中國空間站的背后 有一個(gè)怎樣的“太空電站”?

如今，天和核心艙成功發(fā)射，讓中國人在太空有個(gè)家的愿望從夢想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。家的正常運(yùn)營離不開電。中國空間站的背后，有一個(gè)怎樣的“太空電站”在提供源源不斷的能量?負(fù)責(zé)空間站電源分系統(tǒng)抓總研制的中國航天科技集團(tuán)八院 811 所揭開了“太空電站”的奧秘。

天和核心艙是未來空間站的指揮控制中心。航天員的生活起居要在這里進(jìn)行，并將在此開展一定的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)。為了讓航天員在太空中的長期生活能夠更加舒適，核心艙提供了約 50 立方米的空間供航天員工作生活。除了升級睡眠區(qū)，還新增了專門的衛(wèi)生區(qū)和運(yùn)動(dòng)區(qū)。此外，核心艙內(nèi)還可以連接 WIFI 上網(wǎng)。

如果說之前航天員生活過的“天宮二號”飛行器是“一房一廳”簡裝，那這次發(fā)射的天和核心艙就是“三房兩廳加儲藏間”的豪華裝修了。如此龐大的系統(tǒng)，用電需求也是 “天宮二號”的近三倍，需要強(qiáng)有力的電力保障。

太空中，核心艙唯一的能量來源，就是太陽能。因此天和核心艙配有兩對大面積的太陽電池翼，單翼面積可達(dá)到 67 平方米。其在光照區(qū)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，供整艙應(yīng)用，同時(shí)為蓄電池儲存能量，以便核心艙飛至陰影區(qū)時(shí)使用。這兩組太陽電池翼在初期發(fā)電能力超過 18000 瓦，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國內(nèi)之前任何一個(gè)航天器。

“天宮二號”的太陽電池翼單翼翼展只有 3 米，天和核心艙的電池翼單翼展開增加到了 12.6 米。運(yùn)載火箭的裝載空間有限，研制人員在國內(nèi)首次應(yīng)用了多維多步展開的柔性太陽電池翼，巧妙 地解決了這一問題。得益于高效光電轉(zhuǎn)換效率的三結(jié)砷化鎵 太陽電池的應(yīng)用，它們與高比能鋰離子蓄電池一起，構(gòu)成了強(qiáng)大的電源系統(tǒng)，為空間站提供可靠、充足的不間斷發(fā)電。

核心艙太陽電池翼的另一個(gè)特殊功能，是其在軌期間可以整翼拆卸、轉(zhuǎn)移?？紤]到后續(xù)空間站組建完成后對核心艙太陽電池翼造成的遮擋，從而影響發(fā)電，這兩個(gè)太陽電池翼可由航天員與機(jī)械臂配合，實(shí)現(xiàn)艙外拆卸、轉(zhuǎn)移，安裝于后續(xù)發(fā)射的實(shí)驗(yàn)艙尾部桁架上，并在軌重新組建供電通道，實(shí)現(xiàn)了在軌能源拓展的功能。

空間站長期在軌穩(wěn)定運(yùn)行，航天員長期駐留，站內(nèi)安全是最關(guān)鍵的問題。在空間站運(yùn)行到太陽無法照射的陰影區(qū)時(shí)，鋰離子蓄電池負(fù)責(zé)為整個(gè)艙體供電。電池的安全性如何保證?

811 所研制人員經(jīng)過長期攻關(guān)，找到了解決辦法。他們設(shè)計(jì)出了一種滿足空間站運(yùn)行需求的長壽命大容量高安全鋰離子蓄電池。該電池采用陶瓷隔膜， 具備良好的防內(nèi)短路效果，同時(shí)在電池組內(nèi)使用阻燃材料，防止電池高溫引發(fā)燃燒。

據(jù)悉，空間站核心艙共有 6 組鋰離子蓄電池，每組有 66 個(gè)單體電池。811 所研制人員還設(shè)計(jì)出了一套智能化的鋰電管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠、高安全的鋰電充電控制。電池充電時(shí)啟用三級保護(hù)機(jī)制，并實(shí)施溫度監(jiān)測，當(dāng)充電溫度高于設(shè)定安全溫度值 時(shí)，立即停止對該蓄電池充電。

空間站在長達(dá)10年以上的在軌運(yùn)行過程中，航天員需定 期對鋰電進(jìn)行在軌更換。如何在不影響空間站的正常供電情況下確保航天員的操作安全?研制人員為鋰電更換操作上了“雙保險(xiǎn)”。核心艙有兩個(gè)功率通道，當(dāng)其中一個(gè)通道需要更換電池時(shí)，由另一個(gè)通道作為主力供電。每個(gè)功率通道中，任意一個(gè)機(jī)組中電池需要更換時(shí)，本機(jī)組斷電，剩余兩個(gè)機(jī)組可以保證本通道正常供電。

此外，研制人員在鋰離子蓄電池模塊中還安裝了兩個(gè)并聯(lián)的分段開關(guān)，通過將電池組的電壓降低到人體的安全電壓范圍，滿足人體的 36 伏安全電壓要求，保護(hù)了航天員開展在軌維修時(shí)的人身安全。