商業航天電源系統發展現狀和展望

許薇 鄢婉娟 黃洪昌

（1 中電科藍天科技股份有限公司 2 航天東方紅衛星有限公司）

自國務院發布《2016 中國的航天》白皮書以后，我國商業航天領域開始呈現蓬勃發展的態勢，以商業遙感衛星星座、商業微小SAR 衛星星座、低軌互聯網衛星、商業運載火箭等為代表的商業航天各領域迅速發展，推動我國航天產業呈現新的發展態勢。在航天技術進步的驅動下，商業航天規模化生產成為可能，發展商業航天產業，提升航天技術水平，對支撐我國成為航天強國具有重要意義。商業衛星產業是現代航天產業發展的時代所需，引領了一種全新的衛星研制生產和運營模式：①衛星研制周期短；②多星組網運行，快速部署，需求量大；③成本可控。電源系統是航天器的主要系統之一，為航天器的工作提供能量，是航天器的“心臟”，隨著商業衛星有效載荷能力不斷提升，電源分系統技術發展和生產更要適應新模式[1-3]。

1 商業衛星電源發展現狀

第一代電源系統

最初商業衛星主要以立方星為主，屬于微小衛星，因此，電源系統拓撲也是以微小衛星的電源系統為技術基線，包含了太陽電池陣、蓄電池組和電源控制器（模塊/板）等電源單機產品。我國從21 世紀初就開始了微小衛星電源系統的研制，二十年來的技術積累和皮納衛星研制經驗為第一代商業衛星電源系統提供了相對成熟可靠的系列產品和技術，這也為商業衛星得以快速發展提供了良好的技術基礎。

第一代商業衛星電源系統仍然是太陽電池陣和蓄電池組的拓撲結構，大部分為不調節母線，其中太陽電池翼多為體裝式或單板展開的形式，基板主要為碳纖維鋁蜂窩基板、鋁合金基板和PCB 板等，面積在1m2以內，表面貼裝剛性太陽電池片；蓄電池一般為18650 鋰離子電池或者小容量鋰離子電池組成的蓄電池組；電源控制器功能相對中高功率衛星相對簡單，一般是一塊電源控制板。

電源系統的現狀

基于微小衛星規模小、研制周期短等特點，微小衛星一直是航天技術發展最快的一個分支，是航天產品智能化和集成化技術驗證的先行者，這也是對商業衛星電源系統最有利的促進因素。

近年來，商業衛星的發射數量和單次發射體量日益增長，衛星有效載荷也越來越大，已經接近甚至超過傳統航天領域的小衛星，例如，立方體衛星已經從體裝式帆板，發展為多折展開式太陽翼或卷軸式太陽翼，平均功率已近上千瓦，而很多商業衛星的平臺輸出功率最高可達到數千瓦，因此蓄電池組和電源控制器的能力需要同步增長，電源控制器也從一塊單板升級到了以傳統衛星電源控制器為基礎改進的功率調節與配電一體化的輕量化電源調控器。

商業航天的產業化方向更注重其在國民經濟中的社會價值和經濟效益，追求實用性和高效性，因此低成本高可靠一直是其重要特點和優勢所在，同時也是商業航天所追求的目標和發展方向。隨著商業衛星的應用領域越來越廣泛，商業航天作為航天產業社會化大發展的一種基本形態，經濟屬性、市場屬性、資本屬性也日益突出，并逐漸由單一產業豐富為多產業構建的引領性產業綜合體，深度融入社會經濟發展大系統。因此，作為商業航天的重要分系統，電源系統產品需要改變傳統航天研制模式，從技術創新、產品設計、生產測試、物料供給等方面都要開展全新研制和生產模式。

電源系統面臨的問題

商業衛星對電源系統設計的靈活性、高效性和產品一致性提出了嚴格的要求。從產品技術發展來看，要實現高效、輕質、低成本目的，提高功率密度；從產品設計架構來看，單機產品從整機設計逐步趨于標準模塊化、可插拔、可擴展的架構設計，逐步從定制產品的生產模式向批量化貨架產品生產轉變。

（1）產品的技術創新性不夠

國內在軌的商業衛星電源系統以及單機產品目前主要以航天技術中成熟、高可靠技術為基礎，針對各用戶的任務需求，對現有技術逐步開展技術適應性改造和創新。

（2）產品的集成度不高

電源系統由單機組成，整體的體積和重量都較大，面對當前商業衛星電源平臺的小型、輕量和高能量密度的需求，還需要進行系統集成技術的研究和攻關，這也是產品技術創新不夠的表現。

（3）產品的批產能力不夠

商業衛星為了實現更高的經濟效益和社會效益，都是以星座的形式出現，因此需要兼顧實用性與時效性，實現快速部署。而目前國內的衛星電源系統供應商大多是以傳統航天電源單位為主，生產模式正在逐步從定制化向標準化、模塊化轉變，但是與市場需求的快速增長仍然存在差距。

（4）產品的成本較高

由于產品的生產體系還不夠健全和完善，還沒有建成完整的標準化、模塊化研制和生產的產業鏈，因此，產品的成本相對于市場的期望目標還存在較大差距，電源系統成本約占整星成本的10%～15%，也是制約衛星成本的重要因素。

因此，商業衛星電源系統要以用戶需求為導向，發展公用平臺技術，建立組批生產與測試機制，提升商業衛星的組網速度和質量。

2 商業衛星電源的發展趨勢

根據商業航天市場低成本、高性價比、快速部署的顯著特點，電源系統單機產品的生產模式要打破原有思想，重新打造一條適合商業衛星市場的產業化道路，需從以下方面開展工作。

優化電源系統架構設計

高度集成化設計是公認提高能量密度和減重最有效的途徑，因此將一體化設計應用于電源系統或者是電源單機產品上，可以徹底打破大衛星電源輕小型化的模式，實現“輕裝上陣”。

（1）太陽翼集成化和柔性化

開展太陽電池陣和太陽翼結構的一體化集成設計，實現太陽翼整機綜合性能提升。推進太陽翼柔性輕量化、高收納設計，實現太陽翼面密度和體積比功率大幅度提升，同時柔性基板的制造成本較剛性基板大幅降低。

（2）智能化蓄電池包

為節省整星資源，提升蓄電池組的能量密度，蓄電池組朝著多功能集成方向發展，形成智能蓄電池包。開展緊湊型單機智能化設計，蓄電池包可實現自主充放電管理、自主均衡管理和自主加熱功能管理等功能。

（3）能源控制器

開展新型能源控制器拓撲研究，通過供配電系統一體化設計，有利于電功率的集中處理和傳輸，減少供電、配電兩個環節之間的功率損失，提高功率密度。以現有的公用衛星平臺為基礎，完善不同功率等級衛星的電源調控器型譜，適應不同規模商業衛星的供電需求，實現快速組裝和批量制造。

（4）產品設計規范化

對于低成本小衛星供配電系統，以“標準化、貨架式”產品開發為指導思想，對產品的電氣接口、機械接口、信息接口等進行系統規劃，完善專用產品保證體系和設計規范，加速實現快速組裝、快速更換和快速批量構建的目標。針對同一平臺的供配電設備，規定標準的供電接口（即統一母線電壓、輸出路數、接插件型號等設計），實現整機或單模塊的插拔式替換。

降低單機產品的生產成本

當前國內商業衛星關鍵核心部件依然依托體制內的研究院所，暫且沒有實現全商業化的研制模式及供應鏈條，且體制內星上產品的整體成本定價高，并不符合商業衛星低成本的采購需求，因此減低產品的生產成本是必然之舉。

（1）適當應用商業現貨（COTS）器件

通過地面篩選、抗輻照加固和有效冗余設計，引入先進COTS 器件或成熟工藝的汽車級或工業級高性能集成芯片，經過地面篩選和環境試驗摸底，逐步推進低成本器件在軌驗證和應用。通過制定COTS器件篩選機制和商業衛星COTS 優選目錄，首選有飛行經驗和質保的COTS 器件，降低研制成本。

但是COTS 器件也有它的特點，需要在選用的時候加以慎重考慮。一是生命周期短。COTS 的性能升級符合“摩爾定律”，現在選擇的一款新產品，兩年后就可能會停產，所以對于研制周期較長的衛星，需要對器件做好充分的鑒定試驗和驗證后，要充分調研產品的后續規劃，或者做好戰略儲備，但是會相應提高儲存成本，因此要綜合各項因素開展選型。二是批次間一致性。宇航級元器件需要經過專業鑒定，鑒定的本質，是對技術狀態變化的管理，COTS 器件沒有這樣的管理程序，從上市到成熟期，會不斷改進技術和工藝，以降低成本、提升良品率，但這些改進的細節并不會公開，也不會通知到每個用戶，這些改變對商業用戶無害，但對航天用戶的影響有時是致命的。三是禁限用工藝。宇航用元器件為了適應太空環境，對元器件選用有一系列的禁限用工藝，比如為了避免在真空環境下生長出“錫須”，太空環境下“純錫”鍍層是被禁止使用的，必須在鍍層合金中摻入5%左右的鉛。但目前絕大多數COTS 器件的表面鍍層，都采用了環保的“無鉛工藝”，在太空工作中會引入短路風險[4]。

（2）建設批量化產線

美國太空探索技術公司（SpaceX）的衛星工廠具備設計、生產、集成、測試的全流程能力，目前國內商業衛星的大部分研制單位尚不具備這樣的能力，這也是研制成本高的一個主要原因。商業衛星均為星座，需要標準化產品和規模化的生產能力，傳統衛星的單機大部分還是定制模式，電源系統也一樣，因此要想降低成本，需要通過規模化生產來降低研制單位的制造成本，那么將生產過程自動化或者部分工序自動化是必然發展趨勢，既能夠解決成本問題，又能夠解決產能問題。目前，已經有研制單位正在建設面對商業航天的電源單機產品自動化產線，充分借鑒民品行業成熟的制造技術，結合航天產品的特有屬性，正在建設和已經建設完成了太陽電池陣制造的自動化生產、組裝線，鋰離子蓄電池智能生產線、蓄電池組PACK 產線、元器件自動焊接產線等，未來能夠滿足商業航天領域年產百套電源系統的能力。

（3）批量產品自動化集成測試

具備批量生產能力后，自然就需要自動化集成測試來滿足研制需求。對于商業衛星星座，批量產品測試與總裝是總體設計的重要方面。產品接口標準化是自動化測試與集成的基礎，也是實現快速組裝的必要條件。對于電源系統，需要在自動化產線實現自動檢測，開發通用自動化測試系統實現電源單機以及系統測試，減少人為測試失誤；同時，自動化測試系統需要設計標準的供電接口、供電測試流程和測試平臺，確保供電安全。

3 結束語

因為商業衛星的經營模式是產業化運作模式，所以各分系統的產品也需要實現產業化生產和運行，才能夠跟隨商業航天發展的步伐。未來的商業衛星電源系統和單機產品必然是加速推進產品的型譜化和標準化設計，形成貨架產品；大膽嘗試先進技術的應用，提升商業衛星電源系統的設計活力。