如今，天和核心艙的成功發(fā)射，讓中國人在太空有個(gè)家的愿望從夢想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。家的正常運(yùn)營離不開電，那么，“太空家園”的“太空電站”是如何打造的？負(fù)責(zé)空間站電源分系統(tǒng)抓總研制的中國航天科技集團(tuán)有限公司八院 811所的專家們昨天進(jìn)行了揭秘。
展“翼” 翱翔， “三房兩廳” 用電足
天和核心艙是未來空間站的指揮控制中心。航天員的生活起居要在這里進(jìn)行，并將在此開展一定的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)。為了讓航天員在太空中的長期生活能夠更加舒適，核心艙提供了約 50 立方米的空間供航天員工作生活。除了升級睡眠區(qū)，還新增了專門衛(wèi)生區(qū)和運(yùn)動(dòng)區(qū)。此外，核心艙內(nèi)還可以連 WIFI 上網(wǎng)。如果說“天宮二號”是“一房一廳”簡裝，天和核心艙可以算是“三房兩廳加儲藏間”的豪華裝修了。如此龐大的系統(tǒng)，用電需求相應(yīng)升級為“天宮二號”的近三倍，需要強(qiáng)有力的電力保障。
太空中唯一的能量來源，就是太陽的能量。在天和核心艙上，配有兩對大面積的太陽電池翼，單翼面積可達(dá)到67平方米。其在光照區(qū)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，供整艙應(yīng)用，同時(shí)為蓄電池儲存能量，備陰影區(qū)使用。這兩組太陽電池翼在初期發(fā)電能力超過18000 瓦，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國內(nèi)之前任何一個(gè)航天器。
天宮二號的太陽電池翼單翼翼展只有 3 米，到天和核心艙上增加到了 12.6 米。而運(yùn)載火箭的裝載空間有限，研制人員國內(nèi)首次應(yīng)用了多維多步展開的柔性太陽電池翼，巧妙
地解決了這一問題。得益于高效光電轉(zhuǎn)換效率的三結(jié)砷化鎵太陽電池的應(yīng)用，它們與高比能鋰離子蓄電池一起，構(gòu)成了強(qiáng)大的電源系統(tǒng)，為空間站提供可靠、充足的不間斷發(fā)電。
核心艙太陽電池翼的另一個(gè)特點(diǎn)，是其在軌可開展至少20 次的展收動(dòng)作，為此采用了鉸接式伸展機(jī)構(gòu)支撐雙邊柔性太陽電池陣的技術(shù)方案，展開方式則由原先的無源驅(qū)動(dòng)展開
升級為有源驅(qū)動(dòng)的三維五步展開，抬升-側(cè)展-伸展，整個(gè)過程耗時(shí) 40分鐘，這也被形象地稱為“手風(fēng)琴”展開方式。這種特殊的折疊展開方式，讓作為太陽翼“動(dòng)脈”的傳
輸電纜，經(jīng)歷了一番脫胎換骨的“整形”：國內(nèi)首次研制、應(yīng)用了柔性扁平式電纜。此舉適應(yīng)了多次重復(fù)展收對電纜的折疊需求，且厚度僅有 0.43 毫米，在太陽陣面壓緊后，電纜厚度與太陽電池片厚度相當(dāng)，并且重量是同等功率傳輸能力下原先的一半。
核心艙太陽電池翼的另一個(gè)特殊功能，是其在軌可整翼拆卸、轉(zhuǎn)移?？紤]到后續(xù)空間站組建完成后對核心艙太陽電池翼造成的遮擋，從而影響發(fā)電，這兩個(gè)太陽電池翼可由航天員與機(jī)械臂配合，實(shí)現(xiàn)艙外拆卸、轉(zhuǎn)移，安裝于后續(xù)發(fā)射的實(shí)驗(yàn)艙尾部桁架上，并在軌重新組建供電通道，這又被稱為在軌能源拓展功能。
以 “ 鋰 ” 相助，長期居住條件佳
空間站長期在軌穩(wěn)定運(yùn)行，航天員長期駐留，站內(nèi)的安全是最關(guān)鍵的問題。在空間站運(yùn)行到太陽無法照射的陰影區(qū)時(shí)，由鋰離子蓄電池為整個(gè)艙體供電。而鋰電的安全性向來是大眾關(guān)注的焦點(diǎn)。811 所研制人員經(jīng)過長期攻關(guān)，找到了解決辦法，從研制、使用、更換等多個(gè)角度，設(shè)計(jì)出了一種滿足空間站運(yùn)行需求的長壽命大容量高安全鋰離子蓄電池。
鋰電最大的安全性問題就是熱失控。對此，空間站鋰電在研制時(shí)采取了多種有效的手段：從源頭上，采用陶瓷隔膜，提供良好的防內(nèi)短路措施；在電池組內(nèi)使用阻燃材料，防止
高溫引發(fā)燃燒；在電池組內(nèi)使用卸壓材料，為單體電池膨脹時(shí)提供空間；采用全密閉的鋰離子蓄電池箱體式結(jié)構(gòu)式設(shè)計(jì)，為艙內(nèi)提供安全可靠的環(huán)境?？臻g站核心艙共有6 組鋰離子蓄電池，每組有 66 個(gè)單體電池。而鋰電使用時(shí)的難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)對每個(gè)單體電池的過充保護(hù)。811 所研制人員設(shè)計(jì)出了一套智能化的鋰電管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠、高安全的鋰電充電控制。國內(nèi)首次采用高精度鋰電集聯(lián)采集系統(tǒng)，讓采集精度更高、控制點(diǎn)更準(zhǔn)；國內(nèi)首次使用高效率高壓大功率充電模塊，充電時(shí)啟用三級保護(hù)機(jī)制，在任意情況下保證用電安全；同時(shí)，在充
電過程中實(shí)施溫度監(jiān)測，當(dāng)充電溫度高于設(shè)定安全溫度值時(shí)，立即停止該機(jī)組蓄電池充電。空間站在長達(dá)10 多年的在軌運(yùn)行過程中，航天員需定期對鋰電進(jìn)行在軌更換。如何在不影響空間站的正常供電情況下，確保航天員的操作安全呢？研制人員為鋰電更換操作上了“雙保險(xiǎn)”。核心艙有兩個(gè)功率通道，當(dāng)其中一個(gè)通道需要更換電池時(shí)，由另一個(gè)通道作為主力供電。且每個(gè)功率通道采用“2+1”機(jī)組工作模式，任意一個(gè)機(jī)組中的電池需要更換時(shí)，將本機(jī)組斷電，剩余兩個(gè)機(jī)組可以保證本通道正常供電。另外，航天員在更換鋰電的時(shí)候，高壓電池組帶來了安全隱患。為此，研制人員在鋰離子蓄電池模塊中安裝了兩個(gè)并聯(lián)的分段開關(guān)，通過將電池組的電壓降低到人體的安全電壓范圍，滿足人體的36 伏安全電壓要求，保護(hù)了航天員開展在軌維修時(shí)的人身安全。
廣州日報(bào)·新花城記者：肖歡歡通訊員繆新培
