火星環(huán)繞探測器電源系統(tǒng)設計分析

劉治鋼 蔡曉東 杜紅

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

嫦娥一號、二號作為中國探月工程“繞、落、回”三步走的第一步，已經成功實現(xiàn)了對月球的環(huán)繞探測，開啟了中國深空探測的征程［1-2］。火星作為太陽系中與地球臨近的行星，一直是人類探索未知太空的焦點之一。探測火星，研究火星的磁場、大氣與氣候、空間環(huán)境、地貌等內容，是人類研究太陽系起源與演化，探尋生命起源的重要途徑。

火星環(huán)繞探測器與地球衛(wèi)星或月球探測器相比，其飛行任務和飛行環(huán)境都有很大的不同［3-4］，要求電源系統(tǒng)能夠適應發(fā)射段、地火轉移段、火星捕獲段和火星環(huán)繞等各階段空間環(huán)境的變化，保證探測器能源供應。本文針對火星環(huán)繞探測的特點，對采用太陽電池陣-蓄電池組的電源系統(tǒng)設計進行了深入分析，可為未來火星探測器及其他深空探測器電源系統(tǒng)的任務分析提供參考與借鑒。

2 火星環(huán)繞探測器電源系統(tǒng)設計分析

2．1 火星環(huán)繞探測任務特點

相對于地球衛(wèi)星與月球探測器，火星環(huán)繞探測對探測器電源系統(tǒng)設計的影響主要體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）空間環(huán)境：空間環(huán)境的特點制約著探測器的性能、結構設計及壽命等。火星空間環(huán)境與地球軌道和月球軌道空間環(huán)境差異較大，主要包括光照強度、溫度變化明顯，因此要針對火星空間環(huán)境制定相應的電源管理策略。

（2）通信時延：火星與地球距離很遠，單程通信時延最長為22 min，而月球軌道探測器僅1．35s。另外，在一年探測期內還存在2次日凌，每次大約持續(xù)20d，日凌時火星探測器無法與地球通信，因此要考慮加強電源系統(tǒng)自主管理能力。

（3）輕小型化要求：火星距離地球很遠，因此探測器要攜帶更多的推進劑燃料，這就對設備提出了嚴格的減小質量要求，火星探測器供配電系統(tǒng)要具有很高的質量比功率。

結合火星探測器與已發(fā)射的地球衛(wèi)星和月球探測器的比較，下面從空間環(huán)境、軌道與姿態(tài)、負載需求、電源系統(tǒng)選型、能源自主管理，以及輕小型化設計等6個方面進行任務分析。

2．2 空間環(huán)境影響

1）光照影響分析

火星上的平均太陽光強只有地球的0．43倍，目前國際上通常采用的地球軌道的光強為1367 W／m2，而火星探測器工作軌道的平均光強為590 W／m2，此外，火星的光強還會有±19%的波動（太陽光強為493～717 W／m2）［5］。由于太陽光強大幅降低，在滿足相同功率需求的條件下，所需要的太陽電池片更多，面積和質量更大，成本更高；與月球探測器相比，火星探測器要攜帶更多的推進劑燃料，因此在一定質量約束的前提下，必須大幅度提高能源的利用率，采用高轉換效率太陽電池片，解決能源緊張問題。另外，當太陽光強逐步減小時，太陽電池陣輸出的伏-安曲線也在不斷變化，電源控制裝置設計應盡可能利用有限的太陽電池陣輸出功率。

2）粒子輻照影響

空間粒子輻照對電源系統(tǒng)的影響，主要體現(xiàn)在輻照總劑量、表面放電和內帶電影響等，對太陽電池陣主要是輻照總劑量對性能衰降的影響和帶電粒子引起表面放電的影響。在電源控制設備設計中，應充分考慮采取二次絕緣和靜電泄放等措施，以降低內帶電效應的影響。在整個任務期間，由于原子氧對火星探測器的影響較小，主要輻射來源于太陽宇宙線、銀河宇宙線，其輻照環(huán)境與月球探測器相似。

3）溫度影響

在近地軌道，由于受到太陽輻射及地球熱輻射影響，探測器所處的溫度較高。在地火轉移軌道以及環(huán)火軌道，由于距離太陽較遠，探測器所處環(huán)境的溫度水平逐漸降低。如果實現(xiàn)在更低軌道對火星的觀測，通常為節(jié)省燃料，采用氣動減速方式，這樣，氣體摩擦生熱會使探測器（尤其是太陽電池陣）處于高溫狀態(tài)。

由于太陽電池陣的輸出電壓、輸出電流與光強、溫度密切相關，因此在設計太陽電池陣與計算太陽電池陣輸出功率時，應綜合考慮光強、溫度的變化。另外，在環(huán)火飛行段軌道，光照期與陰影期交替變化時，太陽電池陣溫度變化很大，這就要在設計中充分考慮各種工況下太陽電池陣上接插件、導線、元器件是否滿足溫度變化要求，并針對各種極端溫度條件開展相應的試驗驗證。

2．3 飛行程序、軌道與姿態(tài)影響

飛行程序是探測器在整個飛行階段的工作程序，包括飛行過程中事件、執(zhí)行時間及具體操作。它對電源系統(tǒng)影響較大的方面包括主動段至太陽電池陣對日定向的時間，變軌姿態(tài)及執(zhí)行時間，各飛行階段中平臺及負載的工作狀態(tài)與工作模式等。軌道主要影響光照與陰影時間分配，從而決定太陽電池陣與蓄電池組的規(guī)模。飛行姿態(tài)主要影響太陽光矢量與太陽電池陣平面的夾角，以及航天器本體突出物對太陽電池陣的遮擋，這些因素均影響太陽電池陣的輸出功率。飛行程序、軌道及姿態(tài)與電源系統(tǒng)設計相互制約，要進行權衡。

火星環(huán)繞探測通常要經歷主動段、地火轉移段、近火捕獲段、環(huán)火飛行段，各段飛行軌道示意如圖1所示。

圖1 火星環(huán)繞探測任務飛行示意圖Fig．1 Flight schedule diagram for Mars orbiting exploration mission

從發(fā)射至太陽電池陣對日定向前，均由蓄電池組供電，因此蓄電池組設計應滿足整個發(fā)射段能源需求，同時，也可以根據(jù)需要調整窗口，以減輕電源系統(tǒng)負擔。在地火轉移段，探測器處于全光照區(qū)，時間通常接近10個月，除變軌期間，探測器均可由太陽電池陣供電，因此要考慮電源系統(tǒng)對蓄電池組進行長光照期管理的問題。在環(huán)火飛行段，根據(jù)軌道高度不同，光照和陰影的時間也不同。軌道高度低，每圈陰影時間所占比例大；軌道高度高，每圈陰影時間所占比例小，甚至會出現(xiàn)全光照期。因此，應根據(jù)飛行程序與軌道設計結果，確定蓄電池組容量、放電深度、循環(huán)次數(shù)，并留有一定裕度。

軌道參數(shù)對電源系統(tǒng)（尤其是太陽電池陣與蓄電池組）的設計影響較大。對于太陽電池陣-蓄電池組電源系統(tǒng)，在光照期依靠太陽電池陣為負載供電，并對蓄電池組進行充電；在陰影期依靠蓄電池組供電。軌道周期、受曬因子μ（光照／軌道周期比值）、太陽光矢量對太陽電池陣的入射角θ、太陽光遮擋率，決定了太陽電池陣接收的太陽輻射量，進而影響太陽電池陣輸出功率及蓄電池組充電／放電時間。其中，受曬因子μ與太陽光與軌道面夾角β之間的關系如式（1）所示。

式中：R為火星半徑；H為軌道高度。

對于火星環(huán)繞探測而言，β角在不同飛行階段也不同。例如，某火星探測器軌道傾角為93．1°，β角在一個火星年內的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 某火星探測器一個火星年內β角變化示意圖Fig．2 Diagram ofβangle variation in a Mars year for a Mars probe

2．4 負載需求

負載需求分析是指在各種飛行程序和工作模式下，對電源系統(tǒng)供電的所有負載（包括平臺和有效載荷）進行的統(tǒng)計分析。它是電源系統(tǒng)方案設計的必要條件，針對火星環(huán)繞探測器用電負載特點，通常應包括以下幾個方面。

1）確定系統(tǒng)飛行程序及工作模式

在主動段，要進行發(fā)射前狀態(tài)設置。由于太陽電池陣尚未展開，設備工作所需能源主要依靠蓄電池組供電，整個過程的持續(xù)時間直接影響蓄電池組容量配置。再如環(huán)火飛行段，有效載荷設備開機，開展科學探測試驗，在必要時還要開啟發(fā)動機進行調姿和軌道控制，系統(tǒng)負載變化較大。因此，要根據(jù)不同飛行程序和工作模式，明確系統(tǒng)負載需求，從而確定電源系統(tǒng)方案。

2）確定負載特性

根據(jù)負載工作特性，探測器負載通常包括長期負載、短期負載與脈沖負載等。長期負載是指飛行過程中功率基本不變化的負載，如中心計算機、數(shù)據(jù)管理單元等；短期負載是指根據(jù)任務需要間斷開機的負載，如加熱器根據(jù)探測器溫控需要進行通斷控制；脈沖負載是指需要瞬時功率的設備，如火工品點火、發(fā)動機點火、電機啟動等。在進行電源系統(tǒng)設計時，一般原則是滿足長期負載和短期負載的用電需求，并具備提供脈沖負載所需瞬時功率的能力。

總之，在進行電源系統(tǒng)設計時，要詳細統(tǒng)計發(fā)射段、地火轉移段和環(huán)火飛行段各階段負載功率需求，結合飛行程序、軌道設計結果，確定電源系統(tǒng)的拓撲與規(guī)模。另外，還要充分考慮線纜損耗、二次電源轉換效率等因素引起的額外功率需求。

2．5 電源系統(tǒng)選型

1）拓撲結構選型

太陽電池陣輸出功率調節(jié)分為并聯(lián)調節(jié)和串聯(lián)調節(jié)兩大類［6-7］。在并聯(lián)調節(jié)電源系統(tǒng)中，如采用順序開關分流調節(jié)（S3R）或采用串聯(lián)順序開關分流調節(jié)（S4R）的電源系統(tǒng)，太陽電池陣的參考工作點通常按照壽命末期的光強和溫度條件進行設計，主要考慮輻照損失、溫度等條件的影響。但對于火星探測器而言，其壽命初期和末期所受到的光強、溫度的變化差異較大，因此，采用固定參考工作點不能使太陽電池陣輸出功率最大。在這種情況下，采用最大功率點跟蹤（MPPT）拓撲結構，按照負載功率需求控制太陽電池陣輸出功率，可以最大限度地利用太陽電池陣輸出功率。歐洲航天局（ESA）研制的“火星快車”（Mars Express）環(huán)繞探測器，就是采用了MPPT 拓撲結構［8-10］。

2）太陽電池選型

太陽電池的關鍵技術參數(shù)主要有光電轉換效率、抗輻射能力、開路電壓、短路電流及填充因子。目前，用于空間太陽電池陣的太陽電池主要有硅（Si）電池、單結砷化鎵（GaAs／Ge）電池及三結砷化鎵（GaInP／GaAs／Ge）電池。典型的3種太陽電池片性能參數(shù)如表1所示。

表1 3種太陽電池片性能參數(shù)Table 1 Parameters of 3kinds of solar cell

根據(jù)火星軌道空間環(huán)境分析結果及一定質量約束要求，必須大大提高能源的利用率，采用高轉換效率太陽電池片，解決能源緊張問題。因此，建議選取轉換效率更高的三結砷化鎵太陽電池。

3）蓄電池選型

蓄電池是一種把化學反應所釋放出來的能量直接轉變成直流電能的裝置。可在軌使用的蓄電池有鎘鎳（Ni／Cd）蓄電池、氫鎳（Ni／H2）蓄電池和鋰離子（Li-ion）蓄電池。它們的性能對比如表2所示。

表2 3種空間用蓄電池單體參數(shù)Table 2 Parameters of 3kinds of space used battery

由表2可以看到，鋰離子蓄電池具有比能量高、熱耗小、自放電小、便于模塊化設計等優(yōu)點。由于火星探測器對質量與體積的約束嚴格，因此，國外火星探測器通常采用鋰離子蓄電池組作為儲能電源。

2．6 能源自主管理需求

從地球到月球的單程通信時延為1．35s，而從地球到火星的單程通信時間最長可達22 min。另外，若要實現(xiàn)超過一個火星年的探測任務，探測器將無法回避日凌問題。每個火星年出現(xiàn)2次日凌，每次持續(xù)時間20d以上。在此期間，地面測控站、地面應用站無法與探測器建立聯(lián)系，地面實時控制將無法實現(xiàn)。因此，火星探測器要具備很強的自主運行能力，探測器平臺能夠支持自主運行至少20d，這就要求探測器電源系統(tǒng)具備與之相應的自主管理能力，其自主管理任務至少應包括以下內容。

（1）能夠自主完成對太陽電池陣和蓄電池組的功率調節(jié)，為探測器提供穩(wěn)定的一次電源母線，能自主進行功能／控制模塊的主備份切換。

（2）能夠自主實現(xiàn)對蓄電池組的充放電管理，包括開始充電和終止充電，以及充電過程中的過壓、過流等防護。對鋰離子蓄電池組，應能夠自主實現(xiàn)適合鋰離子蓄電池的恒流-恒壓充電管理。

（3）能夠自主實現(xiàn)鋰離子蓄電池組的均衡管理，以及長光照期鋰離子蓄電池組管理，以提高蓄電池組的壽命。

（4）能夠實現(xiàn)鋰離子蓄電池組過充電、過放電防護的自主管理。一旦出現(xiàn)欠壓情況，先要求整器進入安全模式；若情況繼續(xù)惡化，低于設定閾值，則進入欠壓保護。

（5）為保證火星探測器的供電安全，必須加強電源系統(tǒng)智能化自主管理，以滿足太陽電池陣和蓄電池組聯(lián)合供電系統(tǒng)能應對多種復雜工作模式和緊急情況的需求，加強系統(tǒng)的自主判斷控制能力，通過硬件對關鍵狀態(tài)的判斷控制，增強系統(tǒng)的故障診斷、隔離和恢復（FDIR）功能。

（6）電源系統(tǒng)與數(shù)管系統(tǒng)相互配合，完成火工品控制、整器負載優(yōu)先級管理與配電等相關功能。

2．7 輕小型化設計需求

通常，電源系統(tǒng)的質量約占整個航天器干質量的1／4。由于火星距離地球很遠，在嚴格限制探測器質量的前提下，為最大限度地實現(xiàn)科學探測目標，對電源系統(tǒng)等平臺設備提出了嚴格的減小質量要求。因此，輕小型化設計是火星環(huán)繞探測對電源系統(tǒng)設計的另一個重要約束，可從以下幾個方面開展工作。

（1）高比功率設備研制。瞄準國際先進水平，開發(fā)能量利用率更高的電源系統(tǒng)拓撲結構，進一步提高蓄電池比能量，提高太陽電池轉換效率。

（2）集成化設計。目前，功率調節(jié)與配電單元（PCDU）是國際先進電源控制與配電裝置發(fā)展的趨勢，將探測器中電源控制器、配電器、適配器、火工品控制器等多臺設備進行集成，通過結構與功能優(yōu)化設計減小設備質量。

（3）總線化設計。通過總線實現(xiàn)遙控指令接收與遙測參數(shù)上傳，從而減少設備間互聯(lián)線，以減小質量。

3 結束語

綜合以上所述，針對火星環(huán)繞探測任務的特殊軌道及空間環(huán)境，電源系統(tǒng)設計要重點考慮的因素包括：光照、溫度等空間環(huán)境因素，飛行程序、軌道及姿態(tài)等設計要素，探測器負載功率需求，通信時延對電源系統(tǒng)自主管理的需求等。通過任務分析，可在現(xiàn)有技術條件下對火星環(huán)繞探測器電源系統(tǒng)優(yōu)化設計提供依據(jù)。本文提出的任務分析方法，不僅適用于火星環(huán)繞探測器，在其他深空探測器電源系統(tǒng)的設計中也可以借鑒與參考。

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