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带你解读新一代载人飞船试验船能源管理系统

2020-5-9 19:49| 发布者: 站长| 查看: 820| 评论: 0|来自: 上海航天

摘要:   中国航天科技集团八院811所在新一代载人飞船试验船中承担了能源管理功能的抓总研制工作。
  中国航天科技集团八院811所在新一代载人飞船试验船中承担了能源管理功能的抓总研制工作,作为飞船五大功能之一,能源管理功能在继承神舟飞船电源分系统的基础上,开展了一系列高可靠的设计,针对新一代载人飞船试验船的特殊性,也实现了多个突破,完成了能源管理功能从神舟飞船到新一代载人飞船的“进化”过程。

更安全:国内唯一既有主电源,又有辅助电源的“双保险”电源系统
  说新一代载人飞船能源管理功能是高可靠性、高安全性的电源系统,毫不夸张,因为它是目前国内唯一的既有主电源,又有辅助电源的“双保险”电源系统。
  “新一代载人飞船试验船能源管理功能可以在主电源完全故障的情况下,由辅助电源独立完成任务。这就相当于两套电源系统,一套主电源,一套辅助电源,均可以独立完成任务,可以说是上了双保险”,新一代载人飞船试验船能源管理功能主任设计师钟丹华介绍道。
  而在飞船能源管理功能的主电源上,又采用了多机组均衡控制、多机组的可靠性的冗余设计,新一代载人飞船试验船能源管理功能具备目前国内最高的冗余度。主电源本身具备三个机组,有三套独立的控制器和电池组,任何一个机组出现故障,剩余的两个机组也可以独立完成飞行任务。同时,在三个机组中采用了均衡设计,既可以三个机组均衡,也可以两个机组均衡,配合多机组冗余设计,保证了多个机组之间放电和充电的一致性。不仅仅是双保险,可以说是多重保险了。
更新颖:气浮平台+金属延长板,载人航天平台的首次使用
  作为神舟飞船的PLUS版本,6至7人座的新一代载人飞船试验船较3人座的神舟飞船构型大了一倍,新型舱体结构设计给太阳电池翼与舱体的对接带来了很大的困难,“传统的太阳电池翼收拢安装方式将导致太阳翼地面展开吊挂装置在收拢过程中与舱体干涉,而无法收拢安装到位”,能源管理功能主管设计师舒斌介绍道。
  研制人员开展了一系列的调研,大部分航天器采用了传统吊挂式展开方案,也有一些卫星型号采用了气浮式展开方案。吊挂式展开需要解决凹舱上方的吊挂干涉问题,气浮式展开需要解决气浮平台无法伸进凹舱的问题,采取哪个方案?一时难以定夺!研制人员对太阳翼从生产到发射的全流程进行了分析研讨,在与舱体总装、太阳翼总装密切沟通协调后,确定在载人航天型号上首次采用“气浮平台+金属延长板”的解决方案。
  所谓气浮平台,即太阳翼通过气浮垫支撑在一个重达15吨的气浮展开平台上,浮垫通过压缩空气形成气膜,将整个太阳翼浮起来,随后在气浮平台上移动、对接、实现无摩擦阻力展开。舒斌说:“使用气浮平台可以避免太阳翼在收拢过程中与舱体的干涉,为了保证高精准平面度,我们在气浮平台上采用了天然花岗岩平台、人造花岗岩框架组合的制造工艺。”
  在金属延长板的实施过程中,考虑到反复拆装带来的操作风险和时间消耗,能源管理功能系统邀请舱体总装与总体设计来到上海现场,对太阳翼装舱的细节进行了深入探讨,最终通过舱体与精密转台整体平移的方式顺利解决了这一难题,并将太阳翼装舱工作耗时由7天缩短到2天,优化了发射场流程。针对上海、北京和海南气源接口型号多样、难以适配的问题,则采用了气瓶组供气的方式解决了这一问题,大大降低了保障需求。能源管理功能系统完美解决了复杂航天器外形条件下太阳翼的装舱问题。
更高效:国际空间最高光电转换效率太阳电池的首次应用
  在新一代载人飞船试验船太阳电池翼上,以充电电路的形式搭载并应用了811所研制的光电转换效率为34%的高效砷化镓太阳电池。
  34%光电转换效率是什么概念?太阳电池翼是航天器赖以持续飞翔的翅膀,是航天器的动力来源,其性能与可靠性直接关系着航天器是否能顺利完成预定任务。目前,国内外空间应用的太阳电池翼主电源主要为光电转换效率30%的太阳电池,世界上空间型号应用的最高效率太阳电池电路产品光电转换效率为32%。
  从30%到32%再到34%,看似2%转换效率的提升,却可以说是该技术体系的“塔尖上的再腾跃”的变化。为达到批产产品光电转换效率34%的技术水平,尽快实现型号太阳电池电路的应用,811所研制人员开展了大量的技术攻关,如采用新型覆盖短波、中波太阳光的宽/中带隙半导体材料,进一步降低载流子热损、提高太阳光谱的能量利用率,攻克和解决失配材料生长的技术难点,宽光谱低反射率调配技术等,填补了国际相关产品的领域空白,目前为国际领先水平。
  “随着卫星、载人航天、深空探测等领域对能量获取技术提出‘高效率、轻量化、高压、更高质量比功率’的要求,如空间站需要更大规模的供电能力,单翼太阳电池阵的面积将由目前的10 ㎡提高到100 ㎡以上,但同时为了保证飞行器姿态控制,又要求尽可能减少太阳电池阵面积,提高太阳电池光电转换效率成为解决上述矛盾的有效途径之一”,钟丹华介绍道,“中国的载人登月工程中,新一代载人飞船、载人月面着陆与上升飞行器任务,高效、高比功率太阳电池技术是关键技术与必要需求。34%光电转换效率电池将有效提升我国太空与深空飞行器的发电能力,支撑我国航天电源系统的更新换代。”
更优化:经费节约了 流程缩短了
  与载人航天之前型号相比,新一代载人飞船试验船的另一个亮点,是电池的测试、发射流程得到了优化。
  “新一代载人飞船试验船能源管理功能配套了8台辅助电源,辅助电源为320AH锌银蓄电池组。但作为一次性使用电池,锌银电池的寿命仅有6个月,面临长达1-2年测试周期的整船测试,我们模拟锌银电池相应的工作特性,采用地面的电子电源代替开展相应的功能测试。一台电池的研制经费为几十万,15台电池就节约了上百万的经费”,新一代载人飞船试验船能源管理功能副主任设计师唐筱说道。
  作为载人航天在海南文昌的首次飞射任务,高温高湿的海岛环境对镉镍电池发出了挑战。“镉镍电池的精确活化温度范围为18℃-20℃,储存温度范围为-2℃-2℃,且需要配备专门低温存储柜,但这些条件在海南都不具备。为此,我们更改了流程,将镉镍电池在上海活化好、封闭好后,运输到海南”,唐筱说,“而之前的流程,在基地开展活化工作需要携带大量的地面设备,15台进场设备、20根电缆、6个地面设备箱、1个集装箱,同时还需配备3名进场操作人员,整个进场活化周期将持续14天,活化期间需要开展不间断的周期性工作,人员需要值夜班。新流程免去了进场设备的携带,省去了进场操作人员的配置,缩短了发射场工作流程。”  
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