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柔性太阳电池翼助天和星际翱翔,为中国梦插上翅膀
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柔性太阳电池翼助天和星际翱翔,为中国梦插上翅膀

2021-05-07 17:00:02 来(lai)源:新华每日(ri)电(dian)讯 点(dian)击:730

【哔(bi)哥哔(bi)特导读】4月29日,长征五号B运载火箭在海南文(wen)昌航天(tian)发射场发射成(cheng)功,成(cheng)功将(jiang)我国空(kong)间(jian)站(zhan)工程首个航天(tian)器--天(tian)和(he)核心舱送入预定轨(gui)道,发射任(ren)务取得圆(yuan)满成(cheng)功。

4月29日,长征五号B运载火箭在(zai)海南文昌(chang)航天(tian)发射(she)场发射(she)成功,成功将我国空间站工(gong)程首个航天(tian)器--天(tian)和核心舱送(song)入(ru)预(yu)定(ding)轨(gui)道,发射(she)任务取(qu)得圆满成功。

能源

据空间站副总指挥甘克力介绍,在核心舱的研制任务中,中国航天科技集团有限公司第八研究院承担了电源分系统、对接与转位机构分系统、测控通信产品、资源舱结构与总装及电缆网研制任务。其中电源分系统作为整个核心舱任务的四大关键技术之一,充当着未来空间站“太空电站”的作用。

首次采用大面积可展收柔性太阳电池翼

据空间站副总设计师罗斌介绍,天和核心舱首次采用了大面积可展收柔性太阳电池翼,双翼展开面积可达134平方米,这是我国首次采用柔性太阳翼作为航天器的能量来源。柔性太阳翼集合了大面积轻量化、重复展收高可靠、低轨10年在轨长寿命、刚柔并济高承载等四大全新技术。

与传(chuan)统(tong)刚性、半刚性的(de)太阳电(dian)池翼(yi)相(xiang)比,柔(rou)性翼(yi)体积小、展开面积大、功率重(zhong)量比高,单翼(yi)即(ji)可(ke)为空间站提供9kW的(de)电(dian)能,在满足舱内所有设(she)备(bei)正常(chang)运转的(de)同时(shi),也完(wan)全(quan)可(ke)以保(bao)证航(hang)天员(yuan)在空间站中的(de)日常(chang)生活。

比起传统(tong)的刚(gang)(gang)性(xing)(xing)、半(ban)刚(gang)(gang)性(xing)(xing)太阳翼,柔性(xing)(xing)翼全部收拢后只有一本(ben)书的厚度,仅(jin)为刚(gang)(gang)性(xing)(xing)太阳翼的1/15。基板采用超(chao)薄(bo)型轻质复合(he)材料(liao),对用来防护空间环境的胶层(ceng)的涂覆厚度也进行了严格控制(zhi)。

柔性翼能否成功展(zhan)开(kai)直接关系到空间站任务的成败。核(he)心舱(cang)太(tai)阳翼采用了(le)6台有源机构三维五步展(zhan)开(kai),就好像做一套“太(tai)空广播操(cao)”。

首先,15发火工品“热身运动”起(qi)爆,解除太(tai)阳(yang)翼与小柱段(duan)舱(cang)壁的(de)固定(ding);紧接着抬升机(ji)构(gou)“俯仰运动”将(jiang)(jiang)太(tai)阳(yang)翼从舱(cang)壁上立起(qi);随后,展开锁定(ding)机(ji)构(gou)“扩胸(xiong)运动”将(jiang)(jiang)两(liang)个太(tai)阳(yang)电池阵向(xiang)两(liang)侧(ce)展开,约束释放机(ji)构(gou)“转(zhuan)体(ti)运动”解除收藏箱(xiang)的(de)约束;最后,伸(shen)展机(ji)构(gou)“伸(shen)展运动”带动太(tai)阳(yang)电池翼完全展开。每个规定(ding)动作都经过大量的(de)地(di)面验证试验,确保姿(zi)势标准(zhun)、娴熟流畅(chang)。

展(zhan)(zhan)开过程(cheng)持续40分钟,数节伸展(zhan)(zhan)机构依次向(xiang)外(wai)推出,带(dai)动太阳翼向(xiang)外(wai)展(zhan)(zhan)开,又像(xiang)是一架被(bei)缓(huan)(huan)缓(huan)(huan)拉开的(de)手风琴(qin),因此被(bei)形(xing)象地称为“手风琴(qin)”展(zhan)(zhan)开方式。

核心舱太阳电池翼的另一个特殊功能,是其在轨可进行整翼拆卸、转移。考虑到后续空间站组建完成后,对核心舱太阳电池翼造成的遮挡,从而影响发电,这两个太阳电池翼可由航天员与机械臂配合,实现舱外拆卸、转移,安装于后续发射的实验舱尾部桁架上,并在轨重新组建供电通道,这又被称为“在轨能源拓展功能”。

以“锂”相助长期居住条件佳

当空间站运行(xing)(xing)到(dao)太阳无法照射的(de)阴影区时,由锂离子蓄(xu)(xu)电池为整个(ge)舱体供电。如何(he)确保锂电的(de)安(an)全性?八院811所(suo)研制人员(yuan)经过长期攻关,从研制、使用、更换等多个(ge)角度,设计出了一种满足空间站运行(xing)(xing)需(xu)求的(de)长寿命、大容量、高安(an)全锂离子蓄(xu)(xu)电池。

据介绍,锂(li)(li)电(dian)(dian)(dian)(dian)最大的(de)(de)安(an)(an)全(quan)性问题是“热失控”。对此,空间站(zhan)锂(li)(li)电(dian)(dian)(dian)(dian)在研制(zhi)时(shi)采取了多种有效的(de)(de)手段:从源头上,采用(yong)陶瓷隔膜,提供良好的(de)(de)防内(nei)短路措(cuo)施;在电(dian)(dian)(dian)(dian)池组内(nei)使用(yong)阻燃材料(liao),防止(zhi)高温引发燃烧;在电(dian)(dian)(dian)(dian)池组内(nei)使用(yong)卸压材料(liao),为(wei)单(dan)体电(dian)(dian)(dian)(dian)池膨胀(zhang)时(shi)提供空间;采用(yong)全(quan)密闭的(de)(de)锂(li)(li)离子蓄电(dian)(dian)(dian)(dian)池箱体式结构式设计,为(wei)舱内(nei)提供安(an)(an)全(quan)可(ke)靠的(de)(de)环境。

空间站核心舱共(gong)有6组锂离子蓄电(dian)(dian)(dian)池,每组有66个单体电(dian)(dian)(dian)池。而锂电(dian)(dian)(dian)使用时的难点,在于实现(xian)(xian)对每个单体电(dian)(dian)(dian)池的过充保护。811所研制人员设(she)计出了一套智能化的锂电(dian)(dian)(dian)管理系统,实现(xian)(xian)高(gao)精度、高(gao)可靠(kao)、高(gao)安全(quan)的锂电(dian)(dian)(dian)充电(dian)(dian)(dian)控制。

例如,国内(nei)首次采(cai)用高(gao)(gao)精度(du)锂电集联采(cai)集系统,让(rang)采(cai)集精度(du)更高(gao)(gao)、控制点更准;国内(nei)首次使用高(gao)(gao)效率高(gao)(gao)压大功率充电模块,充电时(shi)启(qi)用三级保(bao)护机制,在(zai)任意情(qing)况下保(bao)证用电安全;同时(shi),在(zai)充电过程中(zhong)实施温(wen)度(du)监测,当充电温(wen)度(du)高(gao)(gao)于设定安全温(wen)度(du)值时(shi),立即停止该机组蓄(xu)电池充电。

空间站在长达10多年的(de)(de)在轨(gui)(gui)运(yun)行(xing)(xing)过程中,航天员需定期对锂电进行(xing)(xing)在轨(gui)(gui)更换。如何在不影响空间站的(de)(de)正常(chang)供电情况下,确(que)保航天员的(de)(de)操作安全呢?

研制人员(yuan)为锂电(dian)(dian)(dian)更换(huan)操(cao)作(zuo)上了“双保险”。核心舱有两(liang)个(ge)功率(lv)通(tong)道(dao)(dao),当(dang)其中(zhong)一(yi)个(ge)通(tong)道(dao)(dao)需(xu)要更换(huan)电(dian)(dian)(dian)池时,由另(ling)一(yi)个(ge)通(tong)道(dao)(dao)作(zuo)为主力供(gong)电(dian)(dian)(dian)。且每个(ge)功率(lv)通(tong)道(dao)(dao)采用“2+1”机组工作(zuo)模式(shi),任意(yi)一(yi)个(ge)机组中(zhong)的电(dian)(dian)(dian)池需(xu)要更换(huan)时,将本(ben)机组断(duan)电(dian)(dian)(dian),剩余(yu)两(liang)个(ge)机组可以保证本(ben)通(tong)道(dao)(dao)正常供(gong)电(dian)(dian)(dian)。

此外,航(hang)(hang)天员在更换锂(li)电(dian)(dian)的(de)(de)时候(hou),高压电(dian)(dian)池组带(dai)来了(le)安全(quan)隐患。为此,研制人(ren)员在锂(li)离子蓄电(dian)(dian)池模块中,安装了(le)两个(ge)并联的(de)(de)分段开(kai)关。通过将电(dian)(dian)池组的(de)(de)电(dian)(dian)压降低(di)到人(ren)体的(de)(de)安全(quan)电(dian)(dian)压范围,满足人(ren)体的(de)(de)36伏安全(quan)电(dian)(dian)压要求,保(bao)护了(le)航(hang)(hang)天员开(kai)展在轨(gui)维(wei)修时的(de)(de)人(ren)身安全(quan)。

百万次试验确保万无一失

核心舱作为我(wo)国寿命(ming)设(she)计要求最长的一个飞行器,10年的在(zai)轨飞行,对(dui)所(suo)有产(chan)品的长寿命(ming)提出了最高要求。

太(tai)阳(yang)翼作为舱外(wai)(wai)(wai)产品,要(yao)面对的空(kong)(kong)间环境极其恶劣,除了需要(yao)经(jing)历88000次±100℃的高(gao)低(di)温循环外(wai)(wai)(wai),还要(yao)经(jing)受(shou)低(di)轨(gui)环境中原子氧、等离子体(ti)、紫外(wai)(wai)(wai)辐(fu)照(zhao)、电(dian)离辐(fu)照(zhao)等多种空(kong)(kong)间环境的考验(yan)。

为了(le)使太阳(yang)电池翼具(ju)有良好的(de)空间环(huan)境(jing)适(shi)应性(xing)(xing),八院805所柔性(xing)(xing)太阳(yang)电池翼研制(zhi)团(tuan)队,开展了(le)3年多(duo)的(de)方案论(lun)证(zheng)和比较(jiao)工作,集合了(le)国内相(xiang)关行业(ye)的(de)顶级专家,总结(jie)出5项影响(xiang)太阳(yang)翼长寿命(ming)的(de)关键攻(gong)关项目,并(bing)经过大量的(de)地面模(mo)拟(ni)长寿命(ming)测试(shi)。

比如(ru),太(tai)阳翼上的(de)(de)(de)张紧(jin)机构,是一套恒(heng)力(li)弹簧绳索系统,通过(guo)它的(de)(de)(de)不断伸缩,才能保(bao)证(zheng)太(tai)阳翼在高低温环境下的(de)(de)(de)足够刚(gang)度(du)以及姿态控制。张紧(jin)机构的(de)(de)(de)寿命(ming)试(shi)验要(yao)求是88000次(ci),但(dan)为了确保(bao)它在10年(nian)的(de)(de)(de)在轨工况中“张弛有度(du),收放自如(ru)”且“万(wan)无一失”,团队历经多(duo)年(nian)攻(gong)关,地面完成(cheng)了40万(wan)次(ci)热真空(kong)疲劳寿命(ming)试(shi)验、100万(wan)次(ci)常(chang)(chang)温常(chang)(chang)压寿命(ming)试(shi)验,充分验证(zheng)了产品的(de)(de)(de)高可靠、长寿命(ming)。

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