• 浩瀚星空知几许?空间站时代,电从何而来?舱内外用线缆有多牛?
    线缆企业动态 2022-08-08

2021年4月29日,搭载空间站天和核心舱的长征五号B遥二运载火箭从中国文昌航天发射场点火升空,发射任务取得圆满成功。

2022年5月10日,天舟四号货运飞船在长征七号运载火箭的托举下,从文昌航天发射场顺利升空,并与空间站组合体完成自主快速交会对接,正式拉开了“天宫”空间站建造阶段的序幕。

2022年7月24日,搭载问天实验舱的长征五号B遥三运载火箭,在我国文昌航天发射场准时点火发射,约495秒后,问天实验舱与火箭成功分离并进入预定轨道,发射取得圆满成功。



根据任务安排,中国将在今年完成空间站的在轨建造,10月发射空间站梦天实验舱。届时,空间站的3个舱段将形成“T”字基本构型,完成中国空间站的在轨建造。


振“翅”高飞,向太阳“要电”


空间站如此庞大的系统,当然离不开强有力的电力保障。据了解,空间站的电源系统包含两对“翅膀”——单翼翼展约30米的柔性太阳翼。它们与双轴对日定向机构、高效能锂离子电池等一起,构成了空间站先进、强大的电源系统。这个系统能够为空间站提供可靠、充足的不间断供电。此外,空间站采用电推进技术作为空间站轨道维持的动力装置,这能够显著降低空间站运行期间的推进剂补给需求。



“目前,地面上太阳能光伏发电,太阳能到电能的转化率一般在百分之十几左右。空间站使用最新研发的太阳能光伏发电系统,转化效率可达30%以上。”周建平说。

天和核心舱首次采用了大面积可展收柔性太阳翼,其双翼展开面积可达134平方米。这是我国首次采用柔性太阳翼作为航天器的能量来源。

而问天实验舱所携带的太阳翼,是目前国内最长最大的柔性太阳翼,刷新了我国航天器在轨使用太阳帆板的纪录。与核心舱太阳翼相比,问天实验舱太阳翼还实现了轴向和径向双自由度的对日定向,能始终以“向日葵”的姿势朝向太阳。

据介绍,问天实验舱太阳翼单翼展开阵面加上一些安装结构,长度接近28米,两个太阳翼全部展开将近56米,比空间站三个舱组合在一起的舱体尺寸还要大,且一个太阳翼阵面面积可达100多平方米,将有效收集更多的太阳能,为空间站运行提供充足的能源。

与传统刚性、半刚性的太阳电池翼相比,柔性翼全部收拢后只有一本书的厚度,仅为刚性太阳翼的1/15,同时,展开面积大、功率重量比高,单翼即可为空间站提供9kW的电能,在满足舱内所有设备正常运转的同时,也完全可以保证航天员在空间站中的日常生活。

太阳翼作为中国空间站最大的舱外产品,要面对的空间环境极其恶劣,除了需要经历88000次±100℃的高低温循环外,还要经受低轨环境中原子氧、等离子体、紫外辐照、电离辐照等多种空间环境的考验。值得一提的是,目前我国太阳翼在轨具备的重复展收技术、整体更换技术、柔性电缆传输技术都已接近并超越国际空间站的太阳电池翼的技术体系。


“并”肩而行,家人来“送电”


面临太阳电池翼被遮挡、自身不能发电的情况,神舟飞船该如何熬过大面积遮挡周期?“整个空间站系统,电源的能量是可以互相传动的,神舟飞船可以接受来自核心舱的并网供电。这个并网供电的源头很多,可以来自核心舱,可以来自货运飞船,也可以来自实验舱。”航天科技集团八院电源分系统副主任设计师唐筱介绍道。

“空间站工程是一个大系统:核心舱+实验舱+神舟飞船+货运飞船,我们需要确保整个系统的正常能源供给。”据811所载人航天型号副指挥王娜透露,多舱体并网供电,旨在满足空间站工程不同阶段的能源需求。

在这个大系统内,空间站家族成员们组成了和谐灵活的“供电大联盟”。其中,采用高压电源系统的核心舱和货运飞船可以实现双向并网供电。考虑到货运飞船容易受到空间站其他组合体的遮挡,也为了应对未来空间站可能会出现的极个别特殊情况,货运飞船和空间站采用双向并网供电,核心舱可以为货运飞船提供最高2000W的供电,货运飞船也能为核心舱提供1000W左右的电力。

而神舟飞船为了确保航天员的安全,采用了低压电源系统,因此作为受电端,与空间站采用单向并网供电模式,根据其与核心舱对接口的位置,最大可达1400W。


电缆网:搭建空中的“生命通道”


环境控制与生命保障系统作为空间站天和核心舱非常重要又相当复杂的分系统,直接关系到航天员的身体健康和生命安全以及居住空间站的时间长短和任务完成情况。航天科技集团公司九院693厂提供的环控生保分系统电缆网产品,如同天和核心舱分系统的“交通枢纽”,确保各子系统之间控制指令、信息传递畅通无阻,为“天和核心舱”宜居环境打通“绿色通道”。

在环境控制与生命保障分系统中,电解制氧装置子系统电缆网通过信号传输,确保电解制氧装置正常运转,各项指令精准、高效传达,为天和核心舱内供应氧气、去除二氧化碳,使宇航员在太空生活得到生命保障;微量气体检测装置子系统、大小便收集装置、微量有害气体去除子系统、尿处理子系统、水处理子系统等配套电缆网,则如同铺设的一条条“高速公路”,确保核心舱生活设施正常运转,满足航天员在空间站的正常生理活动。

此外,在空间站建设任务中,航天员在天和核心舱、问天实验舱、天舟货运飞船所使用的舱外服脐带电缆、背包电缆、脐带转接装置、舱载电缆等,承担着宇航员与核心舱、实验舱和飞船保持顺畅联系的重要使命,被称为宇航员与空间站之间的“生命通道”。而躯干电缆网、挂包电缆网等也作为舱外服的重要组成部分,保证了舱外服各单机产品间的供电和信号传输。


空间站舱内外用线缆该如何选型?


空间站属于航天飞行器的一种,空间站舱内外用线缆应满足航天器线缆的基本要求。空间站舱外用线缆需满足空间站在近地轨道运行中对线缆承载功率、温度、机械性能、化学、空间环境等方面的要求;而空间站舱内属于封闭结构,其对线缆的性能要求等同于压力舱对线缆的性能要求,并且不能产生对人身及舱内设备有害的气体。


表 常用航天含氟聚合物和聚酰亚胺绝缘线缆产品的主要性能对比


功率方面

AF-250A,AF46-200、AFk-250,CX55系列、FF47系列线缆绝缘均具有出色的绝缘性能,线缆耐压等级高,能够满足空间站日益增长的对线缆电压和载流功率的需求,其中CX55系列、FF47系列线缆耐压高达2.5kV,绝缘性能更加优异。


温度方面

空间站所运行的近地轨道上温度范围为-65~120℃,舱内温度范围为15~25 ℃,AF-250A,AF46-200、AFk-250,CX55系列、FF47系列线缆均能满足使用温度要求;从空间站冷热交变状态角度出发,CX55系列与FF47系列具有一定的优势。


机械性能方面

相较于其它几种线缆,CX55系列线缆在机械性能上具有突出优势,绝缘拉伸强度、耐磨性和耐切割性能均较优。


重量方面

相较于其它几种线缆,FF47系列线缆的绝缘密度具有突出优势,线缆重量明显更轻。


化学、空间环境方面

CX55系列、FF47系列线缆相较于AF-250A,AF46-200,AFk-250系列线缆具有更优的耐辐射性,其中CX55系列线缆耐辐射性最优。

由于航空航天线缆绝缘材料以氟化物为主,线缆存在氟化物析出问题,研究表明,氟化物气体在密闭的空间环境下当浓度达到一定值时会对周围元器件造成腐蚀和污染,并且会损害人体健康,空间站舱内属于密闭空间,因此在线缆选型上还应保证氟化物析出量不会对空间站元器件以及航天员产生危害。

CX55系列线缆在使用过程中氟化物析出问题较为严重,不能满足空间站舱内使用要求;CX55系列扩展规格CX55LF系列线缆具有较低的氟化物析出水平,尚能满足空间站舱内使用要求;FF47系列线缆在使用过程中不存在氟化物析出问题,完全满足空间站舱内使用要求。


据中国载人航天工程办公室最新消息,神舟十四号航天员乘组已于2022年7月25日10时03分成功开启问天实验舱舱门,顺利进入问天实验舱。这是中国航天员首次在轨进入科学实验舱。



浩瀚星空知几许?

无问斗转星移,长河变幻。

寄蜉蝣于天地,渺沧海之一粟。

探天地之苍茫,知寰宇之无穷。

路漫漫其修远兮,吾将上下而求索!


“空间站的神圣使命是,成为太空中的中国国家实验室,支持科学家从事前沿科学探索、空间技术研究和空间资源的开发和利用。最终目的是为全人类造福。”中国载人航天工程总设计师周建平曾这样说。

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