载人月球任务能源系统初探

2019-04-25马季军何小斌乔卫新

载人航天 2019年2期

马季军，何小斌，乔卫新，朱凯

(上海空间电源研究所，上海200245)

1 引言

目前，在载人航天工程总体部署下，中国近地空间站项目正在稳步推进。按照探月工程总体安排，“三步走”的最后一步——月面资源采样与返回正在展开。通过载人航天工程与月球探测活动的有机结合，借助已取得的成功经验，适时开展载人登月任务，是一种符合技术发展逻辑的选择[1]。

载人登月是迄今为止最为复杂的载人航天任务。基于月球空间站的载人月球任务航天器构型多变，包括重型运载火箭、上面级、月球空间站、载人飞船、月球登月舱、月球基地等[2]。这些航天器系统复杂，很多都采用分舱段设计，分阶段、分步骤建造。载人月球每个阶段任务实施环境不尽相同，如月球空间站建设、载人环/绕月任务实施环境是环月轨道，而月球基地建设任务实施环境是月球表面。同时载人月球任务统筹考虑近地空间站航天员、物资运输，后续载人火星探测等需求，具备较好的扩展性和继承性，能为后续任务的实施节省经费、缩短研制周期、提高系统可靠性。

空间能源系统是空间能源产生、储存、变换、调节和分配的分系统，是航天器四大关键分系统之一，主要采用太阳电池阵+蓄电池组能源结构。载人月球任务复杂、难度更大、要求更高[1]，为满足不同任务能源需求，迫切需要探讨能源系统总体方案，分析能源技术未来发展方向，并梳理共性关键技术，减少攻关次数，缩短攻关周期。

2 载人月球任务能源系统需求特点

载人月球任务复杂多样，不同的任务需要不同的航天器来完成，而且每个任务实施环境也不尽相同，对能源系统提出了不同需求。载人飞船需求强调能源系统轻量化、高可靠高承载特性；月球空间站能源系统在轻量化基础上，要求在轨可重复利用、能源扩展功能及在轨可维修、可更换设计；登月舱能源系统采用模块化、集成化设计，要求高质量比功率和高体积比功率；月球基地能源系统要求强环境适应性，需要在月球的极端环境条件下长期发电及储能。综上，载人月球任务能源系统综合需求表现为以下五个方面。

2.1 高效、轻量化

与近地轨道相比，对载人月球航天器能源系统提出了更大的功率需求。通过运载发射、推进器助推、着陆等方式，将能源系统从地球表面送到环月轨道、月球表面，受任务可靠性和运载能力的限制，要求能源系统必须具有重量轻、体积小、高安全可靠性等特点，能源的高效利用是十分必要的。

2.2 能源类型多样化

载人月球任务多样、实施环境复杂，要求根据不同任务和实施环境特点采用不同能源形式，进行多源混合电源利用与管理，通过能源系统协同控制，完成各种能源之间能量调配，实现能源互补。

2.3 资源集约、高效利用

载人月球探测任务中，有效载荷(包括能源)体积、重量不仅关系到新一代火箭的运载能力，也严重影响代价和风险。所以，要求对月面设施资源高效利用，集约资源。对于能源系统而言，不仅需要高效、轻量化，而且需要利用每一个能源单元满足任务需求。

2.4 模块化、可扩展

载人月球航天器能源系统庞大复杂，可发射的系统规模又受到运载火箭包络限制，因此，分批次发射多模块、多模块在轨组装是唯一的可行途径，这就对能源系统可扩展性提出了新的要求。通过对能源模块机械、电气等标准接口设计，支持在轨维修、更换，实现多能源模块在轨组装及能源系统扩展。

2.5 高可靠、高安全

为确保人类月面探测活动顺利开展以及人类自身安全，能源系统的组成和结构必然非常复杂，需全面提升能源系统自主控制、管理、故障诊断与应对能力，进行能源系统自身状态监测、性能预测与自主决策，同时，提升能源系统可重构、可维护性，实现高可靠和高安全性。

3 国外载人月球任务能源系统发展现状

美国、俄罗斯、欧空局均已经开展了载人月球任务研究工作，并对月球轨道空间站、载人飞船、登月舱、月面站、月球车及机器人等多种能源系统方案进行了设计论证、试验验证。

3.1 载人登月飞船

美国Apollo是目前唯一成功的载人登月计划，NASA对Apollo飞船能源系统进行了专门的论证，认为作为飞船的动力源必须具备高功率密度与高能量密度的特性[3]。Apollo登月飞船上使用的1.5 kW电源由三个独立的燃料电池模块并联构成，通过氢气循环进行排热和排水。每个模块包含31个串联的独立电池单元，工作电压范围27～31 V，额定输出功率563～1420 W，最大峰值输出功率2300 W(＠20.5 V)，工作温度206℃，重约113 kg。模块额定工作时间为400 h，实际运行690 h而没有失效，该燃料电池模块如图1所示。

近年来，基于阿波罗登月计划经验，在星座计划支持下，NASA设计了Altair登月器用氢氧燃料电池供电方案[4]，额定功率 3 kW、峰值功率5.5 kW，主要为下降段和上升段在近月轨道提供电力以及着陆后作为月球表面电源系统使用，同时航天员生保系统与供电系统一体化结合在一起，实现能源系统复用。

3.2 月面居住舱

图1 Apollo计划使用的燃料电池模块[3]Fig.1 Fuel cell module used by Apollo program[3]

美国NASA提出了一种可居住的机器人舱Habot(图2)，采用圆柱形舱身，顶部安装太阳电池阵以维持在月球上电源供应，舱体底部安装的无线电热能生成装置(RTG)则作为备用电源系统[5]。

图2 可移动的机器人舱Habot[5]Fig.2 Mobile robot cabin-Habot[5]

此外，Habot还有其他两种能量供给方式：电子束能和核能[6]。电子束能主要通过激光或微波为月球车供电，在月球车顶部安装一个圆盘型的天线，可接收微波或激光，能量来源是月球同步轨道上的空间太阳能卫星，可全天时对准月球，为月球车提供100～300 kW电能，如图3(a)所示。核能方式通过基于核反应堆的能源供给车，悬挂在月球车后面，时刻为月球车供电，如图3(b)所示。

3.3 月球能源站

美国NASA JSC设计了一种采用光伏能、核能、燃料电池等多能量来源、多物质复合供给站。从能量供给角度，在太阳光照充足时，太阳电池阵发电为负载供电，核反应堆电源、燃料电池堆产生的多余能量则存储起来；在太阳光照不足时，核反应堆电源、燃料电池堆与能量存储装置联合为负载供电，如图4所示[7]。

图3 月面居住舱[6]Fig.3 Lunar habitat[6]

图4 NASA月球基地多能源、多物质复合供给站[7]Fig.4 Multi-energy and multi-material compound supply station of NASA lunar base[7]

从物质供给角度，燃料电池发电的产物——水，直接供航天员饮用；水通过电解产生氢气与氧气，氧气保证航天员日常生活需要。此外，燃料电池发电以及氢气与氧气燃烧过程，均可获得热量为航天员提供保温功能。

此外，在美国“重返月球”计划中[8]，月球南极有望成为选址地点，月球居留地至少要在最初几年依靠太阳能电池板。月球基地后期，将考虑利用核反应堆供能。这些反应堆的功率为40 kW。反应堆上方的黑色面板是散热器，可用来疏散过剩的热量。为了防止航天员受到反应堆伤害，这些设施都距离居留地有一段距离，而且周围被成袋的月球土包围，如图5所示。

图5 NASA“重返月球”计划[8]Fig.5 NASA′s plan to return to the moon[8]

3.4 载人月球车

目前已研制的各种载人月球车移动系统可归结为两大类：无可增压装置载人月球车和有可增压装置载人月球车。对应用于各种月球车中的能源系统分析发现，燃料电池、同位素电池、可充电电池是载人月球车较好的选择。美国JPL研制的月球车如图6所示，采用同位素电源供电，供电功率达110 W，可14 d月夜长期工作[9]。

图6 载人月球车[9]Fig.6 Manned lunar rover[9]

综上所述，欧美国家在已经开展的载人月球探测任务中，依据各飞行器特点设计论证或试验验证了能源系统，具有以下特点：

1)能源类型多样。根据不同任务阶段、环境特点采用不同的高效、轻质能源类型，包括太阳电池阵、燃料电池、锂离子电池、RTG核电源、核反应堆电源等；

2)短期月面驻留，氢氧燃料电池作为一种重要能源形式，再生氢氧燃料电池与环控生保系统结合，实现物质及热量的循环利用；

3)长期大功率月面能源基地的建设采用模块化扩展、逐步构建，且在初期采用太阳能发电构造基础能源，在此基础上逐步构建核电源系统；

4)月面能源系统中，如何高效实现长时间(14 d)、低温(-187℃)的月夜能源供给，无线能量传输、RTG保温等方式具有可行性。

4 载人月球任务能源系统总体架构设想

载人月球探测能源系统复杂，航天器构型多变，以满足不同阶段任务需求。月球空间站(多功能舱、推进舱、指挥舱)、载人飞船(服务舱、指挥舱、再入飞行器)、登月舱(着陆器、上升器)等采用分舱段设计，各舱段既具备单个飞行器的独立自主飞行能力，又能通过交会对接，在轨组装技术形成多舱段组合体飞行，这就要求各个飞行器(或舱段)具备自己独立的电源系统，同时对接组建完成后又能通过并网技术将多个电源系统融合统一。月球登月舱、月球站(发电站、通信站)、月球车、机器人等月面设施不仅任务覆盖区域广泛，而且建造复杂，需要分阶段、分步骤开展，这就要求能源系统具备分布性特征，功率模块化设计，利于扩展，并能实时重构，满足各种任务能源需求。为此，将各飞行器、各月面设施构建由分布式发电、储能系统、负荷、控制与管理装置等共同组成的能够实现自我控制、保护和管理的能源子站。能源子站既可以孤立运行，完成特定构建阶段、特定任务的能源供给，也可以与其他子站并网运行，共同构成复杂的载人月球航天器能源系统，如图7～8所示。

分布式发电(DG)根据任务特点和实施环境采用太阳能电池发电、核热发电、燃料电池发电及月球原位资源发电等多形式最大功率获取能源。能源存储系统(ESS)采用燃料电池和各种致密储能电池。通过合理、有效的能量管控策略，在不同工况下，对不同能源供应系统进行整体上的补充、协调和优化，实现系统多种能源间优势互补和深度融合。

图7 载人月球任务能源系统总体架构示意图Fig.7 Diagram of energy system overall architecture in manned lunar mission

图8 载人月球任务能源系统总体架构组成结构图Fig.8 Overall structure composition of energy system in manned lunar mission

能源系统物质高效利用，对能源、动力、环控、生保等多个航天器分系统间的物质兼容备份和工质共用，实现多能质一体化供给(图9)。燃料电池发电产生的废物——水，通过生保系统实现对水的回收与纯化，可供航天员日常生活使用；燃料电池发电产生的余能——热能，通过环控系统对热能的回收利用，可供航天员日常生活取暖和设备保温。形成开放式架构和标准化接口，满足模块复用、功率扩展及在轨维修、更换需要。标准化接口应充分考虑接口的机械、电气设计，以方便各个模块间的快速连接与断开，实现模块间的柔性插拔。为实现功率扩展，能源系统宜采用开放式总线架构，根据功率需求可以方便增减各种符合接口协议的标准模块，以此获得系统的通用性和可扩展性。

图9 太阳电池、燃料电池、生保与热控一体化系统Fig.9 Integrated system of solar cell,fuel cell,life support and thermal control

5 载人月球任务能源系统共性关键技术

在能源系统总体架构下，不同的飞行器或月面设施根据任务环境和要求，可能采用不同的能源系统和不同的能源技术。为了从顶层设计出发，对能源技术进行归一化，梳理出通用共性关键技术，有利于减少攻关次数，缩短攻关周期。结合能源系统需求特点，从能源产生、存储和管理方面，共性关键技术主要包括以下6项。

5.1 柔性太阳电池阵技术

太阳电池阵作为载人登月任务的主能源，广泛应用于多个飞行器、多个月面设施，轻量化、高效率是太阳电池阵的基本要求，上升与着陆器还提出了强度高、可重复展收等要求。柔性太阳电池阵与刚性、半刚性太阳电池阵相比，质量比功率和体积比功率优势明显，是载人登月太阳电池阵的首选形式。

自20世纪80年代开始，围绕大面积柔性翼展开方案、展开结构、高比功率等性能要求，美国、日本、俄罗斯及欧洲为代表的主要航天大国先后提出了多种柔性太阳电池翼方案[10-11]，主要包括卷绕展开薄膜阵、手风琴式展开薄膜阵、扇形展开薄膜阵以及二维展开薄膜阵等几类展开方式，质量比功率超过150 W/kg，满足超大功率航天器任务需求。

目前，国内正在进行空间站柔性太阳电池翼的研制工作，并同时开展了扇形柔性太阳电池阵与充气展开太阳电池阵的研究(图10)。

针对载人月球任务大面积太阳电池阵应用需求，重点开展柔性太阳电池阵系统设计、高效薄膜砷化镓太阳电池、空间环境防护、大面积组阵及展开、功率传输等技术研究，突破高效砷化镓薄膜砷化镓集成内联、全柔性一体化复合技术等关键技术，支撑未来载人月球基地新型能源系统发展。

图10 柔性太阳翼与二维展开薄膜阵收拢与展开构型图Fig.10 Packed and deployed configurations of flexible solar arrays and two-dimensional expanded thin film arrays

5.2 空间核电源技术

空间核电源是指用核裂变能或核衰变能作热源，通过静态转换或动态转换，为空间飞行器提供电力的装置，主要包括同位素核电源和核反应堆电源，放射性同位素温差电源输出电功率较小，空间核反应堆是大功率需求发展的必然结果。

在月夜长达14个地球日，温度达-187℃的条件下，如何实现能源有效供给是载人月面长期驻留与活动需要首先解决的问题。放射性同位素电源具有不依赖太阳光照、输出电功率小(＜1 kW)、大量热需要耗散、寿命长、可靠性高等特点，可用于无光照条件下的小功率供电以及设备保温。核反应堆电源则是未来月球开发与利用任务超大功率(50～100 kW)需求的终极能源形式。

自20世纪60年代开始，美国就对可用于月球或火星基地的空间核反应堆能源系统进行了大量研究，比较有代表性的有SNAP-8系列，可提供几十千瓦电功率，供6～12人的有人月球基地使用；SP-100布雷顿系统，能提供几十到几百千瓦级电功率[12]；俄罗斯研制的Акация核反应堆，电功率为150 kW，寿命不低于10年[13]。日本研究了一种适合于月球表面的锂冷快中子核反应堆电源，可以提供200 kW电功率，反应堆热功率为5 MW左右[14]。

国内空间核电源技术起步较晚，多为关键技术攻关或者原理验证，还需要突破工程化等一系列问题。为了适应载人月球任务需求，需要开展空间用核反应堆电源技术研究，重点解决耐高温燃料与材料、废热排放方式、辐射屏蔽模式、空间核反应堆电源的应用安全等关键技术。空间核反应堆电源系统组成如图11所示。

图11 空间核反应堆电源系统组成Fig.11 Power system of space nuclear reactor

5.3 空间燃料电池技术

燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能通过电极直接转换成电能的装置。空间燃料电池以氢氧燃料电池为主，可分为空间氢氧燃料电池和空间再生燃料电池两类。

俄罗斯、美国等已经将燃料电池作为航天器能源系统的重要发展方向。从20世纪60年代开始，燃料电池已经在国外飞行器上得到了成功应用，并成为主要的能源供应系统[2-3]。近期，美国联合科技公司宣布其开发的质子交换膜燃料电池(PEMFC)在任务中成功运行了105h[15]。

我国是世界上从事燃料电池研究较早的国家之一，研究主要包括高性能质子交换膜燃料电池堆，水电解制氢装置，新型航天飞行器用PEM燃料电池系统等，空间微重力、低温、低气压等环境适应性得到初步验证。针对载人登月飞行器、航天员落月、月表活动、长期驻留等能源消耗需求，重点开展空间氢氧再生型燃料电池综合利用研究，包括：产物水回收循环与生保供给，反应热作为低温推进剂加热能源和飞行器环控加温能源，飞行器氢氧储箱自蒸发氢氧气加温利用，电解氢气与生保系统二氧化碳合成甲烷方案等，如图12所示。

图12 再生燃料电池综合能源系统方案示意图Fig.12 Schematic diagram of integrated energy system for regenerative fuel cell

5.4 宽温锂离子电池技术

锂离子电池作为第三代空间储能技术已经获得广泛应用。针对目前月球表面活动和登陆器等的要求，在2015年NASA技术路线图中重点发展安全型低温应用锂离子电池，通过采用新型固态聚合物电解质，在提高电池安全性能的同时，将工作温度降低到-60℃[16]。由Yardney公司研制的火星登陆器用锂离子蓄电池组具体技术参数如下：容量：33 Ah(25℃)，25 Ah(-20℃)；体积比能量：358 Wh/L；重量比能量：145 Wh/kg；循环寿命：≥2100周；充电倍率：1 C；工作温度：-40℃～+65℃[17]。

国内空间锂离子蓄电池技术与国外先进水平基本同步。针对载人月球探测任务着陆/上升器、月面设施等对宽温度致密储能电池的要求，突破宽温度范围功能电解液设计开发、宽温度高比能锂离子电池安全性控制等关键技术，开展宽温幅高容量电极材料应用、高孔隙率安全隔膜增效技术、宽温度高比能锂离子电池设计及过程控制、电池性能验证技术研究以满足宽温度范围、高能量输出、高安全的任务需求。

5.5 广域多特性负载能量补给技术

广域多特性负载能量补给技术是指根据机器人、月球车、作业设备等不同负载的用电模式、工作环境等因素，考虑与月面供电站间距离远近，从功率、作用距离、效率、复杂度、可行性等多方面，利用无线能量传输技术快速、方便实现能量补给。目前，实现无线能量传输方式主要有：感应耦合、磁场共振、微波和激光，可提供近、中、远不同距离上的解决方案。无线传能技术克服了电接触的不稳定性、电气设备移动的局限性等问题，但传输效率低于有线传输。为此，需要从无线传能的能量产生、投送、接收整流转换以及传能系统与环境的兼容协同等共性环节出发，突破能量在传送过程中的效率瓶颈。广域多特性负载能量补给技术示意图如图13所示。

图13 广域多特性负载能量补给技术示意图Fig.13 Schematic diagram of wide-area and multicharacteristic load energy replenishment

5.6 自主运行控制技术

载人月球任务中，能源系统的组成和结构非常复杂，同时月球距离地球非常遥远，这就需要能源系统长期自主稳定运行。一旦发生故障，可以根据故障情况进行自主故障恢复。目前，能源系统故障检测与诊断已在国际空间站、重返月球计划以及ESA的Rosseta飞行器等多个任务中得到应用[18]。

载人月球任务能源系统自主运行控制技术是指基于传感器直接数据和模型间接数据，搜集与理解环境信息和自身信息，并进行分析判断和规划自身行为，动态优化能源产生、消耗的过程，提升能源系统运行效率。其主要研究内容包括能源系统运行状态表征及自主检测、能源系统关键部件性能演化机理分析、能源系统健康评估与寿命预测方法、能源动态平衡仿真及优化调度策略和能源系统供配电网络重构及安全运行等，如图14所示。