電源是航天器在廣袤太空中持續運行的重要支撐。在嫦娥五號任務(wù)中，中國航天科技集團八院811所承擔了著(zhù)陸器、上升器、軌道器、返回器4個(gè)平臺中軌道器、著(zhù)陸器及上升器電源產(chǎn)品的研制任務(wù)。電源系統由電源控制器、鋰離子蓄電池組及太陽(yáng)電池陣組成，為了確保以最好的性能保障此次任務(wù)，中國航天科技集團八院811所研制人員卯足了馬力，“電源控制器比功率國內最高、國際領(lǐng)先，鋰離子蓄電池航天應用比能量最高，太陽(yáng)電池陣面積比功率國內最高”，是他們交出的滿(mǎn)意的答卷。

　　這是怎么做到的?研制人員自有秘笈。

　　適應多器多飛行階段的多個(gè)狀態(tài)

　　嫦娥五號任務(wù)包括運載發(fā)射、地月轉移、近月制動(dòng)、環(huán)月運行、月面下降、月面工作、月面上升、交會(huì )對接、環(huán)月等待、月地轉移和再入回收11個(gè)階段，著(zhù)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)適應多器多飛行階段的多個(gè)狀態(tài)，研制人員開(kāi)展了變革。

　　電源控制器是探測器電源系統的“大腦”，為解決在嫦娥五號四器飛行過(guò)程中能源緊張、重量資源受限的問(wèn)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節模塊，嫦娥五號則集中了功率調節模塊、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用”，嫦娥五號電源產(chǎn)品主任設計師鄭磊介紹道。

　　而在單機內部，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、權衡相關(guān)利弊后，大膽挑戰，國內首創(chuàng )多個(gè)高度集成化技術(shù)，讓電源控制器比功率達到國內最高、國際領(lǐng)先水平，實(shí)現了性能的跨越性的提升。

　　嫦娥五號電源產(chǎn)品技術(shù)負責人徐澤峰說(shuō)，“針對原先電路板集成密度不高的問(wèn)題，我們經(jīng)過(guò)多次試驗，摒棄了當時(shí)國內衛星型號普遍采用的直插式工藝，首次采用了大規模表貼式工藝，這個(gè)首次引領(lǐng)了該技術(shù)在后續其他型號應用的新局面;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)現了模塊電纜的高度集成，大幅度減少了體積和重量。”通過(guò)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(mǎn)了密密麻麻導線(xiàn)的電路板，現在整齊地分布著(zhù)寥寥幾條清晰的線(xiàn)路，產(chǎn)品密度得到了提高;而單機的模塊數量，則從原先的5個(gè)成功壓縮為2個(gè)，體積達到了嫦娥三號控制器體積的1/3。這些技術(shù)，在后續實(shí)現了二十多個(gè)專(zhuān)利的授權。

　　按照嫦娥五號的工作模式，在抵達月球軌道后，著(zhù)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(zhù)陸器和上升器落到月球表面，開(kāi)展月面采集樣本工作。

　　充分考慮到此次月面執行任務(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(zhù)陸器和上升器組合體的能源設計上做了優(yōu)化。徐澤峰說(shuō)，“著(zhù)陸器的電源產(chǎn)品包括太陽(yáng)電池陣和電源控制器，上升器的電源產(chǎn)品包括太陽(yáng)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(zhù)陸器的太陽(yáng)電池電路承擔起了為組合體供電的責任;而當組合體在月面階段分離后，上升器迅速轉換角色，由太陽(yáng)電池電路在光照期為自身供電。而在非光照期，著(zhù)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。”

　　助力四器組合的“繞、落、回”終極目標

　　在月球探測任務(wù)中，探測器所需能源較傳統衛星緊張的多。嫦娥五號為四器組合體設計，且需一次性完成“繞、落、回”三個(gè)目標，所需能源更是超過(guò)了我國任何一項月球探測、深空探測任務(wù)。因此，提高太陽(yáng)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(wèn)題。

　　“為了提高太陽(yáng)電池陣發(fā)電功率，我們給自己設定了目標，在太陽(yáng)電池陣的正面，確保貼片面積達到最大化”，嫦娥五號太陽(yáng)電池電路技術(shù)負責人陳城介紹道。

　　但在探月任務(wù)中太陽(yáng)電池帆板面積受到嚴重的限制，同時(shí)，不同于普通衛星，探測器本身的構型決定了帆板的不規則形狀，嫦娥五號的太陽(yáng)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?

　　“一般的衛星型號，我們設計太陽(yáng)電池電路時(shí)僅采用單一尺寸的太陽(yáng)電池。針對嫦娥五號，我們打破常規思路，采用多種尺寸的電池進(jìn)行混合布片，讓布片效率達到了91%以上，這比常規產(chǎn)品高了5%-10%。同時(shí)，還要選擇最高效率的太陽(yáng)電池，嫦娥三號和嫦娥四號的太陽(yáng)電池光電轉換效率分別為28.6%和30.84%，嫦娥五號達到了31%以上”。經(jīng)過(guò)不懈努力，嫦娥五號太陽(yáng)電池板單位面積下的輸出功率不僅在產(chǎn)品研制時(shí)，即使在現在，都為國內最高水平。

　　比能量是鋰離子蓄電池的一大性能指標，數值越高，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)，研制人員在仔細分析了技術(shù)指標的可行性、查閱了大量的文獻資料、調研了鋰電企業(yè)的技術(shù)資料后，制定了攻關(guān)方案。“我們選用了比能量更高的鈷酸鋰正極材料和石墨負極材料、選用了高分子量的粘結劑材料降低粘結劑用量、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計師王曉銳說(shuō)道。輕描淡寫(xiě)的介紹，背后是大量的工藝試驗，新的電極材料、新的材料配比，與過(guò)去完全不同的各項理化參數導致混粉、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)地驗證了每一道工序。經(jīng)過(guò)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)數值，為目前航天用鋰離子蓄電池比能量最高值。

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