深空探測器小天體探測電源系統設計綜述

蔣 漢，董 宇，徐澤鋒，張 匡，吳杰玉

（上海空間電源研究所，上海 200245）

2007 年10 月，中國第一顆探月衛星“嫦娥一號”（CE-1）成功發射升空，中國成為世界上具備深空探測能力的國家之一[1]。探月工程三步走戰略的收官之戰“嫦娥五號”（CE-5）于2020 年11 月成功發射，并于12 月攜帶1731 克月球樣品返回地球，實現我國首次地外天體采樣返回。隨著中國深空探測計劃穩步推進，現階段我國小天體探測進入設計驗證階段。我國計劃通過一次發射，實現近地小行星（NEA）伴飛、附著、采樣返回和主帶彗星繞飛，為小天體起源及演化等前沿研究提供科學探測數據和真實樣品。本文研究分析國內外類似深空探測任務的探測器電源系統特點，為我國小天體探測電源系統設計提供依據。

1 小天體探測任務特點

近年來，國內外開展深空探測情況如表1 所示，相比于近地軌道探測器，小天體探測器的探測任務具有以下變化趨勢和特點：

表1 國內外開展深空探測情況

1.1 任務形式更復雜

深空探測任務從過去飛躍探索，到現在的繞飛、附著、采樣返回，向今后偏轉、操控、利用發展。

1.2 探測距離更遠

小天體探測器的近日點位于近地軌道，與太陽的距離小于1.3AU；遠日點位于分布于火星和木星之間主帶小天體軌道，距離太陽2.0～4.0AU[2]。

1.3 能源需求更高

小天體探測軌道變化復雜，大多數探測器（“隼鳥號”“黎明號”“羅塞塔號”“貝皮·哥倫布號”等）都使用具有高比沖、長壽命和高度自主巡航特點[3]的電推進方式執行巡航階段軌道機動。與此同時，電推進負載提高對最大功率的需求，提高母線的電壓等級。

1.4 環境差異更大

探測任務初末期與太陽距離的大跨度變化，使得探測器工作的環境溫度和光照強度存在更大差異，呈現寬溫度和光照變化范圍。

2 小天體探測電源系統

2.1 航天器電源系統架構

太陽電池陣-蓄電池組聯合供電電源系統作為首選的典型空間電源系統，具有結構簡單、壽命長、技術成熟、功率范圍大等特點[4]，其可靠性得到實際飛行任務驗證，適用于小天體探測任務，如圖1 所示。

圖1 航天器太陽電池-蓄電池組聯合供電拓撲

根據太陽陣功率調節方式不同分為串聯型功率調節器和并聯型功率調節器，前者為峰值功率跟蹤系統（PPT），后者為直接能量轉換系統（DET）；根據母線蓄電池充放電模塊配置情況分為全調節母線、半調節母線和不調節母線。

2.2 深空探測器電源系統特點

不同于近地軌道的探測器和應用衛星，小天體探測器的探測任務的特點使其對電源系統供電保障的各項指標提出更高要求[5]，主要體現在：

（1）對溫度和光強寬變化范圍的適應性

探測距離大幅變化使得探測器工作的溫度和光強存在較大差異，影響著太陽電池陣輸出伏安特性曲線，太陽陣輸出電壓為寬變化范圍，如表2 所示。

表2 國外小天體探測器探測距離和輸出電壓對比

我國小天體探測器太陽電池陣預計輸出功率如表3所示，太陽陣輸出電壓為77.2V～119.8V，電壓差值為42.6V。因此，要求電源變換器具備溫度和光強的寬變化范圍適應性，即具備寬輸入電壓范圍變換能力。

表3 我國小天體探測器太陽電池陣預計輸出功率

（2）高效率和高功率密度

深空探測受火箭帶載能力的約束，對電源分系統重量指標更為嚴格。為滿足平臺負載需求，電源變換器需滿足高效率和高功率密度。典型深空探測器電源轉換效率如表4 所示，變換器轉換效率均在92%以上。因此，要求電源變換器輕量化設計，提升重量比功率。

表4 典型深空探測器電源變換器效率

（3）新型電源系統控制技術

小天體探測的軌道呈現出由近及遠和循環往復的特點，如圖2 所示，“羅塞塔號”任務期間多次機動改變軌道，探測器不斷在近日點和遠日點間切換。同時，任務初期和末期的功率差異。我國小天體探測太陽電池陣輸出功率從初期9700W（0.9AU，132℃）到末期1202W（3AU，-111℃）;“羅塞塔號”從初期7125W（1AU，50℃）到末期400W（5AU，-130℃）；“黎明號”從初期10700W（1.0AU）到末期1100（3.0AU）差異明顯。

圖2 深空探測“羅塞塔號”任務軌道變化圖

近日點和遠日點、初期和末期能源的變化差異，對傳統并聯分流調節器造成挑戰。通常，并聯分流調節器以環境能源惡劣端（末期遠日點）設計分流電路，使得變換器的分流模塊在初期近日點大部分處于分流狀態，能量損耗在分流電阻上。這樣不僅給熱控系統造成壓力，同時為增加系統可靠性的冗余設計提高電源系統質量，不適應遠距離探測任務。因此，為了提高對不同太陽電池輸出伏安特性曲線時功率利用率，采用串聯型功率調節器，并以適當策略控制蓄電池充放電功率，需研究新型電源控制技術。

3 國外小天體探測器電源系統

根據國內外開展深空探測情況，對典型深空探測電源系統總結如下。

3.1 “隼鳥號”“隼鳥二號”電源系統

“隼鳥號”的電源系統框圖如圖3 所示，JAXA 后來發射的“隼鳥二號”和“拂曉號”均繼承“隼鳥號”的電源系統技術。“隼鳥號”探測近地小行星“系川”（Itokawa）并取樣返回。為滿足遠距離探測任務采用功率需求更大的離子電推進。同時，太陽電池伏安特性在初期近日點和末期遠日點存在較大差異，分別為近日點（1.0AU）2.6kW 和遠日點（1.4AU）1.4kW。為此，母線功率調節方式并未采用成熟的并聯型諸如S3R、混合型或S4R，而是選用適應寬輸入范圍的串聯型。電源系統基于串聯型功率調節方式設置雙母線，一條母線給大功率、高電壓電推進模塊單獨供電，另一條母線經Buck 降變換器變換為50～52V 母線電壓給平臺負載和蓄電池組供電。

圖3 深空探測“隼鳥號”電源分系統圖

3.2 “羅塞塔-菲萊”電源系統

“羅塞塔-菲萊”電源系統如圖4 所示，作為首個彗星附著探測器，探測最遠距離達5.25AU。探測器未采用電推進，但為滿足寬范圍溫度和光照變化，電源控制器為串聯型，母線為全調節單母線拓撲。在太陽電池陣輸出電壓為32～80V 的范圍下，控制母線電壓為28±0.1V。

圖4 深空探測“羅塞塔-菲萊”電源分系統圖

3.3 “貝皮·哥倫布”電源系統

“貝皮·哥倫布”電源系統如圖5 所示，探測器的探測目標為距離太陽最近的水星，任務進行期間探測器環境溫度逐漸升高，太陽電池陣的輸出電壓降低，輸出功率增加。為了滿足寬范圍溫度和光照變化，電源控制器采用順序開關分流最大功率調節器（S3RMPR）與串聯型Weinberg 升壓變換器相接的結構[6]，將并聯型的S3R 拓撲和串聯型的Weinberg 拓撲相結合。既能降低母線的輸出阻抗，減小大功率電推進負載開通關斷時母線電壓的紋波，又能利用串聯型Weinberg 的電壓控制環，保證變換器寬輸入范圍條件下輸出電壓的穩定。新系統架構結合S3R 和Weinberg 的高效率和輕量化的成熟設計，具備高達10kHz 的帶寬，能減小高功率高動作頻率的電推進負載對母線電壓的沖擊。

圖5 深空探測“貝皮·哥倫布”電源分系統圖

3.4 “嫦娥五號”電源系統

作為我國探月工程“繞、落、回”三步戰略最后一步的“嫦娥五號”分為軌道器、著陸器、上升器三部分，其軌道器電源系統框圖如圖6 所示。“嫦娥五號”的近地軌道、地月轉移軌道和月球軌道相比于小天體探測的軌道而言距離跨度很小，太陽陣輸出伏安特性曲線差異小，因此采用傳統成熟的并聯型功率調節方式。電源系統設兩條母線，分別為母線電壓29±1V 的全調節母線和23～29V 的不調節母線。

圖6 深空探測“嫦娥五號”軌道器電源分系統圖

4 結論和啟示

國內外開展的深空探測電源控制器的比較總結如表5 所示。

表5 國內外電源控制器方案及輸入條件對比

通過表格的對比分析，可以得出小天體探測器的電源控制器啟示如下：

4.1 串/并聯型供電拓撲選擇

遠距離小天體探測任務距離跨度大，太陽電池陣輸出電壓即變換器輸入電壓，受光照和溫度影響呈現寬電壓范圍。地球軌道航天器傳統采用的并聯型供電拓撲難以兼顧初期近日點和末期遠日點的供電需求，會造成分流支路的冗余，增加電源系統質量，增加熱控系統的散熱問題。因此，太陽電池陣輸出伏安特性曲線差異大的小天體探測任務，需采用串聯型供電拓撲。

4.2 母線拓撲和數量選擇

全調節、不調節和半調節母線拓撲選擇主要影響光照期和地影期母線的電壓波動范圍、電磁兼容性（EMC）和輸出阻抗。母線拓撲架構區別在于蓄電池組與母線間是否配置相應的充放電模塊。設置充放電模塊雖然減小了電能轉換效率，但能減小母線電壓紋波、增強EMC 特性、減小母線的輸出阻抗。

母線數量的選擇主要考慮適應不同特性的負載。電推進負載不同于傳統平臺負載，具有大功率和頻繁開關的特點。雙母線方式下，電推進負載單獨供電能減小其開通關斷過程中對傳統平臺負載的影響，同時高電壓等級的電推進母線能更好滿足其對大功率的需求。

4.3 變換器拓撲選擇

串聯型功率調節方式中的變換器連接太陽陣和母線，通常為DC/DC 變換器。當前國內外深空探測器在降壓時采用成熟Buck 和Superbuck 拓撲；升壓時采用Boost 和Weinberg 拓撲。然而單一的升壓或降壓型拓撲在電壓變比增大時，直接能量傳輸比減小，電壓轉換效率降低，同時限制太陽陣串并聯數設計的靈活性。因此，隨著深空探測距離增加，小天體探測電源系統可采用升降壓型拓撲。