航天器大功率固态配电关键技术研究

大功率固态配电需要解决在开关过程中电压变化率和电流变化率较高的问题,抑制在短路保护过程中功率管漏极和源极存在的振荡和高电压应力。采用“慢开通,慢关断”的控制方式,降低了开通和关断过程中的电压和电流变化率。通过降低关断过程中电流变化率和增大振荡回路阻尼的方法,抑制了短路保护关断过程中功率管漏源电压应力和振荡。在此基础上,研制了160 V/200 A固态配电样机,实验验证表明所采用的方法是有效的。该方法提高了大功率负载的配电可靠性,可为大功率固态配电在航天领域的应用提供参考。

猎户座飞船电源系统设计特点及启示

针对登月飞船电源系统在功率密度、承载性、安全性、可靠性等方面的更高要求,调研了美国猎户座飞船电源系统总体方案,发电、控制、储能等功能产品详细方案,以及部分地面测试和在轨飞行情况。对猎户座飞船电源系统供配电架构、冗余度及可靠性设计、电池类产品安全性设计、结构机构类产品承载性设计等进行分析,梳理出登月飞船电源系统研制过程中需重点关注的问题及建议,可为中国该类飞船电源系统研制提供技术参考。

航天器多端口电源控制器拓扑推演和优化方法综述

电源控制器需要完成输入、储能和输出端口功率之间的控制,随着更多不同类型能源接口的加入,具有高功率密度、高效率和其他高性能的多端口变换器成为电源控制器的理想解决方案,其拓扑是实现航天器供配电功能的重要基础。文章针对航天器多端口电源控制器拓扑结构电路应用和任务专项需求,对多种拓扑推演方法和拓扑主要性能优化措施进行详细的调研和总结;在此基础上提出拓扑结构设计重点发展方向,例如归一化的拓扑推演流程、完善的电路拓扑性能优化方法和基于总体角度的电源控制器设计思路。上述研究结果可为更远距离空间探测、更大规模航天器供配电系统建造和航天任务中新型能源管理设计提供参考。

基于感应耦合式无线能量传输的微纳聚合体航天器电源系统设计与验证

微纳聚合体航天器是一种以机械或电磁锁紧机构实现各模块化基本单元航天器连接的新型航天器架构,可以灵活实现在轨组装与自重构以满足不同任务需求。但是,基于传统电连接器的电气互联方式无法适应模块化航天器间灵活交汇对接与快速分离需求。针对上述问题,文章建立了基于感应耦合式双向无线能量传输的微纳聚合体航天器电源系统架构,根据地面演示验证需求分别设计了能源核航天器和载荷任务航天器电源系统参数,然后根据各模块化航天器间非接触供电需求,设计了双向无线能量传输单元参数,最后通过地面演示试验验证了基于双向无线能量传输的微纳聚合体航天器电源系统架构可行性,单级无线能量传输功率在20W~30W时传输效率稳定在75.8%以上,通过效率优化提升至95%以上,将可实现四个基本单元航天器的多级功率传输。

国外航天器电源与供配电标准体系综述

建设完备的航天器电源与供配电标准体系是提升航天器电源与供配电系统设计正确、确保卫星能源安全可靠的重要工具。本文通过研究欧洲空间标准化合作组织ECSS(European Cooperation for Space Standardization)、美国宇航局NASA(National Aeronautics and Space Administration)、日本宇宙航空研究开发机构JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency)、国际标准化组织ISO(International Standard Organization)和美国航空航天学会AIAA(American Institute of Aeronautics and Astronautics)等国外组织出版的电源与供配电系统标准,分析各自标准专业的侧重点,综述国外标准所包含的内容,总结各组织的标准体系,并结合我国的实际情况,提出了航天器电源与供配电标准体系建议和参考。

基于时空自注意力的航天器电源系统故障诊断

航天器电源系统是航天器关键子系统之一,其运行状态直接影响整个航天器系统的寿命和性能,因此采用先进的技术对电源系统进行故障诊断,以此提高航天器在轨可靠性和安全性成为目前故障诊断领域的研究重点。基于深度学习的方法具有拟合能力强、特征提取丰富等优势,成为故障诊断领域的主流方法。然而,在航天器电源系统故障诊断领域,主流的故障诊断方法无法捕获序列的长期依赖关系且局限于时间维度建模,严重影响故障诊断方法的性能。因此,本文提出一种基于时空自注意力机制的方法,对航天器电源系统进行高效准确的故障诊断。方法采用基于Transformer的编码器结构提取空间航天器遥测数据中的高维特征,并对其中的自注意力机制进行优化,采用时间卷积提取处理时序特征信息,并采用时间、空间双向自注意力机制提取数据中的时空特征,然后对模型提取的特征进行映射得到空间航天器故障诊断结果。最后在航空电源系统数据集上开展相关实验。实验结果表明与目前故障诊断领域常用的方法进行相比,所提方法具有更强的故障表征提取能力,可有效提高航天器电源系统故障诊断能力。

一种航天器高精度模拟式固态功率控制器设计

为了满足新一代航天器模块化、智能化和小型化的配电要求,设计一种高精度模拟式固态功率控制器(SSPC),用较少的硬件电路实现了反时限过流保护电路的高精度拟合,同时兼具小型化和高性价比的特点。仿真与实物验证结果表明:采用文章设计的SSPC,反时限过流保护精度在5%以内,具有较高的工程应用价值。

航天器新型固态配电技术研究

为了满足航天器电功率不断增加及对可靠性提高的需求,基于固态配电和计算机综合管理技术,设计了关键器件固态功率控制器和配电中心原理样机。各种状态的试验结果表明固态配电技术可以为电源系统提供更全面的保护功能,可以减轻配电系统的体积和重量,实现电源系统高度自主运行。配电中心为航天器的健康管理提供大量的有用信息,大大提高了航天器的可靠性,采用模块化设计技术便于不同型号航天器配电系统的扩展。

一种基于三端口变换器的航天器分布式供电系统

提出一种以三端口变换器(three-port converter,TPC)为基本单元构成的航天器分布式供电系统架构及其功率控制方法。该系统包含多个独立的分布式输入源,分别连接各TPC模块的输入端;而集中式输出母线和储能母线则分别由各TPC模块的储能端和输出端并联连接得到。由于多个输入源之间功率存在差异且单个TPC含有3条功率路径,系统中各条传输路径上的功率难以确定。为了实现每条功率路径可控,提出"在储能装置处于放电状态时平均分配放电电流、在储能装置处于充电状态时按输入功率分配输出端功率"的新型功率控制方法,以保证系统所有工况下均能稳定运行并能够自然切换。实验结果表明了所提出分布式供电系统及其功率控制方法的可行性。

我国交会对接任务中航天器电源设计与应用

我国交会对接任务中,电源分系统实现了目标飞行器电源分系统和载人飞船电源分系统首次高低压两种体制电源分系统的联合应用。目标飞行器电源分系统为国内首个低轨高压电源分系统,突破了低轨高压防护、半刚性太阳电池翼、低轨长寿氢镍电池等关键技术,确定了电源分系统技术方案、解决了低轨高压安全性设计难题,完成了产品研制和试验验证;载人飞船电源分系统为低压电源分系统,以载人航天安全性、可靠性为设计重点,充分试验验证了多种类电源并网、多机组并网等技术。交会对接任务实践证明,电源分系统的供电能力、可靠性等各项功能指标均满足工程及系统总体要求,相关应用技术成果有助于空间站工程研制。

航天器百千瓦级分布式可重构电源系统设计

随着大功率通信卫星、高分辨率SAR卫星、大功率电推进航天器、核动力航天器、大型在轨服务站等对超大功率能源系统需求不断增强,100 kW超大功率电源系统成为未来大功率航天器电源系统的发展趋势。文章结合航天器电源系统研究基础,对100 kW电源系统的高压、大功率、分布式的任务特点进行分析,设计一种分布式可重构电源系统,提出了系统拓扑架构和相应的控制策略,并对高压大功率变换控制技术、多通道能源管理技术、高压大功率元器件技术和系统可靠性、安全性技术进行研究。对文章提出的电源系统进行软件建模和仿真,结果表明:100 kW电源系统拓扑架构和管理控制策略合理可行,系统稳定性较好,鲁棒性强,可为后续大功率航天器电源系统研究和设计提供参考。

航天器供配电系统数字伴飞技术应用研究

基于"数字孪生"概念,提出了航天器供配电数字伴飞系统的概念与功能要点,明确了可行的数字化模型和飞行事件/程序驱动的仿真策略是开展数字伴飞的基础,并提出了航天器供配电数字伴飞系统设计思路。在此基础上,开展了数据驱动的模型动态修正方法和航天器供配电系统飞行状态监视与仿真预示2项关键技术研究。以嫦娥五号(Chang’e-5)月球探测器供配电系统为例,在整器热试验和无线联试中进行测试应用,稳态工况下的关键指标最大误差小于5%,平均误差小于2%,验证了供配电系统数字伴飞技术方案的可行性,对于后续开展航天器系统级多学科数字伴飞仿真验证具有参考作用。

一种航天器间并网供电方案的研究

结合型号实际,对载人运输飞船与对接目标航天器之间的并网供电提出了一种设计方案。分析了并网供电需求及飞船电源系统的现状,初步研究了并网供电系统的组成、拓扑结构、工作原理;提出了并网控制器输出电压的一种计算方法;通过并网控制器与飞船电源系统的并网供电试验对设计方案进行了验证,结果表明此方案可以满足两个航天器间的并网供电要求。

空间电源最大功率跟踪控制仿真分析

随着空间飞行器探测深度的推进,日照和温度变化范围变宽。为使太阳能帆板电源功率输出满足深空探测的需求,需利用最大功率跟踪技术,对空间电源太阳阵的工作点进行调整。但MPPT系统是通过修改MEA的参考基准实现最大功率跟踪,使母线电压跟随基准信号变化,传统的S3R架构控制方法,使最大功率跟踪和母线全调节控制难以融合在一起。为解决上述问题,给出了一种三域(SUN域、BCR域及BDR域)两模式(电流模式及电压模式)的控制方式,在实现MPPT的同时也可实现卫星电源母线的全调节。在使用电导增量法对空间电源中的MPPT变换器模块进行建模及仿真验证基础上,保证单体模型正确后,使用MPPT变换器模型搭建了全调节母线模型,通过仿真分析,验证了改进的MPPT全调节母线控制策略的可行性,为空间电源最大功率跟踪控制的硬件实现奠定了坚实的基础。

采用太阳电池阵和储能飞轮的电源系统设计与分析

飞轮储能装置具有比能量高、寿命长、任务期内无衰减等优点,可替代航天器中传统的化学储能装置。为论证太阳电池阵-储能飞轮电源系统的可行性,本文从航天器总体设计的角度分析了其关键设计要素,论述了其对航天器机、电、热等方面的影响,并给出提高系统可行性的合理化建议,以及针对低轨卫星的太阳电池阵-储能飞轮电源系统的设计举例。通过与传统电源系统的技术指标对比分析,表明太阳电池阵-储能飞轮电源系统具有较高的比功率,并在降低航天器质量、节约发射成本方面具有很大优势,在未来航天器的应用中具有很大的潜力。

一种载人航天器高压供电系统接地方法

采用高压供电是载人航天器供配电方案的选择之一。我国已经开展了高压供电的应用。文章介绍了几种接地方法,通过对国际和国内相关接地要求的研究,以及载人航天器接地系统的分析,提出了"柔性接地"的方案和实施方法,此方法可以同时提高航天器和航天员的安全性。

基于非隔离型Weinberg变换器的放电调节单元分析与应用

文章以高压、大功率的载人航天器电源控制系统放电调节单元为应用背景,分析了非隔离型Weinberg变换器的拓扑特点、工作模态及小信号模型,对采用稳压环和限流环并联控制的环路进行建模、稳定性分析及验证测试。结果表明,基于非隔离型Weinberg变换器的放电调节单元具有良好的电能转换特性,能满足载人航天器电源新型应用的要求。

面向分布式负载的模块化三端口功率系统

面向具有复杂分布式用电负载需求的航天器,提出一种基于三端口变换器(TPC)的供电系统架构及其功率控制策略。该系统以TPC为基本单元,通过将各TPC模块的输入端口和双向功率端口分别并联连接,实现输入能源、储能装置和多个分布式负载之间的供电。针对各分布式负载输出功率不同且单个TPC含有3条功率路径,可能导致系统中各传输路径功率不确定的问题,提出一种混合型系统功率控制策略以实现各模块各功率路径可控及系统功率优化管理,具体而言,即在储能装置充电工况下均衡储能装置的充电电流,在储能装置放电工况下按输出需求分配输入功率。分析和实验表明,系统可以在各工作状态下稳定运行并在各工作状态之间自由切换。

一种变流限压式航天器间并网供电方法

提出一种变流限压式飞行器间并网供电方案,用于实现两个同电压体制飞行器间能量的可控、可靠传输。区别于国际空间站恒压限流式并网供电方案,变流限压式并网供电方法更有利于实现母线电压的稳定控制和能量的有效利用。本文分析了变流限压式并网供电方法的工作原理,通过仿真分析验证了方案的可行性,并通过搭建试验平台对并网供电的正常和极端工况进行测试验证。实验结果表明,变流限压式并网供电方案用于实现两个独立飞行器间功率并网是可行的,并网时母线电压稳定。

固态功率控制器国内外发展现状

航天器的全电化发展对其配电系统提出了更高的要求。固态功率控制器(SSPC)作为集继电器转换功能和断路器保护功能于一体的新型配电与保护执行器件,具有集成化、智能化等诸多优点,是未来航天器用配电器件的必然发展趋势。介绍了SSPC的工作原理,分析了国内外SSPC的发展现状,并对其未来技术发展趋势进行了展望。