CN105186671A - 一种双舱组合式航天器联合供电***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双舱组合式航天器联合供电***及方法，其中***包括：上升舱电源***和着陆舱电源***；其中，上升舱电源***包括：第一太阳电池阵、第一充电分流调节模块、放电调节模块和蓄电池组；着陆舱电源***包括：第二太阳电池阵和第二充电分流调节模块；双舱组合式航天器联合供电***的供电对象为航天器中各个负载，负载包括：上升舱的全调节母线负载和不调节母线负载，以及着陆舱的全调节母线负载和不调节母线负载。本发明提供的双舱组合式航天器联合供电***及方法既能够保证航天器组合飞行时供电需求，也能够保证舱独立飞行时供电需求。

Description

一种双舱组合式航天器联合供电***及方法

技术领域

本发明属于航天器电源***设计领域，尤其涉及一种双舱组合式航天器联合供电***及方法。

背景技术

双舱组合航天器是空间飞行器的一种常见形态，在返回式卫星、飞船、探月工程中已得到广泛应用。随着空间探测目标任务日益丰富，尤其是以空间站为代表的载人航天探测任务，和以月球着陆、巡视勘探、采样返回任务为代表的深空探测任务，往往采用双舱组合方式完成预定探测任务。我国返回式卫星和“神舟”系列飞船一般由轨道舱、推进舱和返回器组成，嫦娥三号探测器由着陆器与巡视器组成，嫦娥五号探测器由轨道器、着陆器、上升器、返回器四器组成。另外，在火星探测等深空探测任务中通常由环绕探测器携带着陆探测器，如火星快车和猎兔犬2号任务，两者共同完成对目标天体的探测。

常规航天器经由运载发射入轨后，在任务期间一般不会发生组合形态变化，其电源***也通常为独立电源***。双舱组合航天器在任务期间不同阶段完成不同任务，会出现舱分离、交会对接等组合形态变化，且各舱之间也根据任务安排有不同供电需求，因此，双舱组合航天器电源***设计更为复杂，需要根据任务特点进行针对性设计。

对于独立飞行航天器，国内外约95％航天器采用太阳电池阵-蓄电池组电源***，光照期由太阳电池阵供电并向蓄电池组充电，阴影期由蓄电池组供电，保障全任务周期航天器的供电需求。

对于双舱组合式航天器，各舱之间的供电方式需要根据各舱的任务进行设计。由于航天器的重量直接影响发射成本，因此需要对存在联合工作模式的组合式航天器进行联合供电设计，充分考虑设备与模块分时复用等手段，实现减重的目的。

目前双舱组合航天器供电方式大致可以分为3类：1)舱间不存在供电关系，各舱独立供电满足各自负载需求；2)舱间单向供电，在舱组合飞行期间，一个舱完全由另外的舱供电；3)舱间双向供电，双向供电又包括两种情况，其一是并网互为补充供电，第二种为联合供电。国际空间站中美国电源***与俄罗斯电源***之间就是通过并网供电实现双向供电，我国天宫一号目标飞行器与神舟飞船之间也是通过并网供电方式实现由天宫一号目标飞行器向神舟飞船之间供电。

以空间站电源***的联合供电方式为例，国际空间站电源***组成框图如图1所示，包含美国建设的一套120V直流电源***(USOS)和俄罗斯建设的一套28V直流电源***(FGB)。2套电源***之间可以互联并允许相互进行功率传输。2套电源***均采用太阳电池阵-蓄电池组电源***，光照期由太阳电池阵供电并对蓄电池组进行充电储能，阴影期由蓄电池组进行供电。美国的电源***提供约78kW功率，俄罗斯的电源***提供约29kW功率。通常情况下，2套电源***分别满足各自负载需求。当需要进行互相补充供电时，国际空间站中有两种设备实现美俄两套电源***能量的传输及母线体制的转换。通过一个降压型变换器ARCU(American-to-RussianConverterUnit)实现由USOS向FGB的高压到低压转换，通过一个升压型变换器RACU(Russian-to-AmericanConverterUnit)实现由FGB到USOS的低压到高压转换。

从图中可以看出，为实现2个舱之间的联合供电，需要通过ARCU和RACU进行电压变换实现，一方面使空间站的电源***重量增加，一方面由于增加电源变换环节也增加了***热耗并降低了可靠性。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种双舱组合式航天器联合供电***及方法，既能够保证航天器组合飞行时供电需求，也能够保证舱独立飞行时供电需求。

本发明的双舱组合式航天器联合供电***，其包括：上升舱电源***和着陆舱电源***；其中，上升舱电源***包括：第一太阳电池阵、第一充电分流调节模块、放电调节模块和蓄电池组；着陆舱电源***包括：第二太阳电池阵和第二充电分流调节模块；双舱组合式航天器联合供电***的供电对象为航天器中各个负载，其中负载包括：上升舱的全调节母线负载和不调节母线负载，以及着陆舱的全调节母线负载和不调节母线负载；

连接关系为：

第一太阳电池阵的正端引出线为第一全调节母线，负端引出线为第一供电回线；第一充电分流调节模块和上升舱的全调节母线负载分别串接在第一全调节母线与第一供电回线之间；蓄电池组的正端引出线为第一不调节母线，蓄电池组的负端引出线与第一供电回线连接，上升舱的不调节母线负载分别串接在第一不调节母线与第一供电回线之间；放电调节模块串接在第一全调节母线与蓄电池正端之间，对蓄电池输出到第一全调节母线上的电流进行调节；

第二太阳电池阵的正端引出线为第二全调节母线，负端引出线为第二供电回线；第二充电分流调节模块的正端引出线为第二不调节母线，负端与第二供电回线连接；着陆舱的全调节母线负载分别串接在第二全调节母线与第二供电回线之间，着陆舱的不调节母线负载分别串接在第二不调节母线与第二供电回线之间；

第一全调节母线和第二全调节母线之间通过全调节母线供电电缆连接；第一不调节母线和第二不调节母线之间通过不全调节母线供电电缆连接；第一供电回线电缆和第二供电回线电缆之间通过回线电缆连接，且全调节母线供电电缆、不全调节母线供电电缆和回线电缆组成双舱组合式航天器的舱间电缆；

其中，第一充电分流调节模块用于消耗第一全调节母线和第一不调节母线上的多余电流，为上升舱的所有负载提供符合负载要求的电流和为蓄电池组提供符合充电电动率需求的电流；

在组合工作模式下，第二充电分流调节模块用于消耗舱间电缆、第二全调节母线和第二不调节母线上的多余电流，为两舱所有负载提供符合负载要求的电流和为蓄电池组提供符合充电电动率需求的电流；

在单独工作模式下，第二充电分流调节模块用于消耗第二全调节母线和第二不调节母线上的多余电流，为着陆舱的所有负载提供符合负载要求的电流。

本发明还提供一种基于权利要求1所述的供电***的供电方法，其包括：

步骤1，双舱组合式航天器从发射至月面工作段，以及在月面且双舱分离前供电方式为组合工作模式，该组合体工作模式的具体内容为：

1)光照期：

上升舱的第一太阳电池阵不工作，着陆舱的第二太阳电池阵加上升舱的蓄电池组构成联合供电模式，即第二太阳电池阵输出功率分为2部分：一部分为着陆舱的全调节母线负载和不调节母线负载供电；一部分通过全调节母线供电电缆和不全调节母线供电电缆分别为上升舱的全调节母线负载和不调节母线负载供电；

若着陆舱的第二太阳电池阵输出功率大于两舱所有负载总需求但小于或等于两舱所有负载总需求加蓄电池组充电功率需求，则在为两舱所有负载供电的同时通过舱间电缆为蓄电池组充电；若着陆舱的第二太阳电池阵输出功率大于两舱所有负载总需求和蓄电池组充电功率需求，则通过第二充电分流调节模块进行分流后再为两舱所有负载供电和蓄电池组充电；

2)阴影期：

上升舱的第一太阳电池阵和着陆舱的第二太阳电池阵均不工作，探测器由上升舱的蓄电池组供电，即蓄电池组输出功率分为4部分：一部分为上升舱的不调节母线负载供电；一部分通过放电调节模块后为上升舱的全调节母线负载供电；一部分通过不全调节母线电缆为着陆舱的不调节母线负载供电；一部分通过全调节母线电缆为着陆舱的全调节母线负载供电；

步骤2，双舱组合式航天器的上升舱与着陆舱分离后，着陆舱在月面继续工作，上升舱离开月面，供电方式为单舱体工作模式，该单舱体工作模式的具体内容为：

(1)着陆舱：

光照期，第二太阳电池阵输出功率为着陆舱的全调节母线负载和不调节母线负载供电；若第二太阳电池阵输出功率大于着陆舱所有负载总需求，则通过第二充电分流调节模块进行分流后再为着陆舱的全调节母线负载和不调节母线负载供电；

阴影期，着陆舱不工作；

(2)上升舱运行至指定轨道后，第一太阳电池阵展开，构成第一太阳电池阵与蓄电池组联合供电模式，具体供电内容如下：

光照期，第一太阳电池阵作为供电源，其输出功率为上升舱的全调节母线负载和不调节母线负载供电，若太阳电池阵输出功率大于上升舱负载总需求但小于或等于上升舱负载总需求加蓄电池组充电功率需求，则为上升舱所有负载供电的同时为蓄电池组充电；若太阳电池阵输出功率大于上升舱负载总需求和蓄电池组充电功率需求，则通过第一充电分流调节模块进行分流后再为上升舱所有负载供电的同时为蓄电池组充电；

阴影期，上升舱的蓄电池组作为电源，输出功率分为2部分：一部分直接为上升舱的不调节母线负载供电；一部分通过放电调节模块为上升舱的全调节母线负载供电。

有益效果：

本发明公开的一种双舱组合式航天器联合供电方法及***，通过蓄电池组、放电调节模块分时复用实现组合体联合供电，既能够保证航天器组合飞行时供电需求，也能够保证舱独立飞行时供电需求，既优化了航天器舱间电源***设计，也达到减少航天器电源***重量的目的。而且通过蓄电池组、放电调节模块分时复用可以减轻航天器电源***的重量，达到节约航天器发射成本的目的。

附图说明

图1为现有技术的空间站供电示意图；

图2为双舱组合航天器联合供电***示意图；

图3为双舱组合航天器光照期联合供电***示意图；

图4为双舱组合航天器阴影期联合供电***示意图；

图5为舱分离后上升舱供电***示意图；

图6为舱分离后着陆舱供电***示意图。

具体实施方式

某月球探测器包含上升舱(第一舱)和着陆舱(第二舱)，主要完成月面采样和月面起飞任务。其中第一舱为主舱，要求在组合体飞行模式或单独飞行模式下均能够在光照和阴影交替的轨道条件下工作，第二舱为辅舱，在组合体模式下能够在光照和阴影交替的轨道条件下工作，在舱分离后仅在光照期工作或不工作。

本发明提供一种双舱组合式航天器联合供电***，其包括：上升舱(第一舱)电源***和着陆舱(第二舱)电源***；如图2所示。上升舱(第一舱)电源***包括：第一太阳电池阵、第一充电分流调节模块、放电调节模块、蓄电池组。着陆舱(第二舱)电源***包括：第二太阳电池阵、第二充电分流调节模块。供电对象为航天器中各个负载，其中负载包括：上升舱的全调节母线负载和不调节母线负载，以及着陆舱的全调节母线负载和不调节母线负载。

联合供电电源***中的各个组成元件之间的连接关系为：

第一太阳电池阵的正端引出线为第一全调节母线，负端引出线为第一供电回线；第一充电分流调节模块和上升舱的全调节母线负载1～n分别串接在第一全调节母线与第一供电回线之间；蓄电池组的正端引出线为第一不调节母线，蓄电池组的负端引出线与第一供电回线连接，上升舱的不调节母线负载1～m分别串接在第一不调节母线与第一供电回线之间；放电调节模块串接在第一全调节母线与蓄电池正端之间，对蓄电池输出到第一全调节母线上的电流进行调节；

第二太阳电池阵的正端引出线为第二全调节母线，负端引出线为第二供电回线；第二充电分流调节模块的正端引出线为第二不调节母线，负端与第二供电回线连接；着陆舱的全调节母线负载1’～n’分别串接在第二全调节母线与第二供电回线之间，着陆舱的不调节母线负载1’～m’分别串接在第二不调节母线与第二供电回线之间；

第一全调节母线和第二全调节母线之间通过全调节母线供电电缆连接；第一不调节母线和第二不调节母线之间通过不全调节母线供电电缆连接；第一供电回线电缆和第二供电回线电缆之间通过回线电缆连接。全调节母线供电电缆、不全调节母线供电电缆、回线电缆组成舱间电缆；

其中，第一充电分流调节模块用于消耗第一全调节母线和第一不调节母线上的多余电流，为上升舱的所有负载提供符合负载要求的电流和为蓄电池组提供符合充电电动率需求的电流；

在组合工作模式下，第二充电分流调节模块用于消耗舱间电缆、第二全调节母线和第二不调节母线上的多余电流，为两舱所有负载提供符合负载要求的电流和为蓄电池组提供符合充电电动率需求的电流；

在单独工作模式下，第二充电分流调节模块用于消耗第二全调节母线和第二不调节母线上的多余电流，为着陆舱的所有负载提供符合负载要求的电流；

在单独工作模式下，放电调节模块对蓄电池输出到第一全调节母线上的电流进行调节，为上升舱的全调节母线负载1～n提供符合负载要求的电流；

在组合工作模式下，放电调节模块对蓄电池输出到第一全调节母线上的电流以及通过全调节母线电缆输出到第二全调节母线上的电流进行调节，从而为上升舱的全调节母线负载1～n以及着陆舱的全调节母线负载1’～n’提供符合负载要求的电流。

本发明还提供一种双舱组合式航天器联合供电***的供电方法，包括：

步骤1，月球探测器从发射至月面工作段，上升舱(第一舱)的第一太阳电池阵处于收拢状态，不能用于发电，着陆舱(第二舱)的第二太阳电池阵处于展开发电状态。此时月球探测器供电由着陆舱(第二舱)的第二太阳电池阵和上升舱(第一舱)的蓄电池组组成的联合电源提供电能，并通过复用蓄电池组和放电调节模块实现联合供电。

供电方式为组合工作模式，该组合体工作模式的具体内容为：

1)光照期：

着陆舱(第二舱)的第二太阳电池阵加上升舱(第一舱)的蓄电池组联合供电模式，如图3所示。着陆舱(第二舱)的第二太阳电池阵输出功率分为2部分：一部分为着陆舱(第二舱)的全调节母线负载1’～n’和不调节母线负载1’～m’供电；一部分通过舱间电缆为上升舱(第一舱)的全调节母线负载1～n和不调节母线负载1～m供电；

如着陆舱(第二舱)的第二太阳电池阵输出功率大于两舱负载总需求但小于或等于两舱负载总需求加蓄电池充电功率需求，则在为两舱负载供电的同时通过舱间电缆为上升舱(第一舱)的蓄电池组充电；如着陆舱(第二舱)太阳电池阵输出功率大于两舱负载总需求和蓄电池组充电功率需求，则通过第二充电分流调节模块进行分流后再为两舱所有负载供电和为蓄电池充电。

2)阴影期：

阴影期探测器由上升舱(第一舱)的蓄电池组供电，供电示意图如图4所示，。蓄电池组输出功率分为4部分：一部分直接为上升舱(第一舱)的不调节母线负载1～m供电；一部分通过放电调节模块为上升舱(第一舱)的全调节母线负载1～n供电；一部分通过舱间电缆为着陆舱(第二舱)不调节母线负载1’～m’供电；一部分经过放电调节模块后通过舱间电缆为着陆舱(第二舱)的全调节母线负载1’～n’供电。

步骤2，月球探测器在月面、舱分离前，上升舱(第一舱)与着陆舱(第二舱)通过舱间电缆进行联合供电，具体供电内容同步骤2。月球探测器在月面起飞前，上升舱(第一舱)与着陆舱(第二舱)分离，着陆舱(第二舱)在月面继续工作，上升舱(第一舱)离开月面，供电方式为单舱体工作模式。

分离后着陆舱(第二舱)只要求能够在月昼工作(即第二太阳电池阵发电时工作)。着陆舱(第二舱)供电示意图如图6所示，具体供电内容如下：

1)光照期，着陆舱(第二舱)的第二太阳电池阵输出功率为着陆舱(第二舱)的全调节母线负载1’～n’和不调节母线负载1’～m’供电；如太阳电池阵输出功率大于负载总需求，则通过第二充电分流调节模块进行分流后再为着陆舱(第二舱)的全调节母线负载1’～n’和不调节母线负载1’～m’供电。

2)阴影期，由于着陆舱(第二舱)无蓄电池组，着陆舱(第二舱)不工作。

上升舱(第一舱)运行至指定轨道后，上升舱(第一舱)的第一太阳电池阵展开，上升舱(第一舱)构成自身的太阳电池阵与蓄电池组联合供电模式。上升舱(第一舱)供电示意图如图5所示，具体供电内容如下：

3)光照期，上升舱(第一舱)的第一太阳电池阵作为供电源，其输出功率为上升舱(第一舱)全调节母线负载1～n和不调节母线负载1～m供电，如太阳电池阵输出功率大于负载总需求但小于或等于上升舱负载总需求加蓄电池充电功率需求，则为上升舱的所有负载供电的同时为上升舱(第一舱)的蓄电池组充电；如太阳电池阵输出功率大于上升舱负载总需求和蓄电池组充电功率需求，则通过第一充电分流调节模块进行分流后再为上升舱(第一舱)全调节母线负载1～n和不调节母线负载1～m供电，以及为蓄电池组充电。

4)阴影期，上升舱(第一舱)的蓄电池组作为电源，输出功率分为2部分：一部分直接为上升舱(第一舱)的不调节母线负载1～m供电；一部分通过放电调节模块为上升舱(第一舱)的全调节母线负载1～n供电。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种双舱组合式航天器联合供电***，其特征在于，包括：上升舱电源***和着陆舱电源***；其中，上升舱电源***包括：第一太阳电池阵、第一充电分流调节模块、放电调节模块和蓄电池组；着陆舱电源***包括：第二太阳电池阵和第二充电分流调节模块；双舱组合式航天器联合供电***的供电对象为航天器中各个负载，其中负载包括：上升舱的全调节母线负载和不调节母线负载，以及着陆舱的全调节母线负载和不调节母线负载；

连接关系为：

第一太阳电池阵的正端引出线为第一全调节母线，负端引出线为第一供电回线；第一充电分流调节模块和上升舱的全调节母线负载分别串接在第一全调节母线与第一供电回线之间；蓄电池组的正端引出线为第一不调节母线，蓄电池组的负端引出线与第一供电回线连接，上升舱的不调节母线负载分别串接在第一不调节母线与第一供电回线之间；放电调节模块串接在第一全调节母线与蓄电池正端之间，对蓄电池输出到第一全调节母线上的电流进行调节；

第二太阳电池阵的正端引出线为第二全调节母线，负端引出线为第二供电回线；第二充电分流调节模块的正端引出线为第二不调节母线，负端与第二供电回线连接；着陆舱的全调节母线负载分别串接在第二全调节母线与第二供电回线之间，着陆舱的不调节母线负载分别串接在第二不调节母线与第二供电回线之间；

第一全调节母线和第二全调节母线之间通过全调节母线供电电缆连接；第一不调节母线和第二不调节母线之间通过不全调节母线供电电缆连接；第一供电回线电缆和第二供电回线电缆之间通过回线电缆连接，且全调节母线供电电缆、不全调节母线供电电缆和回线电缆组成双舱组合式航天器的舱间电缆；

其中，第一充电分流调节模块用于消耗第一全调节母线和第一不调节母线上的多余电流，为上升舱的所有负载提供符合负载要求的电流和为蓄电池组提供符合充电电动率需求的电流；

在组合工作模式下，第二充电分流调节模块用于消耗舱间电缆、第二全调节母线和第二不调节母线上的多余电流，为两舱所有负载提供符合负载要求的电流和为蓄电池组提供符合充电电动率需求的电流；

在单独工作模式下，第二充电分流调节模块用于消耗第二全调节母线和第二不调节母线上的多余电流，为着陆舱的所有负载提供符合负载要求的电流。

2.一种基于权利要求1所述的供电***的供电方法，其特征在于，包括：

步骤1，双舱组合式航天器从发射至月面工作段，以及在月面且双舱分离前供电方式为组合工作模式，该组合体工作模式的具体内容为：

1)光照期：

上升舱的第一太阳电池阵不工作，着陆舱的第二太阳电池阵加上升舱的蓄电池组构成联合供电模式，即第二太阳电池阵输出功率分为2部分：一部分为着陆舱的全调节母线负载和不调节母线负载供电；一部分通过全调节母线供电电缆和不全调节母线供电电缆分别为上升舱的全调节母线负载和不调节母线负载供电；

若着陆舱的第二太阳电池阵输出功率大于两舱所有负载总需求但小于或等于两舱所有负载总需求加蓄电池组充电功率需求，则在为两舱所有负载供电的同时通过舱间电缆为蓄电池组充电；若着陆舱的第二太阳电池阵输出功率大于两舱所有负载总需求和蓄电池组充电功率需求，则通过第二充电分流调节模块进行分流后再为两舱所有负载供电和蓄电池组充电；

2)阴影期：

上升舱的第一太阳电池阵和着陆舱的第二太阳电池阵均不工作，探测器由上升舱的蓄电池组供电，即蓄电池组输出功率分为4部分：一部分为上升舱的不调节母线负载供电；一部分通过放电调节模块后为上升舱的全调节母线负载供电；一部分通过不全调节母线电缆为着陆舱的不调节母线负载供电；一部分通过全调节母线电缆为着陆舱的全调节母线负载供电；

步骤2，双舱组合式航天器的上升舱与着陆舱分离后，着陆舱在月面继续工作，上升舱离开月面，供电方式为单舱体工作模式，该单舱体工作模式的具体内容为：

(1)着陆舱：

光照期，第二太阳电池阵输出功率为着陆舱的全调节母线负载和不调节母线负载供电；若第二太阳电池阵输出功率大于着陆舱所有负载总需求，则通过第二充电分流调节模块进行分流后再为着陆舱的全调节母线负载和不调节母线负载供电；

阴影期，着陆舱不工作；

(2)上升舱运行至指定轨道后，第一太阳电池阵展开，构成第一太阳电池阵与蓄电池组联合供电模式，具体供电内容如下：

光照期，第一太阳电池阵作为供电源，其输出功率为上升舱的全调节母线负载和不调节母线负载供电，若太阳电池阵输出功率大于上升舱负载总需求但小于或等于上升舱负载总需求加蓄电池组充电功率需求，则为上升舱所有负载供电的同时为蓄电池组充电；若太阳电池阵输出功率大于上升舱负载总需求和蓄电池组充电功率需求，则通过第一充电分流调节模块进行分流后再为上升舱所有负载供电的同时为蓄电池组充电；

阴影期，上升舱的蓄电池组作为电源，输出功率分为2部分：一部分直接为上升舱的不调节母线负载供电；一部分通过放电调节模块为上升舱的全调节母线负载供电。