小卫星技术介绍系列文章

卫星供血“心脏”电源系统（五）

小卫星已经具备较为成熟的技术体系，以其研制成本低、发射成本低等特点，成为各类有效载荷快速入轨的优先选择。小卫星类型广泛，包括光学遥感卫星、合成孔径雷达（SAR）卫星、通信卫星、空间环境探测卫星以及其他科学探测卫星等，小卫星技术在国计民生、国防安全等领域正逐渐发挥更大作用。

“小卫星技术介绍”系列文章将系统介绍卫星各分系统及相关技术，涵盖电源分系统、综合电子学分系统、有效载荷分系统、姿态和轨道控制分系统、结构分系统、热控分系统、测控和数传分系统、AIT等，多期连载发布，力求从功能组成、技术原理以及发展趋势等方面进行介绍，同时结合航天技术资讯，加深读者对文章的理解。系列文章旨在通过对小卫星各分系统及相关技术专项介绍，帮助读者快速了解小卫星系统组成、基本工作原理和AIT技术环节等，掌握小卫星研制相关的技术通识。

前面文章介绍了卫星电源系统各个组成部分，这些基本能够满足目前卫星对电源系统的需求。但是随着科学技术的发展和时代的变迁，宇航界提出了太阳能发电卫星的重大工程设想，作者也将其归属于电源系统来进行介绍。

1968年，美国科学家彼得-格拉赛提出了空间太阳能电站的概念，这个概念很简单，就是在空间收集太阳能并转化成电能，然后通过无线方式传输到地面使用。这种空间太阳能电站要放到了地球同步轨道上，在此空间电站将与地面保持相对静止，可以实现对地面的定点传输。另外，空间太阳能电力要送到地面，其核心技术是无线能量传输技术，目前是利用微波或者激光，将电力从空间输送到地面，经过一系列处理后送到电网之中。虽然空间太阳能电站的概念很早就提出了，但是目前各国还在研制阶段，还没有在轨工作。

空间太阳能电站目前有两个研究方向。第一种是平台式，也就是直接用平铺开的太阳能电池板接收阳光，这样看起来最方便。不过，电站在地球同步轨道上每天都要相对太阳转一圈，所以电池板也要每天转动360°，以保证它始终面对太阳。而另一方面，对于电力传输的部分来说，它又要一直对着地面上的接收站不动，所以要想实现这样的功能，就需要超大功率的导电转动关节，这会带来非常大的技术难度。

为了避免这个难题，人们想到了第二个方案，这就是聚光型的发电方式，在这一方案中，发电站不动。通过二次反射镜，也就是利用两个巨大的反射镜，把阳光反射到中间，再反射到太阳能电池板上。在这里，只要相对独立的聚光系统跟着太阳转动就行了，而电池板和能量传输系统则保持不动。不过，这么大面积的光学系统在设计上，也是很有难度的。

最近，我国首个空间太阳能电站实验基地在启动，该基地建成后开展的基础性实验和应用研究，将对我国今后建设空间太阳能电站产生重大意义，将来会有太阳能电站卫星为地面提供电能。

空间卫星电源系统发展趋势，除了之前提到的空间太阳能电站外，改进、完善和提高现有空间电源仍然是最重要的方向。空间电源系统的主要的发展方向如下：

1）采用更高效率的多节砷化镓太阳电池替代现有的低效砷化镓电池；

2）采用聚光太阳电池或带反射镜的太阳电池阵，以提高太阳电池阵的功率；

3）发展大面积折叠式太阳电池阵和柔性太阳电池阵，提高太阳电池阵的比功率；

4）发展空间组装技术，由航天飞机将太阳电池阵和其他电源装配分批送至空间站进行组装，以获得超大面积的太阳电池阵和超高功率的电源系统。

5）采用锂离子电容代替锂离子电池，以提高电源系统储能设备的可靠性和寿命；

6）采用人工智能技术，更有效地控制和管理电源系统；

7）采用模块化设计，模块的类型和数量具有灵活性，可根据不同的卫星任务要求，组成功能不同的电源系统；

8）采用数字化控制，提高电源控制设备和电源变换器的控制精度和检测精度，使电源变换器效率提高到90%以上；

9）开发大功率、长寿命核反应堆电源，这方面主要致力于研究和开发布雷登循环、朗肯循环和斯特林循环，作为热电转换装置与核能匹配组成核反应堆动力电源系统。

通过前面的多篇介绍，相信大家已经了解了卫星电源系统的设计和未来发展方向，就是希望卫星的“心脏”能够在天上工作得更稳定、更可靠、更长寿，为卫星的业务运行提供最基础的保障。