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  深空探测学报  2016, Vol. 3 Issue (1): 3-9  DOI: 10.15982/j.issn.2095-7777.2016.01.001
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张建琴, 徐建明, 贾巍, 等. 深空探测太阳电池阵应用及关键技术分析[J]. 深空探测学报, 2016, 3(1): 3-9. DOI: 10.15982/j.issn.2095-7777.2016.01.001.
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ZHANG J Q, XU J M, JIA W, et al. Application of Solar Array and Analysis of Key Technologies in Deep Space Exploration[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2016, 3(1): 3-9. DOI: 10.15982/j.issn.2095-7777.2016.01.001.
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基金项目

上海市科学技术委员会资助课题(15XD1522000)

文章历史

收稿日期:2015-10-28
修回日期:2016-01-13
基于433 Eros的多面体引力模型精度与运行时间研究
张建琴1, 徐建明1, 贾巍1, 邱宝贵2, 肖杰2    
1. 上海空间电源研究所, 上海 200245;
2. 上海宇航系统工程研究所, 上海 201108
摘要: 从1958年启动月球探测活动至今,经过几十年的发展,人类在深空探测领域取得重大成果。本文首先介绍地内行星、地外行星与登陆探测等领域探测器用太阳电池阵技术的应用情况,同时结合地内行星探测、地外行星探测与登陆探测任务所面临的不同空间环境特点对航天器太阳电池阵进行关键技术分析,梳理深空探测任务对太阳电池阵不同的技术需求及其所需解决的关键问题,从中得出未来深空探测太阳电池阵技术的趋势是将向更高效率太阳电池阵、环境自适应技术、高重量比功率、高体积比功率的方向发展。
关键词: 深空探测    太阳电池阵    地内行星    地外行星    登陆探测    
Application of Solar Array and Analysis of Key Technologies in Deep Space Exploration
ZHANG Jianqin1, XU Jianming1, JIA Wei1, QIU Baogui2, XIAO Jie2    
1. Shanghai Institute of Space Power-Sources, Shanghai 200245, China;
2. Shanghai Aerospace System Engineering Institute, Shanghai 201108, China
Abstract: Since lunar exploration is initiated in 1958, after decades' development, great achievements have been made in the field of deep space explortation. The paper introduces the application of solar array in the fields of inferior planets exploration, superior planets exploration and celestial body landing exploration, analysis the critical technologies of solar array facing different conditions in these fields, thus points out the technical requirements of solar array and the critical problems that will be solved for different deep space exploration tasks, then generalizes the development trend of solar array technologies will be higher efficiency, environmental self-adaption, higher weight power ratio and capacity power ratio in deep space exploration.
Key words: deep space exploration    solar array    inferior planet    superior planet    landing exploration    
0 引言

人类的航天活动一般可分为地球应用卫星、载人航天和深空探测三大领域,“深空探测”是“空间探测”活动的组成部分,是指利用进入深空的探测器对月球及月球以远的太阳系空间与天体开展的近距离探测活动。人类开展深空探测的终极目标是通过科学地认识宇宙的历史和演化,洞察人类的未来,从而把握人类自身的命运。同时,在当今世界,深空探测的发展水平是一个民族创新能力、一个国家综合国力的重要标志之一[1, 2, 3, 4]

从1958年8月17日美国发射第一个月球探测器“先驱者0号”开始,人类迈向太阳系的深空探测活动至今已经有半个世纪的历史,经过几十年的发展,人类发射的无人探测器已经对月球、八大行星和冥王星、重要的小天体和太阳进行了探测,并且深空探测已经从内太阳系行星探测,逐步向外太阳系行星探测发展[2, 3]。深空探测领域可采用的空间电源主要包括太阳电池阵-蓄电池能源系统和核电源系统(核反应堆电源和放射性同位素电源)。对于长期任务,一般采用太阳电池阵-蓄电池组能源系统或者核能源系统。在早期的深空探测器上,例如俄罗斯金星探测和月球探测,其车载能源大多采用的是核电源或同位素温差电源,随着航天技术的发展,太阳电池阵-蓄电池组供电方式被更多地用在深空探测航天器上。本文针对深空探测航天器太阳电池阵的应用情况和技术需求进行研究分析,探究未来该领域内太阳电池阵的发展趋势,为未来我国开展深空探测科学任务提供能源技术支撑。

1 典型深空探测器太阳电池阵应用介绍

深空探测主要通过对月球、行星及其卫星、小行星、彗星以及太阳等天体(如图 1所示)的探测,根据深空探测的不同空间环境,将探测器分为地内行星探测器、地外行星探测器、登陆探测器三类,下面就典型的深空探测器太阳电池阵的应用情况进行介绍。

图 1 太阳系组成示意图 Fig. 1 Schematic diagram of solar system constitution
1.1 地内行星探测器用太阳电池阵技术

1)“金星快车”金星探测器

“金星快车”(Venus Express)是欧洲首个金星探测器,于2005年11月9日发射,2006年4月进入金星轨道,主要任务是对神秘的金星大气层进行更精确的探测,分析其化学成分。

“金星快车”的电源系统设计要能满足该探测器的任务要求,具有很高的自主能力,对称安装有两个太阳翼,每翼包含两块长1.778 m,宽0.8 m的太阳电池板,单翼面积2.85 m2,如图 2所示。两个翼都可以 +/- 180°旋转以最大限度地接受光照。每块太阳电池板上贴有12并 × 22串的三结砷化镓太阳电池,单体电池尺寸为65 mm × 38.6 mm × 0.16 mm,玻璃盖片厚度为 100 μm。太阳电池板正面和背面都贴有OSR(二次表面镜)片,正面OSR片和太阳电池交替分布,背面OSR片覆盖整块板,OSR片的作用是当太阳电池阵在经历金星近拱点最高温时降低太阳电池的工作温度。太阳电池阵的总重量是40.5 kg,设计功率:820 W(BOL地球段),1 400 W(EOL,0.72 AU)[6, 7, 8]

图 2 Venus Express结构构成与研制过程 Fig. 2 Construction constitution and development process of Venus Express
图 3 “贝皮–科伦布”水星探测器 Fig. 3 Bepi-Colombo Mercury explorer

2)“贝皮-科伦布”水星探测器

“贝皮-科伦布”面临的最大技术挑战是高温环境,探测器将受到太阳的直接炙烤,会承受1.4×104 W/m2热量的侵袭,在这种条件下,探测器的部分表面将升温至350 ℃左右。为此,“贝皮-科伦布”上有新设计的多层隔热毡,其最外层可能由陶瓷纤维制成,以便对探测器进行隔热。另外,探测器上还配备了高效率散热器,散热器面积为1.5 m2,使其对水星表面的热红外辐射不太敏感,以便让科学仪器和电子设备能在正常温度下工作。太阳电池板的温度必须保持在250 ℃以下,因为这是太阳电池板及其电子设备所能承受的最大热量限度。所以,太阳电池板由60%的镜片和40%的特殊电池组成,其中镜片用于反射热量。另外,还将倾斜太阳电池板,使太阳光不能对它进行垂直照射。“水星磁层轨道器”的顶部和底部都作为散热器使用,并带有百叶窗,四周的次表面都采用了隔热毡进行隔热[9, 10]

3)SPP太阳探测器

SPP太阳探测器的轨道半径为太阳半径的9.5倍,如图 4所示,离太阳近距离导致其热防护层的温度达到1 400 ℃,在这种高光强高温度(HIHT)环境条件下,探测器会随着距离太阳的远近调整太阳翼接受太阳光的角度,为使太阳翼最高温度不超过150℃,采取保护层和大角度接受太阳光照的方法,如图 5所示。SPP太阳探测器太阳电池阵采用大小为12.09 cm2的太阳电池,包括两个太阳电池翼,太阳电池阵总的发电功率约 380 W(1.02 AU,BOL),距离太阳中心9.5倍太阳半径处约435 W(EOL),最大可达到510 W[11, 12]

图 4 SPP太阳探测器 Fig. 4 SPP solar explorer
图 5 SPP探测器太阳电池阵示意图 Fig. 5 Schematic diagram of SPP solar explorer
1.2 地外行星探测器用太阳电池阵技术

1)“深空1号”探测器

NASA于1998年10月发射“深空1号”(Deep Space 1) 进行星际探测,如图 6所示。该探测器采用了聚光太阳电池阵等先进技术,比非聚光太阳电池阵单位面积能够多输出50%的电能。TECSTAR为DS1制造了Ga0.5In0.5P/GaAs电池,效率为31%(AM0,28 ℃),ENTECH设计了线性聚焦菲涅尔透镜,透光率90%。太阳电池阵总功率为2.5 kW,比功率和面功率分别为 5 W/kg和200 W/m2[13, 14]

图 6 “深空1号”探测器及聚光太阳电池阵 Fig. 4 Deep Space 1 explorer and concentrating solar array

2)“朱诺”木星探测器

2011年8月5日“朱诺”探测器(Juno)发射升空,朱诺是一颗自旋稳定航天器,伸展出3个太阳能电池阵,整个卫星的跨度为20 m,首次使用太阳能来进行远离太阳巨行星探测,如图 7所示。其任务目标是测量木星大气中的水和氨含量、确定木星磁谱和随时间的变化、探测木星重力场、测绘木星三维磁层和极光、获得木星全球可见光图像。

图 7 “朱诺”木星探测器 Fig. 7 Juno Jupiter explorer

Juno探测器将绕地球运行至2013年,预计2016年到达木星。Juno将在绕木星轨道工作一年,Juno运行在木星椭圆极轨道,这样可以在大部分时间避开木星的高辐射区域,计划于2017年10月结束观测任务。此外,ESA的Rosetta探测器发射于2004年4月。寿命末期功率400 W,太阳距离5.25 AU;BOL功率7.1 kW,太阳距离1 AU,采用硅太阳电池。NASA的Dawn探测器发射于2007年9月,距离太阳3AU的功率为1.3 kW(相当于1 AU,10.3 kW),采用多结砷化镓太阳电池。这些探测器的成功发射,直接说明太阳电池阵在外行星探测中的可行性[15, 16]

3)美国未来Uranus电推进平台

NASA提出的海王星深空电推进大功率卫星太阳电池阵采用了类哈勃卷式柔性太阳电池阵技术的超大功率电池阵技术,如图 8所示。太阳电池阵面积达到1 500 m2,初期质量比功率(BOL)达到300 W/m2,末期质量比功率(EOL)200 W/m2 。太阳电池阵初期总功率达到450 KW,末期达到300 KW。收拢体积比功率高达40 kW/m3,母线电压为300~600 V。

图 8 电推进太阳电池阵示意图 Fig. 8 Schematic diagram of electric propulsion solar array

太阳电池阵由多个类哈勃卷式柔性太阳电池阵组成,收拢时各个太阳电池阵单独收拢,展开时太阳电池阵先将各个太阳电池阵子阵展开,然后各个电池阵展开各自支撑杆,然后各子阵展开太阳电池阵阵面[17, 18]

1.3 火星着陆探测器用太阳电池阵技术

从上世纪60年代开始,人类就开始了火星探索,前苏联/俄罗斯、美国、欧洲和日本等国家和地区相继对火星展开了探测。

1)“勇气号”火星探测器

“勇气号”火星车电池阵的设计更为复杂:其中一个太阳电池阵固定在车身中央,另外还有5块可展开的电池翼,左右各两块,尾部一块,如图 9所示。由于太阳帆板及所安装硬件(包括太阳能电池电路元器件)的厚度限制,连接件以及二极管电路板无法按照常规方式安装。火星车电路的基本串长度设定为16片电池串联,由于火星车部分阴影遮挡,部分地区还设计了17片串联以及18片串联。“勇气号”火星车共计使用498片28%效率(AM0,25 ℃)的砷化镓太阳电池。输出功率大约460 W。

图 9 “勇气号”火星探测器 Fig. 9 MER-A explorer

由于火星大气中含有显著的悬浮尘埃,据估算火星表面大气中尘埃密度约为1.8×10-7 kg/m3,火星上经常出现剧烈的风暴,在火星风的作用下整个火星弥漫着尘埃。火星尘埃通过范德华力和静电力的作用会积聚在太阳电池阵上,使电池的性能下降,如图 10所示。“勇气号”在受火星尘暴影响,火星车的每日供电曾降至128 Wh。而正常情况下,每辆火星车日均电力供应都可达到700 Wh以上[19, 20]

图 10 “勇气号”火星探测器太阳电池阵 Fig. 10 MER-A solar array

2)“凤凰号”火星着陆器

NASA的“凤凰号”火星着陆器太阳电池阵如图 11所示,该着陆器使用超柔性(UltraFlex)太阳电池阵,太阳翼展开后跨距5.52 m两片太阳翼,每片太阳翼由10个三角形组成,近似圆形,共4.2 m2。太阳电池选用高效率长寿命的三结电池,并针对火星特殊光谱进行了改进。该太阳电池阵的质量比功率可达到150 W/kg(BOL,含机构)、体积比功率40 W/m3(BOL,含机构)[21, 22]

图 11 “凤凰号”火星着陆器太阳电池阵 Fig. 11 Phoenix Mars lander solar array
2 深空探测太阳电池阵关键技术分析

地内行星探测、地外行星探测、登陆探测这三类深空探测器因其工作环境不同对太阳电池阵技术需求各不相同,各领域内太阳电池阵技术应用包含以下关键技术。

2.1 地内行星探测

地内行星探测主要包括水星探测、金星探测,主要特征是离太阳比较近,环境恶劣,水星离太阳最近,昼夜温度变化很大,变化范围为-173~427 ℃,金星是距离地球最近的地内行星,表面大气压约为地球的90倍,表面温度最高达到477 ℃,是太阳系中最热的行星。为有效适应水星探测和金星探测的高光强高温度(HIHT)环境,要求太阳电池阵能够耐高温、耐高辐照,因此在太阳电池阵的研制过程中需考虑以下关键技术:

1)太阳电池阵需选用耐高温的太阳电池、低吸收率玻璃盖片、耐高温及耐强辐射的底片胶和盖片胶;

2)做好热控措施和空间防护措施;

3)开展相关环境验证试验,特别是太阳电池阵HIHT条件下的光谱响应及影响,提高太阳电池阵的使用效率,满足地内行星探测器的功能要求。

2.2 地外行星探测

地外行星探测主要包括火星探测、木星探测和土星探测。地外行星探测主要面临低光强低温度(LILT)环境,表 1为太阳系地球外的6大行星的太阳常数以及对应太阳电池阵的温度。

表 1 外行星太阳光强度 Table 1 The sunlight intensity of superior planet

地外行星探测太阳电池阵关键技术包括:

1)太阳电池具备长期在LILT条件下工作的性能,此外,太阳电池阵所处环境光谱与地球均有所不同,需针对不同的地外深空探测任务来设计与目标行星光谱匹配的高效太阳电池。

2)大面积高功率、轻质量的太阳电池阵,地外行星探测超柔性太阳电池阵以及聚光太阳电池阵可有效解决弱光环境下太阳电池阵电池电路的输出问题,如前文提到的海王星深空电推进卫星用大面积高功率太阳电池阵技术与“深空1号”探测器用聚光太阳电池阵。

2.3 火星着陆探测

火星着陆太阳电池阵关键技术包括以下两个方面:

1)太阳电池光谱匹配设计。目前三结太阳电池都是为了能够在AM0光谱条件下获得最大的功率输出而设计的。火星表面的太阳光谱,由于在穿越火星大气的过程中,受到灰尘等微粒较高的散射作用,使得在蓝色短波波段受到较多损失,这部分光学损失会造成顶结电池和中结电池的输出电流不匹配,并限制整个太阳电池的输出电流,进而造成效率下降。因此,对于要在火星表面的光谱条件下使用的太阳电池,有必要进行电流匹配的优化设计。

2)太阳电池阵除尘技术。火星表面覆盖着一层很厚的尘埃层。重力加速度较小,并且气压较低,细小的尘埃微粒很容易被扰动或因自然原因而悬浮在空中。火星上的火星风暴和火星尘埃使太阳电池阵的性能下降。据火星开拓者(Mars Pathfinder)测试结果表明:积聚和粘附在太阳电池翼上的尘埃使太阳电池翼的转换效率每个火星日下降约0.28%。2年后,估计太阳电池翼的电性能下降将可达22%~89%。因此,需在太阳电池阵表面开展除尘,提高太阳电池阵的使用效率。

3 未来深空探测太阳电池阵技术发展趋势

鉴于上述地内行星、地外行星与着陆探测三大领域不同工作环境对太阳电池阵不同的技术要求,需开展相应关键技术的攻关,使得太阳电池阵技术成熟度更高,这客观决定了未来深空探测太阳电池阵技术的发展趋势。

1)更高效率太阳电池技术

深空探测的技术发展与太阳电池阵技术的进步密不可分,不论地内行星探测因工作温度高带来的效率损失,还是地外行星探测因低光强带来的输出功率下降,又或登陆探测光谱匹配与尘埃环境引起的衰降,这些外界环境导致的不利因素均可以通过提高太阳电池的转换效率加以弥补,同时更高效率太阳电池将有助于人类探测更远距离的深空。

2)环境自适应技术

太阳电池阵暴露在空中,环境因素直接影响其工作性能,需开展深空探测用太阳电池阵环境自适应技术研究,对于地内行星探测的高温、高辐照环境,注重器件、原材料的高温高光强条件下的工作性能研究,对于地外行星探测的低温、低辐照环境开展太阳电池阵在该条件下的长期工作性能研究,此外还包括登陆探测中光谱匹配设计与除尘技术的研究。

3)高重量比功率、高体积比功率太阳电池阵技术

该项技术的发展成熟将有助于解决距离地球更远的星球与小行星的探测任务,特别是超柔性太阳电池阵技术是未来重要的发展方向。

4 结论

本文将深空探测分为地内行星探测、地外行星探测与登陆探测3个方面,从这3个方面论述深空探测太阳电池阵技术的应用情况,从中总结出不同条件下的太阳电池阵关键技术,从而预测未来深空探测太阳电池阵技术的发展趋势,包括更高效率太阳电池、环境自适应技术、高重量比功率和高体积比功率太阳电池阵技术。由此联想到我国的深空探测发展情况,我国深空探测起步较晚,但起点较高,研制了“萤火1号”火星探测器,“嫦娥3号”实现成功登月,为自主探索更远空间目标奠定了一定的基础。同时,必须清醒地认识到,在深空探测领域,我国与世界航天强国相比仍存在较大差距。加快开展深空探测活动、实施深空探测工程,对于激发科学探索精神、服务国家整体发展战略、彰显大国地位具有十分重大的战略意义。

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