月球科研站建设初期的能源系统设计

2024-04-12陈恒智刘玥怡陈乘新

电源技术 2024年3期

陈恒智，张明，刘玥怡，陈乘新

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

2020 年12 月，嫦娥五号携带月面采样标本返回地球，实现了探月工程“绕、落、回”三期部署的收官之战。2022 年10 月，随着空间站第二个实验舱发射成功，与空间站核心舱对接形成三舱组合体，标志着载人航天三步走战略在“921”工程提出30 年后圆满完成。在后续的航天发展中这两大重点工程将会逐渐地进行融合，形成无人探测与载人工程的有机结合。月球科研站的建设正是这种结合的完美体现。2021 年3 月，中俄签署了合作建设国际月球科研站谅解备忘录，进一步推动了月球科研站的建设。科研站的建设是个长期的工程，在建设初期通过几次任务完成月球科研站基本型的建设[1-3]。

本文针对月球科研站建设初期的任务特点，从母线体制设计、供电系统设计及配电系统设计三方面提出一套能源系统的设计方案，并分析其中涉及需要突破的关键技术。

1 月球科研站建设初期任务分析

1.1 总体任务分析

《国际月球科研站合作伙伴指南》中明确了，在月球科研站的建设上，采用“勘、建、用”三步走的策略。勘探阶段：在2025 年前，利用无人探测航天器，对月球展开勘探，验证高精度软着陆技术。建设阶段：在2030 年前，完成科研站指挥中枢技术验证，大承载货物运输及软着陆；在2035 年前，完成能源、通信、月面运输等基础设施建设，开展月球资源的原位利用研究。使用阶段：2035 年以后，利用建成的月球科研站，开展无人及有人模式下月球探测、月基天文观测、基础科学试验和技术验证等工作[4]。

在三步走的最后一步，是要完成有人参与的月球科学试验活动，而在国际月球科研站的建设中，并没有将载人登月的研制活动纳入其中，这只是代表载人登月工程不属于国际合作的范围。作为总体的规划者及一线的设计人员，是需要同时考虑载人登月工程及科研站的国际合作项目，这样才能达成科研站最终的使用目的。

2023 年8 月，载人登月项目正式立项，规划2030年实现中国首次登陆月球。同一时间点科研站的指挥中枢技术得到验证，这也标志着科研站的基本型建设完成。

将2030 年前的任务，作为科研站建设初期的任务，开展后续分析。在这个阶段，具有单一功能的月面支持设备，如通信服务站、能源供给站、推进剂补加站等，及地月转移路径上的停泊补给点还未开展建设，因此为月球科研站项目初期研制的航天器需具备极强的“单兵作战”能力，自成系统，完成任务；同时为这些航天器在科研站建设后期依然能集成进大系统，发挥作用，需设计统一及合理的接口，具备扩展升级的能力。

1.2 能源系统任务分析

经过分析，建设初期的航天器应包括无人月球探测器、科研站指挥中枢系统、第一批月面试验设备、载人登月飞船、载人登月着陆器等[4-5]。

这些航天器中除载人登月飞船只做环月飞行外，其他航天器都需要降落至月表，经历的飞行阶段繁多，工作模式复杂，对能源的要求多样，既需要平稳持续的能源供给，在特定阶段还有短时间大功率的需求。因航天器长时间独立飞行及运转的特点，为了保证安全，提高航天器的任务完成率，还需设置应急能源系统，以应对系统的重大故障。同时部分航天器还会形成组合体运行，为了能源合理充分的使用，具备支持并网供电的能力。

能源系统任务要求与具备能力的对应关系，如图1。

图1 能源系统任务要求与具备能力的对应关系

根据上述对能源系统的任务分析，科研站建设初期的航天器能源系统应具备高可靠、质量占比低、模块化、可扩展的特点，以适应航天器在多种工况、多种组合构型下完成任务的能力。

2 母线体制设计

国内外的航天器采用单母线体制、双母线体制、混合母线体制的皆有，电压主要采用28 及100 V，本章对现有航天器的母线体制设计进行总结，分析月球科研站项目的特点，给出其适用的设计方案。

2.1 国外航天器设计

(1)阿波罗号

阿波罗号飞船采用燃料电池及内部储能电池作为源端的28 V 双母线体制，负载根据关键等级进行配电分配，如图2。无冗余备份措施的关键设备从2条母线上取电，母线与负载间串联隔离二极管，保证2 条母线的隔离；有冗余备份措施的关键设备，分别从不同母线上取电；无冗余备份措施的一般设备从一条母线上取电，根据每条母线的负荷安排负载，保证每条母线的负载平衡[6]。

图2 阿波罗号母线体制

(2)猎户座飞船

猎户座飞船使用太阳电池与锂离子电池组合作为源端的双母线体制，提供2 条120 V 的独立母线，如图3。飞船配置2 台“电源调节和分配单元”(PCDU)，负责向各个设备供电；“功率分配单元”PDU 实现整船负载的配电。

图3 猎户座飞船母线体制

2.2 国内航天器设计

(1)天舟货运飞船

我国现在服役的货运飞船采用的是100 V 单母线体制，如图4。配置2 块太阳电池翼，配置功率管理器完成整船三组电池和左右太阳翼功率调节；功率管理器生成一条100 V 全调节母线，由母线控制单元、供电控制器完成100 V 母线分配、100 V 至28 V电压变换，为负载设备供电[7]。

图4 天舟货运飞船母线体制

(2)嫦娥五号

嫦娥五号探测器系统采用复合母线体制。整个探测器由轨道器、上升器、着陆器和返回器构成。轨道器、着陆器、上升器均采取复合双母线体制，平台负载采用全调节供电，钻取等短时大电流负载采用不调节母线供电，其主要是为了解决短时大电流用电负载问题，母线间不具备冗余备份能力，如图5 所示。返回器采用单母线体制，返回器转内电前采用轨道器提供的全调节母线供电，转内电后采用锌-氧化银蓄电池组供电。各器除单独工作外，还存在着陆上升器组合、轨道返回器组合、轨返上升三器组合等工作状态，轨道与着陆器、上升器与着陆器、返回器与轨道器间均设计了并网供电接口，形成了多器联合供电的设计方案[8]。

图5 嫦娥五号上升器及着陆器复合母线体制

2.3 月球科研站母线体制设计

月球科研站建设初期涉及的航天器众多，应统筹考虑功率等级、可靠性安全性开展设计。

(1)功率等级

载人登月及无人月球探测器涉及的航天功率等级在10 kW 以下，而月面指挥中枢及月面试验设备的功率等级会达到数十千瓦，考虑母线体制的统型设计便于后续组合及扩展，同时兼顾能源的使用效率，应采用100 V 的一次母线。

(2)可靠性安全性

月球科研站的建设涉及航天员的参与，因此保证航天员的安全成为设计中首先要考虑的环节。同时因为初期建设中，月面没有对应的支持设备，每个航天器都需要保证自身状态的良好，圆满完成自身承担的任务，才能保证建设时间不被推迟，这就对航天器的可靠性提出了更高的要求。

在现有的母线体制中，双母线是可靠性安全性最高的体制，即使单条母线完全失效，也能保证航天员的安全，并完成航天器承担的基本任务。

综合考虑航天器功率等级、可靠性安全性及后续集成扩展的要求，月球科研站项目的母线体制设计为100 V 的双母线体制。

这种母线体制的设计与2014 年NASA 格伦研究中心做的大会报告《Overview of Intelligent Power Controller Development for Human Deep Space Exploration》中提出的用于载人深空任务的母线体制高度吻合，如图6。

图6 载人深空任务电源架构

系统中采用了两条独立的直流母线，母线电压120 V，每段直流母线分别连接一组12 kW 的光伏电池阵和两组蓄电池。每个配电单元(PDU)分别连接到两条直流母线，提高载荷供电可靠性。系统安装了对外的并网功率接口，采用了双向功率变换器使系统具有可扩展性。

3 供电系统设计

3.1 电源选用

月球科研站建设初期，涉及多个航天器的研制，对能源系统的要求也有差异，无法设计成完全统一的供电系统。但可以利用产品化的设计思路，通过分析这些航天器对能源系统要求的通用之处，作为供电系统的基本型进行设计，同时根据任务的差异，设计不同类型的供电模块，供航天器选用。

航天器主要使用能源共三种，分别为化学能、太阳能、核能。化学能一般是用在短寿命的航天器上，或被用作备用应急电源；太阳能一般用于中等功率长寿命的航天器上；核能一般用于长寿命的航天器上，适用的功率范围很广，从100 W 到100 MW 级皆可适应，目前比较成熟的核能技术是放射性同位素电源技术，只能用于低功率的航天器[9]。

月球科研站建设初期涉及的航天器功率在千瓦到几十千瓦量级，不适合使用单纯的化学能电池，现有的核能技术水平不足以支持前期的建设，因此选用太阳电池加储能电池的电源系统作为主能源供给。

载人飞船、着陆器、指挥中枢系统等航天器因其对可靠性安全性的更高要求，需配置应急电源系统。考虑质量代价及应急使用的属性，选用高比能的一次性化学电池作为应急电源。

无人月球探测设备、月面的部分移动设备、载人飞船的逃逸系统等因其存在短时间大功率的需求，需要配置低容量高放电倍率的电池。

综合以上分析，月球科研站建设初期的电源系统设计如图7，是以太阳电池加储能电池作为主电源，再根据各个航天器的不同特点选用高比能电池、大倍率放电电池等配合使用。

图7 电源系统设计

3.2 电源控制设计

电源控制系统需要承担充电控制、分流控制、放电控制、母线滤波、驱动控制、自主策略执行、MEA信号控制、过压保护、限流控制等工作。为满足任务轻量化、小型化的需求，采用模块化的设计理念，根据航天器的不同特点，配置不同的模块，形成控制单机，完成特定的控制任务。

充电控制、分流控制、放电控制、母线滤波、MEA信号控制、过压保护、限流控制模块为太阳电池加储能电池的必要控制模块，作为必选项。航天器如设有驱动机构，则选择驱动模块；如电源系统有自身需要闭环执行的自主管理策略，则选择下位机模块，承载软件以执行管理策略。模块配置情况如图8。

图8 电源控制模块化设计

4 配电系统设计

4.1 设计原则

月球科研站的配电系统遵循轻量化、标准化、智能化、高可靠高安全的原则开展设计，具体设计思路为：

(1)高可靠高安全性原则：按照一重故障保业务连续、二重故障保安全的原则开展配电体制设计，采用合理的冗余设计，提高任务可靠性，消除单点故障，提高安全性、可靠性。

(2)标准化原则：基于供电和火工引爆需求，通过功率通路芯片选型、对外接口定义规范，实现配电、火工母线、火工引爆的标准化设计；通过规范连接器选型及接点布局，实现电缆的标准化设计；通过标准化提高可扩展能力。

(3)智能化原则：采取芯片化SSPC，对功率通路状态及关键数据进行实时采集，对于短路等灾难性故障，能自主及时在本地切除，防止故障蔓延。

(4)轻量化原则：基于供电需求，负载功率分时复用在轨工况，将功率变换集中设计，通过系统层面的分时复用，最大程度减少模块的使用；采取芯片化SSPC 替代继电器，提高配电功率密度，降低系统质量。

4.2 配电系统组成

配电系统设计包括母线控制设计、电能分配设计、火工控制设计、并网控制设计、电缆网设计。其中电能分配、火工控制、电缆网这三项设计属于配电设计的基本项，各航天器均需开展。母线控制设计取决于航天器的能源是否为单一来源，如为多源系统，需要设计母线控制系统，对供电系统提供的能源采取必要的隔离及切换控制。并网控制设计取决于航天器内部的舱段间或两个航天器间是否需要并网供电。

月球科研站初期设计的配电系统组成详见图9。

图9 配电系统组成

4.3 配电系统构架

按轻量化、标准化、智能化的原则开展设计，最符合的系统构架为综合电子体系下的配电系统。月球科研站涉及的航天器大部分功率等级在2 000 W以上，根据之前的研究成果，宜采用分散式为主的综合电子配电体系，强弱电隔离，二次母线集中变换[10]，具体构架详见图10。

图10 综合电子体系的配电系统架构

图中母线管控单机及并网控制器根据功能需要为选配项，28 V 配电涉及加热等大功率用电，在母线管控单机内实现功率变换，5 及12 V 用电功率等级小，分散到各个配电单机(综合业务单元中)。配电功能的实现依托于综合业务单元内的配电板卡，不单独形成配电单机，可降低配电系统质量。

5 能源系统关键技术

在月球科研站建设初期，能源系统有大量的关键技术需要攻关突破，为了攻关工作的有序开展，需要梳理出对任务影响最大，关系到成败的技术，作为优先突破的关键点。通过研究分析，梳理出两大类关键技术：第一类就是保证航天器可靠性安全性的技术；第二类是现有设备无法支持月球科研站建设，需要增加功能或提升性能的技术。本章对这两大类技术进行分析及总结。

5.1 可靠性安全性提升技术

(1)芯片式SSPC 技术

芯片式SSPC 作为配电系统最为关键的器件，具备控制配电通道通断、过流I2T 保护、立即跳闸保护功能，由核心控制芯片、电源监控芯片、功率MOS管、采样电阻及外围电路构成。其中除两类芯片外，其他部分的设计用于实现指令接收，响应设置好的过流保护功能，已在遥感平台及空间站上得到了应用验证。核心控制芯片用于实现对SSPC 参数的配置、与上位机的SPI 通信、保护算法的实现等功能，以及提供开关状态和保护状态输出，表征SSPC 开关自身健康状态；驱动芯片主要用于对功率MOSFET 的驱动和控制，以及对于MOSFET 的一些快速保护功能，如过压过流保护等。

在原有SSPC 研制的基础上，集成芯片，可增加配电通道的自主保护模式，自由配置反时限保护曲线，采集处理更多的状态量，具备更强的应用适应性，同时，高度集成满足轻量化设计原则，符合月球科研站建设对航天器质量的严苛要求。

(2)碎片防护技术

随着航天事业的不断发展，空间碎片数量增加迅速，近年来不断爆出有航天器因受空间碎片撞击导致功能受损甚至整星失效的事情。参考地球轨道的空间碎片增加速度，随着各国月球探测活动的不断深入，月球轨道的碎片也将会在不久的将来成为一项必须考虑的问题。由于月球没有大气层，无法烧毁或减速流星体，因此很小质量的流星也会高速撞击到月表，形成溅射物，速度可达到每秒几十到几百米，影响范围可达到距撞击中心数十千米外[11]。

月球科研站建设使用的航天器都要穿过地球轨道空间碎片覆盖的范围，抵达月球轨道，大部分航天器还会降落至月表，并长期运行，因此需要承担多种碎片带来的撞击风险。从目前在轨运行的航天器着手进行分析，最容易受到碎片影响的能源系统设备为太阳翼及舱外功率电缆。太阳翼受到损伤后会造成电池片的性能下降，产生等离子体破环供电系统，结构穿孔，甚至解体。功率电缆受到损伤后，会造成局部开路损失部分功率输出，严重的会造成短路放电，烧毁电缆，并影响周围的电缆，直至影响整星的供电输出[12]。

太阳电池翼目前的防护措施为使用玻璃盖片进行碎片的阻挡，舱外功率电缆使用防护材料进行包裹[12]。后续的研究中，一方面是要继续开展防护材料技术的研究，另一方对于功率电缆的防护要从源头出发，从设计初始就将重要的功率电缆设计到舱内，或设计对应的结构进行防护。

5.2 功能性能提升技术

(1)高比能电池技术

为适应月球科研站建设对航天器质量的严苛要求，能源系统的质量将进一步缩减，高比能电池技术的研究迫在眉睫。

现有在轨使用的锂离子蓄电池单体比能没有超过200 Wh/kg，无法满足任务的需要。需从电极、电池和使用工况等方面开展研究，进一步提升电池的比能量和循环寿命。其中高容量电极材料方面，借鉴目前高比能锂离子电池的材料选型，从电子传输路径，锂离子扩散路线与热传导路径三个方面进行长效稳定性电极的设计。匹配功能性有机电解液，研究新型溶剂或者添加剂提升电解液在宽温度范围内的电导率和电化学稳定性。匹配高容量正负极，形成稳定的电极/电解液界面，提升单体的能量密度。

锂氟化碳电池是具有高比能量的一次性化学电池，理论比能量可达2 180 Wh/kg[13]，在月球科研站的建设中可用于应急电源系统。现有的锂氟化碳单体比能量可到达530 Wh/kg，距离理论值仍有差距，具备进一步研究的前景。同时高比能量及应急使用场景带来的温度控制问题也成为后续研究的重点方向[14]，如何在提升电池比能量及提高电池热稳定性能中做出平衡，也成为一项重要的研究工作。

(2)高倍率放电电池技术

以目前的月球科研站建设应用场景看，月面需要移动的航天器通过一些特殊地形，月面钻取勘探及飞船逃逸等工况会用到大功率负载，这些航天器或特定系统的共同点就是体积小，质量要求极为严苛。后续研究中针对短时间大功率的航天器使用需求，探索20C以上的放电倍率电池的研制，已获得使用更小质量代价完成短时大功率任务的目的。

(3)并网供电技术

为实现月球科研站航天器间的能源相互补给，合理利用，结合设计的双母线体制，开展大功率双向并网供电技术研究。目前的技术已可以做到单母线4 kW 级的并网供电，1 kW 负载阶跃时，电压在90～110 V 范围内超调量小于4%，效率不低于93%。

在输入电压110 V、输出电压90 V 和输出电流22 A 的工况下，超调量为3.6%，恢复时间为0.060 s。波形详见图11。