太陽翼：為航天器裝上“翅膀”

文/遲惑

關心航天的人，對太陽能電池都很熟悉，也就是我們俗稱的“太陽翼”或“太陽能帆板”。航天領域是人類第一個大量、全面使用太陽能的。沒有航天技術幾十年的探索、開發和應用，今天龐大的光伏產業可能就無從誕生。

太陽能電池，如今往往被叫做光伏材料。雖然一部分深空探測器已經在使用放射性同位素電源，但絕大多數航天器，包括降落在月球和火星表面的探測器，還是在使用太陽能電池，因為它安全可靠、技術成熟、沒有核污染的擔憂。在深空探測活動中，巨大的太陽能電池陣還可以作為動力，靠太陽光壓來推進。

目前，人類使用過的太陽能電池材料，有硅材料和砷化鎵材料兩種。

第一道光伏電流

第一種實用的硅太陽能電池是貝爾實驗室于1954年4月推出的。最初的效率只有6%。但貝爾實驗室的核心業務是通信，因此沒有在太陽能電池上投入太多研發資源。

1954年4月25日，貝爾實驗室向公眾宣布，研制成功了硅太陽能電池。當時美國軍方正秘密考慮研制并發射一顆衛星。貝爾的太陽能電池引起了美國信號部隊指揮官詹姆斯·奧康奈爾的注意。很快，奧康奈爾安排美國陸軍工程兵團電力設備首席研究員漢斯·齊格勒博士訪問貝爾實驗室。

齊格勒博士對他在貝爾實驗室所看到的一切感到非常震驚。訪問結束后，他對同事們說：“硅太陽能電池很可能會成為重要的電力來源，我們城鎮所有建筑的屋頂都可以裝太陽能電池，足以滿足美國對電力的全部需求。”

▲ 1954年貝爾實驗室開發的第一塊太陽能電池的廣告

▲ 齊格勒博士

齊格勒和他的工作人員立即著手調查。他們在報告中寫道，太陽能電池在太空里，可以擺脫夜間和惡劣天 氣等地面限制，“在地球大氣層上方的操作將為太陽能轉換器提供理想的環境”。太陽能電池相對較輕，作為燃料的太陽能在太空中可以24小時使用。此外，硅太陽能電池能使用很多年，而不像其他電源那樣會在不到一個月的時間內用盡。他們因此得出結論：“對于更長的運行時間和有限的重量，光伏原理看起來最有希望。”

當時美國海軍贏得了研制美國第一顆衛星的競賽。不過海軍對使用太陽能電池毫無興趣，并稱其“不受控制，且工業基礎尚未完全建立”。海軍的決定激怒了齊格勒，為了“盡早讓人類受益于這項發明”，他把太陽能電池的想法告訴了由美國著名科學家組成的民間團體，這些人負責監督美國剛剛起步的太空計劃。這些科學家站在齊格勒一邊，表示“在太空中使用太陽能電池系統至關重要”。科學家們向海軍施壓，要求為“先鋒計劃”設計太陽能電力系統。

貝爾公司把生產許可授予了Spectrolab公司，這家公司按照美軍的要求，制造了第一批太陽電池陣。為了測試它們能否經得住航天發射的震動和太空環境，齊格勒等人把太陽能電池封裝在由厚重玻璃保護的盒子里，裝在兩枚火箭的頭錐上，發射到足夠高的高度，模擬衛星運行環境。

▲ 火箭的頭錐上安裝了5塊太陽能電池

▲ 先鋒衛星和4塊太陽能電池

▲ 安裝有太陽能電池的先鋒衛星被放入火箭頭錐，正準備發射

在兩次發射中，太陽能電池都運行得很好。測試報告說，“它們的能量足以用于衛星儀器，而且當火箭高速穿過大氣層時，它們不受表面摩擦溫度的影響。”

但測試成功并沒有給海軍留下深刻印象。海軍公開表示，至少前4顆衛星可能會使用常規化學電池作為電源。

然而，到1957年8月，先鋒計劃陷入了泥潭。為了快速發射，美軍決定先發射一批模擬衛星，里面除了一個無線電發射器外，什么都沒有。齊格勒表示，修改后的計劃為“太陽能電池提供了一個絕佳的新機會”，因為有“相當大的重量和體積空著”。海軍最終讓步了。

經過幾次失敗的嘗試，第一顆搭載太陽能電池的衛星于1958年進入軌道。海軍對太陽能電池沒有信心，因此裝了一些化學電池。19天后，《紐約時報》報道說，“化學電池耗盡，太陽能單元正在運行。”

因為采用了太陽能電池，先鋒衛星比蘇聯發射的信使衛星運行時間更長。后者僅僅在太空飛行數周后就停止工作了。而先鋒衛星長時間工作，更準確地繪制了南太平洋島嶼的位置，并使地球物理學家能夠更好地確定地球的形狀。

先鋒衛星更大的作用，是突破了在太空中使用太陽能。如今的太陽能電池已經成為太空計劃中最重要的設備之一。

Spectrolab公司憑借先鋒計劃進入衛星太陽能電池市場后，一發而不可收，先后達成了多個里程碑。其中包括探索者6號偵察衛星，是第一個采用完整太陽能電池陣列的，它于1959年提供了第一張來自太空的地球照片。第一顆地球靜止軌道通信衛星“辛康”，采用了體裝式太陽能電池。1969年的阿波羅11號任務，在月球上部署了第一塊太陽能電池板。這些都是Spectrolab的產品。他們還為國際空間站提供了275000片硅電池。這是有史以來在太空使用的最大光伏電池板，總輸出功率為200千瓦。

太陽能電池在各種航天器上的成功使用，讓人們發現了太陽能電池的價值。漢斯·齊格勒博士計算發現，用太陽能電池為電池組充電，比攜帶蓄電池，發射重量要輕得多。當時的硅太陽能電池，轉換效率約為10%。美國一家叫做光譜實驗室的公司著手開發專門為太空應用服務的太陽能電池。此后，太陽能電池成為人造衛星的標配。

到了20世紀70年代，硅電池效率提高到了約12%。當距離太陽一個天文單位，也就是太陽到地球的距離時，直徑6厘米的硅太陽電池可以產生0.25伏特、1安培的電流。

▲ 繞地球飛行的先鋒衛星

越來越強大的太陽能電池

隨著20世紀70年代和80年代對更強大、更高效衛星的需求增加，以Spectrolab公司為代表的太陽能電池廠商開發了功能越來越強大的太陽能電池。進入21世紀前后，砷化鎵取代硅，成為空間太陽能電池的主要材料，它的效率大約能達到30%，迅速成為產業主流。目前最有效的是多結光伏電池。它們使用幾層磷化銦鎵、砷化鎵和鍺的組合，在非集中AM1.5G照明下效率能夠超過39.2%，使用集中AM1.5G照明時效率能夠超過47.1%。如今，僅Spectrolab公司每年就能夠生產近50萬瓦（超過30顆高功率衛星）的多結太陽能電池和面板。美國機遇號、勇氣號火星車所使用的太陽能電池也是Spectrolab的產品。其中機遇號火星車的設計壽命只有90天，卻一直工作了14年。

迄今為止，美國宇航局已經向火星表面發射了好幾個探測器，包括著陸器、漫游車和直升機。在這些探測器上，我們可以看到太陽能電池技術

的發展和變化。

▲ 圖中3輛火星車自左至右分別為勇氣號、索杰納號、好奇號

▲ 火星探路者探測器拍到的索杰納號火星車

@火星漫游車

火星漫游車需要電力來機動、驅動科學儀器、與地球通信，如果要在火星上鉆探，需要的電力就更強了。目前火星車主要電力來源依然是多面板太陽能電池陣列。它們看起來有點像“翅膀”，但主要用處是發電，而不是飛行。

隨著不同代次火星車的發射，所使用的太陽能電池也不斷更新換代，達到越來越高的性能。

1997年7月4日，索杰納號火星車登陸火星。它的設計壽命只有一周，但實際上運行了整整85天。在火星晴朗的白晝，索杰納號火星車的硅太陽能電池陣列可以產生約140瓦的功率，這個時段可以持續4小時。火星車需要大約100瓦（相當于老式的鎢絲燈泡）才能行駛。

當然，140瓦是最理想狀態下的。火星上也有季節變化，當運行到遠日點的時候，由于距離的關系，太陽光照的強度就會差一些。火星也像地球一樣，自轉軸是傾斜的，這給火星帶來了季節性的變化，加之太陽能陣列上的灰塵覆蓋，“索杰納號”太陽能陣列發電能力可能會降低到50瓦左右。所以，“索杰納號”還攜帶了一副40安時的鋰電池，白晝靠太陽能電池來充電。到了夜間，火星車的運行就靠它了。

到“勇氣號”和“機遇號”時代，三結砷化鎵太陽能電池板已經成熟。這類電池板有三層，比“索杰納號”上的單層電池板發電能力更強。在陽光最充足的時候，“勇氣號”和“機遇號”的太陽能電池板可以在一個火星日當中，提供大約900瓦時的電力。

灰塵覆蓋，是太陽能電池板在火星上的最大問題。因為沒有辦法清理，灰塵堆積會持續減少太陽能輸出，這是美國宇航局最終與勇氣號和機遇號火星車失去聯系的主要因素。

由于這個問題不好解決，后續的“好奇號”和正在運行的“毅力號”，都采用了放射性同位素熱電源。

▲ 勇氣號火星車的藝術想象圖

▲ 洞察號火星探測器

@創造火星發電記錄的洞察號著陸器

2018年11月26日，美國宇航局的洞察號探測器成功登陸火星，雙太陽能電池板陣列創下了火星每日發電量的紀錄。

在第一個火星日，“洞察號”靠太陽能發電產生了4588瓦時電力，遠遠超過了好奇號漫游車的2806瓦時。排名第三的是鳳凰號著陸器，它靠太陽能發電，每天產生約1800瓦時的電量。

“洞察號”的太陽能陣列稱為UltraFlex，可以解釋為“超級靈活”，是軌道科學ATK公司的產品，如今這家企業已經被諾格公司收購。這是一種折扇式的構造，展開后變成一個圓形。它也用在鳳凰號著陸器和天鵝座貨運飛船上。

根據諾格公司的說法，UltraFlex的效率達到29.5%。電池片由SolAero技術公司制造。此外“洞察號”上還攜帶了兩只25安時鋰電池。

“洞察號”的兩個太陽能陣列直徑各達到2.2米，當它們打開時，整個著陸器大約有“20世紀60年代的大型敞篷車”大小。這對電池在晴朗的白晝可以提供600至700瓦的峰值功率，約為地球的1/2。即使被灰塵覆蓋，也能夠提供至少200至300瓦的峰值功率。

@機智號火星直升機

2020年，美國宇航局的火星車“毅力號”登陸火星時，帶去了一個獨特的設備：機智號小型直升機。這臺無人直升機的飛行，讓人們對火星太陽能的應用和維護有了新的理解。火星大氣稀薄，要想在這里放飛一種比空氣更重的物體，需要的旋轉功率比地球上大得多。那么，太陽能電池可以支撐這么大的電力需求嗎？

“機智號”的太陽能電池板由一家名為SolAreo的公司提供，采用了所謂“反轉變形多結板”技術。這類太陽能電池板不但效率可以達到33%，超過了傳統砷化鎵電池的30%，而且比常規的太空級太陽能電池板輕40%以上。面板的重量輕和超高效率，為“機智號”能飛起來提供了可能。

“機智號”的太陽能電池板尺寸約為425毫米寬、165毫米長。它的發電能力不足以直接支持飛行，必須先把鋰電池組充滿之后，靠后者飛行。每個火星日，太陽能電池提供的能量可以進行一次90秒的飛行。

▲ 機智號火星直升機在地面進行測試

在現場照片中，“機智號”的太陽能電池板看起來塵土飛揚，但美國宇航局似乎并不擔心，稱其影響不大。原來“機智號”的太陽能電池板安裝在旋翼的上方。這就帶來了一個巨大的好處。我們在前文中說到，灰塵覆蓋導致火星車的太陽電池效率越來越差。但“機智號”飛行期間，會有比較大的空速，相當于用風來吹拂太陽能電池，可以把灰塵吹走，恢復發電能力。這就讓人們有更大的信心，在火星大氣內實現旋翼機的飛行。

柔性展開式天陽能電池

在可預見的將來，太陽能電池還將繼續成為人造衛星、宇宙飛船、空間站和探測器的主要電力來源。在月球基地運行早期，也將大量部署太陽能電池，支撐基地的運行。至于月球核電站的部署，目前還在討論當中，即使實現，也肯定排在太陽能電池的后面。

太陽能電池板的關鍵性能指標有兩個。首先是比功率，也就是能產生的功率除以太陽能陣列的質量。另一個關鍵指標是堆裝效率，也就是所產生的部署功率除以堆疊起來的體積，這表明了該陣列是否能夠很容易地安裝到運載火箭中。當然，還有第三個關鍵指標，也就是每個瓦特的成本。

為了增加比功率，航天器上的典型太陽能電池板使用緊密堆積的矩形太陽能電池，覆蓋了太陽能電池板近100%的太陽可見區域。但是，如果航天器采用體裝式電池，也就是把太陽能電池板貼在衛星本體外表面，所覆蓋太陽可見區域就要少得多。

為了能夠獲得最大功率，太陽能電池板可以隨著航天器的移動而轉動。因此，無論航天器指向何處，太陽能電池板都始終指向太陽。不過有時候，衛星運營方會故意將太陽能電池板偏離一點，避免與與太陽直接對準。這往往是因為星上蓄電池已經充滿，或者有效載荷不需要那么多電力。為了減少軌道阻力，國際空間站有時也會讓太陽電池偏離。

長時間暴露在陽光下會導致光伏電池的性能每年下降大約百分之一到百分之二，而當暴露在太陽耀斑的粒子輻射下時則會更快。空間包含不同水平的電磁輻射和電離輻射。有4種輻射源：地球輻射帶（也稱為范艾倫帶）、銀河宇宙射線（GCR）、太陽風和太陽耀斑。范艾倫帶和太陽風主要包含質子和電子，而GCR主要是高能質子、α粒子和更重的離子。由于這些類型的輻射，隨著時間的推移，太陽能電池板的效率將下降，下降速度取決于太陽能電池技術和航天器的位置。對于硼硅酸鹽玻璃面板覆蓋物，每年的效率損失可能在5~10%之間。其他玻璃覆蓋物，如熔融石英和鉛玻璃，每年可將效率損失降低到1%以下。

▲ 航天員在為國際空間站安裝ROSA

▲ 國際空間站上展開后的ROSA與老電池呈一定角度

因此，圍繞太陽能電池的研發和改進，還將長期持續下去。最近的一項成功創新，就是柔性展開式太陽能電池。

柔性展開式太陽能電池陣簡稱ROSA。傳統上，宇航用的太陽能電池比較昂貴、笨重，而且操作起來往往非常復雜。ROSA可以實現結構緊湊，價格實惠，能夠用于低地球軌道到星際旅行的各種科學和商業任務。如今，ROSA已經在國際空間站上和雙小行星重定向任務中得到應用，未來還計劃使用在地月軌道空間站上，一些商業衛星也在討論使用ROSA。

ROSA的研制企業叫做紅線航天，最初由可部署空間系統公司（DSS）在美國宇航局的空間技術委員會支持下開發。2021年，紅線航天收購了DSS公司，繼續開發ROSA的應用市場。

▲ 完工的第一副ROSA

▲ 勞拉公司在衛星上應用ROSA的想象圖

紅線航天負責業務開發的副總裁肯·斯蒂爾表示，太陽是太空中最大的能源，每秒產生的能量超過了過去70年人類消耗的能量。大多數航天器都使用太陽能電池板來利用太陽的持續能量，并為各種需要提供能量，如熱能和有效載荷操作。然而，太陽能電池板的設計有兩個關鍵因素，即尺寸和可靠性，這兩個因素很難優化。電池板的尺寸會影響發射成本，同時需要高可靠性來承受惡劣的太空環境，包括溫度波動、輻射和微流星體撞擊。因此，人類非常需要開發新概念的太陽能電池，解決上面說的這些問題。

ROSA的出現正好解決了這些問題。和傳統太陽能電池相比，ROSA結構緊湊，像地毯一樣卷起，便于發射，展開后的面積卻相當大。此外，ROSA是可擴展和模塊化的，可以滿足各種任務要求，可以用在小型衛星上，也可以用在深空任務中。

紅線航天負責國際空間站上ROSA的技術總監馬特表示，大型太陽能電池陣的展開，通常使用電機和拉索系統，需要大量人員操作和大功率電氣系統。相比之下，ROSA可以利用復合材料吊桿中的變形勢能，自行展開。而且使用復合材料吊桿還會大大降低機構卡住或電機失靈的可能性。

盡管ROSA比傳統的太陽能電池陣列小，但它采用了高效太陽能電池，單片太陽能電池板能夠產生超過30千瓦的功率，未來還可能采用聚光器來提高發電能力。此外，復合材料吊桿的結構剛性比較好，能夠承受動態環境、振動以及碎片或微流星體碰撞，為長時間任務提供了可靠性。