發(fā)布日期：2020-12-7 來源： 文匯 作者:史博臻 繆新培 閱讀：1450
嫦娥五號鋰離子蓄電池選用了比能量更高的鈷酸鋰正極材料和石墨負(fù)極材料、選用了高分子量的粘結(jié)劑材料降低粘結(jié)劑用量、并優(yōu)化極片配方提高活性物質(zhì)的含量。
電源是航天器在廣袤太空中持續(xù)運(yùn)行的重要支撐。在嫦娥五號任務(wù)中，中國航天科技集團(tuán)八院811所承擔(dān)了著陸器、上升器、軌道器、返回器4個(gè)平臺中軌道器、著陸器及上升器電源產(chǎn)品的研制任務(wù)。電源系統(tǒng)由電源控制器、鋰離子蓄電池組及太陽電池陣組成，為了確保以最好的性能保障此次任務(wù)，中國航天科技集團(tuán)八院811所研制人員卯足了馬力，“電源控制器比功率國內(nèi)最高、國際領(lǐng)先，鋰離子蓄電池航天應(yīng)用比能量最高，太陽電池陣面積比功率國內(nèi)最高”，是他們交出的滿意的答卷。
這是怎么做到的？研制人員自有秘笈。
嫦娥五號任務(wù)包括運(yùn)載發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月運(yùn)行、月面下降、月面工作、月面上升、交會對接、環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移和再入回收11個(gè)階段，著陸器、上升器、軌道器、返回器在飛行狀態(tài)中有多種組合和分離方式，電源如何以最佳的狀態(tài)適應(yīng)多器多飛行階段的多個(gè)狀態(tài)，研制人員開展了變革。
電源控制器是探測器電源系統(tǒng)的“大腦”，為解決在嫦娥五號四器飛行過程中能源緊張、重量資源受限的問題，控制器經(jīng)歷了一次從PCU到PCDU的升級。
“從PCU到PCDU，在于從單一功能向多功能的升級。在嫦娥三號、嫦娥四號任務(wù)中，電源控制器只包括功率調(diào)節(jié)模塊，嫦娥五號則集中了功率調(diào)節(jié)模塊、配電模塊、火工品控制模塊、智能接口單元等幾個(gè)功能，這是探月工程的首次應(yīng)用”，嫦娥五號電源產(chǎn)品主任設(shè)計(jì)師鄭磊介紹道。
而在單機(jī)內(nèi)部，也經(jīng)歷了一次脫胎換骨的變革，研制人員在參考國外相關(guān)技術(shù)資料、權(quán)衡相關(guān)利弊后，大膽挑戰(zhàn)，國內(nèi)首創(chuàng)多個(gè)高度集成化技術(shù)，讓電源控制器比功率達(dá)到國內(nèi)最高、國際領(lǐng)先水平，實(shí)現(xiàn)了性能的跨越性的提升。
嫦娥五號電源產(chǎn)品技術(shù)負(fù)責(zé)人徐澤峰說，“針對原先電路板集成密度不高的問題，我們經(jīng)過多次試驗(yàn)，摒棄了當(dāng)時(shí)國內(nèi)衛(wèi)星型號普遍采用的直插式工藝，首次采用了大規(guī)模表貼式工藝，這個(gè)首次引領(lǐng)了該技術(shù)在后續(xù)其他型號應(yīng)用的新局面；同時(shí)，在模塊間創(chuàng)新性采用信號母板、印制板載流技術(shù)和匯流條優(yōu)化等措施，實(shí)現(xiàn)了模塊電纜的高度集成，大幅度減少了體積和重量?！蓖ㄟ^與嫦娥三號產(chǎn)品的對比可以看到，原先的正面直插式工藝被換成了雙面貼片，電路板集成密度大大提高；原先布滿了密密麻麻導(dǎo)線的電路板，現(xiàn)在整齊地分布著寥寥幾條清晰的線路，產(chǎn)品密度得到了提高；而單機(jī)的模塊數(shù)量，則從原先的5個(gè)成功壓縮為2個(gè)，體積達(dá)到了嫦娥三號控制器體積的1/3。這些技術(shù)，在后續(xù)實(shí)現(xiàn)了二十多個(gè)專利的授權(quán)。
按照嫦娥五號的工作模式，在抵達(dá)月球軌道后，著陸器和上升器的組合體與軌道器和返回器的組合體分離，著陸器和上升器落到月球表面，開展月面采集樣本工作。
充分考慮到此次月面執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間及電源產(chǎn)品的工作模式后，按照總體的方案，研制人員在著陸器和上升器組合體的能源設(shè)計(jì)上做了優(yōu)化。徐澤峰說，“著陸器的電源產(chǎn)品包括太陽電池陣和電源控制器，上升器的電源產(chǎn)品包括太陽電池陣、電源控制器以及鋰離子蓄電池。分離之前，在飛行階段和月面階段光照期，著陸器的太陽電池電路承擔(dān)起了為組合體供電的責(zé)任；而當(dāng)組合體在月面階段分離后，上升器迅速轉(zhuǎn)換角色，由太陽電池電路在光照期為自身供電。而在非光照期，著陸器和上升器共用一組鋰離子蓄電池，由該蓄電池為組合體提供電源?！?/span>
在月球探測任務(wù)中，探測器所需能源較傳統(tǒng)衛(wèi)星緊張得多。嫦娥五號為四器組合體設(shè)計(jì)，且需一次性完成“繞、落、回”三個(gè)目標(biāo)，所需能源更是超過了我國任何一項(xiàng)月球探測、深空探測任務(wù)。因此，提高太陽電池陣和鋰離子蓄電池組的能源供給能力，是研制人員需要解決的重要問題。
“為了提高太陽電池陣發(fā)電功率，我們給自己設(shè)定了目標(biāo)，在太陽電池陣的正面，確保貼片面積達(dá)到最大化”，嫦娥五號太陽電池電路技術(shù)負(fù)責(zé)人陳城介紹道。
但在探月任務(wù)中太陽電池帆板面積受到嚴(yán)重的限制，同時(shí)，不同于普通衛(wèi)星，探測器本身的構(gòu)型決定了帆板的不規(guī)則形狀，嫦娥五號的太陽電池帆板有三角形和多邊形等多種形狀?；迕娣e小，且奇形怪狀，怎么辦？
“一般的衛(wèi)星型號，我們設(shè)計(jì)太陽電池電路時(shí)僅采用單一尺寸的太陽電池。針對嫦娥五號，我們打破常規(guī)思路，采用多種尺寸的電池進(jìn)行混合布片，讓布片效率達(dá)到了91%以上，這比常規(guī)產(chǎn)品高了5%-10%。同時(shí)，還要選擇最××率的太陽電池，嫦娥三號和嫦娥四號的太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率分別為28.6%和30.84%，嫦娥五號達(dá)到了31%以上”。經(jīng)過不懈努力，嫦娥五號太陽電池板單位面積下的輸出功率不僅在產(chǎn)品研制時(shí)，即使在現(xiàn)在，都為國內(nèi)最高水平。
比能量是鋰離子蓄電池的一大性能指標(biāo)，數(shù)值越高，單位體積或重量可以存儲的能量越多。攻關(guān)伊始，國內(nèi)鋰離子蓄電池單體的比能量最高為155Wh/kg，國際上最高為165Wh/kg。針對嫦娥五號鋰離子蓄電池產(chǎn)品使用壽命短，放電深度高的特點(diǎn)，研制人員在仔細(xì)分析了技術(shù)指標(biāo)的可行性、查閱了大量的文獻(xiàn)資料、調(diào)研了鋰電企業(yè)的技術(shù)資料后，制定了攻關(guān)方案?！拔覀冞x用了比能量更高的鈷酸鋰正極材料和石墨負(fù)極材料、選用了高分子量的粘結(jié)劑材料降低粘結(jié)劑用量、并優(yōu)化極片配方提高活性物質(zhì)的含量”，嫦娥五號鋰離子蓄電池主管設(shè)計(jì)師王曉銳說道。輕描淡寫的介紹，背后是大量的工藝試驗(yàn)，新的電極材料、新的材料配比，與過去完全不同的各項(xiàng)理化參數(shù)導(dǎo)致混粉、制漿等工序的工藝發(fā)生很大變化，但研制人員一步一個(gè)腳印，踏踏實(shí)實(shí)地驗(yàn)證了每一道工序。經(jīng)過8個(gè)月的努力，他們將蓄電池的重量比能量提高至195Wh/kg。這個(gè)數(shù)值，為目前航天用鋰離子蓄電池比能量最高值。
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