一種用于采樣返回的兩艙段聯合供電技術研究

夏寧 劉治鋼 杜青 馬玉偉 蔡曉東 崔波 張明 王超

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

多艙段組合航天器是空間飛行器的一種，在返回式衛星、飛船、探月工程中已得到廣泛應用。如ESA的“火星快車”，由軌道器和著陸器(獵兔犬-2)組成，我國返回式衛星和“神舟”系列飛船一般由軌道艙、推進艙和返回艙組成，嫦娥三號探測器由著陸器與巡視器組成。隨著空間探測目標任務日益豐富，尤其以空間站為代表的載人航天探測任務和以月球著陸、巡視勘探、采樣返回任務為代表的深空探測任務，往往采用多艙段組合方式完成預定探測任務。常規航天器經由運載火箭發射入軌后，在任務期間一般不會發生組合形態的變化，其電源系統也通常為獨立電源系統。多艙段組合航天器在任務期間不同階段完成不同任務，會出現艙段分離、交會對接等組合形態變化，且各艙段之間也根據任務安排有不同供電需求。因此，根據不同的任務特點對多艙段組合航天器電源系統進行針對性設計[1]。

目前，多艙段組合航天器供電方式大致可以分為3類：①艙段間不存在供電關系，各艙段獨立供電滿足各自負載需求；②艙段間單向供電，在艙段組合飛行期間，一個艙段完全由另外的艙段供電；③艙段間雙向供電，雙向供電又包括兩種情況，第一種是并網供電，第二種是聯合供電，兩者區別是并網供電各艙段均有獨立的電源系統，聯合供電各艙段電源系統存在復用[2]。單向供電方案一般用于兩個艙段規模不相稱的航天器，其中一個艙段配置有完整的太陽電池陣-蓄電池組電源系統，另一個艙段為完成特定任務通常只攜帶儲能元件，例如火星快車與獵兔犬2號，從發射段至到達火星軌道整個過程均由火星快車向獵兔犬2號供電，直至達到目標軌道將獵兔犬2號釋放前，才轉為獵兔犬2號自身攜帶的蓄電池組供電。單向供電方案較多用于目標天體進入著陸探測任務；雙向并網供電主要適用于起始狀態相互獨立的飛行器經交會對接后相互間需要建立供電受電關系，例如“國際空間站”中美國電源系統與俄羅斯電源系統之間通過并網控制器實現雙向供電[3]。雙向聯合供電主要適用于起始狀態為組合體，在飛行過程中產生分離，由其中某一艙段繼續完成后續任務，復用的目的主要是減重，使系統性能得到優化。目前檢索到的國內外資料已發射的航天器未發現采用復用設備/模塊實現聯合供電的多艙段組合式航天器設計方案。

本文針對目標天體進入采樣返回探測任務供電需求復雜、質量約束嚴酷的特點，提出了一種兩艙段復用蓄電池組和放電調節(BDR)模塊的聯合供電技術，艙段1電源系統由太陽電池陣、充電分流調節模塊、BDR模塊、蓄電池組等組成；艙段2電源系統由太陽電池陣、充電分流模塊等組成，兩艙段的全調節母線通過器間電纜連接。建立了兩艙段聯合供電工程仿真模型對典型聯合供電工況進行仿真分析，并搭建了試驗平臺開展試驗驗證，試驗數據與仿真結果具有較好的一致性，驗證了設計方案的可行性，可為后續多艙段組合航天器聯合供電系統方案設計提供參考。

1 兩艙段組合航天器雙向供電技術研究

1.1 采樣返回探測任務供電特點分析

采樣返回探測的飛行階段通常包括接近段、環繞段、著陸段、目標天體表面采樣段、上升段和返回段。受發射質量和成本等因素制約，著陸-采樣-上升階段飛行任務通常由兩個艙段完成，艙段1和艙段2組成著陸上升組合體降落在目標天體表面，完成采樣和樣品收集，之后兩器分離，由上升器攜帶樣品離開，著陸器結束使命或者留在目標天體表面繼續開展探測或科學試驗。在組合體狀態下，兩器具備雙向供電的能力有利于整器能源的優化配置和供電可靠性、安全性的提高；在單器模式下，上升器承載樣品飛離目標天體表面，存在單艙段工作的飛行階段，因而需要配置一套獨立的電源系統，著陸器留在目標天體表面，如需繼續開展探測任務，則也需要配置一套獨立的電源系統；如兩器分離后沒有后續任務，則應考慮最大程度與上升器復用設備和模塊，以減少整器質量降低發射成本和設計難度，使整器性能達到最優。

下文以“兩器分離后著陸器使命結束”的任務需求為例，開展兩艙段航天器供電方案設計。

1.2 兩艙段組合航天器雙向供電方案設計

圖1～圖3給出了3種可用于兩艙段組合航天器雙向供電的設計方案：方案1，兩艙段設備不復用，通過并網控制器實現雙向供電；方案2，兩艙段設備不復用，通過器間電纜實現雙向供電；方案3，兩艙段復用蓄電池組和放電調節器，通過器間電纜實現雙向供電。表1為兩艙段雙向供電3種方案的優缺點對比。

由表1對比分析可知，方案1通用性最強，但質量大、傳輸效率低；方案2質量適中，傳輸效率高，適合兩艙段分離后著陸器仍需繼續工作的任務需求；方案3質量最輕，對于“兩器分離后著陸器使命結束”的任務需求而言是3個方案中的優選方案，既滿足任務需求，又盡可能實現輕小型、集成化設計[4-5]。

針對方案3在不同工況下的兩艙段工作模式進行分析，共存在以下4種工況：①只有艙段1太陽電池陣受到光照，艙段1太陽電池陣為艙段1負載供電，并為艙段1蓄電池組充電，同時通過艙段間電纜為艙段2負載供電；②只有艙段2太陽電池陣受到光照，艙段2太陽電池陣為艙段2負載供電，并通過艙段間電纜網為艙段1負載供電和蓄電池組充電；③兩艙段太陽電池陣均受到光照，各艙段太陽電池陣分別滿足各自負載供電需求，如有剩余功率則根據母線電壓高低情況通過艙段間電纜網進行互相補充供電；④地影期間，艙段1的蓄電池組通過BDR模塊放電，為兩艙段負載供電。艙段間分離后，艙段2無蓄電池組，只能在光照期工作。艙段1仍保持太陽電池陣-蓄電池組聯合供電狀態，實現艙段1用電負載供電和蓄電池組充放電功能。

表1 兩艙段雙向供電方案對比

針對上述4種工況進行分析可知，工況1和工況4中，艙段2實際可看作艙段1的負載，該兩種工況與艙段1單器模式下類似，只是負載功率需求較大(增加了艙段2的負載)。工況2和工況3中，艙段2的太陽電池陣、電源控制模塊(PCU)與艙段1的放電調節模塊(BDR)通過艙段間電纜網實現穿艙聯合供電，該兩種工況很容易出現多母線間的競爭和串擾問題，此處需采取兩艙段母線電壓差異化的設計方式。為考核相應控制和反饋回路的設計合理性和穩定性，需要通過建模仿真和試驗進行驗證。

下文將選取工況2和工況3作為兩艙段聯合供電的典型工況，開展仿真和試驗驗證?？己寺摵瞎╇娤到y的設計合理性和穩定性，本質上就是考核電源控制模塊和放電調節模塊的匹配性，相應最直接的評判指標也就是各艙段母線電壓的動態特性(即負載躍變時，母線電壓的波動幅值和恢復時間)。

2 兩艙段組合航天器聯合供電技術建模仿真

在Matlab軟件環境下開展建模和仿真分析，具體如下。

2.1 仿真模型

本模型中采用串聯順序開關分流調節(S4R)和順序開關分流調節(S3R)混合的電源控制方式，太陽電池陣按照式(1)進行建模，蓄電池組采用軟件庫中既有模型[6-7]。

(1)

式中：I為電池單元輸出電流，Ipn為光生電流(p-n結電流)，Io為反向飽和電流，V為外加電壓，q是電子電荷，K是玻耳茲曼常數，T是絕對溫度，n是二極管因子，Rs是電池表面和背面電極的接觸電阻，Rsh是電池邊沿漏電通路等效電阻(見圖4)。

此處，著陸器和上升器太陽電池陣控制部分均包含S4R和S3R兩種電路結構，著陸器和上升器復用放電調節模塊和蓄電池組，兩艙段的全調節母線通過器間接口直接相連，兩艙段的不調節母線通過裝于上升器中的蓄電池組相連。

著陸上升組合體電源系統電路結構如圖5所示。

2.2 仿真條件與參數

以某采樣返回深空探測器為例，其母線電壓和負載需求情況見表2。

表2 仿真條件與參數

2.3 仿真結果

針對組合體聯合供電的2種不同工況分別進行仿真，每種工況下通過設置太陽電池陣輸出使系統處于分流、聯合供電和蓄電池組放電3種不同的狀態，從而考察母線電壓的穩態和動態特性，部分仿真結果如下。

(1)著陸器太陽電池陣和上升器蓄電池組聯合供電模式下，在分流狀態時，設置著陸器負載為20 A，設置上升器負載從8 A減載為1 A，兩艙段母線電壓的波形如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可知，上升器母線波動為1.20 V，恢復時間為5.13 ms，著陸器母線電壓波動大小為0.95 V，恢復時間為5.01 ms。上升器端負載情況發生變化，由于著陸器與上升器間連接線纜阻抗的作用，著陸器端母線電壓的波動小于上升器端。兩艙段母線電壓穩定后，均為29 V左右。

(2)著陸器太陽電池陣和上升器太陽電池陣以及蓄電池組聯合供電模式下，在聯合供電狀態時，設置上升器負載為8 A，設置著陸器負載從2 A加載為20 A，兩艙段母線電壓的波形如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可知，上升器母線波動為0.88 V，恢復時間為4.86 ms，著陸器母線電壓波動大小為1.06 V，恢復時間為5.04 ms。兩艙段母線電壓穩定后，均為29 V左右。

由仿真可見，加減負載時，母線電壓隨之發生躍變，經過短暫時間后恢復正常值。母線電壓發生躍變時，波動不大于±1.5 V，恢復時間小于10 ms；穩定后，母線電壓值滿足(29±1) V。即著陸、上升器兩艙段復用蓄電池組和放電調節模塊的聯合供電設計方式，能夠實現兩艙段母線電壓的差異化有序供電，動態特性滿足要求，相應控制和反饋回路穩定有效，在確保輕小型集成化設計的前提下解決了多母線間的競爭和串擾難題。

3 組合體聯合供電試驗驗證

3.1 試驗平臺的搭建

圖10為著陸上升組合體聯合供電方案試驗平臺框圖，圖11為試驗平臺實物照片。上升器鋰離子蓄電池組、上升器功率調節與配電單元(PCDU)和著陸器功率調節與配電單元(PCDU)采用方案階段工程樣機；通過方陣模擬器模擬著陸器和上升器太陽電池陣工作情況，通過多路電子負載模擬星上負載供電情況；聯合供電控制監視臺是完成數據采集、指令輸出和狀態顯示，通過1553B總線與著陸器PCDU、上升器PCDU通信。

3.2 試驗步驟及結果

試驗中，設置其中一艙段為空載或額定負載，在分流、聯合供電以及蓄電池組放電3種不同狀態下，變換另一艙段的負載情況，對全調節母線電壓的特性進行測試，部分試驗結果如下。

1)著陸器太陽電池陣+上升器蓄電池組

著陸器太陽電池陣和上升器蓄電池組聯合供電模式下，在分流供電狀態時，設置上升器負載為1 A，設置著陸器負載從20 A減載至2 A，兩艙段母線電壓的特性曲線如圖12所示。

圖12中，上升器母線電壓波動為0.73 V，恢復時間為4.7 ms，著陸器母線電壓波動大小為0.89 V，恢復時間為5.4 ms。著陸器端負載情況發生變化，而由于上升器與著陸器間連接線纜阻抗的作用，上升器端母線電壓的波動小于著陸器端。兩艙段母線電壓穩定后，均為29 V左右。

2)著陸器太陽電池陣+上升器太陽電池陣+蓄電池組

著陸器太陽電池陣、上升器太陽電池陣和蓄電池組聯合供電模式下，在分流狀態時，設置著陸器負載為2 A，設置上升器負載從1 A加載至8 A，兩艙段母線電壓的特性曲線如圖13所示。

圖13中，上升器母線電壓波動為0.66 V，恢復時間為4.8 ms，著陸器母線電壓波動大小為0.42 V，恢復時間為4.1 ms。兩艙段母線電壓穩定后，均為29 V左右。

試驗與仿真結果具有較好的一致性，著陸器與上升器組合體聯合供電母線電壓特性良好，驗證了兩艙段航天器復用蓄電池組和BDR模塊聯合供電方案的可行性。

4 結束語

本文針對采樣返回深空探測任務提出了一種兩艙段復用蓄電池組和放電調節器模塊的聯合供電技術，該方案具有系統質量輕、能源傳輸效率高等優勢。通過在Matlab軟件環境下建立的組合體供配電鏈路模型，針對2種典型聯合供電工況進行了仿真分析和試驗驗證，仿真與試驗結果具有較好的一致性。本文提出的設計方案和驗證方法，對提升多艙段組合航天器電源系統設計能力，開展后續多艙段組合航天器聯合供電系統設計具有重要的借鑒意義。