蓄电池|飞向火星的10个月之旅，电源如何守护？
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飞出地球 ， 迈向深空 ， 是人类自古以来的梦想 。 火星 ， 这颗距离地球最近的红色行星 ， 让人类产生过很多幻想 ， 但到火星“串门” ， 却没那么容易 。
从地球飞往火星需要7个月 ， 加上停泊火星轨道的3个月 ， 在火星车开始工作之前 ， 由中国航天科技集团有限公司八院研制的火星环绕器需要独自工作10个月 。
漫长10个月 ， 火星环绕器从地球环境逐步过渡到火星环境 ， 电源是如何做好保障工作的？承担环绕器电源分系统的八院811所是这样应对挑战的 。
五个飞行阶段 ， 如何确保各阶段能量平衡？
据介绍 ， 火星探测器飞行任务共分为地火转移、火星捕获、离轨着陆、中继通信、科学探测五个阶段 ， 环绕器全程经历了所有阶段 。 工作模式多、光照变化大 ， 如何保证各阶段工作模式能量平衡 ， 是一大难点 。
研制人员根据光照条件完成了环绕器各飞行阶段的太阳阵输出功率 ， 并细化环绕器各阶段的工作模式及负载功率 ， 在设计中对能源平衡进行详细计算以及复核复算 ， “能源平衡复核复算覆盖了在轨所有极端工况 ， 尤其在捕获轨道、中继通信等能量平衡较为困难的工况 ， 我们协同总体制定了专门的应对措施 ， 确保全任务期间能量平衡 。 ”电源分系统副主任设计师许峰介绍道 。
许峰说：“环绕器将根据太阳电池阵输出功率决定系统工作模式 ， 太阳电池阵输出功率由小到大分别对应三种供电模式：锂离子蓄电池组供电模式、太阳电池阵与锂离子蓄电池组联合供电模式、太阳阵供电模式 。 如在地火转移段中途修正期间 ， 太阳帆板工作条件不确定 ， 我们提前根据可能经历的最严酷飞行情况制订了能源管理措施 ， 保证了蓄电池组有足够的能源裕度；在中继通信轨道运行期间 ， 将经历一个最长火影阶段 ， 时长为110分钟 。 考虑到最严重的后果 ， 这将会造成整器能源紧张 ， 我们联合总体在确保完成地火通信任务的前提下 ， 灵活制定了在轨分时段开启大功率单机的飞行策略 ， 以7-15天为周期完成中继通信、轨道调整等工作 ， 确保能量平衡 。 ”
【蓄电池|飞向火星的10个月之旅，电源如何守护？】在飞往火星的过程中 ， 环绕器长期经历光照 ， 尤其在环火轨道长光照期及地火转移段 ， 锂离子蓄电池基本处于不工作的状态 ， “而蓄电池的荷电态和储存温度对其性能影响很大 ， 通过试验我们发现高荷电态与高温很容易造成电池容量衰减加剧、电池使用寿命缩减的后果” ， 锂离子蓄电池主管设计师王晓锐说 。 蓄电池要控制多少荷电态？储存温度要控制在多少度才能对电池最有利？研制人员设计了相应的地火转移段蓄电池管理策略 ， 综合考虑蓄电池自放电、采样电路耗电以及环绕器应急供电的需求 ， 通过验证后将蓄电池的荷电态控制在60%-80% ， 温度控制在-10℃到10℃ 。
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光照强度差别大、温度变化跨越大 ， 怎样应对恶劣环境带来的影响？
环绕器从近地球轨道飞行到火星环绕轨道阶段 ， 随着与太阳的距离越来越远 ， 环境越来越恶劣 ， 也让一系列针对环绕器电源分系统的大考拉开帷幕 。
首先是光照强度的逐渐减弱带来的问题 。 火星平均太阳光强只有地球的0.43倍 ， 地火光照条件的差别造成了环绕器在不同飞行阶段的功率输入相差较大 ， 多余的能量怎么处理？同时 ， 光照强度越来越低 ， 对太阳电池发电效率是否会有影响？
研制人员将因地火轨道光强差异造成的2300W多余能量进行了分流 ， 这又给电源控制器热设计带来了难题 。 “我们需要在单块分流模块输出功率接近1000W时 ， 将器件结温控制在85℃以下 ， 但按照以往的设计经验 ， 类似的分流模块在相同的尺寸下 ， 输出功率达到800W时 ， 功率器件结温就有可能超过95℃” 。 ”许峰说 。
必须推翻之前的设计方案！为从根本上减少模块发热量 ， 研制人员放弃了常用型号的器件选型 ， 经过反复查阅资料和多次验证、并申报目录外器件后 ， 选用了一批热性能参数最优的功率器件 。 针对发热源 ， 在结构设计上进行了分散排布 ， “最大化散热面积 ， 同时对比仿真结果进行调整 ， 实现最优热设计结果 。 在按照总体要求开展的热平衡试验中 ， 即使在各种极端工况下 ， 功率器件结温均未超过78℃ ， 问题迎刃而解！”
为了验证太阳电池在弱光强下的发电特性 ， 研制人员经过仔细斟酌 ， 进行了一次“极限挑战” 。 “地球轨道的光照强度为1 ， 在火星轨道光照强度为0.4 ， 为了确保在0.4光照强度下太阳电池发电功率满足整器能源需求 ， 我们首次将三结砷化镓太阳电池置于0.1光照强度下进行电性能测试 ， 经过对设备的多次调试 ， 最终获得了稳定的0.1光照强度下的太阳电池输出特性” ， 太阳电池阵主管设计师王文强介绍道 。
其次 ， 另一道需要跨过的坎 ， 是大范围的温度跨越 。 近火轨道最低温度可达到-190℃ ， 最高温度可达到40℃ 。 随着轨道运行 ， 环绕器反复进出光照和阴影区 ， 高低温环境对太阳电池阵的国产化基板带来了重要挑战 。 考虑到极端温度可能对太阳电池阵的材料造成损坏 ， 从而使太阳电池失效 ， 同时 ， 为了验证太阳电池阵上接插件、导线、元器件是否满足各种极端温度条件下的使用要求 ， 经过与总体的沟通协调 ， 研制人员开展了-190℃到40℃温度环境可靠性验证工作 。
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