空間飛行器能源管理技術(shù)發(fā)展綜述

楊友超，李海偉，趙巖，徐海運(yùn)，張翔

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心，北京100076)

空間飛行器能源管理技術(shù)發(fā)展綜述

楊友超，李海偉，趙巖，徐海運(yùn)，張翔

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心，北京100076)

介紹了能源管理技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，提出了能源管理系統(tǒng)的一般組成和工作方式；從能源管理的發(fā)展和應(yīng)用出發(fā)，提出了能源管理技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展所面臨的瓶頸，并對解決途徑進(jìn)行了初步探討。

空間飛行器；能源管理；發(fā)展

能源系統(tǒng)是空間飛行器中最重要的分系統(tǒng)之一，負(fù)責(zé)在各階段向空間飛行器電氣負(fù)載提供穩(wěn)定可靠的電能。能源管理主要作用是對空間飛行器飛行階段全壽命周期的電能進(jìn)行統(tǒng)一管理，保證滿足空間飛行器各種工況下的能源需求。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，空間飛行器呈現(xiàn)出載荷多樣化和任務(wù)復(fù)雜化的發(fā)展趨勢，一方面設(shè)備組成越來越復(fù)雜，能源需求隨之加大，而為提高飛行器機(jī)動能力和靈活性，對能源系統(tǒng)質(zhì)量、體積提出了更高的要求；另一方面，盡管現(xiàn)有飛行器在設(shè)計(jì)、研制過程中采取了一系列可靠性的措施，但其在軌飛行中仍有可能出現(xiàn)健康狀況惡化。當(dāng)發(fā)生故障導(dǎo)致供電能力下降時(shí)，如何能夠及時(shí)定位并隔離故障、防止故障蔓延，并在有限能源供給的條件下優(yōu)化負(fù)載管理，保證飛行器的正常運(yùn)行顯得尤為重要。

因此無論對于深空探測器，還是在軌長期運(yùn)行的空間站、應(yīng)用衛(wèi)星等，能源自主管理都是十分重要的發(fā)展方向，它可提高飛行器在突發(fā)性空間環(huán)境下的自主生存能力，減少對地面測控網(wǎng)的依賴，增強(qiáng)其安全性并降低運(yùn)行成本，延長航天器使用壽命，能源管理的發(fā)展可為人類外太空的探索提供更加持續(xù)、長久的動力。

本文從能源管理的發(fā)展及應(yīng)用出發(fā)，介紹了目前能源管理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了能源管理系統(tǒng)的一般組成和進(jìn)一步發(fā)展面臨的瓶頸，并對解決途徑進(jìn)行了初步探討。

1 能源管理技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1 美國發(fā)展現(xiàn)狀

美國是最早開始進(jìn)行空間飛行器能源管理技術(shù)研究的國家，其于70年代初提出的航天飛機(jī)能源自主控制電子系統(tǒng)主要用于解決航天飛機(jī)能源系統(tǒng)安全性和可靠性問題，利用計(jì)算機(jī)參與故障隔離和系統(tǒng)重構(gòu)管理技術(shù)，成為能源管理技術(shù)的雛形。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)功能：一是航天飛機(jī)負(fù)載供電安全性管理，即當(dāng)負(fù)荷發(fā)生超載時(shí)，電源控制器切斷該負(fù)載與母線的連接，電源控制器會延時(shí)一定時(shí)間后對該負(fù)載進(jìn)行復(fù)位，以便區(qū)分故障超載和短期超載；二是電源系統(tǒng)故障狀態(tài)下的系統(tǒng)重組管理，當(dāng)電源供電能力因故障下降時(shí)，電源管理系統(tǒng)將根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，按照各負(fù)載設(shè)備的優(yōu)先級，切掉部分負(fù)載，以保證飛行任務(wù)的能源需求。

能源管理系統(tǒng)(PMAD)由NASA研究機(jī)構(gòu)于20世紀(jì)80年代中期正式提出，具有供配電系統(tǒng)故障診斷、隔離和恢復(fù)，蓄電池管理、載荷優(yōu)先級管理、能源計(jì)劃動態(tài)調(diào)度管理等功能。其主要任務(wù)是根據(jù)能源的供給與需求情況動態(tài)管理負(fù)載的切換，當(dāng)由于內(nèi)部故障或外部干擾導(dǎo)致能量供給能力突然不足時(shí)，按優(yōu)先級首先供給優(yōu)先級高的設(shè)備的能量需求(如生命維持系統(tǒng))，并具備故障診斷和故障恢復(fù)的功能。它采用星地協(xié)同工作方式，星上自主電源管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)供配電管理、監(jiān)測，地面專家系統(tǒng)作為故障診斷協(xié)作系統(tǒng)，根據(jù)遙測數(shù)據(jù)對空間站電源系統(tǒng)進(jìn)行診斷和故障預(yù)測。其研究目標(biāo)是減少供配電系統(tǒng)對地面測控的依賴，在保證安全性和可靠性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)自主故障監(jiān)測、診斷，以適應(yīng)長時(shí)間運(yùn)行、遠(yuǎn)距離任務(wù)需求。隨著需求變化和技術(shù)發(fā)展，該系統(tǒng)演變?yōu)榉?wù)于國際空間站的智能功率管理系統(tǒng)。目前PMAD已在國際空間站、重返月球計(jì)劃和“羅塞塔”號無人飛船計(jì)劃等多個(gè)任務(wù)中得到應(yīng)用。為了有效進(jìn)行“自由”號空間站(后演變?yōu)閲H空間站)電源系統(tǒng)運(yùn)營管理，專門研制了用于其性能預(yù)估的軟件系統(tǒng)，并已在國際空間站電源系統(tǒng)運(yùn)營管理中應(yīng)用。

NASA還提出了利用專家系統(tǒng)參與供配電系統(tǒng)的故障監(jiān)測、診斷和預(yù)測，參與供配電系統(tǒng)的控制決策，以降低地面測控人員的工作強(qiáng)度和操作失誤的概率。NASA Lew is研究中心建立了一套基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，作為地面故障診斷協(xié)作系統(tǒng)，通過對太空站供配電自主管理系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和遙測資料的分析處理，為地面測控人員提供故障診斷、顯示和處理建議，以便減少地面工作人員的工作壓力。

在一些研究報(bào)告中還提出了元器件智能化能源管理概念，通過降低非繁忙時(shí)期工作頻率或轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)的方式的自主能源管理技術(shù)，降低CPU、RAM等高功耗器件功耗，提高無人飛行器能源的利用率，延長壽命。

1.1.2 歐洲發(fā)展現(xiàn)狀

XMM-New ton是歐洲空間局(ESA)“地平線2000”計(jì)劃中四個(gè)探測器中的第二個(gè)。其中XMM是X-ray Multi-M irror M ission的縮寫，意為X射線多重鏡面任務(wù)。XMM衛(wèi)星以及部分電氣設(shè)備如圖1所示。

圖1 XMM衛(wèi)星及部分電氣設(shè)備

XMM具有基本的在軌自主管理能力，采用了供配電系統(tǒng)故障診斷和故障恢復(fù)、蓄電池自動充放電和再調(diào)整、載荷優(yōu)先級管理等技術(shù)。此外，XMM的設(shè)計(jì)增強(qiáng)了故障恢復(fù)能力。它的設(shè)計(jì)要求航天器能夠在產(chǎn)生故障并且沒有地面干涉時(shí)生存36 h以上。因此，在借鑒衛(wèi)星的故障恢復(fù)經(jīng)驗(yàn)上，XMM電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)注重改進(jìn)了在產(chǎn)生各種故障情況下的恢復(fù)能力。這些改進(jìn)已經(jīng)成功地在完整的航天器飛行模型上得到驗(yàn)證，增強(qiáng)了在能源損耗的情況下恢復(fù)航天器正常功能的可能性。

俄羅斯的“和平”號空間站運(yùn)行過程中，地面有一套相同的實(shí)物系統(tǒng)同步運(yùn)行，其中能源系統(tǒng)用于對應(yīng)在軌運(yùn)行系統(tǒng)的故障模擬及措施驗(yàn)證，為空間站能源系統(tǒng)運(yùn)營管理提供支持。

通過對國外能源管理相關(guān)系統(tǒng)的研究，可以發(fā)現(xiàn)自主管理技術(shù)是能源管理和故障診斷技術(shù)的主要發(fā)展方向。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)在能源管理方面的研究工作開展得較晚，文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中對我國空間站的能源管理系統(tǒng)進(jìn)行了初步探討。目前國內(nèi)對能源系統(tǒng)明確提出自主工作具體要求的飛行器極少，現(xiàn)有能源管理的需求主要基于較長時(shí)間脫離地面站監(jiān)控的自主運(yùn)行期內(nèi)保障主要有效載荷指標(biāo)不降低，一次電源有足夠的功率余量，同時(shí)保證蓄電池組得到及時(shí)的容量補(bǔ)給，以保障一次電源的正常運(yùn)行。

國內(nèi)大多在軌或預(yù)研衛(wèi)星所采取的自主管理多針對單機(jī)，主要包括充電控制器自主切換控制、蓄電池充電控制、帆板供電監(jiān)控以及過放安全保護(hù)控制等，特別是針對蓄電池的自主充放電管理進(jìn)行了大量的研究及應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)由數(shù)管計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)檢測蓄電池組壓力、電壓、主母線電壓等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)蓄電池組充電的自動控制。

2 能源管理系統(tǒng)的一般組成

2.1 能源管理系統(tǒng)的功能需求

能源管理系統(tǒng)主要作用是保證能源供給的高效、可靠，在供電能力不足時(shí)，進(jìn)行負(fù)載管理，合理調(diào)配電能；在故障狀態(tài)下，能迅速自主定位、處置，確保航天器供電安全。基于以上需求，能源管理系統(tǒng)的工作目標(biāo)定位如下：(1)進(jìn)行能源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，根據(jù)任務(wù)需求對負(fù)載進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)配，使能源得到有效合理利用；(2)進(jìn)行能源系統(tǒng)供電能力預(yù)計(jì)，優(yōu)化能源配置，使能源系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài)，延長使用壽命，降低置換成本；(3)進(jìn)行故障診斷、隔離及系統(tǒng)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)故障負(fù)載的智能切換，確保飛行器供電安全可靠，減少對地面的依賴。

2.2 能源管理系統(tǒng)的組成

能源管理系統(tǒng)一般采用文獻(xiàn)[3]中所述的“以天為主，以地為輔”的天地一體化管理模式，能源管理系統(tǒng)基本組成如圖2所示。相對于傳統(tǒng)的空間飛行器，在能源系統(tǒng)中增加了能源管理單元。能源管理單元是能源系統(tǒng)的中樞，負(fù)責(zé)整個(gè)能源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)測、性能預(yù)測、能量平衡分析、負(fù)載優(yōu)先級管理、能源調(diào)配、故障診斷等。其具體工作過程如下：(1)采集能源狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測能源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；并根據(jù)預(yù)先裝訂的能源預(yù)測模型(含性能預(yù)計(jì)、壽命預(yù)測等)，對能源(含太陽電池陣、蓄電池組等)后續(xù)供給狀態(tài)進(jìn)行預(yù)計(jì)；(2)從數(shù)管計(jì)算機(jī)獲取目前的任務(wù)階段和負(fù)載狀態(tài)，依據(jù)裝訂的負(fù)載優(yōu)先級管理策略，確定當(dāng)前階段各負(fù)載的優(yōu)先級別；并根據(jù)能源供給情況和負(fù)載狀態(tài)分析飛行器的能量平衡情況，并可對后續(xù)能源供給及消耗情況進(jìn)行初步預(yù)計(jì)；(3)當(dāng)能源供給充足時(shí)，按負(fù)載優(yōu)先級開啟相關(guān)載荷類負(fù)載，提高能源利用率；當(dāng)由于故障或光照條件變差等導(dǎo)致能源供給不足時(shí)，能源管理系統(tǒng)按負(fù)載優(yōu)先級控制功率分配單元斷開部分負(fù)載供電，保證關(guān)鍵負(fù)載的能源供給以及全飛行器的能源平衡；(4)能量管理單元實(shí)時(shí)監(jiān)測功率分配單元狀態(tài)信息，當(dāng)某關(guān)鍵負(fù)載功率分配通路出現(xiàn)故障時(shí)，按預(yù)先裝訂的故障管理策略進(jìn)行故障的隔離和重構(gòu)；(5)當(dāng)空間飛行器長期在軌運(yùn)行后，性能發(fā)生衰減，能源管理系統(tǒng)根據(jù)性能預(yù)計(jì)結(jié)果、任務(wù)階段，控制功率分配單元關(guān)閉某些負(fù)載，減輕能源供給壓力，優(yōu)化能源系統(tǒng)工作狀態(tài)，延長能源工作壽命；(6)能源管理單元將能源狀態(tài)信息、性能預(yù)計(jì)、故障管理等信息通過數(shù)管計(jì)算機(jī)、遙測系統(tǒng)發(fā)送給地面支持系統(tǒng)。由地面支持系統(tǒng)同步開展?fàn)顟B(tài)分析，并經(jīng)專家?guī)爝M(jìn)行能源管理、性能預(yù)計(jì)、故障診斷等工作，有必要時(shí)，則通過地面測控終端向飛行器發(fā)送控制指令進(jìn)行人工干預(yù)。同時(shí)地面支持系統(tǒng)在接收當(dāng)前數(shù)據(jù)后，與以往歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，通過對數(shù)據(jù)變化趨勢的分析進(jìn)行故障的自主預(yù)測，及早發(fā)現(xiàn)問題，采取措施。

圖2 能源管理系統(tǒng)基本組成

能源管理發(fā)展的終極目標(biāo)是在完全不依賴地面的情況下，實(shí)現(xiàn)空間飛行器能源的自主、合理、可靠分配。

3 我國能源管理技術(shù)發(fā)展所面臨的瓶頸

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，長期在軌駐留空間站、深空探測器等進(jìn)入我國航天工程發(fā)展戰(zhàn)略。空間站在許多方面不同于以往的航天器，其由多個(gè)航天器在軌組建而成，具有功率需求大、壽命長、組合狀態(tài)多、構(gòu)型復(fù)雜、可在軌維修等特點(diǎn)，能源的高效合理利用、高精度的性能預(yù)計(jì)等成為亟需解決的問題之一；而對于深空探測器，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間運(yùn)行下的能源自主管理以及故障狀態(tài)下的通路重構(gòu)尤為重要。而目前國內(nèi)空間飛行器能源管理多針對單機(jī)，特別是蓄電池的自主充放電管理，缺少對整個(gè)能源系統(tǒng)的安全建模、健康狀態(tài)預(yù)測、故障的診斷和重構(gòu)以及整器級的動態(tài)能源調(diào)度和負(fù)載優(yōu)先級管理。要實(shí)現(xiàn)能源自主管理，還需解決以下問題：

(1)能源預(yù)計(jì)及評估

能源系統(tǒng)狀態(tài)確定是實(shí)現(xiàn)能源管理的基礎(chǔ)，而目前針對空間飛行器能源系統(tǒng)狀態(tài)的檢測只局限于通過有限的傳感器進(jìn)行粗略的預(yù)估，如通過熱敏電阻檢測太陽電池溫度是否滿足預(yù)定要求，用霍爾傳感器檢測太陽電池、蓄電池組的供電電流確定其供電狀態(tài)是否正常，及文獻(xiàn)[4]中通過檢測蓄電池組的開路電壓對蓄電池組剩余容量進(jìn)行大致估計(jì)等，上述措施僅僅能滿足能源系統(tǒng)工作狀態(tài)及簡單電路控制的需求，而對于實(shí)現(xiàn)能源自主管理是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。能源管理系統(tǒng)不僅要能對當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，還要能對能源系統(tǒng)的后續(xù)性能及壽命進(jìn)行預(yù)知，才能做到全任務(wù)周期內(nèi)的“精準(zhǔn)”管理。因此對能源系統(tǒng)性能衰減和壽命進(jìn)行預(yù)計(jì)，根據(jù)結(jié)果對能源系統(tǒng)的供電能力進(jìn)行評估，為能量調(diào)配和決策提供支持也是實(shí)現(xiàn)能源自主管理亟需解決的問題。

要進(jìn)行能源系統(tǒng)的性能和壽命預(yù)計(jì)，必須建立相應(yīng)的預(yù)計(jì)模型。模型可通過以下方式獲得：模擬空間環(huán)境，開展能源(含太陽電池、蓄電池組等)各工況下的壽命試驗(yàn)，分析試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)，對影響性能輸出和壽命的主要因素進(jìn)行分析，結(jié)合能源自身的參數(shù)檢測，確定性能及壽命預(yù)計(jì)的模型，再通過加速試驗(yàn)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，保證其預(yù)計(jì)的正確性。

(2)能源的自主管理策略

以往空間飛行器對能源管理的實(shí)現(xiàn)大多通過數(shù)管計(jì)算機(jī)或地面實(shí)現(xiàn)，能源自主管理則意味著能源系統(tǒng)有了自己的“大腦”，可以根據(jù)能源狀態(tài)以及從數(shù)管計(jì)算機(jī)獲取的任務(wù)信息進(jìn)行自己的判斷。空間飛行器工況復(fù)雜、負(fù)載多樣，且能源系統(tǒng)全周期內(nèi)運(yùn)行的邊界條件存在很多不確定性，制定策略并實(shí)現(xiàn)策略是能源自主管理的難題之一。

實(shí)現(xiàn)能源自主管理，需要根據(jù)任務(wù)階段和電氣負(fù)載配置確定不同階段的負(fù)載優(yōu)先級列表，對全壽命周期中能源及負(fù)載的狀態(tài)進(jìn)行分析，確定每種工況及狀態(tài)下的能源動態(tài)調(diào)度策略，根據(jù)當(dāng)前能源供給、任務(wù)階段、負(fù)載狀態(tài)按負(fù)載優(yōu)先級進(jìn)行供電或斷電，保證能源利用的合理、高效。

(3)能源系統(tǒng)的故障診斷和重構(gòu)

由于空間環(huán)境復(fù)雜，空間飛行器長期在軌運(yùn)行期間易發(fā)生故障。如何迅速判定故障區(qū)域及故障性質(zhì)，通過系統(tǒng)重構(gòu)使故障得以消除或減弱，也是實(shí)現(xiàn)能源自主管理必須攻克的關(guān)鍵技術(shù)。以往空間飛行器在能源系統(tǒng)的故障重構(gòu)方面的研究很少，文獻(xiàn)[1]提出了利用配電矩陣實(shí)現(xiàn)配電通路的重構(gòu)，文獻(xiàn)[5]則主要利用多母線間的冗余切換保證供電的可靠，其實(shí)無論哪種方式，都必須解決兩個(gè)問題：故障的精確定位及重構(gòu)的策略。

要實(shí)現(xiàn)故障的精確定位，就需要對能源系統(tǒng)的故障模式的機(jī)理和影響進(jìn)行深入分析，并通過試驗(yàn)確定每種故障模式下對應(yīng)的各參數(shù)狀態(tài)及故障表征，建立故障專家?guī)欤构收夏Ｊ健?shù)狀態(tài)、對能源供給的影響形成一一對應(yīng)。針對每種模式及狀態(tài)開展分析，以保證飛行器工作正常為目標(biāo)確定通路重構(gòu)的需求，對于確定的重構(gòu)需求制定相應(yīng)的重構(gòu)策略。

4 結(jié)束語

能源自主管理是空間飛行器能源系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，對于在軌運(yùn)行空間站、深空探測等領(lǐng)域發(fā)展都具有重要的意義。本文從能源管理技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，提出了能源管理系統(tǒng)的一般組成，分析了我國開展能源管理技術(shù)所面臨的瓶頸，可為相關(guān)專業(yè)開展能源管理研究提供有益參考。

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Developmentsurvey of energymanagement for space aircraft

YANG You-chao，LIHai-wei，ZHAO Yan，XU Hai-yun，ZHANG Xiang
(China Academe ofLaunch Vehicle Technology R&D Center，Beijing 100076，China)

The domestic and foreign developmentof energymanagementwas described;the general com pose and work forms were put forward.Based on the development and application，the choke point for deeply developmentof the energymanagementwas presented and the approach was studied.

space aircraft;energymanagement;development

TM 619

A

1002-087 X(2016)07-1529-03

2015-12-02

楊友超(1979—)，男，山東省人，高級工程師，碩士，主要研究方向?yàn)殡娫醇芭潆娂夹g(shù)。