木星环绕探测器电源系统设计研究

张文佳 刘治钢 张晓峰 朱立颖 田岱

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

随着美国木星探测器朱诺号(Juno,2011年发射)任务的进行,大量观测数据和精美图像再次引发了人们对木星探测的热烈关注[1-2]。从1972年发射的先驱者10号任务开始,国外先后有7个探测器在飞行过程中交会飞越木星,伽利略号探测器(Galileo,1989年发射)[3-4]和朱诺号探测器也分别于1995年和2016年抵达木星并对其进行环绕探测。木星具有与太阳类似的成分组成,大气中含有大量的氢和氦,巨大的质量和庞大的星系,使得木星及木星系就像是太阳系的一个缩影。木星及木星系的探测,有助于深入研究太阳系的起源和演化,木卫二和木卫三表面有大气,并且表面冰层下可能存在液态海洋,因此可能存在生命或者适宜于生命活动,是太阳系内最具探测价值的星体之一。

我国目前也在规划2030年前后对木星及其星系进行环绕探测。木星系探测任务距离遥远,任务周期长,空间环境复杂,技术难度大,特别是木星周边低温和低光强条件,给探测器的能源设计带来了不小的挑战。

本文分析了木星环绕探测器的不同飞行阶段的任务特点和相应的能源设计需求,调研了国外木星探测任务的电源系统方案,在此基础上结合我国能源技术现状,提出了适合我国木星探测任务电源系统的初步方案设想和针对木星探测任务进行适应性改进的发展建议,为未来我国实施木星环绕任务提供有价值的参考。

1 木星探测的任务特点和能源设计约束

1.1 木星环绕器任务分析

木星环绕探测器的飞行过程可以分为“发射入轨-地木转移-木星捕获-木星环绕”4部分组成[5]。对于电源系统方案的设计既需要满足各飞行阶段的需求,也需要综合考虑各阶段带来的设计约束。

木星环绕探测器在发射阶段不能提供像飞越探测器一样高的初速,同时木星环绕器在飞行过程中还需要经历一段减速制动过程,才能够被木星引力捕获,成为木星的“人造卫星”。对于木星飞越探测,飞行全程会有更大的速度,一般会在飞行2年左右飞越木星;对于木星环绕探测,则会经历5～6年的飞行过程到达木星星系。飞行时间对电源系统的寿命设计和关键单机的衰减考核有重要影响。

在地木转移阶段,根据探测器质量、火箭能力、初速和发射窗口的综合考虑,会设计行星借力来进行飞行加速和变轨,行星借力一般会借助金星或地球的引力。如果借力飞越序列中包括了金星借力,则意味着探测器需要能够承受金星附近的空间环境,主要包括太阳距离0.7 AU附近的光强、热流,这些对探测器热控设计,以及使用太阳能发电时的整星功率输出有很大影响。

最后木星环绕探测阶段,一方面要根据对木星不同卫星的飞越探测需求,另一方面要根据不同供电体制,设计木星系内环绕探测轨道。木卫一～木卫四的公转半径从6倍～26.5倍木星半径不等,木星系内对一颗或者多颗卫星进行探测,需要进行精巧的飞行路径设计;若采用太阳能供电,则还需要考虑光照条件对探测器设计的影响:若采用木星极轨轨道,可以最大限度获取太阳光照,但极轨轨道则难以对木星卫星进行探测;若采用赤道平面的飞行轨道,就需要频繁经历长达数个小时的木星地影期,但却可以在飞行过程中对多颗木星卫星进行飞越探测。在对木星大气和木星卫星的探测中,采用再入器或着陆器是进行深入探测的有效手段,再入器和着陆器的能源方案也需要考虑在总体能源设计中。

木星由于距离太阳为4.95～5.46 AU,能够接受到的太阳光强仅为46～54 W/m2,是地球轨道的3.4%,温度低至－140℃。木星磁场带来的辐射带中富含强于地球辐射带数千倍的高能粒子,将对探测器的电子设备以及太阳电池片造成巨大的危害。因此木星环绕探测器都需要对器内电子设备进行专门的防辐射设计,对于采用太阳能的探测器,需要对太阳电池片进行低温低光强的材料设计,并对电池片强化抗辐照防护设计。

1.2 国外典型木星环绕探测器电源设计

木星环绕探测器的电源方案呈现了非常多样的设计思路,采用同位素和太阳能作为主要的能量来源,可以演化出多种不同的方案和任务形式。伽利略号探测器,采用了放射性同位素热电发生器(Radioisotope Thermoelectric Generator,RTG)的电源方案,是人类首次实现对木星的环绕探测。随着太阳电池技术的发展进步,使用太阳能进行木星探测成为可能,朱诺号探测器就采用了“太阳电池-蓄电池”的电源体制,使用了约60 m2的太阳翼为探测器供电。与此同时,欧洲航天局也筹划了木星冰卫星探测器任务(Jupiter Icy Moons Explorer,JUICE,计划2022年发射),该探测器也采用太阳翼-蓄电池的方案。

伽利略号探测器采用了核电源的方案[3-4],携带2个RTG,安装在2个5 m长的横梁上,各载有9 kg的同位素燃料,提供可靠和长期持续的电能,且不受空间寒冷环境和木星高辐射的限制(图1)。伽利略号探测器使用的RTG采用了硅-锗发电器件,单个RTG 质量为55.9 kg,直径42.2 cm,长114cm,热功率为4500 W,标称输出功率为285 W,输出电压为30 V,比功率达到了5.2 W/kg,高温端温度为1000℃左右,热电转化效率最高可以达到6.7%。在发射时,2个RTG可产生不小于570 W的电功率,输出电功率以平均每月0.6 W的速度衰减,当伽利略号探测器到达木星时,输出电功率为493 W。再入器的主电源为3组锂-二氧化硫电池,并辅以2组钙系热电池用于再入过程的火工品引爆。主电源的3组电池,每组由13只电池串联而成,单体标称容量为7.2 Ah,3组电池总容量为21.6 Ah,用于再入器与探测器分离到再入过程的150天的能源供应。由于采用了核电源方案,中止工作的伽利略号探测器为了消除对木星卫星的核污染隐患,于2003年9月21日在木星大气层受控坠毁,这也是深空探测任务中行星保护原则的具体体现。

图1 伽利略号探测器及其RTG电源Fig.1 Galileo and its RTG power source

朱诺号探测器采取了“太阳电池-蓄电池”的电源系统架构[1-2,6],为了保障抵达木星时,探测器载荷400 W的能源需求,朱诺号探测器配置了60 m2的太阳翼和2组55 Ah(9串)的锂离子蓄电池组,母线电压调节至29.4 V,见图2。设计运行的极轨环绕轨道能够保证太阳翼始终处于光照环境下,太阳翼采用的三结砷化镓电池针对木星空间环境的低温低光强进行了专门的设计,以保证电池在－130℃下能够正常输出电能。太阳电池片正反两面采用屏蔽保护,正面采用的玻璃盖片厚度达到300μm,以抵抗木星辐射带的电离辐射和高能粒子。按照设计预期,进入木星轨道时太阳电池的输出功率应为462.2 W,2年任务末期时输出应为422.6 W,在木星强辐射下太阳电池衰减接近10%。随着任务周期从2018年2月延长至2021年7月,电源系统将面临更长时间的辐照考验,同时还将承受约6 h的木影期,最初的能源设计中蓄电池组容量的不足可能会影响和限制探测器工作。

图2 朱诺号探测器及其太阳翼电源Fig.2 Juno and its solar array power source

欧洲主导研制的木星冰卫星探测器[7-8],目标是对木星系的木卫二、木卫三和木卫四进行探测,将是人类第一个木星卫星环绕探测器。任务计划在木星系内进行复杂的制动和借力飞行,完成2次木卫二和14次木卫四的飞越探测,并进入木卫三的环绕轨道探测9个月。探测器计划采用太阳电池-蓄电池的电源体制。太阳电池布置在10个等尺寸的太阳翼帆板上,为了防止木星系内部的转移过程的静电累积和电离辐照,太阳电池表面覆盖厚度为152μm的抗辐射玻璃屏蔽层,见图3。太阳电池采用针对低光照低温度设计的的三结砷化镓电池,目前单体电池还在研制中。为了能够在46 W/m2的最差光照强度下仍能够满足不小于850 W的功率输出需求,太阳翼总面积达到了97 m2。同时木星系内复杂探测任务有最长达8.5 h的木星阴影期,因此还需要按照需求配置一定规模的蓄电池组。

图3 木星冰卫星探测器及其太阳翼Fig.3 JUICE and its solar arrays

除了以上3个已经或者正在实施的木星环绕探测计划外,国外很多国家和机构也设想和论证了其他的木星探测器方案,其中值得一提的还有美国普罗米修斯计划中的木星冰卫星轨道探测器(Jupiter Icy Moons Orbiter,JIMO)概念设计,采用核反应堆作为探测器和大功率电推进器的能量来源,JIMO反应堆电源的额定功率为100 k W,需进行3次独立的发射,并在地球轨道进行组装,强大的能源供应能够保障探测器分别对木卫二、木卫三和木卫四进行长达数月的环绕探测。

表1给出了以上几个国外已经发射和建造中的木星系环绕探测器的电源系统对比,可以看出:①随着太阳电池技术和大面积太阳翼机械结构的发展,使用太阳能方案已经逐渐成为木星探测器优先考虑的方案;②暴露在探测器外部的太阳电池,比温差组件对空间辐射更敏感,需要针对木星的强磁场环境加强辐射防护设计;③对木卫多次飞越探测需要采用低倾角轨道,因此电源系统还需要考虑木星遮挡的长地影期影响。这些分析结合国内木星探测的主任务目标,会对我国的木星环绕探测器的电源系统设计的方案产生重要影响或约束。

表1 国外典型木星环绕探测器电源系统设计对比Table 1 Power system comparison of typical Jupiter and Jovian system orbiting probes

2 我国木星探测器的电源系统方案设计分析

根据我国未来的航天任务规划,对木星探测的工程实施预计在2025—2030年期间开展,计划先对木星进行环绕探测,然后对木星卫星高价值目标进行环绕探测。能源设计的约束包括:

(1)计划采用“地球—金星—地球—地球—木星”的多次行星借力飞行轨道[9];

(2)木星捕获后,绕木星极轨进行环绕探测,并在木星系内进行变轨,逐渐降低轨道倾角,实现对木星卫星的多次飞越探测,最终实现对木星卫星高价值目标的环绕探测[10];

(3)功率需求可参考国外探测器,不小于400 W;

(4)能够承受木星周围的辐射环境[11]。

2.1 电源系统方案设想

木星探测器可以采用的电源方案包括太阳能电源、同位素电池、核反应堆电源3种形式。由于反应堆电源的空间应用目前还在研发阶段,尚不具备应用条件,以下从技术基础、研制难度、应用环境、资源代价、研制风险和在轨寿命等方面比较了太阳能电源和同位素电源两个方案,如表2所示。

综合考虑我国目前的技术水平和工程实施周期,我国的首颗木星探测器建议采用太阳能电源作为木星探测电源方案的优选,同位素电池作为备选方案。太阳电池配合蓄电池、电源控制器技术基础较好,在地球轨道、月球探测和火星探测中均有应用,能够实现2025—2030年发射的任务规划。在具体的设计中还要综合考虑空间飞行轨道和环境、环绕探测的轨道和环境以及任务的功率需求等因素,各项设计约束与电源系统方案设计的关联作用以及设计思路如图4所示。

表2 木星探测器电源方案比较Table 2 Comparison of energy design of Jupiter and Jovian system orbiting probe

结合任务的电源系统设计分析,初步设计如下:

太阳电池选用三结砷化镓电池,木星轨道的太阳光强最差条件为46 W/m2,在木星轨道环绕运行2年末期输出不小于400 W,面积不小于60 m2;探测器最长阴影期10.5 h,配置200 Ah蓄电池组;太阳电池输出功率通过最大功率点跟踪技术(MPPT)进行调节,采取混合布阵的方式,确保太阳电池的输出。太阳电池阵的环境适应性设计主要体现为对电池片进行专门的设计,措施包括采用专门的低温低光强电池结构设计、抗辐照表面封装材料设计和太阳电池阵的防静电设计。

对于此任务而言,飞行的范围涵盖了从金星到木星的距离范围,全飞行过程的太阳电池发电能力变化很大,木星轨道附近的太阳电池的输出电压约为地球轨道的152%,而输出的功率金星轨道约为地球轨道的2倍,木星轨道仅为地球轨道的3.4%。考虑到电源控制设备的质量与控制功率有一定的线性关系,采取与朱诺号探测器类似的混合布阵的方式,可以一定程度上减小电源控制设备的负载压力,起到减重的目的。在不同的空间距离和飞行阶段,启用不同的太阳电池电路,保持电源系统输出的可用功率始终保持在400 W以上。采用太阳翼-蓄电池组的电源系统设计拓扑架构和电池阵的参考启用距离如图5所示[12]。

图5 我国木星探测器电源系统拓扑示意图Fig.5 Jupiter probe power system functional block diagram

经过6～7年的空间飞行,抵达木星轨道之后,在太阳电池采用了一定的防护措施下,发电功率的衰减依然高于正常情况,根据朱诺号探测器的在轨实际,木星轨道太阳电池第一年的衰减达到了25%。按照本任务的设计,飞行全过程的电源系统功率的输出能力如图6所示,设计后的输出仿真如图7所示,可以看到,在木星环绕探测1年后输出功率约为400 W,能够满足载荷功率需求;探测4年后约为200 W,仍然能够维持整星基本功能。

图6 木星探测器太阳电池总输出能力仿真Fig.6 Total capability of Solar Arrays’power generation during the interplanetary trajectory

图7 木星探测器太阳电池设计输出能力仿真Fig.7 Design capability of Solar Arrays’power generation during the interplanetary trajectory

2.2 设计方案特点分析

从对木星探测器的设计分析和方案设想中可以看出,太阳电池-蓄电池的电源体制的设计原则和方法和地球轨道的卫星电源系统设计有很多相似之处,但木星任务[9-10]和环境的特殊性[11]带来这种传统电源体制的一些技术方面的适应性改进,具体包括:

1)低温低光照太阳电池

从地球到木星,探测器会经历剧烈的太阳光照环境变化,相比于地球环境,木星轨道的光照强度和环境温度都远低于地球轨道。以太阳电池作为主要的能量来源,需要掌握太阳电池在低温低光照条件下的性能特征。一方面太阳电池的输出特性使得低温条件下,太阳电池的电压会提升52%;另一方面,低光照条件下太阳电池的输出能力的下降差异显著,需要有针对性地进行低温低光强(LILT)筛选。

2)宽域电源控制器

图6展示了在飞行过程中电源系统太阳翼的输出能力最高达到了32 000 W,将电源的实际输出控制在400～2000 W之间,并且能够承受飞行过程中太阳电池电压52%的提升,本文给出的分阵式设计是一种代价较小,控制简单的方法,设计简单、可靠、自主运行的宽域电源控制设备将是木星探测电源系统的核心。

3)太阳电池辐照防护

在木星轨道环绕过程中,探测器需要经历恶劣的木星磁场环境,经过计算,木星环绕探测极轨在轨运行1年所受到的能量粒子总通量与地球GEO轨道最恶劣情况在轨15年的总通量接近[12],太阳电池作为星外的设备,需要重点进行防护,具体的防护措施可以参考以下几个方面:①在太阳电池阵质量允许的情况下,选用较厚的玻璃盖片;②在太阳电池阵设计中,采用外形尺寸略大的玻璃盖片对电池片进行防护,两侧裸露的间隙用胶粘剂填缝覆盖;③太阳电池阵设计时,应该结合玻璃盖片选型,预估太阳电池的损伤总剂量,并在设计时留充足余量,作为计算太阳电池阵末期输出功率的依据。

3 结束语

本文针对木星环绕探测任务的电源系统设计进行了研究,从任务目标、轨道空间等多方面进行了电源系统的设计分析,并对国外木星探测器电源系统设计进行了调查研究。在对比了同位素电源方案和太阳电池-蓄电池电源方案之后,提出以太阳电池-蓄电池方案作为我国木星探测器电源系统的优选方案具有较高的可行性,并给出了以太阳电池为能量来源的初步方案设想,可为我国木星探测和其他深空探测任务的论证与规划提供参考。

电源系统的设计与总体设计联系紧密,从地球到木星的飞行过程以及在木星及木星系环绕探测的轨道选择都会对电源系统的方案产生影响,并且目前的方案设计还没有考虑探测器的载荷工作模式,因此也无法估算蓄电池组的规模。此外,是否携带木星大气的再入探测器或者木星卫星的着陆探测器,都会带来复杂多器电源系统的设计难题。随着木星环绕探测任务深化论证的展开,目前的方案仍有待于进一步的分析和优化。