月球科研站未来太阳电池阵设想

刘吉晔，尹兴月，宋相毅，肖云鹏

(1.中电科蓝天科技股份有限公司，天津 300384；2.武汉理工大学自动化学院，湖北武汉 430070)

未来月球科研站的运转离不开能源供给系统，为了能实现更多的科研任务，对能量供给模块提出更高需求。太阳能是太空中最易获得的可再生能源，提高对太阳能的利用率至关重要[1]。通过材料创新、光吸收优化、组件设计和系统集成等方面的改进以及柔性太阳电池与不同展开方式的结合，未来的月面太阳电池阵可以实现更高转换效率和更强电力输出，为人类在月球探索提供坚实的基础。

本文根据太空太阳电池阵技术现状，针对月球南极月面环境及月球科研站需求对太阳电池阵未来发展趋势进行分析。

1 月球科研站需求分析

当前已有多个国家开展月球科研站构建，随着我国与俄罗斯联合发起国际月球科研站(ILRS)项目，我国将要发展的月球科研站基本型，第一步将要建成指挥中枢、基本的能源和通信设施，用于满足基本的月球设施、自动操作和长期探索及研究。

在考虑月面温度和光照等环境因素影响下选出的建设地址对于月球科研站能源系统仍是一个不小的挑战。能源系统需满足长期探测能源供给的任务需求，及整个月球科研站稳定运行的能源需求。在月球科研站建设中，首先需要解决建设所需的能源问题。有了能源，一切建设活动才可能得以继续。目前能在月面直接获取的能源最优的仍是太阳能[2]。太阳电池阵是能源系统中的重要组成。由于月球南极可能存在极昼和极夜现象，据初步估算，可能连续180 多天都有光照，对执行无人或有人探测任务均是一大便利。我国探月三期、四期的目标便是在月球南极进行着陆勘察与科考，建立月球科研站基本型，在此基础上扩展成国际月球科研站。

在建设科研站初期需要投入大量的太阳电池阵以获得充足的电能，携带到月面时需要考虑其轻量化及小型化，在运载能力一定的情况下，尽可能多地装载太阳电池阵至月面。故太阳电池阵应兼备高质量比功率以及高体积比功率两项关键指标。同时接口的标准化设计可以有效提高在月面装配太阳电池阵的简便性。根据上述对月球科研站太阳电池阵的需求分析，太阳电池阵要具备高质量比功率、高体积比功率、可拓展等特点，来满足任务需求。

2 太空太阳电池阵概述

目前国际上主流的太阳电池阵仍为刚性阵，但主流太阳电池阵的质量比功率及体积比功率仍在较低水平。本章对比分析了不同空间太阳电池阵的优劣，立足现有技术提出未来月面太阳电池阵发展方向。

2.1 刚性太阳电池阵

刚性太阳电池阵由刚性基板和太阳电池组成，采用铝蜂窝夹层结构基板作为承载结构，表面贴装太阳电池。该技术应用于目前国内外通信、导航、遥感等领域。我国的北斗导航卫星就是典型的应用案例之一，如图1 所示。

图1 北斗导航卫星

刚性太阳电池阵的基板及展开机构等机械部分在太阳翼中的质量占比超过50%，因而质量比功率和体积比功率较低。目前国内刚性太阳电池阵最高的体积比功率可达4.1 kW/m3，质量比功率可达78 W/kg，即便对其结构进行优化或使用更高效率的太阳电池片，整体提升空间仍十分有限。

2.2 半刚性太阳电池阵

半刚性太阳电池阵利用高强度框架和纤维网格作为基板，将太阳电池封装成电池模块后与基板进行安装连接。俄罗斯的卫星多采用半刚性太阳电池阵，例如“和平号”空间站(Mir)(图2)、天空实验室(Skylab)等。我国的天宫目标飞行器以及东五平台卫星采用的也是半刚性太阳电池阵技术(图3)。由于半刚性太阳电池阵的收拢体积相比刚性太阳电池阵没有明显优势，其体积比功率接近刚性太阳电池阵，约为4.4 kW/m3。但半刚性太阳电池阵背面无刚性基板覆盖，具有良好的散热性能，同时质量可以明显降低，质量比功率可提升至91 W/kg。

图2 和平号空间站

图3 天宫一号

2.3 柔性太阳电池阵

柔性太阳电池阵是采用复合薄膜结构作为基板，在收拢状态下，基板之间均处于贴合压紧状态，对于大面积太阳阵来说，其收拢体积可以减少至刚性阵的十分之一左右。根据收拢展开方式不同，柔性太阳电池阵主要包括三种形式，分别是手风琴展开式、扇形展开式以及卷绕展开式[3]。

(1)手风琴式柔性太阳电池阵

手风琴式柔性太阳电池阵由太阳电池、聚酰亚胺薄膜基板及伸展机构组成，基板以“Z”型折叠的方式收拢在一起，入轨后在展开机构带动下顺序展开。最为典型的应用案例是国际空间站(International Space Station)太阳电池阵，如图4 所示。目前我国空间站应用的也是手风琴式柔性太阳电池阵。空间站太阳电池阵的体积比功率可达18 kW/m3，质量比功率可达160 W/kg。相比于刚性太阳电池阵，两项指标均有极大提升，但相较卷绕式柔性太阳电池阵仍有一定差距。

图4 国际空间站

(2) 扇形展开式柔性太阳电池阵

扇形展开式柔性太阳电池阵也是柔性阵的一种，其结构类似于我国传统的折扇，展开后形成接近于圆形的多边形。该技术适用于不同地球轨道飞行器，其高收纳比的特性使其在深空探测等航天任务中有较为明显的技术优势，例如“天鹅座”空间站补给飞船、美国的“风凰号”、“洞察号”火星探测器等均使用了该项技术，太阳电池阵的体积比功率可达30 kW/m3，质量比功率可达136 W/kg。其结构形式如图5所示。

图5 洞察号火星探测器

(3) 卷绕展开式柔性太阳电池阵

卷绕展开式柔性太阳电池阵(roll-out solar array，ROSA)是近几年发展起来的一种新型柔性太阳电池阵技术，整机类似于中国的卷轴画(图6)。相比于传统的输出功率为15 kW 的刚性太阳电池阵，ROSA 在输出功率不变的情况下，整机质量可减轻33%，体积可以减少75%。

图6 卷绕展开式柔性太阳电池阵

目前国内研发的卷绕展开式太阳电池阵体积比功率已突破40 kW/m³，质量比功率突破280 W/kg。与刚性太阳电池阵相比，质量比功率达到刚性太阳电池阵的2 倍以上，体积比功率指标接近刚性太阳电池阵的10 倍，在这两方面有明显技术优势。

3 月球科研站太阳电池阵设想

为适应月球科研站的应用需求，太阳电池阵必须向提高单体电池效率、减轻质量、降低成本、提高收纳比等技术方向发展。随着柔性伸展机构向小型化、轻量化发展，铺设柔性薄膜砷化镓的全柔性太阳电池阵将获得更为广泛的应用前景。

在地球上，太阳电池阵一般是平铺在地面上，以便在正午更好地接收光照。但是在月球南极，太阳总是靠近地平线。太阳电池板需要垂直安装才能够更好地受到光照。手风琴式柔性太阳电池阵展开时为横向展开，在月球重力影响下，现有技术无法实现。而扇形展开式和卷绕展开式柔性太阳电池阵均可以实现垂直展开，为优选的设计状态，且两者均有较高的体积比功率及质量比功率，可以更好地满足月球科研站对太阳电池阵的需求。选用上述两种展开方式，可以在月夜期间将太阳电池阵收拢，降低低温、月尘等环境因素对太阳电池阵的影响。本章将重点分析这两种柔性太阳电池阵。

3.1 扇形展开式太阳电池阵

扇形展开式太阳电池阵由固定板、活动板、太阳毯、支撑肋、压紧释放装置以及中心机构等组成。收拢状态时，通过压紧释放装置收拢压紧在固定板上，将其固定在航天器侧壁，太阳毯收拢在活动板和固定板之间；展开后，太阳翼面由多个三角形太阳毯组成，太阳毯间由支撑肋等进行连接和支撑。由于其具有收拢体积小、质量比功率高等技术优势，当前被广泛应用于深空探测领域[4]。其主要优势有：

(1)收拢体积小

扇形展开式太阳电池阵采用多链传动机构，不需要使用传统太阳电池阵应用的铰链杆等展开机构，因此其收拢体积小。扇形展开式太阳电池阵体积比功率可达30 kW/m3甚至更高。

(2)质量比功率高

当扇形展开式太阳电池阵展开直径达到5 m 时，质量比功率可达136 W/kg。且随着扇形直径扩大，该指标均会有明显提高。由美国宇航局官方提供的数据得知，当扇形展开式太阳电池阵展开直径达到30 m 时，输出功率可以达到350 kW，质量比功率可以达到170 W/kg，与目前我国空间站太阳电池阵指标相当，远大于国际空间站大型伸展臂式柔性太阳翼的质量比功率30 W/kg(功率为32.8 kW，质量为1 088 kg)。随着近年太阳电池光电转换效率的提高以及柔性太阳电池质量减轻，太阳翼的质量比功率仍在持续提高。

(3)高展开刚度

多个杆组通过铰链连接组成的空间展开机构与柔性太阳毯绷紧时的预应力，可以使太阳电池阵具有较高的展开刚度。

扇形展开式太阳电池阵在月面应用时，由于太阳翼在收拢时太阳电池处于面对面压紧状态，展开后太阳毯处于绷紧状态，其全部展开过程中，太阳电池不会受到无较明显的卷曲，可以铺设当前技术成熟度较高的刚性太阳电池，保证建设初期太阳电池阵的可靠性。图7 为扇形展开太阳电池阵效果图。

图7 扇形展开太阳电池阵效果图

且扇形展开式的太阳电池阵，其展开半径越大，太阳电池阵布片率越高。月面可以不考虑尺寸限制，在月面安装这类太阳电池阵可以尽可能大地设计展开半径，提高太阳电池阵的面积比功率。

3.2 卷绕展开式太阳电池阵

卷绕展开式太阳电池阵主要由底座及储存箱、伸展机构、柔性太阳毯、张紧机构、顶部横梁等模块组成。在收拢状态时，伸展杆与太阳毯一起卷绕收拢在卷轴上；在展开过程中，依靠展收驱动装置实现由卷绕状态到展开状态锁定。伸展机构展开后成为具有一定刚度和强度的细长杆件，为太阳毯提供支撑。图8 为柔性展开式太阳电池阵效果图。

图8 柔性展开式太阳电池阵效果图

相比于扇形展开式太阳电池阵，卷绕展开式太阳电池阵的优势主要有：

(1)太阳毯形状更规则，布片效率更高，更利于电路划分，考虑科研站可能采用的高压、超高压母线，更规则的基板更有利于太阳电池阵静电放电防护设计。

(2)将太阳毯和支撑机构卷绕起来，可以达到更高的收纳比。同时配合展开电机可以实现在轨重复展收，在环境较差时收拢进行防护。

(3)卷绕式太阳电池阵收拢后为圆柱形，可以省去扇形展开式太阳翼为压紧设置的固定板，降低整体太阳翼体积和质量。

(4)卷绕式太阳电池阵展开后一般为垂直向上，水平排布可拓展性强，便于大规模组阵。

3.3 小结与展望

上述两类太阳电池阵均可以设计成接口统一的模块化产品，将其底部安装在移动平台上，便可以实现平台自动调平、移动和对日定向，不需要宇航员即可自动部署太阳电池阵。扇形展开式太阳电池阵由于其具有较好的展开刚度，可以铺设成熟的刚性太阳电池，保证产品可靠度，可以在建设初期为科研站提供能源保障。涉及到未来大面积组阵及模块化应用等，卷绕式太阳电池阵由于具有更小的收拢体积和质量、更规则的太阳毯等特点，在后期建设大规模供电站时有不可忽视的优势。

结合目前国内的研制基础，未来柔性太阳电池阵体积比功率有望突破50 kW/m³，质量比功率有望突破350 W/kg。面向未来的工程应用需求，目前仍有许多工作亟需开展，现对月球科研站太阳电池阵提出以下几个研发方向：

(1)柔性太阳电池阵构型及展收方式直接影响整个电池阵的性能指标，而设计约束条件包括功率需求、收拢包络、工作模式、环境载荷条件、技术基础等诸多方面，如何设计出既满足使用需求，又兼顾技术指标的先进性与当前技术条件下的可实现性，如何将柔性薄膜电池与展开结构进行一体化设计，如何实现高效收拢与可靠展开的有机结合，仍需要进行深入论证与科学决策。

(2)当前国内柔性太阳电池片厚度已由175 μm逐步降低至40 μm，厚度减少约80%，国内柔性薄膜砷化镓太阳电池效率已突破32%，质量比功率由420 W/kg 提升近5 倍，突破2 000 W/kg。未来如何针对当前薄膜太阳电池进行结构改进、工艺优化等方式来制备高效柔性薄膜砷化镓太阳电池仍为当前主要研究工作。

(3)太阳电池阵在发射、工作过程中均直接面对恶劣的空间环境。针对空间环境进行相应的设计、防护及验证，才能保证太阳电池阵的可靠性。同时应重点关注月尘吸附影响，开展主动、被动月尘防护措施，防止月尘长期吸附沉积造成产品性能下降。

(4)月面电缆铺设也是一项重要的挑战。将太阳电池阵与发电站连接在一起的传输电缆必须能够延伸至少几千米，并且能使用数年。与地球土壤不同，月壤没有被风化成光滑的圆形颗粒，而是类似于细碎的玻璃，非常锋利，所以电缆需要在保证外皮耐磨可靠的同时进行减重设计，以提供可靠的功率传输。

4 结论

月球科研站作为月面空间基础设施，对提升我国国家形象及国际地位有显著作用。太阳电池阵作为能源系统中重要的组成部分，亟需开展技术研发及创新优化。本文结合月面环境及科研站的供电需求，提出了两种目前可行性较高的柔性太阳电池阵方案。

针对两类太阳电池阵进行分析并提出未来的发展方向。其余仍有如全柔性太阳电池电路设计、超高压母线防护技术、柔性太阳电池焊接技术、月面大面积组阵及模块化应用技术等关键技术需要同步开展攻关研究。以实现高性能、高质量比功率、高体积比功率、高电压的高可靠全柔性太阳电池阵在未来月球科研站任务中的应用为目标，支撑我国未来月球科研站能源系统发展。