木星環繞探測器電源系統設計研究

張文佳 劉治鋼 張曉峰 朱立穎 田岱

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

隨著美國木星探測器朱諾號(Juno,2011年發射)任務的進行,大量觀測數據和精美圖像再次引發了人們對木星探測的熱烈關注[1-2]。從1972年發射的先驅者10號任務開始,國外先后有7個探測器在飛行過程中交會飛越木星,伽利略號探測器(Galileo,1989年發射)[3-4]和朱諾號探測器也分別于1995年和2016年抵達木星并對其進行環繞探測。木星具有與太陽類似的成分組成,大氣中含有大量的氫和氦,巨大的質量和龐大的星系,使得木星及木星系就像是太陽系的一個縮影。木星及木星系的探測,有助于深入研究太陽系的起源和演化,木衛二和木衛三表面有大氣,并且表面冰層下可能存在液態海洋,因此可能存在生命或者適宜于生命活動,是太陽系內最具探測價值的星體之一。

我國目前也在規劃2030年前后對木星及其星系進行環繞探測。木星系探測任務距離遙遠,任務周期長,空間環境復雜,技術難度大,特別是木星周邊低溫和低光強條件,給探測器的能源設計帶來了不小的挑戰。

本文分析了木星環繞探測器的不同飛行階段的任務特點和相應的能源設計需求,調研了國外木星探測任務的電源系統方案,在此基礎上結合我國能源技術現狀,提出了適合我國木星探測任務電源系統的初步方案設想和針對木星探測任務進行適應性改進的發展建議,為未來我國實施木星環繞任務提供有價值的參考。

1 木星探測的任務特點和能源設計約束

1.1 木星環繞器任務分析

木星環繞探測器的飛行過程可以分為“發射入軌-地木轉移-木星捕獲-木星環繞”4部分組成[5]。對于電源系統方案的設計既需要滿足各飛行階段的需求,也需要綜合考慮各階段帶來的設計約束。

木星環繞探測器在發射階段不能提供像飛越探測器一樣高的初速,同時木星環繞器在飛行過程中還需要經歷一段減速制動過程,才能夠被木星引力捕獲,成為木星的“人造衛星”。對于木星飛越探測,飛行全程會有更大的速度,一般會在飛行2年左右飛越木星;對于木星環繞探測,則會經歷5～6年的飛行過程到達木星星系。飛行時間對電源系統的壽命設計和關鍵單機的衰減考核有重要影響。

在地木轉移階段,根據探測器質量、火箭能力、初速和發射窗口的綜合考慮,會設計行星借力來進行飛行加速和變軌,行星借力一般會借助金星或地球的引力。如果借力飛越序列中包括了金星借力,則意味著探測器需要能夠承受金星附近的空間環境,主要包括太陽距離0.7 AU附近的光強、熱流,這些對探測器熱控設計,以及使用太陽能發電時的整星功率輸出有很大影響。

最后木星環繞探測階段,一方面要根據對木星不同衛星的飛越探測需求,另一方面要根據不同供電體制,設計木星系內環繞探測軌道。木衛一～木衛四的公轉半徑從6倍～26.5倍木星半徑不等,木星系內對一顆或者多顆衛星進行探測,需要進行精巧的飛行路徑設計;若采用太陽能供電,則還需要考慮光照條件對探測器設計的影響:若采用木星極軌軌道,可以最大限度獲取太陽光照,但極軌軌道則難以對木星衛星進行探測;若采用赤道平面的飛行軌道,就需要頻繁經歷長達數個小時的木星地影期,但卻可以在飛行過程中對多顆木星衛星進行飛越探測。在對木星大氣和木星衛星的探測中,采用再入器或著陸器是進行深入探測的有效手段,再入器和著陸器的能源方案也需要考慮在總體能源設計中。

木星由于距離太陽為4.95～5.46 AU,能夠接受到的太陽光強僅為46～54 W/m2,是地球軌道的3.4%,溫度低至－140℃。木星磁場帶來的輻射帶中富含強于地球輻射帶數千倍的高能粒子,將對探測器的電子設備以及太陽電池片造成巨大的危害。因此木星環繞探測器都需要對器內電子設備進行專門的防輻射設計,對于采用太陽能的探測器,需要對太陽電池片進行低溫低光強的材料設計,并對電池片強化抗輻照防護設計。

1.2 國外典型木星環繞探測器電源設計

木星環繞探測器的電源方案呈現了非常多樣的設計思路,采用同位素和太陽能作為主要的能量來源,可以演化出多種不同的方案和任務形式。伽利略號探測器,采用了放射性同位素熱電發生器(Radioisotope Thermoelectric Generator,RTG)的電源方案,是人類首次實現對木星的環繞探測。隨著太陽電池技術的發展進步,使用太陽能進行木星探測成為可能,朱諾號探測器就采用了“太陽電池-蓄電池”的電源體制,使用了約60 m2的太陽翼為探測器供電。與此同時,歐洲航天局也籌劃了木星冰衛星探測器任務(Jupiter Icy Moons Explorer,JUICE,計劃2022年發射),該探測器也采用太陽翼-蓄電池的方案。

伽利略號探測器采用了核電源的方案[3-4],攜帶2個RTG,安裝在2個5 m長的橫梁上,各載有9 kg的同位素燃料,提供可靠和長期持續的電能,且不受空間寒冷環境和木星高輻射的限制(圖1)。伽利略號探測器使用的RTG采用了硅-鍺發電器件,單個RTG 質量為55.9 kg,直徑42.2 cm,長114cm,熱功率為4500 W,標稱輸出功率為285 W,輸出電壓為30 V,比功率達到了5.2 W/kg,高溫端溫度為1000℃左右,熱電轉化效率最高可以達到6.7%。在發射時,2個RTG可產生不小于570 W的電功率,輸出電功率以平均每月0.6 W的速度衰減,當伽利略號探測器到達木星時,輸出電功率為493 W。再入器的主電源為3組鋰-二氧化硫電池,并輔以2組鈣系熱電池用于再入過程的火工品引爆。主電源的3組電池,每組由13只電池串聯而成,單體標稱容量為7.2 Ah,3組電池總容量為21.6 Ah,用于再入器與探測器分離到再入過程的150天的能源供應。由于采用了核電源方案,中止工作的伽利略號探測器為了消除對木星衛星的核污染隱患,于2003年9月21日在木星大氣層受控墜毀,這也是深空探測任務中行星保護原則的具體體現。

圖1 伽利略號探測器及其RTG電源Fig.1 Galileo and its RTG power source

朱諾號探測器采取了“太陽電池-蓄電池”的電源系統架構[1-2,6],為了保障抵達木星時,探測器載荷400 W的能源需求,朱諾號探測器配置了60 m2的太陽翼和2組55 Ah(9串)的鋰離子蓄電池組,母線電壓調節至29.4 V,見圖2。設計運行的極軌環繞軌道能夠保證太陽翼始終處于光照環境下,太陽翼采用的三結砷化鎵電池針對木星空間環境的低溫低光強進行了專門的設計,以保證電池在－130℃下能夠正常輸出電能。太陽電池片正反兩面采用屏蔽保護,正面采用的玻璃蓋片厚度達到300μm,以抵抗木星輻射帶的電離輻射和高能粒子。按照設計預期,進入木星軌道時太陽電池的輸出功率應為462.2 W,2年任務末期時輸出應為422.6 W,在木星強輻射下太陽電池衰減接近10%。隨著任務周期從2018年2月延長至2021年7月,電源系統將面臨更長時間的輻照考驗,同時還將承受約6 h的木影期,最初的能源設計中蓄電池組容量的不足可能會影響和限制探測器工作。

圖2 朱諾號探測器及其太陽翼電源Fig.2 Juno and its solar array power source

歐洲主導研制的木星冰衛星探測器[7-8],目標是對木星系的木衛二、木衛三和木衛四進行探測,將是人類第一個木星衛星環繞探測器。任務計劃在木星系內進行復雜的制動和借力飛行,完成2次木衛二和14次木衛四的飛越探測,并進入木衛三的環繞軌道探測9個月。探測器計劃采用太陽電池-蓄電池的電源體制。太陽電池布置在10個等尺寸的太陽翼帆板上,為了防止木星系內部的轉移過程的靜電累積和電離輻照,太陽電池表面覆蓋厚度為152μm的抗輻射玻璃屏蔽層,見圖3。太陽電池采用針對低光照低溫度設計的的三結砷化鎵電池,目前單體電池還在研制中。為了能夠在46 W/m2的最差光照強度下仍能夠滿足不小于850 W的功率輸出需求,太陽翼總面積達到了97 m2。同時木星系內復雜探測任務有最長達8.5 h的木星陰影期,因此還需要按照需求配置一定規模的蓄電池組。

圖3 木星冰衛星探測器及其太陽翼Fig.3 JUICE and its solar arrays

除了以上3個已經或者正在實施的木星環繞探測計劃外,國外很多國家和機構也設想和論證了其他的木星探測器方案,其中值得一提的還有美國普羅米修斯計劃中的木星冰衛星軌道探測器(Jupiter Icy Moons Orbiter,JIMO)概念設計,采用核反應堆作為探測器和大功率電推進器的能量來源,JIMO反應堆電源的額定功率為100 k W,需進行3次獨立的發射,并在地球軌道進行組裝,強大的能源供應能夠保障探測器分別對木衛二、木衛三和木衛四進行長達數月的環繞探測。

表1給出了以上幾個國外已經發射和建造中的木星系環繞探測器的電源系統對比,可以看出:①隨著太陽電池技術和大面積太陽翼機械結構的發展,使用太陽能方案已經逐漸成為木星探測器優先考慮的方案;②暴露在探測器外部的太陽電池,比溫差組件對空間輻射更敏感,需要針對木星的強磁場環境加強輻射防護設計;③對木衛多次飛越探測需要采用低傾角軌道,因此電源系統還需要考慮木星遮擋的長地影期影響。這些分析結合國內木星探測的主任務目標,會對我國的木星環繞探測器的電源系統設計的方案產生重要影響或約束。

表1 國外典型木星環繞探測器電源系統設計對比Table 1 Power system comparison of typical Jupiter and Jovian system orbiting probes

2 我國木星探測器的電源系統方案設計分析

根據我國未來的航天任務規劃,對木星探測的工程實施預計在2025—2030年期間開展,計劃先對木星進行環繞探測,然后對木星衛星高價值目標進行環繞探測。能源設計的約束包括:

(1)計劃采用“地球—金星—地球—地球—木星”的多次行星借力飛行軌道[9];

(2)木星捕獲后,繞木星極軌進行環繞探測,并在木星系內進行變軌,逐漸降低軌道傾角,實現對木星衛星的多次飛越探測,最終實現對木星衛星高價值目標的環繞探測[10];

(3)功率需求可參考國外探測器,不小于400 W;

(4)能夠承受木星周圍的輻射環境[11]。

2.1 電源系統方案設想

木星探測器可以采用的電源方案包括太陽能電源、同位素電池、核反應堆電源3種形式。由于反應堆電源的空間應用目前還在研發階段,尚不具備應用條件,以下從技術基礎、研制難度、應用環境、資源代價、研制風險和在軌壽命等方面比較了太陽能電源和同位素電源兩個方案,如表2所示。

綜合考慮我國目前的技術水平和工程實施周期,我國的首顆木星探測器建議采用太陽能電源作為木星探測電源方案的優選,同位素電池作為備選方案。太陽電池配合蓄電池、電源控制器技術基礎較好,在地球軌道、月球探測和火星探測中均有應用,能夠實現2025—2030年發射的任務規劃。在具體的設計中還要綜合考慮空間飛行軌道和環境、環繞探測的軌道和環境以及任務的功率需求等因素,各項設計約束與電源系統方案設計的關聯作用以及設計思路如圖4所示。

表2 木星探測器電源方案比較Table 2 Comparison of energy design of Jupiter and Jovian system orbiting probe

結合任務的電源系統設計分析,初步設計如下:

太陽電池選用三結砷化鎵電池,木星軌道的太陽光強最差條件為46 W/m2,在木星軌道環繞運行2年末期輸出不小于400 W,面積不小于60 m2;探測器最長陰影期10.5 h,配置200 Ah蓄電池組;太陽電池輸出功率通過最大功率點跟蹤技術(MPPT)進行調節,采取混合布陣的方式,確保太陽電池的輸出。太陽電池陣的環境適應性設計主要體現為對電池片進行專門的設計,措施包括采用專門的低溫低光強電池結構設計、抗輻照表面封裝材料設計和太陽電池陣的防靜電設計。

對于此任務而言,飛行的范圍涵蓋了從金星到木星的距離范圍,全飛行過程的太陽電池發電能力變化很大,木星軌道附近的太陽電池的輸出電壓約為地球軌道的152%,而輸出的功率金星軌道約為地球軌道的2倍,木星軌道僅為地球軌道的3.4%。考慮到電源控制設備的質量與控制功率有一定的線性關系,采取與朱諾號探測器類似的混合布陣的方式,可以一定程度上減小電源控制設備的負載壓力,起到減重的目的。在不同的空間距離和飛行階段,啟用不同的太陽電池電路,保持電源系統輸出的可用功率始終保持在400 W以上。采用太陽翼-蓄電池組的電源系統設計拓撲架構和電池陣的參考啟用距離如圖5所示[12]。

圖5 我國木星探測器電源系統拓撲示意圖Fig.5 Jupiter probe power system functional block diagram

經過6～7年的空間飛行,抵達木星軌道之后,在太陽電池采用了一定的防護措施下,發電功率的衰減依然高于正常情況,根據朱諾號探測器的在軌實際,木星軌道太陽電池第一年的衰減達到了25%。按照本任務的設計,飛行全過程的電源系統功率的輸出能力如圖6所示,設計后的輸出仿真如圖7所示,可以看到,在木星環繞探測1年后輸出功率約為400 W,能夠滿足載荷功率需求;探測4年后約為200 W,仍然能夠維持整星基本功能。

圖6 木星探測器太陽電池總輸出能力仿真Fig.6 Total capability of Solar Arrays’power generation during the interplanetary trajectory

圖7 木星探測器太陽電池設計輸出能力仿真Fig.7 Design capability of Solar Arrays’power generation during the interplanetary trajectory

2.2 設計方案特點分析

從對木星探測器的設計分析和方案設想中可以看出,太陽電池-蓄電池的電源體制的設計原則和方法和地球軌道的衛星電源系統設計有很多相似之處,但木星任務[9-10]和環境的特殊性[11]帶來這種傳統電源體制的一些技術方面的適應性改進,具體包括:

1)低溫低光照太陽電池

從地球到木星,探測器會經歷劇烈的太陽光照環境變化,相比于地球環境,木星軌道的光照強度和環境溫度都遠低于地球軌道。以太陽電池作為主要的能量來源,需要掌握太陽電池在低溫低光照條件下的性能特征。一方面太陽電池的輸出特性使得低溫條件下,太陽電池的電壓會提升52%;另一方面,低光照條件下太陽電池的輸出能力的下降差異顯著,需要有針對性地進行低溫低光強(LILT)篩選。

2)寬域電源控制器

圖6展示了在飛行過程中電源系統太陽翼的輸出能力最高達到了32 000 W,將電源的實際輸出控制在400～2000 W之間,并且能夠承受飛行過程中太陽電池電壓52%的提升,本文給出的分陣式設計是一種代價較小,控制簡單的方法,設計簡單、可靠、自主運行的寬域電源控制設備將是木星探測電源系統的核心。

3)太陽電池輻照防護

在木星軌道環繞過程中,探測器需要經歷惡劣的木星磁場環境,經過計算,木星環繞探測極軌在軌運行1年所受到的能量粒子總通量與地球GEO軌道最惡劣情況在軌15年的總通量接近[12],太陽電池作為星外的設備,需要重點進行防護,具體的防護措施可以參考以下幾個方面:①在太陽電池陣質量允許的情況下,選用較厚的玻璃蓋片;②在太陽電池陣設計中,采用外形尺寸略大的玻璃蓋片對電池片進行防護,兩側裸露的間隙用膠粘劑填縫覆蓋;③太陽電池陣設計時,應該結合玻璃蓋片選型,預估太陽電池的損傷總劑量,并在設計時留充足余量,作為計算太陽電池陣末期輸出功率的依據。

3 結束語

本文針對木星環繞探測任務的電源系統設計進行了研究,從任務目標、軌道空間等多方面進行了電源系統的設計分析,并對國外木星探測器電源系統設計進行了調查研究。在對比了同位素電源方案和太陽電池-蓄電池電源方案之后,提出以太陽電池-蓄電池方案作為我國木星探測器電源系統的優選方案具有較高的可行性,并給出了以太陽電池為能量來源的初步方案設想,可為我國木星探測和其他深空探測任務的論證與規劃提供參考。

電源系統的設計與總體設計聯系緊密,從地球到木星的飛行過程以及在木星及木星系環繞探測的軌道選擇都會對電源系統的方案產生影響,并且目前的方案設計還沒有考慮探測器的載荷工作模式,因此也無法估算蓄電池組的規模。此外,是否攜帶木星大氣的再入探測器或者木星衛星的著陸探測器,都會帶來復雜多器電源系統的設計難題。隨著木星環繞探測任務深化論證的展開,目前的方案仍有待于進一步的分析和優化。