航天器系统--电源分系统.pdfVIP

第6章 电源系统设计 6.1 概述 电源和供配电系统是卫星重要的服务系统之一。它包含发电、电能储存、电源控制、电源电压变换、 供配电等全部硬件。 负责航天器在各个飞行阶段为卫星的用电负载提供功率，直至卫星寿命终止。典型的电源系统的构 型如图 6-1 所示。 发电装置：负责发电 种类很多：一次化学蓄电池、核电源、太阳电池阵等。 基本原理：是通过物理变化或化学变化将化学能、核能或光能转变成电能。 当前，国际上使用各种能源作为航天器的发电装置的分配比例大约是：太阳电池阵占 90%，化学电 池 5%、温差电占 3 ％～4% 。 在轨道的航天器用太阳电池阵占大多数。因为在轨道卫星大部分时间都处于光照期，尤其是地球同 步轨道卫星，每年 99 ％的时间都有光照。太阳光是取之不尽、用之不竭的能源，太阳电池阵就是用 太阳电池作为光电转换器件、利用物理变化将光能转化为电能，是目前卫星的首选发电装置。 图6-1 电源系统基本构型 电能储存装置 必要性：当卫星运行在轨道的地影期时，太阳电池阵因无光而不能发电，必须由电能储存装置为卫 星的用电负载供电。 储存装置：可重复充电的蓄电池组、飞轮和电容等。 作用：在光照期间将能量储存起来，到卫星地影期将能量释放出来给卫星供电。蓄电池组充电时将 电能转化为化学能，放电时由化学能转化为电能；飞轮是实现电能-机械能- 电能转化的储能装置，而 电容器则直接将电能存储起来。 目前蓄电池组仍然为卫星的首选储能装置。 在过去全世界发射的两千多个卫星中，绝大部分都是太阳电池阵/蓄电池组系统 太阳电池阵/蓄电池组电源系统是本章介绍的重点。 卫星轨道对电源分系统设计的影响 由于目前大部分航天器工作在近地轨道、太阳同步轨道、地球同步轨道，虽然对太阳电池阵/蓄电池 组而言，上述轨道的飞行器设计思路和特点都是相通的，但是在某些方面还是各有各的特点，某些 设计因素的影响程度也不一样，有的对太阳同步轨道卫星的电源分系统设计影响很大而对地球同步 轨道卫星的电源分系统却可能丝毫没有影响。 表 6-1 简略介绍了太阳同步轨道（包括近地轨道）和地球同步轨道太阳电池阵设计条件的不同特点 和差异。 表 6-1 太阳同步轨道和地球同步轨道卫星电源系统设计特点比较 6.2 发电 6.2.1 能源转换器件及发电装置的选择 目前应用较为广泛的空间能源：化学能、核能和太阳能三种。 不同的能源必须依靠不同的能量转换器件才能将其转换成能源。典型转换器件如表 6-2 所示。 不同寿命的卫星对能源的种类要求不同： 仅几天到十几天寿命的航天器选择银锌蓄电池或锂电池； 执行短期飞行任务的大功率（几千瓦至几十千瓦）飞行器，尤其是载人飞船，氢氧燃料电池组是最 好的选择，化学反应排出的水分还可供航天员使用； 核电源适用于在光照条件差、温度高或有尘埃流的恶劣空间环境条件下工作的卫星，多用于行星探 测和某些长寿命的军事卫星； 寿命为几个月、几年、十几年的卫星来说，功率为几千瓦到上万瓦的卫星来说，往往选择太阳电池 阵，可以在规定的设计寿命时间内和环境条件下预测己知衰减的情况及输出功率。 表 6-2 能源及其转换器件 能源 转换器件 在电源系统中的用途 化学能 锌银电池、锂电池、燃料电池、锂离子蓄电 作为发电装置或储能装 池、镉镍电池、氢镍电池等 置部件 太阳能 硅（Si ）太阳电池、砷化镓（GaAs ）太阳 作为太阳电池阵的光电 电池、磷化铟太阳电池等 转换器件 核能（同位素、核 温差电偶变换器、热离子变换器等 作为核电源的热电转换 反应堆） 部件 6.2.2 锌银蓄电池 负极：锌；正极：氧化银。单体电压：约 1.4～1.5V；单体比量较高，可达 156～238W ·h/kg 。 满足母线电压要求：锌银蓄电池组用锌银蓄电池单体串联而成 满足卫星的功率要求：足够的电池容量，根据卫星需要容量一般