北斗导航系统建设完美收官,太阳电池阵是唯一供电能源


来源:   时间:2020-06-30 18:25:37


6月23日,我国成功发射北斗系统第55颗导航卫星,这也是北斗三号系统最后一颗全球组网卫星。自此,北斗三号全球卫星导航系统星座部署完成,历时20多年的北斗导航系统建设完美收官。据了解,太阳电池阵是卫星的唯一供电能源,蓄电池组是卫星储能装置。

北斗卫星导航系统是我国自主发展、独立运行的卫星导航系统,目标是为全球用户提供定位导航授时服务。1983年,以“两弹一星”元勋、中国科学院院士陈芳允为代表的专家学者提出了利用2颗地球同步轨道卫星来测定地面和空中目标的设想。从1994年启动北斗一号系统工程建设算起,我国全球卫星导航系统建设已经历时26年之久。

卫星能源系统是卫星的关键分系统之一,被誉为卫星的“生命线”。如果把卫星在太空中的“活动”比喻成人类活动的话,那么推进系统相当于人的“肌肉组织”,控制系统相当于人的“大脑与神经组织”,而能源系统相当于人的“心脏与血液循环组织”,为大脑和肢体提供能量。

卫星电源分系统的设计是一个复杂系统工程,不但要考虑电源各部分的参数设计,还要考虑电气设计、电磁兼容设计、安全性设计、热设计等方面。因为任何方面,哪怕是极微小的疏忽,都有可能导致整个卫星电源分系统甚至整颗卫星的崩溃。

据了解,在北斗三号组网卫星研制过程中,以中轨道卫星为例,配置了双太阳电池翼、双蓄电池组、均衡器和电源控制器。其中太阳电池阵是卫星的唯一供电能源,蓄电池组是卫星储能装置。在北斗三号中,首次批量采用了转换效率达到世界先进水平的三结砷化镓太阳能电池,能和太阳能帆板的尺寸充分匹配,极大提高了卫星“吸收”太阳能的效率。

在储能方面,北斗卫星采用的锂离子蓄电池组已达到国际先进水平。北斗三号卫星锂离子蓄电池组的成功应用,也开启了锂离子蓄电池组中高轨道应用的新局面,满足了北斗卫星储能电源能量密度高的需求,让卫星上的各种仪器设备等有效载荷更有“活力”。

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在太空获取电力来源的渠道非常有限,为了确保卫星上各种仪器的电能供应,现在大部分的卫星都是采用太阳能系统供电。早期航天器上的太阳能电池,是设置在航天器的外表面上,类似于贴片式。

我国发射的第一颗人造地球卫星“东方红一号”并未使用太阳能技术,因为当时关于太阳能帆板的相关技术并不成熟。早在1968年,中科院半导体所的科研团队就开始了批量生产航天任务所计划的太阳能电池片。不过,出于稳妥考虑,任务和技术方案有所变化,“东方红一号”卫星上最终没有粘贴太阳能电池片,但这种设计结构保留了下来。“东方红一号”最终使用了银锌电池提供能源,但蓄电池的电量是有限的,卫星设计寿命是20天,最后一共飞行了28天,电池耗尽、任务结束。

我国在随后的第二年发射的“实践一号”卫星(基于“东方红一号”卫星的备用星)就使用了太阳能电池,在轨道上运行了8年,大大延长了寿命。同年发射的东方红二号,以及后续的东方红三号、四号卫星均采用了太阳电池阵。

随着航天器的不断发展,为满足逐渐增加的用电量需求,开始以巨大的帆板形象呈现。这种帆板的面积不断增大,发展到现在已经像翅膀一样,在航天器的两边展开,所以太阳能电池帆板又叫做太阳翼。太阳翼利用硅和某些金属的光电效应,将太阳能转化为电能,然后储存在蓄电池中以供卫星、宇宙飞船使用。

此外,卫星上一般还会装有驱动机构和太阳敏感器等装置,它们能够帮助太阳能帆板找到对准太阳的最佳角度,让太阳能帆板受到较长时间和较大照射面积的阳光照射,从而获得更多的能量。

20世纪80年代中期,光电转化效率更高的砷化镓太阳能电池开始用于空间系统。砷化镓系太阳电池经历了从LPE到MOCVD,从同质外延到异质外延,从单结到多结叠层结构发展变化,其光电转换效率不断提高。电池效率从最初的16%增加到32%,并在空间系统得到广泛应用。

不过,传统的砷化镓晶片制造技术成本居高不下,限制了砷化镓太阳能电池更广泛的应用。目前,科学家们正在研究在太空中使用硅太阳能电池替换成钙钛矿太阳能电池。

如今,太阳能发电在太空发展进程中担当重要角色,更是航天发展不可或缺的一部分。大规模开发利用空间太阳能,将极大地提高经济发展的速度和质量,从而导致新的技术革命,甚至产业革命。

未来,期待有更多的太阳能“黑科技”运用在空间技术上,同时,希望这些技术能早日降低成本,实现高科技的“民用”化,让大家都能用上更便宜、更清洁的电能!

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