像紙一樣薄的太空電池

神舟十七號航天員湯洪波、唐勝杰、江新林在中國空間站期間，曾出艙進(jìn)行天和核心艙太陽翼的維修工作。今年3 月2 日，航天員第二次出艙，在上一次試驗(yàn)性維修的基礎(chǔ)上，消除了前期因太空微小顆粒撞擊對太陽翼產(chǎn)生的影響。現(xiàn)在，這對“大翅膀”又在不眠不休地正常工作啦！

小小身板，大大能量

在茫茫太空中，航天器需要穩(wěn)定的電力供給以維持自身的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，其中相當(dāng)一部分電力來源就是太陽能。不論是衛(wèi)星、探測器還是空間站，大都離不開遨游星際的“翅膀”——太陽翼。它吸收太陽能后轉(zhuǎn)化為電能，是航天器的能量之源。

我國的空間站采用柔性太陽翼發(fā)電。這種太陽翼更加輕便、展開面積更大、功率重量比高，能夠更有效地滿足實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)科學(xué)儀器的使用和航天員的生活用電需求。目前，天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙、夢天實(shí)驗(yàn)艙各配備了2套大型柔性太陽翼。太陽翼完全展開后，厚度只有0.7 毫米。而僅用4 個這樣的太陽能電池翼，就能滿足空間站三艙組合體80% 的能量需求。

通常情況下，太陽翼的發(fā)電功率會受到太陽入射角和航天器飛行姿態(tài)的影響。為了保證空間站最大限度地獲得日照，科學(xué)家們在問天和夢天實(shí)驗(yàn)艙上安裝了對日定向裝置。它能夠帶動太陽翼360°穩(wěn)穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)，確保電池板始終追隨著太陽照來的方向，從而保持最高的發(fā)電效率。

薄如紙片，卻堅(jiān)韌似鐵

在復(fù)雜的太空環(huán)境下，太陽翼要面臨巨大的溫差、粒子輻射、紫外線輻射等問題。對于裸露在外的航天器件來說，只能靠材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來“硬抗”。柔性太陽翼的設(shè)計(jì)是在超薄型輕質(zhì)復(fù)合材料基板上，覆蓋三結(jié)砷化鎵電池片。砷化鎵材料具有良好的耐高溫性和抗輻射性能，在250℃的高溫下也可以正常工作。而傳統(tǒng)的硅太陽能電池在環(huán)境溫度達(dá)到200℃時就基本失效了。

為了進(jìn)一步提升太陽翼的耐久性，技術(shù)人員在太陽翼上涂上了硅氧烷防護(hù)涂層。這種特殊的涂層像是給太陽翼披上了一層防護(hù)鎧甲，幫助它們抵御近地軌道空間環(huán)境中原子氧的侵害。據(jù)報(bào)道，問天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射前曾完成了一系列的可靠性試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了它的太陽能電池翼壽命可達(dá)到15 年。

“暗箭”難防怎么辦？

在太空中飛行時，航天器會時不時面臨微流星、太空垃圾等帶來的撞擊危險(xiǎn)。肉眼可見的大型碎片倒不足為懼，只要通過監(jiān)測太空碎片的分布和運(yùn)動情況，及時調(diào)整空間站的姿態(tài)和行徑軌跡，就能進(jìn)行轉(zhuǎn)向和規(guī)避；反倒是微流星或微小垃圾碎片，在星球引力的作用下，飛行速度能達(dá)到每秒鐘數(shù)十千米，像暗器一樣防不勝防，可能對航天器造成極大損壞。太陽翼那么輕薄、那么重要，對這樣的“暗箭”該怎么防呢？

空間站的太陽翼電池陣采用模塊化設(shè)計(jì)，大大提升了其抗碰撞能力。雖然我們看到的太陽翼是一個整體，但實(shí)際上，基板之上是由一個個獨(dú)立的太陽能電池塊串聯(lián)和并聯(lián)組成的電池陣，電池陣上還裝有隔離二極管。這樣一來，即使局部的電池塊受到太空碎片的影響產(chǎn)生故障，也不會影響整個太陽翼的發(fā)電功能。即便如此，為了空間站能夠長期穩(wěn)定地運(yùn)行，神舟十七號的航天員們還是出艙進(jìn)行了極具挑戰(zhàn)性的工作，在機(jī)械臂和隊(duì)員的協(xié)同配合下，完成了對核心艙太陽翼的精細(xì)維修。

衛(wèi)星行業(yè)的“新寵兒”

柔性太陽翼的發(fā)明，會加速衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。在商業(yè)航天領(lǐng)域，銀河航天公司研制的靈犀03 星是第一顆將新型柔性太陽翼與平板式通信衛(wèi)星完美結(jié)合的代表。這顆衛(wèi)星的太陽翼展開有9 米長，而全部收攏后的主體厚度還不到5 厘米。這樣的設(shè)計(jì)不僅節(jié)約了發(fā)射成本，縮短了衛(wèi)星研制周期，還能提高衛(wèi)星星座的組網(wǎng)效率。

未來，隨著太陽翼電池成本的降低，柔性太陽翼也可能會逐漸成為衛(wèi)星的得力助手，在保證大功率輸送電力的同時，讓更多的載荷設(shè)備能夠搭載到衛(wèi)星上，給我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來更多的想象空間。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)——基于衛(wèi)星通信技術(shù)接入互聯(lián)網(wǎng)，可以通俗地理解為地面基站被搬入太空中，每顆衛(wèi)星都是天上的移動基站。它可以為全球用戶提供高帶寬、靈活便捷的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

知識鏈接

太空電池“變形記”

根據(jù)基板類型，我們可以將太陽翼分為剛性太陽翼、半剛性太陽翼和柔性太陽翼。作為航天器的“能量擔(dān)當(dāng)”，它們各具特色、各有所長。

1970 年，我國發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星東方紅一號。它形似一顆大鐵球，用銀鋅電池進(jìn)行供電。因?yàn)榛瘜W(xué)電池的使用壽命有限，東方紅一號的設(shè)計(jì)工作壽命僅有20 天。

剛性太陽翼是航天史上最早的可折疊式太陽能電池翼，它穩(wěn)定且不易變形。1999 年，我國的第一代剛性太陽翼伴隨神舟一號在太空中亮相。自那兒之后，剛性太陽翼似乎成了神舟系列載人飛船的標(biāo)配，是神舟飛船的一項(xiàng)標(biāo)志性技術(shù)。

隨后，半剛性太陽翼取得了突破性進(jìn)展，并于2011 年首次應(yīng)用在天宮一號上。這種太陽翼更輕，有良好的空間環(huán)境防護(hù)能力，因此更加耐用，幫助天宮一號實(shí)現(xiàn)了在軌7年的可靠運(yùn)行。

隨著空間基礎(chǔ)設(shè)施的升級，航天器的太陽翼不斷迭代，電池板從“硬”向“軟”發(fā)展。新一代的柔性太陽翼更輕盈，能量轉(zhuǎn)換也更高效。中國空間站是我國首個采用大面積柔性太陽翼的航天器，它讓空間站實(shí)現(xiàn)了能源自由。