí)因?yàn)槌跗诮ㄔO(shè)中，月面沒(méi)有對(duì)應(yīng)的支持設(shè)備，每個(gè)航天器都需要保證自身狀態(tài)的良好，圓滿(mǎn)完成自身承擔(dān)的任務(wù)，才能保證建設(shè)時(shí)間不被推遲，這就對(duì)航天器的可靠性提出了更高的要求。

在現(xiàn)有的母線(xiàn)體制中，雙母線(xiàn)是可靠性安全性最高的體制，即使單條母線(xiàn)完全失效，也能保證航天員的安全，并完成航天器承擔(dān)的基本任務(wù)。

綜合考慮航天器功率等級(jí)、可靠性安全性及后續(xù)集成擴(kuò)展的要求，月球科研站項(xiàng)目的母線(xiàn)體制設(shè)計(jì)為100 V 的雙母線(xiàn)體制。

這種母線(xiàn)體制的設(shè)計(jì)與2014 年NASA 格倫研究中心做的大會(huì)報(bào)告《Overview of Intelligent Power Controller Development for Human Deep Space Exploration》中提出的用于載人深空任務(wù)的母線(xiàn)體制高度吻合，如圖6。

圖6 載人深空任務(wù)電源架構(gòu)

系統(tǒng)中采用了兩條獨(dú)立的直流母線(xiàn)，母線(xiàn)電壓120 V，每段直流母線(xiàn)分別連接一組12 kW 的光伏電池陣和兩組蓄電池。每個(gè)配電單元(PDU)分別連接到兩條直流母線(xiàn)，提高載荷供電可靠性。系統(tǒng)安裝了對(duì)外的并網(wǎng)功率接口，采用了雙向功率變換器使系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性。

3 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電源選用

月球科研站建設(shè)初期，涉及多個(gè)航天器的研制，對(duì)能源系統(tǒng)的要求也有差異，無(wú)法設(shè)計(jì)成完全統(tǒng)一的供電系統(tǒng)。但可以利用產(chǎn)品化的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)分析這些航天器對(duì)能源系統(tǒng)要求的通用之處，作為供電系統(tǒng)的基本型進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)根據(jù)任務(wù)的差異，設(shè)計(jì)不同類(lèi)型的供電模塊，供航天器選用。

航天器主要使用能源共三種，分別為化學(xué)能、太陽(yáng)能、核能?；瘜W(xué)能一般是用在短壽命的航天器上，或被用作備用應(yīng)急電源；太陽(yáng)能一般用于中等功率長(zhǎng)壽命的航天器上；核能一般用于長(zhǎng)壽命的航天器上，適用的功率范圍很廣，從100 W 到100 MW 級(jí)皆可適應(yīng)，目前比較成熟的核能技術(shù)是放射性同位素電源技術(shù)，只能用于低功率的航天器[9]。

月球科研站建設(shè)初期涉及的航天器功率在千瓦到幾十千瓦量級(jí)，不適合使用單純的化學(xué)能電池，現(xiàn)有的核能技術(shù)水平不足以支持前期的建設(shè)，因此選用太陽(yáng)電池加儲(chǔ)能電池的電源系統(tǒng)作為主能源供給。

載人飛船、著陸器、指揮中樞系統(tǒng)等航天器因其對(duì)可靠性安全性的更高要求，需配置應(yīng)急電源系統(tǒng)?？紤]質(zhì)量代價(jià)及應(yīng)急使用的屬性，選用高比能的一次性化學(xué)電池作為應(yīng)急電源。

無(wú)人月球探測(cè)設(shè)備、月面的部分移動(dòng)設(shè)備、載人飛船的逃逸系統(tǒng)等因其存在短時(shí)間大功率的需求，需要配置低容量高放電倍率的電池。

綜合以上分析，月球科研站建設(shè)初期的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖7，是以太陽(yáng)電池加儲(chǔ)能電池作為主電源，再根據(jù)各個(gè)航天器的不同特點(diǎn)選用高比能電池、大倍率放電電池等配合使用。

圖7 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2 電源控制設(shè)計(jì)

電源控制系統(tǒng)需要承擔(dān)充電控制、分流控制、放電控制、母線(xiàn)濾波、驅(qū)動(dòng)控制、自主策略執(zhí)行、MEA信號(hào)控制、過(guò)壓保護(hù)、限流控制等工作。為滿(mǎn)足任務(wù)輕量化、小型化的需求，采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，根據(jù)航天器的不同特點(diǎn)，配置不同的模塊，形成控制單機(jī)，完成特定的控制任務(wù)。

充電控制、分流控制、放電控制、母線(xiàn)濾波、MEA信號(hào)控制、過(guò)壓保護(hù)、限流控制模塊為太陽(yáng)電池加儲(chǔ)能電池的必要控制模塊，作為必選項(xiàng)。航天器如設(shè)有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，則選擇驅(qū)動(dòng)模塊；如電源系統(tǒng)有自身需要閉環(huán)執(zhí)行的自主管理策略，則選擇下位機(jī)模塊，承載軟件以執(zhí)行管理策略。模塊配置情況如圖8。

圖8 電源控制模塊化設(shè)計(jì)

4 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)原則

月球科研站的配電系統(tǒng)遵循輕量化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、高可靠高安全的原則開(kāi)展設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)思路為：

(1)高可靠高安全性原則：按照一重故障保業(yè)務(wù)連續(xù)、二重故障保安全的原則開(kāi)展配電體制設(shè)計(jì)，采用合理的冗余設(shè)計(jì)，提高任務(wù)可靠性，消除單點(diǎn)故障，提高安全性、可靠性。

(2)標(biāo)準(zhǔn)化原則：基于供電和火工引爆需求，通過(guò)功率通路芯片選型、對(duì)外接口定義規(guī)范，實(shí)現(xiàn)配電、火工母線(xiàn)、火工引爆的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)；通過(guò)規(guī)范連接器選型及接點(diǎn)布局，實(shí)現(xiàn)電纜的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)；通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化提高可擴(kuò)展能力。

(3)智能化原則：采取芯片化SSPC，對(duì)功率通路狀態(tài)及關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，對(duì)于短路等災(zāi)難性故障，能自主及時(shí)在本地切除，防止故障蔓延。

(4)輕量化原則：基于供電需求，負(fù)載功率分時(shí)復(fù)用在軌工況，將功率變換集中設(shè)計(jì)，通過(guò)系統(tǒng)層面的分時(shí)復(fù)用，最大程度減少模塊的使用；采取芯片化SSPC 替代繼電器，提高配電功率密度，降低系統(tǒng)質(zhì)量。

4.2 配電系統(tǒng)組成

配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括母線(xiàn)控制設(shè)計(jì)、電能分配設(shè)計(jì)、火工控制設(shè)計(jì)、并網(wǎng)控制設(shè)計(jì)、電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)。其中電能分配、火工控制、電纜網(wǎng)這三項(xiàng)設(shè)計(jì)屬于配電設(shè)計(jì)的基本項(xiàng)，各航天器均需開(kāi)展。母線(xiàn)控制設(shè)計(jì)取決于航天器的能源是否為單一來(lái)源，如為多源系統(tǒng)，需要設(shè)計(jì)母線(xiàn)控制系統(tǒng)，對(duì)供電系統(tǒng)提供的能源采取必要的隔離及切換控制。并網(wǎng)控制設(shè)計(jì)取決于航天器內(nèi)部的艙段間或兩個(gè)航天器間是否需要并網(wǎng)供電。

月球科研站初期設(shè)計(jì)的配電系統(tǒng)組成詳見(jiàn)圖9。

圖9 配電系統(tǒng)組成

4.3 配電系統(tǒng)構(gòu)架

按輕量化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化的原則開(kāi)展設(shè)計(jì)，最符合的系統(tǒng)構(gòu)架為綜合電子體系下的配電系統(tǒng)。月球科研站涉及的航天器大部分功率等級(jí)在2 000 W以上，根據(jù)之前的研究成果，宜采用分散式為主的綜合電子配電體系，強(qiáng)弱電隔離，二次母線(xiàn)集中變換[10]，具體構(gòu)架詳見(jiàn)圖10。

圖10 綜合電子體系的配電系統(tǒng)架構(gòu)

圖中母線(xiàn)管控單機(jī)及并網(wǎng)控制器根據(jù)功能需要為選配項(xiàng)，28 V 配電涉及加熱等大功率用電，在母線(xiàn)管控單機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率變換，5 及12 V 用電功率等級(jí)小，分散到各個(gè)配電單機(jī)(綜合業(yè)務(wù)單元中)。配電功能的實(shí)現(xiàn)依托于綜合業(yè)務(wù)單元內(nèi)的配電板卡，不單獨(dú)形成配電單機(jī)，可降低配電系統(tǒng)質(zhì)量。

5 能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

在月球科研站建設(shè)初期，能源系統(tǒng)有大量的關(guān)鍵技術(shù)需要攻關(guān)突破，為了攻關(guān)工作的有序開(kāi)展，需要梳理出對(duì)任務(wù)影響最大，關(guān)系到成敗的技術(shù)，作為優(yōu)先突破的關(guān)鍵點(diǎn)。通過(guò)研究分析，梳理出兩大類(lèi)關(guān)鍵技術(shù)：第一類(lèi)就是保證航天器可靠性安全性的技術(shù)；第二類(lèi)是現(xiàn)有設(shè)備無(wú)法支持月球科研站建設(shè)，需要增加功能或提升性能的技術(shù)。本章對(duì)這兩大類(lèi)技術(shù)進(jìn)行分析及總結(jié)。

5.1 可靠性安全性提升技術(shù)

(1)芯片式SSPC 技術(shù)

芯片式SSPC 作為配電系統(tǒng)最為關(guān)鍵的器件，具備控制配電通道通斷、過(guò)流I2T 保護(hù)、立即跳閘保護(hù)功能，由核心控制芯片、電源監(jiān)控芯片、功率MOS管、采樣電阻及外圍電路構(gòu)成。其中除兩類(lèi)芯片外，其他部分的設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)指令接收，響應(yīng)設(shè)置好的過(guò)流保護(hù)功能，已在遙感平臺(tái)及空間站上得到了應(yīng)用驗(yàn)證。核心控制芯片用于實(shí)現(xiàn)對(duì)SSPC 參數(shù)的配置、與上位機(jī)的SPI 通信、保護(hù)算法的實(shí)現(xiàn)等功能，以及提供開(kāi)關(guān)狀態(tài)和保護(hù)狀態(tài)輸出，表征SSPC 開(kāi)關(guān)自身健康狀態(tài)；驅(qū)動(dòng)芯片主要用于對(duì)功率MOSFET 的驅(qū)動(dòng)和控制，以及對(duì)于MOSFET 的一些快速保護(hù)功能，如過(guò)壓過(guò)流保護(hù)等。

在原有SSPC 研制的基礎(chǔ)上，集成芯片，可增加配電通道的自主保護(hù)模式，自由配置反時(shí)限保護(hù)曲線(xiàn)，采集處理更多的狀態(tài)量，具備更強(qiáng)的應(yīng)用適應(yīng)性，同時(shí)，高度集成滿(mǎn)足輕量化設(shè)計(jì)原則，符合月球科研站建設(shè)對(duì)航天器質(zhì)量的嚴(yán)苛要求。

(2)碎片防護(hù)技術(shù)

隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，空間碎片數(shù)量增加迅速，近年來(lái)不斷爆出有航天器因受空間碎片撞擊導(dǎo)致功能受損甚至整星失效的事情。參考地球軌道的空間碎片增加速度，隨著各國(guó)月球探測(cè)活動(dòng)的不斷深入，月球軌道的碎片也將會(huì)在不久的將來(lái)成為一項(xiàng)必須考慮的問(wèn)題。由于月球沒(méi)有大氣層，無(wú)法燒毀或減速流星體，因此很小質(zhì)量的流星也會(huì)高速撞擊到月表，形成濺射物，速度可達(dá)到每秒幾十到幾百米，影響范圍可達(dá)到距撞擊中心數(shù)十千米外[11]。

月球科研站建設(shè)使用的航天器都要穿過(guò)地球軌道空間碎片覆蓋的范圍，抵達(dá)月球軌道，大部分航天器還會(huì)降落至月表，并長(zhǎng)期運(yùn)行，因此需要承擔(dān)多種碎片帶來(lái)的撞擊風(fēng)險(xiǎn)。從目前在軌運(yùn)行的航天器著手進(jìn)行分析，最容易受到碎片影響的能源系統(tǒng)設(shè)備為太陽(yáng)翼及艙外功率電纜。太陽(yáng)翼受到損傷后會(huì)造成電池片的性能下降，產(chǎn)生等離子體破環(huán)供電系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)穿孔，甚至解體。功率電纜受到損傷后，會(huì)造成局部開(kāi)路損失部分功率輸出，嚴(yán)重的會(huì)造成短路放電，燒毀電纜，并影響周?chē)碾娎|，直至影響整星的供電輸出[12]。

太陽(yáng)電池翼目前的防護(hù)措施為使用玻璃蓋片進(jìn)行碎片的阻擋，艙外功率電纜使用防護(hù)材料進(jìn)行包裹[12]。后續(xù)的研究中，一方面是要繼續(xù)開(kāi)展防護(hù)材料技術(shù)的研究，另一方對(duì)于功率電纜的防護(hù)要從源頭出發(fā)，從設(shè)計(jì)初始就將重要的功率電纜設(shè)計(jì)到艙內(nèi)，或設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)。

5.2 功能性能提升技術(shù)

(1)高比能電池技術(shù)

為適應(yīng)月球科研站建設(shè)對(duì)航天器質(zhì)量的嚴(yán)苛要求，能源系統(tǒng)的質(zhì)量將進(jìn)一步縮減，高比能電池技術(shù)的研究迫在眉睫。

現(xiàn)有在軌使用的鋰離子蓄電池單體比能沒(méi)有超過(guò)200 Wh/kg，無(wú)法滿(mǎn)足任務(wù)的需要。需從電極、電池和使用工況等方面開(kāi)展研究，進(jìn)一步提升電池的比能量和循環(huán)壽命。其中高容量電極材料方面，借鑒目前高比能鋰離子電池的材料選型，從電子傳輸路徑，鋰離子擴(kuò)散路線(xiàn)與熱傳導(dǎo)路徑三個(gè)方面進(jìn)行長(zhǎng)效穩(wěn)定性電極的設(shè)計(jì)。匹配功能性有機(jī)電解液，研究新型溶劑或者添加劑提升電解液在寬溫度范圍內(nèi)的電導(dǎo)率和電化學(xué)穩(wěn)定性。匹配高容量正負(fù)極，形成穩(wěn)定的電極/電解液界面，提升單體的能量密度。

鋰氟化碳電池是具有高比能量的一次性化學(xué)電池，理論比能量可達(dá)2 180 Wh/kg[13]，在月球科研站的建設(shè)中可用于應(yīng)急電源系統(tǒng)?，F(xiàn)有的鋰氟化碳單體比能量可到達(dá)530 Wh/kg，距離理論值仍有差距，具備進(jìn)一步研究的前景。同時(shí)高比能量及應(yīng)急使用場(chǎng)景帶來(lái)的溫度控制問(wèn)題也成為后續(xù)研究的重點(diǎn)方向[14]，如何在提升電池比能量及提高電池?zé)岱€(wěn)定性能中做出平衡，也成為一項(xiàng)重要的研究工作。

(2)高倍率放電電池技術(shù)

以目前的月球科研站建設(shè)應(yīng)用場(chǎng)景看，月面需要移動(dòng)的航天器通過(guò)一些特殊地形，月面鉆取勘探及飛船逃逸等工況會(huì)用到大功率負(fù)載，這些航天器或特定系統(tǒng)的共同點(diǎn)就是體積小，質(zhì)量要求極為嚴(yán)苛。后續(xù)研究中針對(duì)短時(shí)間大功率的航天器使用需求，探索20C以上的放電倍率電池的研制，已獲得使用更小質(zhì)量代價(jià)完成短時(shí)大功率任務(wù)的目的。

(3)并網(wǎng)供電技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)月球科研站航天器間的能源相互補(bǔ)給，合理利用，結(jié)合設(shè)計(jì)的雙母線(xiàn)體制，開(kāi)展大功率雙向并網(wǎng)供電技術(shù)研究。目前的技術(shù)已可以做到單母線(xiàn)4 kW 級(jí)的并網(wǎng)供電，1 kW 負(fù)載階躍時(shí)，電壓在90～110 V 范圍內(nèi)超調(diào)量小于4%，效率不低于93%。

在輸入電壓110 V、輸出電壓90 V 和輸出電流22 A 的工況下，超調(diào)量為3.6%，恢復(fù)時(shí)間為0.060 s。波形詳見(jiàn)圖11。

圖11 并網(wǎng)供電切換階躍響應(yīng)波形圖(輸入電壓、輸出電壓、輸出電流)

后續(xù)的研究中，要在此基礎(chǔ)上開(kāi)展雙母線(xiàn)雙向并網(wǎng)供電技術(shù)研究，進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率，并網(wǎng)功率等級(jí)增加到10 kW 級(jí)以上。

6 結(jié)論

本文結(jié)合月球科研站建設(shè)初期的任務(wù)特點(diǎn)，從母線(xiàn)體制、供電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)三個(gè)方面的設(shè)計(jì)出發(fā)，提出了一套基本構(gòu)架一致，根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)品及模塊級(jí)選配的能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并分析了實(shí)現(xiàn)方案的關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)月球科研站基本型的建設(shè)提供了設(shè)計(jì)參考。