月球科研站基本型能源系統(tǒng)方案設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)研究

張 明，唐程雄，杜 紅，彭 兢，馬力君，鄭 莎，黃秀軍，徐紅艷

(1.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094；2.中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384；3.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094；4.山東航天電子技術(shù)研究院，山東煙臺 264670)

我國探月工程四期的總目標(biāo)是在2030 年前后研制建設(shè)月球科研站基本型，為國際月球科研站選址和初步建設(shè)提供支撐[1-4]。探月工程四期由嫦娥七號、嫦娥八號組成，兩次任務(wù)共同建成月球科研站基本型。月球科研站基本型在科學(xué)應(yīng)用方面，將深化對極區(qū)環(huán)境資源的認(rèn)識，驗證資源利用技術(shù)；在產(chǎn)品模塊研制方面，形成地月往返運輸、月面操作、月面低空飛躍、月球中繼等通用模塊。嫦娥八號任務(wù)作為探月工程四期的最后一次任務(wù)，主要開展月球資源開發(fā)利用和技術(shù)試驗驗證。

月球科研站基本型由月球軌道器和月面探測器共同構(gòu)成，承擔(dān)了關(guān)鍵技術(shù)先期驗證的任務(wù)要求，月球科研站正式建設(shè)所必須的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)盡可能在基本型任務(wù)中得到應(yīng)用和在軌驗證，為月球科研站奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

月球科研站的建立，首先需要解決月面長期能源供給問題，而嫦娥七號任務(wù)目前仍采用常規(guī)的“太陽電池+蓄電池”電源系統(tǒng)配置，來為探測器在月晝期間工作提供電能，通過Pu238同位素核熱源為過月夜提供生存保溫?zé)崃浚瑹o法實現(xiàn)月夜工作。目前全球面臨Pu238同位素短缺困難，且其價格極其昂貴，我國自研與生產(chǎn)能力距離任務(wù)需求尚有較大差距。當(dāng)前我國近場無線傳能樣機(jī)已經(jīng)實現(xiàn)了空間在軌驗證；遠(yuǎn)場無線傳能樣機(jī)已在無人機(jī)等航空領(lǐng)域研制了多款樣機(jī)，并進(jìn)行了試飛；空間燃料電池在天舟五號上已經(jīng)完成了搭載驗證。國外方面，美國、日本、印度、俄羅斯等國家，也開展月球能源系統(tǒng)研究，特別是美國依托“阿爾忒彌斯”計劃，對能源系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了規(guī)劃，將于2027 年完成“垂直太陽電池陣技術(shù)”、“可再生燃料電池技術(shù)”、“月面無線輸電技術(shù)”等在軌驗證，2030 年前完成“月面裂變電源技術(shù)驗證”。

本文將基于國內(nèi)外月球科研站能源技術(shù)實際進(jìn)展，結(jié)合嫦娥八號任務(wù)目標(biāo)和任務(wù)定位，開展能源系統(tǒng)方案論證，對能源系統(tǒng)任務(wù)需求、功能性能、工作原理和工作模式進(jìn)行分析，提出了三種月球科研站基本型能源系統(tǒng)方案，并開展了方案比對，對關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)途徑進(jìn)行初步探討，對后續(xù)工作給出了具體建議。

1 能源系統(tǒng)任務(wù)需求分析

1.1 月球科研站基本型工程任務(wù)目標(biāo)

探月工程四期任務(wù)以突破月球科研站建設(shè)的一系列關(guān)鍵技術(shù)為目的，掌握科研站建設(shè)和資源應(yīng)用基本能力，推動對月球科學(xué)研究的進(jìn)一步深化，為進(jìn)一步的深空探測科學(xué)研究和航天活動奠定堅實基礎(chǔ)，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展并促進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步。

作為探月工程四期最后一次任務(wù)，嫦娥八號任務(wù)將研制出可搭載更多載荷的著陸器，形成月面科研站運送模塊，并著陸在嫦娥七號任務(wù)著陸區(qū)附近，與嫦娥七號任務(wù)探測器共同構(gòu)建月面通信網(wǎng)絡(luò)，形成月球科研站基本型。嫦娥八號任務(wù)工程目標(biāo)包括：

(1)突破月面大承載著陸、多器協(xié)同作業(yè)、月面通信組網(wǎng)、智能化綜合指揮控制中樞等關(guān)鍵技術(shù)，研制著陸器等月面功能模塊，建立月球科研站基本型。

(2)開展月面多器聯(lián)合探測、科學(xué)實驗和技術(shù)試驗，初步形成長期科學(xué)探測與實驗、原位資源利用、科研站長期自主運行等綜合能力。

(3)初步構(gòu)建月球科研站工程體系，為建設(shè)國際月球科研站等月面基礎(chǔ)設(shè)施，開展更大規(guī)模的月球探測與開發(fā)利用活動奠定基礎(chǔ)。

1.2 月球科研站基本型組成

月球科研站基本型由嫦娥七號與八號的月面軌道器及其探測器組成，形成測月、巡天、觀地和月面基礎(chǔ)科學(xué)試驗等長期研究能力。月面軌道器包括嫦娥七、八號軌道器及中繼星，具備測月、巡天與觀地功能；月面探測器包括嫦娥七號著陸器、巡視器、飛躍器與嫦娥八號著陸器、巡視器、飛躍器以及作業(yè)機(jī)器人等其他月面探測機(jī)器人，月球科研站基本型中的月面探測器將與月面軌道器共同構(gòu)建月面通信網(wǎng)絡(luò)，同時開展多器聯(lián)合探測，進(jìn)行月面基礎(chǔ)科學(xué)實驗與月球資源原位開發(fā)與利用等，構(gòu)建智能化綜合指揮控制中樞，部分月面探測器之間將進(jìn)行器間能源交互，實現(xiàn)月面能源統(tǒng)一規(guī)劃利用，構(gòu)建月面能源互聯(lián)網(wǎng)基本型。

圖1 為月球科研站基本型設(shè)想圖。

圖1 月球科研站基本型設(shè)想圖

1.3 能源系統(tǒng)任務(wù)需求分析

月球科研站基本型位于月球南極地區(qū)，該地區(qū)的光照具有太陽高度角低、受地形地貌影響大的特點，對于月球極區(qū)的永久陰影區(qū)(如撞擊坑底部)，陽光永遠(yuǎn)無法照射，其內(nèi)溫度極低，對于海拔較高的區(qū)域，由于可以得到長時間的光照，溫度相對較高。此外，由于月球南極區(qū)存在為期半年的極晝與極夜現(xiàn)象，因此能源系統(tǒng)在滿足探測器復(fù)雜極區(qū)環(huán)境下探測長期能源供給的任務(wù)需求同時要為月面探測器度過月夜提供能源保障甚至滿足月夜工作等任務(wù)要求。

月球科研站基本型能源系統(tǒng)以嫦娥七號和嫦娥八號能源系統(tǒng)為基礎(chǔ)，功率規(guī)模覆蓋百瓦級的巡視器、飛躍器、作業(yè)機(jī)器人等以及千瓦級的著陸器。目前嫦娥七號仍采用傳統(tǒng)“太陽電池+蓄電池”的能源系統(tǒng)配置，為提升能源系統(tǒng)局部任務(wù)能力，奠定未來月球科研站能源系統(tǒng)基礎(chǔ)，結(jié)合嫦娥八號任務(wù)工程目標(biāo)，需進(jìn)行部分成熟度較高的電源技術(shù)在軌先期驗證，例如熱電一體能源綜合利用技術(shù)、空間燃料電池技術(shù)與無線傳能技術(shù)等。

2 能源系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 國內(nèi)外技術(shù)研究進(jìn)展

2.1.1 遠(yuǎn)場激光無線傳能技術(shù)

激光無線能量傳輸以激光作為能量傳輸載體，可以實現(xiàn)中遠(yuǎn)距離下的無線電能傳輸，自20 世紀(jì)70年代起，以空間太陽能電站應(yīng)用為目標(biāo)，國際上廣泛開展了激光無線能量傳輸技術(shù)研究。隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和效率的提升，國內(nèi)外激光無線能量傳輸技術(shù)發(fā)展迅速，尤其是歐美日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，將激光傳能作為未來驅(qū)動新興產(chǎn)業(yè)的重要技術(shù)。目前，激光無線能量傳輸研究已經(jīng)擴(kuò)展到諸多應(yīng)用領(lǐng)域，主要包括空間航天器無線能量傳輸以及地面無人飛行器的無線供電等代表性應(yīng)用[5-8]。

(1)國外研究進(jìn)展

國外方面，在地面遠(yuǎn)距離激光無線傳能實驗中，美國、日本、德國、以色列以及瑞典等均開展大量的嘗試和探索工作，為該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的技術(shù)儲備。在月球開發(fā)與探測領(lǐng)域，美國NASA 和日本航天局近年來就月面激光無線傳能系統(tǒng)做了大量的論證和設(shè)計工作。

2019 年，日本航天局提出一種應(yīng)用于2023 年月球極地陰影區(qū)探測的激光無線傳能巡視車方案，該巡視車能夠?qū)崿F(xiàn)0.5～1 km 距離下供電20 W 激光無線能量傳輸。

圖2 為日本宇航局提出的月球探測激光無線傳能巡視車方案。

圖2 日本宇航局提出的月球探測激光無線傳能巡視車方案

2020 年，NASA 格倫研究中心提出了用于月球極區(qū)探測的激光輸能概念設(shè)計方案(圖3)，發(fā)射激光功率250 W，傳輸距離50 m，激光接收端采用激光和太陽光輻照復(fù)用的方式，通過激光接收陣轉(zhuǎn)換出100 W 的電力。

圖3 美國NASA月球車激光無線傳能系統(tǒng)方案示意圖

2022 年4 月，NASA 格倫研究中心和太空技術(shù)任務(wù)部公布了阿爾忒彌斯月球基地建設(shè)規(guī)劃，在2030年的月球南極前哨戰(zhàn)的基塊電源技術(shù)規(guī)劃中，將激光無線能量傳輸技術(shù)作為其中一種重要的電力傳輸方式，主要用于月面移動設(shè)備和探測器的供能。

(2)國內(nèi)研究進(jìn)展

相比于國外，國內(nèi)激光無線能量傳輸?shù)难芯科鸩较鄬^晚，開展相關(guān)研究工作的單位主要有山東航天電子技術(shù)研究所、中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所、上海空間電源研究所、軍科院新能源所、武漢大學(xué)、北京理工大學(xué)等，但目前關(guān)于激光傳能的研究主要基于地面驗證或無人機(jī)應(yīng)用等，在空間應(yīng)用領(lǐng)域的研究相對較少。

山東航天電子技術(shù)研究所作為國內(nèi)較早研究激光無線能量傳輸?shù)膯挝唬?014 年開展了飛艇間激光傳能試驗，傳輸距離100 m，傳輸電功率28.08 W。此外其在2018 年和2019 年繼續(xù)開展相應(yīng)試驗，在2021年設(shè)計了一套航天器間激光傳能系統(tǒng)，激光功率1 kW，空間傳輸距離50 km。

2014 年，北京理工大學(xué)研制了激光波長為793 nm、發(fā)射功率為24 W 的激光無線傳能系統(tǒng)，并進(jìn)行了距離100 m 的激光無線傳能實驗，整體電-電效率為11.6%。

2022 年，軍事科學(xué)院能源系統(tǒng)研究所團(tuán)隊開展了地面遠(yuǎn)距離激光無線傳能實驗，具體傳輸功率未披露。

(3)空間應(yīng)用發(fā)展趨勢分析

總體來看，目前在空間應(yīng)用領(lǐng)域，特別是月球極地陰影區(qū)探測方面，激光無線能量傳輸具有極大的應(yīng)用潛力，提升激光無線能量傳輸?shù)膫鬏敼β省鬏斝省⒄麄€系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)的體積是未來應(yīng)用于月球探測中重點需要解決的問題，未來面向空間應(yīng)用的激光無線能量傳輸技術(shù)，將重點圍繞可靠性激光器技術(shù)研究、小型化APT 控制技術(shù)研究、多光束激光無線能量傳輸技術(shù)研究等方面展開。

2.1.2 近場無線傳能技術(shù)

近場無線能量傳輸技術(shù)因其具有電氣隔離、方便安全、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和易維護(hù)等優(yōu)點，能很好地解決有線電能傳輸中遇到的問題，成為時下研究的熱點，目前該技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電動汽車、植入式醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人、水下用電設(shè)備等場合[9-12]。在航天領(lǐng)域，無線能量傳輸技術(shù)還屬于一項較為前沿技術(shù)，將為可靠、安全、高效的空間能源互聯(lián)提供一種全新的設(shè)計思路及技術(shù)途徑。

(1)國外研究進(jìn)展

國外方面，在航天應(yīng)用領(lǐng)域，美歐及日本等國家和地區(qū)進(jìn)行了大量研究與實驗。2007 年，美國洛克馬丁空間系統(tǒng)公司研制一種面向航天器在軌服務(wù)的近場無線能量傳輸系統(tǒng)，初步驗證了航天器間進(jìn)行近場無線電能傳輸?shù)目尚行浴Ｔ撓到y(tǒng)最大傳輸功率300 W，在原副邊線圈距離9 cm 時效率達(dá)到最高，約為90%；原副邊線圈距離為30 cm 和1.3 m 時，效率分別為70%和10%。

圖4 為美國洛克馬丁公司研制的近場無線電能傳輸系統(tǒng)。

圖4 美國洛克馬丁公司研制的近場無線電能傳輸系統(tǒng)

2013 年，麻省理工大學(xué)開展了磁感應(yīng)近場能量傳輸系統(tǒng)(RINGS)演示試驗，該裝置于2013 年8 月被發(fā)射到國際空間站(ISS)，RINGS 利用兩個或者多個航天器上線圈電流產(chǎn)生的力矩實現(xiàn)無推進(jìn)劑電磁編隊飛行控制。RINGS 在國際空間站(ISS)艙內(nèi)成功演示了無線電能傳輸試驗，在傳能距離為0.5 m 的條件下，兩個航天器之間的傳輸功率達(dá)到28 W，效率為24%。

圖5 為RINGS 在國際空間站(ISS)無線電能傳輸試驗。

圖5 RINGS在國際空間站(ISS)無線電能傳輸試驗

2022 年6 月，美國NASA Glenn Research Center(GRC)協(xié)同Astrobotic 公司在賓夕法尼亞州成功開展月面著陸器對月球車CuberRover 無線充電試驗，試驗過程模擬了月面的極端溫度、惡劣粉塵環(huán)境等條件，系統(tǒng)功率達(dá)到400 W，總效率達(dá)到80%～85%。

圖6 為美國Astrobotic 公司研制的月球車無線充電樣機(jī)。

圖6 美國Astrobotic公司研制的月球車無線充電樣機(jī)

此外，NASA 分別在2012 年、2015 年以及2020年發(fā)布的技術(shù)路線圖(NASA Technology Roadmaps)中針對無線能量傳輸技術(shù)(wireless power transmission)進(jìn)行了規(guī)劃，以未來地外天體探測、在軌服務(wù)、子母航天器等復(fù)雜航天任務(wù)為牽引，對無線能量傳輸技術(shù)開展能力差距評估、關(guān)鍵技術(shù)評估、應(yīng)用潛力分析，并制定了詳細(xì)的技術(shù)路線。

(2)國內(nèi)研究進(jìn)展

國內(nèi)對于航天領(lǐng)域無線能量傳輸應(yīng)用研究更多處于原理驗證階段，北京空間飛行器總體設(shè)計部、山東煙臺航天電子技術(shù)研究所、中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所、上海空間電源研究所等在空間應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了一定的研究與實驗，其中上海空間電源研究所完成了應(yīng)用于我國首顆太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗衛(wèi)星“羲和”號的無線產(chǎn)品研制，實現(xiàn)了衛(wèi)星的載荷艙和平臺艙的物理隔離，系統(tǒng)傳輸效率達(dá)到80%以上，目前搭載該模塊的衛(wèi)星已在軌正常運行。

(3)空間應(yīng)用發(fā)展趨勢分析

總體來看，盡管在空間應(yīng)用領(lǐng)域近場無線能量傳輸應(yīng)用較少，但由于近場無線能量傳輸具有高效率、大功率能量傳輸以及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點，能有效解決空間航天器間無人能源交互能源安全性的問題，同時極大提升航天器的綜合能力。結(jié)合未來空間領(lǐng)域的應(yīng)用場景，近場能量傳輸技術(shù)將重點圍繞無人近場無線能源交互系統(tǒng)設(shè)計研究、強(qiáng)抗偏移無線能量傳輸技術(shù)研究、空間環(huán)境下高可靠性和安全性研究以及輕質(zhì)高效能量傳輸技術(shù)研究等方面展開。

2.1.3 空間燃料電池技術(shù)

燃料電池可以不經(jīng)過卡諾循環(huán)，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，相比于傳統(tǒng)發(fā)電裝置具有更高的效率，其比能量可高達(dá)300～1 000 Wh/kg，在航天航空和太空探索中具有極大的應(yīng)用潛力[13-16]。20 世紀(jì)60 年代，燃料電池在航空航天領(lǐng)域中得到應(yīng)用，并因此得到廣泛研究及快速發(fā)展。

(1)國外研究進(jìn)展

在國外，美國已先后研制出利用可再生燃料電池發(fā)電的電解水制氧系統(tǒng)、廢水回收利用系統(tǒng)及二氧化碳回收處理系統(tǒng)，并分步投入空間站測試使用，實現(xiàn)了空間站水及二氧化碳的處理率超過85%。NASA設(shè)計、制造了使用太陽電池-可再生燃料電池的“太陽神”(Helios)高空長航時無人機(jī)，并在1998—2003年進(jìn)行了飛行試驗，以驗證可再生燃料電池系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性，全系統(tǒng)比能量為400 Wh/kg，能量轉(zhuǎn)換效率為50%。此外在美國阿爾忒彌斯計劃中，明確再生燃料電池系統(tǒng)在月球基地及月面有效載荷設(shè)備中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在可持續(xù)發(fā)電、生命保障及原位資源利用活動三個方面。

圖7 為美國阿爾忒彌斯計劃中再生燃料電池應(yīng)用。

圖7 美國阿爾忒彌斯計劃中再生燃料電池應(yīng)用

日本宇航探索局JAXA 確定了再生燃料電池在航天任務(wù)中的應(yīng)用，JAXA 確定了木星及行星探測任務(wù)的儲能系統(tǒng)。2019 年3 月，JAXA 和豐田共同宣布，將聯(lián)手打造可載人的月球車。采用太陽能帆板+燃料電池作為能源系統(tǒng)，計劃2029 年發(fā)射。該燃料電池車計劃續(xù)航里程達(dá)到1.6 萬公里，將實現(xiàn)月面長距離活動和探測(圖8)。

圖8 JAXA燃料電池月球車

此外，俄羅斯、德國、以色列等國家均針對燃料電池在空間應(yīng)用開展相關(guān)研究，可見可再生燃料電池系統(tǒng)研究將在未來太空探索中起到重要的作用。

(2)國內(nèi)研究進(jìn)展

為了配合我國航空航天技術(shù)的發(fā)展，我國有多家科研單位在再生燃料電池領(lǐng)域從事相關(guān)研究開發(fā)工作。在空間燃料電池及再生燃料電池研究開發(fā)方面，主要研究單位有北京衛(wèi)星制造廠有限公司、上海空間電源研究所及北京航天動力研究所等。

針對宇航應(yīng)用上海空間電源研究所研制了再生燃料電池原理樣機(jī)并開展了1 kW 級一體式再生燃料電池堆的研究；中國科學(xué)院氫能所針對再生燃料電池開展了大量研究，并提升了靜態(tài)排水效率，為系統(tǒng)水管理提供了有效的思路。

2022 年，由北京衛(wèi)星制造廠有限公司承擔(dān)的天舟五號燃料電池搭載載荷項目順利完成了在軌實驗任務(wù)，標(biāo)志著我國首次完成了空間燃料電池在軌試驗。在軌實驗過程通過多個工況的循環(huán)驗證，順利完成了所有既定任務(wù)，取得了圓滿成功，初步驗證了燃料電池能源系統(tǒng)在軌艙外真空、低溫及微重力條件下發(fā)電特性、變功率響應(yīng)規(guī)律以及電化學(xué)反應(yīng)的界面特性，為空間燃料電池能源系統(tǒng)的研制和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)提供重要的數(shù)據(jù)和理論支撐。

(3)空間應(yīng)用發(fā)展趨勢分析

總體來看，國內(nèi)外針對燃料電池在空間應(yīng)用方面均進(jìn)行了大量研究與試驗，再生燃料電池作為能量存儲系統(tǒng)應(yīng)用到空間站、月球基地等具有廣闊的前景，特別在月夜和長時間無太陽光照等環(huán)境下可解決采用光伏發(fā)電系統(tǒng)存在的諸多問題。考慮到空間應(yīng)用燃料電池的微重力和工作環(huán)境因素，使得燃料電池結(jié)構(gòu)設(shè)計、流體管理和控制邏輯與地面應(yīng)用燃料電池系統(tǒng)存在本質(zhì)上的差異。結(jié)合空間環(huán)境特點與應(yīng)用特點，燃料電池技術(shù)未來將在提高功率密度、環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、壽命等方面開展進(jìn)一步研究。

2.2 能源系統(tǒng)組成與分析

月球科研站基本型的能源系統(tǒng)由嫦娥七號傳統(tǒng)的“太陽電池+蓄電池”以及嫦娥八號“太陽電池+蓄電池+新型電源技術(shù)”組成，根據(jù)嫦娥八號可能搭載驗證的新型電源技術(shù)的種類與數(shù)量的不同，月球科研站基本型能源系統(tǒng)可分為基礎(chǔ)型能源系統(tǒng)、增強(qiáng)型能源系統(tǒng)和綜合型能源系統(tǒng)。

(1)基礎(chǔ)型能源系統(tǒng)

基礎(chǔ)型能源系統(tǒng)中各探測器能源系統(tǒng)配置單一，均采用以傳統(tǒng)的“太陽電池+蓄電池”，組成框圖如圖9 所示，基礎(chǔ)型能源系統(tǒng)由太陽電池陣發(fā)電模塊、蓄電池儲能模塊、功率變換與調(diào)節(jié)模塊以及配電管理模塊組成。月面工作過程中，各探測器能源系統(tǒng)相互獨立，月晝期間太陽電池陣發(fā)電模塊發(fā)電，通過功率變換與調(diào)節(jié)模塊及配電管理模塊為探測器負(fù)載供電，同時為蓄電池儲能模塊補(bǔ)充充電。

圖9 基礎(chǔ)型能源系統(tǒng)組成圖

該類型能源系統(tǒng)只適用于在光照區(qū)長期工作、陰影區(qū)短期工作的探測器，以該能源系統(tǒng)為基礎(chǔ)的月球科研站基本型不具備月夜工作與陰影區(qū)長期探測的能力。

(2)增強(qiáng)型能源系統(tǒng)

增強(qiáng)型能源系統(tǒng)在基礎(chǔ)型能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上增加遠(yuǎn)場激光無線傳能模塊與近場無線傳能模塊，組成框圖如圖10 所示。探測器根據(jù)能源配置的不同可分為主能源探測器、補(bǔ)充能源探測器與被動能源探測器。

圖10 增強(qiáng)型能源系統(tǒng)組成圖

主能源探測器能源系統(tǒng)由大型太陽電池陣發(fā)電模塊、蓄電池儲能模塊、遠(yuǎn)場無線傳能發(fā)射模塊、近場無線傳能發(fā)射模塊、功率變換與調(diào)節(jié)模塊以及配電管理模塊組成，負(fù)責(zé)月球科研站基本型的主能源供給，通過遠(yuǎn)/近場無線傳能發(fā)射模塊為補(bǔ)充/被動能源探測器提供能源補(bǔ)給，提升補(bǔ)充/被動能源探測器的工作能力與月夜生存能力。

補(bǔ)充能源探測器能源系統(tǒng)由太陽電池陣發(fā)電模塊、蓄電池儲能模塊、遠(yuǎn)/近場無線傳能接收模塊、功率變換與調(diào)節(jié)模塊以及配電管理模塊組成，月晝期間依靠太陽電池陣發(fā)電模塊發(fā)電為負(fù)載供電，陰影區(qū)工作時通過遠(yuǎn)場傳能接收端從主能源探測器獲取遠(yuǎn)距離能源補(bǔ)給，用于支持探測器陰影區(qū)長時間工作，此外根據(jù)任務(wù)的不同，補(bǔ)充能源探測器可通過大功率近場接收模塊從主能源探測器短時快速補(bǔ)充所需能量，執(zhí)行下一次任務(wù)或依靠主能源探測器提供的能量順利度過月夜。

被動能源探測器能源系統(tǒng)僅由遠(yuǎn)/近場無線傳能接收模塊、蓄電池儲能模塊、功率變換與調(diào)節(jié)模塊以及配電管理模塊組成，該類型探測器通過遠(yuǎn)/近場無線傳能接收模塊從主能源探測器獲取工作所需能量，對于使用近場接收模塊的被動能源探測器，其必須工作在主能源探測器附近，按照任務(wù)規(guī)劃完成既定任務(wù)后返回主能源探測器進(jìn)行能源補(bǔ)給；對于使用遠(yuǎn)場接收模塊的被動能源探測器，其可工作在主能源探測器km 范圍內(nèi)。

增強(qiáng)型能源系統(tǒng)依靠遠(yuǎn)/近場模塊將探測器子能源系統(tǒng)聯(lián)系起來，實現(xiàn)月球科研站基本型能源系統(tǒng)的無線組網(wǎng)與能源統(tǒng)一管理，極大提升能源系統(tǒng)的能源利用率與探測器的工作能力。

(3)綜合型能源系統(tǒng)

綜合型能源系統(tǒng)在增強(qiáng)型能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上增加燃料電池模塊并引入熱電一體化能源綜合利用技術(shù)，其組成框圖如圖11 所示。

圖11 綜合型能源系統(tǒng)組成圖

探測器根據(jù)能源配置的不同可分為綜合能源探測器、補(bǔ)充能源探測器與被動能源探測器，其中補(bǔ)充能源探測器與被動能源探測器的能源配置與探測器工作特點與增強(qiáng)型中一致。綜合能源探測器相比于增強(qiáng)型中主能源探測器增加燃料電池模塊，利用其熱電聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)勢，在月晝工作期間，燃料電池模塊利用太陽能進(jìn)行水電解；在月夜期間，利用燃料電池發(fā)電特性和發(fā)熱特性為探測器提供電能和熱能，實現(xiàn)探測器月夜工作。通過熱電一體化能源綜合利用技術(shù)，實現(xiàn)光能、電能和熱能之間的高效轉(zhuǎn)換與利用，顯著提升能源綜合利用效率。

綜合型能源系統(tǒng)具備月夜工作與陰影區(qū)長期探測的能力，實現(xiàn)系統(tǒng)光、電、熱綜合利用，可為科研站基本型完成各項探測任務(wù)提供較為全面的能源保障。

2.3 能源系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

結(jié)合嫦娥七號與八號資源配置情況，給出月球科研站基本型三種能源系統(tǒng)中各型探測器太陽電池陣發(fā)電模塊、蓄電池儲能模塊以及功率變換與調(diào)節(jié)模塊等組成模塊主要性能指標(biāo)(表1～表3)。

表2 增強(qiáng)型能源系統(tǒng)組成模塊主要性能指標(biāo)

表3 綜合型能源系統(tǒng)組成模塊主要性能指標(biāo)

在基礎(chǔ)型能源系統(tǒng)中，各探測器子能源系統(tǒng)中太陽電池陣發(fā)電模塊、蓄電池儲能模塊以及功率變換與調(diào)節(jié)模塊主要指標(biāo)根據(jù)其任務(wù)特點與功能定位有所差異，功率范圍在500～2 000 W 之間；增強(qiáng)型能源系統(tǒng)與綜合型能源系統(tǒng)中補(bǔ)充能源探測器與被動能源探測器能源子系統(tǒng)模塊組成與性能指標(biāo)完全一致。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 熱電一體化能源綜合利用技術(shù)

針對月球科研站基本型對高效長壽命能源供給需求，結(jié)合燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)優(yōu)勢，研究空間燃料電池的電輸出和熱輸出的耦合規(guī)律，提出熱電一體化能源綜合利用管理策略和控制方法，實現(xiàn)能源綜合高效利用。在燃料電池的熱設(shè)計方面，可與探測器熱控系統(tǒng)統(tǒng)籌設(shè)計，通過共用或復(fù)用熱管等導(dǎo)熱材料，實現(xiàn)燃料電池與探測器的熱控一體化設(shè)計。月晝期間，利用太陽電池陣的發(fā)電功率持續(xù)為燃料電池水電解提供電解能量，采用相變儲熱材料，收集和存儲水電解過程中產(chǎn)生的熱能，便于月夜時期利用；在月夜期間，利用燃料電池的發(fā)電特性為探測器提供電能，同時釋放月晝期間儲存的熱能為探測器保溫。最終達(dá)到熱能高效利用，避免熱量浪費的目的。

3.2 復(fù)雜多源能源系統(tǒng)穩(wěn)定性建模與分析技術(shù)

月球科研站基本型具有多源、多載、多場景的應(yīng)用特點，各級電源系統(tǒng)和各負(fù)載之間存在相互影響，可能引起能源系統(tǒng)級聯(lián)失穩(wěn)，需開展多源多載能源系統(tǒng)穩(wěn)定性建模與分析工作，研究電源系統(tǒng)各模塊的拓?fù)鋮?shù)，并完成仿真建模，結(jié)合推導(dǎo)的傳遞函數(shù)及相關(guān)曲線分析穩(wěn)定性；對各個能源模塊進(jìn)行單獨仿真，分析電壓電流波形以及效率等參數(shù)；建立能源系統(tǒng)級聯(lián)穩(wěn)定性評價體系，按照系統(tǒng)多種工作模式推導(dǎo)各模塊的輸入或者輸出阻抗表達(dá)式，計算阻抗比，利用阻抗比判據(jù)分析級聯(lián)穩(wěn)定性并對能源系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性仿真和分析。

3.3 可再生燃料電池高可靠及高效控制技術(shù)

作為復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，燃料電池亟待開展月面空間輻照、月塵、低重力等環(huán)境條件對質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的低傳輸阻力、高質(zhì)子傳導(dǎo)率和快速水遷移性能的影響研究，開展膜電極的耐久性及壽命評價研究；開展燃料電池高耦合的水、氣、熱等控制參數(shù)優(yōu)化和性能評估驗證等。作為一個正向-可逆化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜控制過程，可再生燃料電池系統(tǒng)采用高壓電解池原位產(chǎn)氣和高密度儲氣方式實現(xiàn)可再生循環(huán)工作。基于可再生循環(huán)方式，需開展水、氣低壓-高壓/高壓-低壓密封回路過程的水熱綜合管理平衡規(guī)律及控制方法研究，開展空間環(huán)境下膜電極的加固設(shè)計和耐久性評價方法研究，實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控和長效運行。

3.4 小型化高效遠(yuǎn)場激光無線傳能技術(shù)

采用激光無線能量傳輸方式，由固定型探測器(著陸器)為移動型探測(巡視器/作業(yè)機(jī)器人)，提供遠(yuǎn)距離連續(xù)靈活供電，以充電、供電和續(xù)航能源等多種形式提升移動型探測器人生存能力。開展快速熱傳輸和大功率廢熱排散等高效冷卻技術(shù)研究，通過材料外延生長、激光器結(jié)構(gòu)和封裝優(yōu)化等方式，提高激光器壽命和可靠性；開展遠(yuǎn)場動目標(biāo)高精度APT 技術(shù)和輕量化光束控制技術(shù)研究，通過軸系優(yōu)化，提高光束控制系統(tǒng)的可靠性，滿足移動型探測器大范圍移動充電需求；開展光電熱耦合系統(tǒng)平衡條件下的激光照射最佳光電轉(zhuǎn)換研究，優(yōu)化鏈路能流密度，提升太陽電池在極端溫度范圍中的熱穩(wěn)定性和耐輻射特性。

3.5 千瓦級近場無線傳能技術(shù)

針對月球科研站基本型中作業(yè)機(jī)器人等探測器與著陸器之間能源交互需求，構(gòu)建以近場無線傳能技術(shù)為基礎(chǔ)的大功率、高效率、高安全性的器間無線能源交互系統(tǒng)，提升探測器的月面工作能力與月球科研站基本型能源系統(tǒng)的安全性。研究傳輸距離、水平偏移距離、角度偏移對磁耦合機(jī)構(gòu)耦合性能的影響，提出強(qiáng)抗偏移磁耦合機(jī)構(gòu)，并對補(bǔ)償拓?fù)溥M(jìn)行深入分析，確定適用于月球科研站基本型的千瓦級強(qiáng)抗偏移無線傳能系統(tǒng)基本拓?fù)洌粯?gòu)建系統(tǒng)效率模型，研究磁耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)、補(bǔ)償拓?fù)鋮?shù)、系統(tǒng)頻率對系統(tǒng)效率的影響，通過參數(shù)優(yōu)化提升系統(tǒng)效率，研究溫度對系統(tǒng)參數(shù)的影響，同時對系統(tǒng)閉環(huán)控制策略進(jìn)行深入分析，提出系統(tǒng)效率閉環(huán)控制策略，提高探測器在復(fù)雜月面環(huán)境下進(jìn)行無線能源交互的能源利用率；研究分析無線傳能系統(tǒng)中關(guān)鍵元器件、拓?fù)洹㈤]環(huán)控制策略的可靠性安全性，提出系統(tǒng)可靠性安全性設(shè)計方案，提升無線能源交互的安全性與可靠性。

4 結(jié)束語

月球科研站基本型作為未來月球科研站的基礎(chǔ)，其能源系統(tǒng)決定了未來月球科研站能源系統(tǒng)的基本架構(gòu)，需盡快開展相應(yīng)空間電源技術(shù)的在軌驗證與月面復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性研究，構(gòu)建月球科研站能源互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)光、電、熱綜合利用，為未來月球科研的正式建設(shè)打下堅實的能源基礎(chǔ)。