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北斗全球组网,八院为23颗卫星提供电源系统
发布时间:2020-07-07 作者: 信息来源: 八院

2020623日,北斗三号最后一颗全球组网卫星成功发射。作为国内主要空间电源系统的研制抓总单位,中国航天科技集团八院811所自2004年开始承担北斗卫星电源系统任务,目前已完成7颗北斗二号、16颗北斗三号卫星电源系统的研制任务。截至目前, 23颗卫星的电源系统在轨情况良好,811所以100%成功率高效助力北斗导航卫星系统的全球组网任务。

北斗二号:多个“首次”吹响全面进入高轨卫星领域的号角

首次承担我国IGSO轨道北斗首发星,首次实现811所氢镍电池在轨飞行应用,首次在高轨卫星上应用线性分流调节器,首次对电源产品开展热平衡试验,研制北斗卫星电源系统,811所创造了多个“首次”。

在这些“首次”的背后,有着一段从零起步、从无到有的故事。在北斗二号任务中,811所承担了三颗MEO卫星、四颗IGSO卫星电源系统研制任务。IGSO卫星是距离地球约36000千米的倾斜高轨卫星,MEO卫星是距离地球约20000千米的倾斜中轨卫星。凭着一股拼劲,811所研制人员从2004年开始进行技术攻关,研制太阳电池、氢镍电池和电源控制设备等等。

作为811所氢镍蓄电池的首次在轨飞行应用,氢镍电池在研发产品工程化、地面试验验证以及解除专家疑虑有不小难度。通过无数次的试验验证和技术评审,研制人员突破了高温镍基合金外壳加工、氢镍电池的高压密封、氢电极防水透气膜、焊接二次封口等关键工艺,顺利完成了飞行产品的研制。

北斗二号卫星的分流器采用了线性分流技术,热耗特别大,并且安装于舱外太阳翼上,空间环境特别恶劣。怎样让分流器不会在光照的时候“热晕”,也不会在地影期“冻坏”,研制人员做了专门的热设计和热分析,首次采用新导热材料和首次进行了热平衡试验验证,为后续卫星的热设计和热试验验证提供了参考。

通过方案攻关样机、初样电性件和鉴定件的研制,技术难题全部得到解决及验证。2008年,811所成功交付出满足总体要求高质量的正样产品。20108月,IGSO-1卫星成功发射,至今已成功在轨运行近10年,超过设计寿命2年以上,自此811所正式进入高轨卫星研制领域,为承担后续北斗三号、高轨气象卫星等任务奠定了坚实的基础。

北斗三号试验星:98%器件国产化率实现我国中高轨卫星电源系统产品自主可控

在北斗二号研制交付同时,2010年北斗全球卫星导航系统开始启动论证和研制。电源控制器(PCU)是电源系统的核心产品。自2011年开始,811所展开了一场卧薪尝胆的PCU技术攻关。为了研制出高效自主42V全调节单母线型多功能集成的电源控制器,研制人员对标欧洲先进PCU的技术指标,查阅技术资料,深入分析型号技术指标和关键技术,为811所第一台真正意义上的PCU产品废寝忘食。在3年时间内,完成了原理样机、攻关样机、电性件和鉴定件共4台全性能产品的开发、测试和试验,各项技术指标均能够满足要求。20135月,811所的PCU和锂离子蓄电池顺利通过产品测试验收,811所的PCU产品在技术指标全部满足要求的同时,装机元器件的国产化率达98%,为所有承研单位最高,且在充放电效率、负载瞬态特性和重量等方面具有显著优势,并具有自我诊断治疗功能,以及异常故障情况的自动报警和自主隔离能力,能够保证高效稳定的供电管理,是名副其实的高效自主PCU产品。研制团队用30个月,完成了811所高轨PCU产品平台跨越式的进步,扭转了我国中高轨卫星电源系统产品长期依赖进口的被动局面。

2015725日,北斗三号两颗试验星发射成功,811所负责的MEO卫星电源系统产品首次实现了高效自主42V全调节单母线型多功能集成的电源控制器、150Ah大容量长寿命锂离子蓄电池组和28.6%高效三结砷化镓太阳电池阵的在轨应用。截至目前卫星在轨运行最长5年,电源系统在轨情况稳定良好。

北斗三号:全新设计让卫星信号功率比其他导航系统增加50%

为了保证导航服务效果,北斗三号卫星的信号功率相比北斗一号、北斗二号以及国外主流的其他导航系统,要求增加了至少50%,这也意味着卫星功率需求的增加。北斗三号卫星功能的全面性为电源系统的设计带来前所未有的新课题。

面对这个难题,811所研制人员集智攻关,对电源系统产品采取全新设计。在太阳电池方面,研制人员采用了更高效的太阳能电池片,其光电转换效率为30%,完全满足了整星的功率需求;在储能电池方面,为了满足总体对电池轻量化、小型化和长寿命的要求,研制人员首次在北斗导航卫星上采用了高比能长寿命锂离子蓄电池,完全满足产品技术指标要求;在电源控制产品上,使用了更高变换效率的拓扑技术,提高功率质量比的同时降低发热量,保证了恶劣环境下的工作温度,满足了卫星长期在轨工作的需求。为了满足卫星减重的要求,研制人员通过小型化设计、无导线布局将卫星电源系统的均衡管理器高度集成化,重量减小50%,体积减小75%,为整星设计优化作出重要贡献。

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