崔 波 曾 毅 張曉峰

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

1 引言

繼美國的GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和俄羅斯的G LONASS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之后,歐洲各國正在合作研制伽利略(Galileo)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。截至目前,Galileo系統(tǒng)已經(jīng)分別于2005年12月和2008年4月發(fā)射了在軌驗(yàn)證系統(tǒng)的兩顆試驗(yàn)衛(wèi)星——GIOVE-A和GIOVE-B,并正在研制第三顆試驗(yàn)衛(wèi)星。作為起步較晚的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),Galileo系統(tǒng)的研制起點(diǎn)也較高,運(yùn)用了一系列當(dāng)前衛(wèi)星的最新技術(shù)成果,如電源技術(shù)等。

本文對Galileo 試驗(yàn)衛(wèi)星的電源技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研分析,可作為我國導(dǎo)航衛(wèi)星電源技術(shù)發(fā)展的參考。

2 Galileo 試驗(yàn)衛(wèi)星平臺概述

為節(jié)約成本,縮短驗(yàn)證周期,Galileo 的兩顆試驗(yàn)衛(wèi)星都選擇了成熟的衛(wèi)星平臺,其中GIOVE-A使用的是薩瑞公司的G EM INI(GEostationary M IN Isatellite)平臺[1],GIOVE-B 選擇的是法國國家空間研究中心(CNES)的多任務(wù)平臺PRO

T EUS[2]。

2.1 GIOVE-A衛(wèi)星平臺

2003年7月,歐洲航天局(ESA)與英國薩瑞衛(wèi)星技術(shù)有限公司(SSTL)簽訂了研制第一顆在軌試驗(yàn)衛(wèi)星GIOVE-A的合同。這顆衛(wèi)星的主要任務(wù)是確保伽利略系統(tǒng)的衛(wèi)星信號頻率,探測MEO 軌道空間環(huán)境,評估有效載荷的關(guān)鍵技術(shù)并對導(dǎo)航信號進(jìn)行初步試驗(yàn)。這顆衛(wèi)星的研制和發(fā)射也在衛(wèi)星任務(wù)分析、產(chǎn)品制造、裝配、總裝與測試(AIT)、發(fā)射和在軌測試等多方面為伽利略系統(tǒng)的建造積累經(jīng)驗(yàn)。

衛(wèi)星采用的薩瑞公司的GEO 軌道小衛(wèi)星平臺GEM INI,如圖1所示。該平臺將小衛(wèi)星低成本、短周期的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用至MEO 軌道衛(wèi)星,成功拓展了小衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖1 GEMINI 平臺展開圖Fig.1 Platform GEM INI

衛(wèi)星采用模塊化的思想進(jìn)行研制,星載電子系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和有效載荷三個(gè)部分分別研制和AIT ,僅在最后階段才組合到一起[2]。

衛(wèi)星電源系統(tǒng)按照模塊化思路設(shè)計(jì),可以進(jìn)行擴(kuò)展,GIVOE 實(shí)際功率需求約700W 左右,起飛重量約649kg。蓄電池采用了AEA技術(shù)公司的鋰離子蓄電池,太陽電池陣由荷蘭的Dutch Space 公司研制,如圖2所示。

圖2 GIOVE-A衛(wèi)星Fig.2 Satellite GIOVE-A

2.2 GIOVE-B 衛(wèi)星平臺

GIOVE-B 衛(wèi)星采用的是CNES的多任務(wù)平臺PRO TEUS,它是根據(jù)多任務(wù)的需求,為節(jié)約衛(wèi)星發(fā)射及開發(fā)成本而研制的,可以適應(yīng)多種軌道、多種飛行任務(wù)的需求。

PROTE US 采用板式結(jié)構(gòu)作為主承力結(jié)構(gòu),平臺呈方形,兩側(cè)對稱布置太陽電池陣。在發(fā)射方面,通過連接運(yùn)載火箭上面級的方式直接入軌。衛(wèi)星平臺構(gòu)型如圖3所示。

圖3 PROTEUS 平臺構(gòu)型Fig.3 Structure of PROTEUS platform

在應(yīng)用至GIOVE-B 衛(wèi)星之前,PROT EUS 平臺已經(jīng)成功應(yīng)用于多顆衛(wèi)星,GIOVE-B 衛(wèi)星的起飛重量約為523kg,整星功率約為943W,衛(wèi)星外形如圖4所示。

圖4 GIOVE-B 衛(wèi)星Fig.4 Satellite GIOVE-B

3 Galileo 試驗(yàn)衛(wèi)星電源系統(tǒng)

3.1 電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

GIOVE-A衛(wèi)星電源系統(tǒng)采用了基于順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)(S3R)技術(shù)的全調(diào)節(jié)母線拓?fù)?能夠向大功率有效載荷提供50V 的全調(diào)節(jié)供電母線,以滿足有效載荷的需求。平臺提供了一條26.5～37.8V的半調(diào)節(jié)供電母線,這是由于薩瑞公司當(dāng)時(shí)的主要平臺均采用28V 母線設(shè)計(jì),采用這樣的設(shè)計(jì)可以最大程度繼承原有的平臺設(shè)備和設(shè)計(jì)。

太陽電池陣由2個(gè)狀態(tài)一致的采用硅太陽電池片的太陽翼構(gòu)成,每翼配兩塊太陽電池基板,尺寸為0.98m×1.74m。電源系統(tǒng)通過CAN 總線與中心計(jì)算機(jī)通信,實(shí)現(xiàn)遙測、遙控等功能[3]。GIOVE-A衛(wèi)星的系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 GIOVE-A衛(wèi)星的系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 Power system structure of GIOVE-A

由圖5可知,在光照期太陽電池陣通過S3R 調(diào)節(jié),為載荷配電器提供50V 恒壓母線。同時(shí)充電調(diào)節(jié)器(BC R)對蓄電池進(jìn)行充電,此過程中平臺母線電壓受蓄電池電壓鉗位,隨蓄電池電壓升高而變化。在地影期,載荷配電器由蓄電池經(jīng)過放電調(diào)節(jié)器(BDR)升壓變換后供電,平臺配電器則由蓄電池直接供電,平臺母線電壓隨蓄電池放電變低[4]。

圖6 GIOVE-B 衛(wèi)星電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6 Topology of GIOVE-B pow er system

GIOVE-B 衛(wèi)星的電源采用了半調(diào)節(jié)母線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見圖6),光照期太陽電池陣功率通過開關(guān)調(diào)節(jié)形成穩(wěn)定的母線。在地影期,電池直接對母線放電。通過蓄電池管理單元對蓄電池進(jìn)行管理,包括蓄電池的充電、放電、均衡及對單體故障的隔離。

從Galileo 兩顆試驗(yàn)星的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選取可以看到,電源系統(tǒng)方案以繼承成熟平臺技術(shù)為主。兩顆衛(wèi)星的系統(tǒng)集成度都較高,如GIOVE-B 衛(wèi)星的配電器兼具有衛(wèi)星配電、加熱器控制、火工品管理等功能。系統(tǒng)的自主化管理水平都較高,通過星上計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了部分電源功能的自主管理。

3.2 鋰離子蓄電池的應(yīng)用

GIOVE-A、GIOVE-B 均采用小衛(wèi)星平臺,為減輕衛(wèi)星重量,節(jié)約衛(wèi)星內(nèi)部空間,兩顆衛(wèi)星都采用了體積更小、重量更輕的鋰離子蓄電池。

GIOVE-A采用的鋰離子蓄電池是AEA公司提供的產(chǎn)品[5]。該電池組采用4 組蓄電池提供60Ah 的供電能力,每組蓄電池采用1.5Ah 的單體9 串10 并構(gòu)成。GIOVE-A的鋰離子蓄電池組采用如圖7所示的串并聯(lián)方式,蓄電池組如圖8所示。

圖7 GIOVE-A蓄電池組成方式Fig.7 GIOVE-ABatteries assembly type

蓄電池采用1.5Ah 的Sony 18650 小容量蓄電池,由于采用的是商用單體,因此在組裝過程中對單體進(jìn)行了嚴(yán)格的篩選。采用9 節(jié)單體串聯(lián)后再并聯(lián)的方式相對每節(jié)單體均并聯(lián)也減小了并聯(lián)電池間的差異,因此AEA公司的電池在在軌應(yīng)用中并沒有專門設(shè)置充電均衡措施。

AEA公司針對此類型的電池組進(jìn)行的相關(guān)試驗(yàn)也證明了這一特性,其采用的6 串12 并的試驗(yàn)件在平均放電深度12.4%、最大放電深度30%的試驗(yàn)條件下,進(jìn)行了84 000次循環(huán)的模擬低軌衛(wèi)星條件的壽命試驗(yàn)后,大多數(shù)蓄電池單體性能均保持平衡,僅有三只單體的放電終壓相對發(fā)生了100～150mV的衰降,未發(fā)生單體開路的故障[6]。

采用9 節(jié)串聯(lián)的模式,是為了適應(yīng)GIOVE-A衛(wèi)星平臺的母線電壓的需求,保證平臺相關(guān)設(shè)備正常工作。由于平臺采用直接能量傳遞的方式,既保證了平臺供電的可靠性,又提高了能量傳遞的效率。

圖8 GIOVE-A蓄電池組(AEA公司)Fig.8 Batteries of GIOVE-A(AEACompany)

GIOVE-B 采用的鋰離子蓄電池是SAFT 公司的產(chǎn)品[7]。采用VES100 單體通過3 并9 串的方式組成81Ah 的電池組為衛(wèi)星供電,平臺通過蓄電池管理單元(BEU)實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電管理及故障隔離。VES 系列鋰離子蓄電池是SAFT 公司的空間鋰離子蓄電池產(chǎn)品,目前主要包括VES100、VES140、VES180 三種規(guī)格,其產(chǎn)品參數(shù)如表1所示。

表1 SAFT VES系列鋰離子蓄電池參數(shù)Table1 Parameters of SAFT VES series lithium-ion battery

其中,VES100 系列主要應(yīng)用于低軌衛(wèi)星,GIVOE-B 衛(wèi)星采用V ES100 應(yīng)為繼承PRO TEUS平臺的結(jié)果。V ES140 目前已廣泛應(yīng)用于地球靜止軌道(GEO)和中高度地球軌道(MEO)軌道衛(wèi)星,通過模塊化的組合滿足了多種功率、多種電壓母線的應(yīng)用需求,取得了很大的成功。VES180[8]蓄電池為SAF T 公司最新的空間用高能量密度鋰離子蓄電池,在重量和體積與VES140 幾乎完全相等的情況下,其容量達(dá)50Ah。該電池已計(jì)劃應(yīng)用于Galileo的IOV 衛(wèi)星。

為適應(yīng)鋰離子蓄電池的應(yīng)用,電源控制裝置也發(fā)生了相應(yīng)的變化。如GIOVE-B 衛(wèi)星就針對鋰離子蓄電池組設(shè)計(jì)了相應(yīng)的均衡電路,在充電過程中檢測蓄電池單體的電壓,通過接通和斷開單體旁并聯(lián)的分流通路,控制各單體間的一致性,確保蓄電池單體間的容量均衡。

Galileo 的兩顆試驗(yàn)衛(wèi)星均采用了鋰離子蓄電池作為儲能裝置,這也反映了鋰離子蓄電池作為新型的空間能源逐漸取代氫鎳蓄電池的趨勢。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,更高能量密度的蓄電池,更智能化的電池管理方式,必將廣泛應(yīng)用于包括Galileo系統(tǒng)在內(nèi)的導(dǎo)航衛(wèi)星。

3.3 電源系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)

GIOVE-A的電源分系統(tǒng)充分采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想[9],其電源系統(tǒng)的構(gòu)型如圖9所示,從圖9可以看到,該設(shè)備集成了除蓄電池、太陽電池陣以外的所有的電源系統(tǒng)的功能,包括S3R分流調(diào)節(jié)模塊、MEA模塊、充電調(diào)節(jié)器(BCR)、放電調(diào)節(jié)器(BDR)、平臺配電模塊(Platform PDM)、載荷配電模塊(Payload PDM)、與遙測遙控接口(TTC)、加熱器控制模塊等。所有模塊均采用190mm ×135mm ×22mm 的結(jié)構(gòu),在完成各模塊后,可以方便地通過模塊的數(shù)量調(diào)整,適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。GIOVE-A衛(wèi)星的各模塊如圖10所示。

圖9 GIOVE-A衛(wèi)星電源系統(tǒng)構(gòu)型Fig.9 Structure of GIOVE-Apower system

模塊化設(shè)計(jì)是整個(gè)衛(wèi)星設(shè)計(jì)發(fā)展的方向,電源系統(tǒng)通過模塊化設(shè)計(jì)可以通過產(chǎn)品化的模塊滿足不同衛(wèi)星的應(yīng)用需求。在導(dǎo)航領(lǐng)域,針對衛(wèi)星批產(chǎn)的特點(diǎn),模塊化設(shè)計(jì)還具有降低成本、縮短研制周期、維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)束語

GIOVE-A、GIOVE-B 肩負(fù)了Galileo 衛(wèi)星的第一階段在軌技術(shù)驗(yàn)證的任務(wù),其電源系統(tǒng)也可以反映出歐洲導(dǎo)航衛(wèi)星電源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。整體來看,Galileo 試驗(yàn)衛(wèi)星的電源系統(tǒng)都繼承了成熟平臺的電源技術(shù),保證了在較短的周期完成衛(wèi)星電源系統(tǒng)的研制。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面,采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,采用更為先進(jìn)的鋰離子蓄電池,這也代表了導(dǎo)航衛(wèi)星的電源技術(shù)的發(fā)展趨勢,值得國內(nèi)導(dǎo)航衛(wèi)星的電源系統(tǒng)借鑒。

圖10 GIOVE-A衛(wèi)星電源系統(tǒng)功能模塊Fig.10 Function module of GIOVE-Apow er supply system

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