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早期航天員只能吃冷飯?神舟十八號電池系統(tǒng)大升級

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2024年4月25日,神舟十八號飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心執(zhí)行發(fā)射,它與神舟十七號是不一樣的。因為神舟十八號是最新一批神舟載人飛船的第一艘,有多項技術(shù)升級,特別是全面升級了飛船的電源系統(tǒng),提升了飛船的性能與安全性。在神舟五號、六號、七號,三次載人飛行任務(wù)中,由于電力供應不足,航天員不得不吃冷飯!那么,我國神舟飛船的電源系統(tǒng)包括哪些部分?分別是做什么用的?載人航天的電源系統(tǒng)經(jīng)歷了哪些重要改進,為什么要不斷改進?大家好,我是來自中國科學院國家空間科學中心的周炳紅,今天就來為大家分享載人航天電源系統(tǒng),主要是電池系統(tǒng)發(fā)展升級的故事。

首先,神舟飛船的電源系統(tǒng)由哪些部分組成呢?它包括主電源、應急電源、返回著陸電源和火工品電源四個部分。主電源后面幾個電源是顧名思義的,比如應急電源有重要的“救命”作用。萬一發(fā)生意外情況,應急電池就會啟用。應急電池使用的是高性能比銀鋅電池,其作用就像UPS不間斷電源。出現(xiàn)緊急情況時,飛船返回地面需要4個小時,而應急電池可以確保飛船的用電量。主電源又分為太陽電池翼、調(diào)節(jié)控制器、蓄電池三個部分。飛船繞地球飛行一圈大約90分鐘,會經(jīng)歷光照區(qū)和地影區(qū),在光照區(qū),太陽電池翼將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,同時為蓄電池充電儲存能量。在太陽無法照射的地影區(qū),蓄電池負責為整個飛船供電。

那么,隨著我國載人航天工程的發(fā)展,電源系統(tǒng)經(jīng)歷了哪些升級改進呢?航天員每天的生活用電要依靠電源系統(tǒng),飛船的用電功率大約2千瓦,相當于一個普通家用空調(diào)或者是一個功率高點的微波爐的耗電量,這樣神舟飛船一天耗電40多度。在載人航天工程一期時,由于供電能力有限,航天員吃的都是冷飯。載人航天工程二期使用的電源系統(tǒng)中,太陽能電池帆板的材料采用了砷化鎵,代替了一期使用的多晶硅,發(fā)電能力提高了一倍,可以確保航天員頓頓吃上熱飯。

神舟十八號以前的飛船使用的一直是鎘鎳蓄電池,工作電壓28伏。載人航天發(fā)展過程中,還研制了另外兩種蓄電池,分別是用于天宮實驗室的100伏高壓氫鎳蓄電池,和用于天舟貨運飛船的鋰離子蓄電池。這次神舟十八號也升級到了鋰離子蓄電池。

為什么要用鋰離子電池呢?這是由于空間站時代飛船的使用環(huán)境和使用時間長度變化決定的??臻g站時代后,在軌駐留時間通常是6個月,這樣一來就面臨兩個很嚴峻的問題:一是空間站艙體的遮擋問題,艙體連接長度數(shù)十米,還有巨大的柔性太陽翼,對神舟載人飛船的太陽翼形成了比較嚴重的光照遮擋,導致自主發(fā)電能力不足。還有一個是神舟飛船??科陂g需要接受空間站的電力供應,由此產(chǎn)生充放電狀態(tài)不斷切換的不穩(wěn)定情況,造成充放電不規(guī)律問題。

從神舟一號到神舟十七號,飛船配置的都是“鎘鎳蓄電池”,這種電池具有高安全、高可靠、耐過充、耐過放等優(yōu)勢性能,可以滿足神舟飛船高安全運行的任務(wù)要求,但是它也有缺點,就是“記憶效應”?!坝洃浶本褪切铍姵卦陂L期小負載情況下不斷充放電時產(chǎn)生的,一旦耗電量又增加、回到滿負荷狀態(tài),就可能會出現(xiàn)蓄電池供電能力不足的問題。鑒于長壽命大容量鋰離子電池的安全性在天舟貨運飛船中得到廣泛驗證,為了讓神舟飛船具備更加強大的能力,從神舟十八號開始,就換成了鋰離子電池。鋰離子電池相較于鎘鎳蓄電池的一個突出優(yōu)勢就是沒有記憶效應,使用壽命長。這就使得神舟飛船克服了不規(guī)律充放電問題,獲得了更長的??靠臻g站組合體的時間,同時也更加安全可靠。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者名稱:周炳紅

審核:孫志斌 中國科學院國家空間科學中心研究員

出品:中國科協(xié)科普部

監(jiān)制:中國科學技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

內(nèi)容資源由項目單位提供

評論
尖刀情懷永遠跟黨走
大學士級
中國的航天事業(yè)正在扎實穩(wěn)步向前,探索浩瀚宇宙的步伐更加扎實。能讓航天員吃上熱飯,更是可喜可賀的事!
2024-04-25
傳承解惑
大學士級
神舟十八號的這次升級和發(fā)射,不僅僅是一次技術(shù)上的飛躍,更是一次對未知世界的勇敢探索,它承載著我們航天的希望和夢想。
2024-04-25
周美華ZMH
庶吉士級
神舟十八號飛船的發(fā)射和駐留任務(wù)也將是我國航天事業(yè)發(fā)展的重要里程碑,我們期待這一天的到來,并祝愿航天員們能夠圓滿完成任務(wù),平安歸來。
2024-04-25