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北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)完美收官,太陽(yáng)電池陣是唯一供電能源
日期:2020-06-30   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:zhangchi_zrm 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
編者按:太陽(yáng)電池陣是衛(wèi)星的唯一供電能源,蓄電池組是衛(wèi)星儲(chǔ)能裝置。在北斗三號(hào)中,首次批量采用了轉(zhuǎn)換效率達(dá)到世界先進(jìn)水平的三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)能電池,能和太陽(yáng)能帆板的尺寸充分匹配,極大提高了衛(wèi)星“吸收”太陽(yáng)能的效率。

6月23日,我國(guó)成功發(fā)射北斗系統(tǒng)第55顆導(dǎo)航衛(wèi)星,這也是北斗三號(hào)系統(tǒng)最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星。自此,北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署完成,歷時(shí)20多年的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)完美收官。據(jù)了解,太陽(yáng)電池陣是衛(wèi)星的唯一供電能源,蓄電池組是衛(wèi)星儲(chǔ)能裝置。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),目標(biāo)是為全球用戶提供定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)。1983年,以“兩彈一星”元?jiǎng)?、中?guó)科學(xué)院院士陳芳允為代表的專家學(xué)者提出了利用2顆地球同步軌道衛(wèi)星來(lái)測(cè)定地面和空中目標(biāo)的設(shè)想。從1994年啟動(dòng)北斗一號(hào)系統(tǒng)工程建設(shè)算起,我國(guó)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)已經(jīng)歷時(shí)26年之久。

衛(wèi)星能源系統(tǒng)是衛(wèi)星的關(guān)鍵分系統(tǒng)之一,被譽(yù)為衛(wèi)星的“生命線”。如果把衛(wèi)星在太空中的“活動(dòng)”比喻成人類活動(dòng)的話,那么推進(jìn)系統(tǒng)相當(dāng)于人的“肌肉組織”,控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的“大腦與神經(jīng)組織”,而能源系統(tǒng)相當(dāng)于人的“心臟與血液循環(huán)組織”,為大腦和肢體提供能量。

衛(wèi)星電源分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)工程,不但要考慮電源各部分的參數(shù)設(shè)計(jì),還要考慮電氣設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)等方面。因?yàn)槿魏畏矫?,哪怕是極微小的疏忽,都有可能導(dǎo)致整個(gè)衛(wèi)星電源分系統(tǒng)甚至整顆衛(wèi)星的崩潰。

據(jù)了解,在北斗三號(hào)組網(wǎng)衛(wèi)星研制過(guò)程中,以中軌道衛(wèi)星為例,配置了雙太陽(yáng)電池翼、雙蓄電池組、均衡器和電源控制器。其中太陽(yáng)電池陣是衛(wèi)星的唯一供電能源,蓄電池組是衛(wèi)星儲(chǔ)能裝置。在北斗三號(hào)中,首次批量采用了轉(zhuǎn)換效率達(dá)到世界先進(jìn)水平的三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)能電池,能和太陽(yáng)能帆板的尺寸充分匹配,極大提高了衛(wèi)星“吸收”太陽(yáng)能的效率。

在儲(chǔ)能方面,北斗衛(wèi)星采用的鋰離子蓄電池組已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。北斗三號(hào)衛(wèi)星鋰離子蓄電池組的成功應(yīng)用,也開啟了鋰離子蓄電池組中高軌道應(yīng)用的新局面,滿足了北斗衛(wèi)星儲(chǔ)能電源能量密度高的需求,讓衛(wèi)星上的各種儀器設(shè)備等有效載荷更有“活力”。



在太空獲取電力來(lái)源的渠道非常有限,為了確保衛(wèi)星上各種儀器的電能供應(yīng),現(xiàn)在大部分的衛(wèi)星都是采用太陽(yáng)能系統(tǒng)供電。早期航天器上的太陽(yáng)能電池,是設(shè)置在航天器的外表面上,類似于貼片式。

我國(guó)發(fā)射的第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號(hào)”并未使用太陽(yáng)能技術(shù),因?yàn)楫?dāng)時(shí)關(guān)于太陽(yáng)能帆板的相關(guān)技術(shù)并不成熟。早在1968年,中科院半導(dǎo)體所的科研團(tuán)隊(duì)就開始了批量生產(chǎn)航天任務(wù)所計(jì)劃的太陽(yáng)能電池片。不過(guò),出于穩(wěn)妥考慮,任務(wù)和技術(shù)方案有所變化,“東方紅一號(hào)”衛(wèi)星上最終沒(méi)有粘貼太陽(yáng)能電池片,但這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)保留了下來(lái)。“東方紅一號(hào)”最終使用了銀鋅電池提供能源,但蓄電池的電量是有限的,衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命是20天,最后一共飛行了28天,電池耗盡、任務(wù)結(jié)束。

我國(guó)在隨后的第二年發(fā)射的“實(shí)踐一號(hào)”衛(wèi)星(基于“東方紅一號(hào)”衛(wèi)星的備用星)就使用了太陽(yáng)能電池,在軌道上運(yùn)行了8年,大大延長(zhǎng)了壽命。同年發(fā)射的東方紅二號(hào),以及后續(xù)的東方紅三號(hào)、四號(hào)衛(wèi)星均采用了太陽(yáng)電池陣。

隨著航天器的不斷發(fā)展,為滿足逐漸增加的用電量需求,開始以巨大的帆板形象呈現(xiàn)。這種帆板的面積不斷增大,發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)像翅膀一樣,在航天器的兩邊展開,所以太陽(yáng)能電池帆板又叫做太陽(yáng)翼。太陽(yáng)翼利用硅和某些金屬的光電效應(yīng),將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能,然后儲(chǔ)存在蓄電池中以供衛(wèi)星、宇宙飛船使用。

此外,衛(wèi)星上一般還會(huì)裝有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和太陽(yáng)敏感器等裝置,它們能夠幫助太陽(yáng)能帆板找到對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)的最佳角度,讓太陽(yáng)能帆板受到較長(zhǎng)時(shí)間和較大照射面積的陽(yáng)光照射,從而獲得更多的能量。

20世紀(jì)80年代中期,光電轉(zhuǎn)化效率更高的砷化鎵太陽(yáng)能電池開始用于空間系統(tǒng)。砷化鎵系太陽(yáng)電池經(jīng)歷了從LPE到MOCVD,從同質(zhì)外延到異質(zhì)外延,從單結(jié)到多結(jié)疊層結(jié)構(gòu)發(fā)展變化,其光電轉(zhuǎn)換效率不斷提高。電池效率從最初的16%增加到32%,并在空間系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。

不過(guò),傳統(tǒng)的砷化鎵晶片制造技術(shù)成本居高不下,限制了砷化鎵太陽(yáng)能電池更廣泛的應(yīng)用。目前,科學(xué)家們正在研究在太空中使用硅太陽(yáng)能電池替換成鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。

如今,太陽(yáng)能發(fā)電在太空發(fā)展進(jìn)程中擔(dān)當(dāng)重要角色,更是航天發(fā)展不可或缺的一部分。大規(guī)模開發(fā)利用空間太陽(yáng)能,將極大地提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度和質(zhì)量,從而導(dǎo)致新的技術(shù)革命,甚至產(chǎn)業(yè)革命。

未來(lái),期待有更多的太陽(yáng)能“黑科技”運(yùn)用在空間技術(shù)上,同時(shí),希望這些技術(shù)能早日降低成本,實(shí)現(xiàn)高科技的“民用”化,讓大家都能用上更便宜、更清潔的電能!


 原標(biāo)題:北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)完美收官,太陽(yáng)電池陣是唯一供電能源
 
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