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四个维度,看中国“太空电站”发展变迁

文章来源:东方网   阅读量:5559   发布时间:2023-10-26 14:25   阅读量:17686   

10月26日,神舟十七号载人飞船成功发射,在中国首艘载人飞船成功发射的20年,回顾载人航天电源分系统的一次次技术跨越,空间站系统副总设计师马季军这样总结,“能源生成、能源储存、能源管理和能源使用实现了多次技术革新,实现了电源系统从低压到高压、太阳电池翼从刚性到半刚性再到柔性、储能电池从镉镍到氢镍再到锂电、发电能力从1千瓦到3千瓦再到30千瓦等的稳步迈进和跨越式发展,创造了10项我国航天事业的‘唯一’或‘第一’,实现了空间电源技术水平从国外跟跑、并跑到领跑的地位转变。”

从14.8%到28%、再到34%,光电转换效率实现跃升

从镉镍到氢镍、再到锂电,空间储能电池更新换代

从追梦、筑梦到圆梦,中国空间站一步步从蓝图变为现实,折射出载人航天的跨越发展。中国载人航天的储能电池,在一代代航天人的努力下,先后经历了镉镍电池时代、氢镍电池时代、锂电时代。神舟飞船储能电池配套的是第一代空间储能电池—镉镍蓄电池。在当时有限的条件下,研制一个全新规格、兼具国内领先、国际一流的大容量镉镍电池谈何容易。没有足够的设计数据和经验,没有现成答案,只有靠制定多套设计方案和工艺路线,反复地试验、不断地修改完善。但凭着“人生能有几回搏”的豪气,研制团队交出的产品圆满完成了神舟一号飞行试验,填补了当时国内大容量贮能电源的空白。截至目前,镉镍蓄电池这位“战绩显赫”的神舟飞船十六朝“元老”,依旧“感觉良好”。天宫一号配备的是第二代空间储能电池—氢镍蓄电池,凭借其优异的寿命性能等优势,圆满地完成了天宫一号、天宫二号与神舟飞船多次交会对接重要任务,为中国载人航天发展作出了重大贡献。神舟七号伴随卫星开创了载人航天首次使用锂电的历史。随后,在中国第一艘货运飞船天舟一号上,研制团队首次应用了高压大容量锂电池,我国空间电源蓄电池家族最“年富力强”的成员锂电池正式登场,挑起大梁。迈入空间站时代,结合空间站的用电新需求,研制团队经过长期攻关,从研制、使用、更换等多个角度,为空间站量身定制了长寿命大容量高安全锂离子蓄电池。针对十余年在轨需求,更是实现了在轨可维修可更换功能。在一次次的革新中,载人航天空间储能电池家族在电源分系统团队的带领下,不忘初心、继续前行。

从单个到两个、再到多个,能源管理能力稳步提高

在实施中国载人航天实施“三步走”战略过程中,神舟飞船、货运飞船、天宫目标航天器、空间站三舱等多个航天器组合构型多且复杂。如何更好地优化能源使用,提高故障应对灵活性,是摆在研制团队面前的难题。经过反复研究论证,研制团队给出了解决方案:不仅需要配置不同类型电源,而且需要在单个航天器之间和组合体航天器之间采用并网技术,即实现能源共用,来实现能量管理。载人航天一期工程的并网供电难题,主要来自于神舟飞船的不同舱段、不同种类电源的并网。考虑到飞船由轨道舱、返回舱和推进舱构成,参与并网的4种电源各不相同,研制团队在设计上采用了多种措施,实现了神舟飞船电源系统异构电源的并网供电。随着中国载人航天二期工程的全面开展,中国人要在300多公里高的外太空实现穿针引线,突破两个航天器间的载人交会对接任务,电源需要研制出国内第一个低轨道高电压的电源系统,与采用低轨低压电源系统的神舟飞船“完美搭档”。面对这项当时对全国来说都是全新的课题,团队顶着关键材料购买不到的困难,牵头国内相关领域50多家单位,在两年时间内开展了100多项技术攻关,研制出了比国外还要好的近百项新材料、新器件、新技术。通过多重试验,采用了三机组并网供电方案,圆满通过了神舟八号飞船与天宫一号目标航天器组合体飞行验证。空间站在轨运行时,各舱体的帆板光照条件变化、遮挡情况变化复杂,对空间站电源舱段间能量管理提出了更高的需求。对此,研制团队的策略是,在“太空电站”内成立一个和谐互助的太空“供电大联盟”,让实验舱、核心舱、神舟飞船、货运飞船,所有航天器之间的能源可以互通。通过灵活的并网供电,确保整个空间站系统的正常能源供给。

从安全可靠到舒适自由,造船为建站,建站为应用

中国的飞天之路,是不断让梦想成为现实的漫漫征途。中国载人航天工程自1992年立项实施起,即提出“造船为建站,建站为应用”。而载人航天,人命关天,在这个我国迄今为止安全可靠性要求最高的航天重大工程中,电源一直被称为航天器的“心脏”,团队的初心和梦想,就是在安全可靠的前提下,让航天员在太空实现用电自由。神舟飞船是航天员的天地往返“专车”,研制团队经过充分验证,确定了五种电源相混合的飞船电源模式。货运飞船是空间站专属“快递小哥”,首次应用了高压大容量锂电池,研制团队针对锂电安全性做了大量的试验和验证工作。空间站电源分系统的每一个产品均具备可维修、可更换的功能,怎样在不影响正常用电的情况下,保障航天员的在轨操作安全性?研制团队设置了多重保险,采用了相互隔离、独立工作的多通道多机组设计,并在航天员开展在轨操作时将高压降低到人体的安全电压范围。同时,充分应用人机工效学设计,让电源产品原先锐利的表面圆角化,量身定制维修工具等,用一个个细节诠释安全可靠真谛。神舟六号之前,为了节省能源,航天员在天上吃的是冷饭冷菜。为了给航天员提供一个舒适的工作生活环境,研制团队在天宫一号的供电模式上实现了重大突破,应用了更大功率的高压电源系统,成为世界上第二个掌握低轨高压电源系统核心技术的国家。2022年11月3日,随着梦天实验舱顺利完成转位,中国空间站天和、问天和梦天三舱就位、筑梦苍穹,电源发电能力实现了从初期的1千瓦到30千瓦的跨越式发展,真正让航天员在太空实现了用电自由。

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