卫星能源系统优化设计研究

卫星能源系统优化设计研究

杨湛林，郑贤东，宋俊超，张东杰，周雅琴

上海空间电源研究所，上海， 200245

摘要：在卫星航天工业中，需要不断对卫星系统进行优化，而对卫星能源系统进行有方向性的系统优化设计是一种提高其性能和使用可靠性，减轻卫星重量的一种非常重要的途径。本文以太阳同步轨道卫星为例，对其太阳电池阵和蓄电池等方面的优化设计进行研究，旨在能有助于对卫星能源系统的优化设计方案，并完成降低重量功率比和提高卫星性能的目的。

关键字：卫星能源系统、优化设计研究

一、对卫星能源系统的概述

卫星能源系统是卫星的几大关键系统之一，其承担着帮助卫星的其他分系统和有效载荷提供能源的重要任务，没有能源系统，卫星则没有动力，无法正常运行。所以，卫星对能源系统的性能和可靠性要求非常高。除此之外，卫星能源系统在整个卫星系统中的重量占比相对较大，大约占据整个卫星系统重量的10%~42%，由此则需要对卫星能源系统进行优化设计，使其不仅能够提高性能而且还能降低重量占比。

二、对太阳阵构型优化设计的研究

以太阳距离卫星的距离为主，其与卫星中的太阳阵的距离直接影响着太阳阵使用其内部的太阳能电池获取能量（即为太阳光）的多少 ，所以也间接也间接影响了太阳阵在为卫星提供能源时需要消耗的真实功率以及其算散发温度的高低。由此在设计优化太阳阵构型时，则必须要在轨道的光照程度方面有所考虑。，设计的最基本原则便是要让太阳阵可以最大限度的接受太阳光。最常见的几种太阳阵构型有:体装式太阳阵、固定展开式太阳阵、一个自由度对日定向式太阳阵和两个自由度对日定向式太阳阵。经过分析这几种不听构型的太阳阵发现，体装式和固定式太阳阵的内部结构相对简便，也有着较高的可靠性。可是因为二者不能对太阳进行定向的追踪，所以其对太阳的实际有效接受面积要远远小于下方两种定向式太阳阵。而两种对日定向式太阳阵虽然和前两者相比增大了对太阳的接受面积，但其同时也增加了一些特定组件（例如对太阳实行定位追踪的控制器，为太阳阵提供动力的机构以及对试剂功率起到传输功能的输送器件）这些组件使得其重量与体装式和固定展开式太阳阵相比有所加大，而且对日定向机构的发展并不完善很可能引发可靠性、电磁兼容性和姿态扰乱等一系列问题。所以，最合适的太阳阵构型应该满族可靠性和电磁兼容性功能的前提下，使其有效接受面积最大，重量最轻。通过对一下5种优化设计后的太阳阵构型的研究得出在降交点时的最适太阳阵构型。

（1）90℃固定式太阳阵:太阳阵与轨道平面平行，偏置角α为90℃的一种太阳阵构型。

（2）0℃固定式太阳阵:太阳阵与轨道平面垂直，偏置角α为0℃的一种太阳阵构型。

（3）最佳偏置角α固定式太阳阵:依据卫星在轨道运行时太阳、地球与卫星三者之间的集合角度的关系，建立一个以太阳阵所接收的入射能量为目标函数的优化模型。计算在出轨道面入射角时，太阳阵法线的最佳方向。即称为最佳偏置角α的固定式太阳阵。

（4）一自由度定向式太阳阵（5）两自由度的定向式太阳阵

以太阳阵的重量占比为根本，对上文中的几种太阳阵在最适时间段的使用效率进行分析。假定采用Si电池片、铝蜂窝结构的展开式太阳阵，固定式，一自由度定向式和两自由度定向式太阳阵根据太阳同步轨道光照条件，计算各太阳阵的入射角度。经结果显示，最佳偏置角阿尔法固定式太阳阵，两自由度定向式太阳阵和一自由度定向式太阳阵的设计更为完善，这三者可以说是在降交点的太阳阵构型的最佳选择。

三、对蓄电池组的优化设计研究

在对蓄电池优化设计方面，一般都是改变蓄电池在串联或并联方面的数量，首先要依据卫星能源系统的优化方式构造一个能量在太阳阵中传输的图版，然后计算出能量在某一丁点达到稳定的公式，再求出蓄电池需要的具体功率，从而改变蓄电池在串联或并联时的数量，通过这种方式，可以充分体现轨道在低于地球位置上阴影出现频次高，峰值变化大，功率高的问题。所以，本文着重研究了优化蓄电池组的充电方法和蓄电池组的内部结构。

经过改善设计蓄电池组的充电方式一般有一下两种方法:一种为使用太阳阵通过对主线首先进行充电，而后通过主线再对蓄电池进行独立充电。另一种是用母线将蓄电池组与充电阵进行并联连接，从而对蓄电池进行充电。但如果要比较二者在充电时实际所消耗的功率则使用单独充电的充电阵需要的实际功率要小于没有充电阵的充电方式。

蓄电池的组成一般有三种方式，分别为:串联单体的数目大，蓄电池组电压高于母线电压；串联单体的数目中等，蓄电池组的电压相近于母线电压；串联单体的树木较少，蓄电池组的电压比母线电压低。在对蓄电池进行选择是，一般要以其重量最小化为主要标准，而在具体安装过程中，为了可以最大限度的减轻蓄电池的重量，一般都会使用可以容纳更大电量的单体电池。除此之外，如果单体电池是串联连接且串联的数量不多，那么还能够使内部电池组显得不错乱复杂让内部空间变得井然有序，提升电池组的使用效率。所以，这样的优化设计对小型卫星有着很大的帮助。

四、结束语

综上所述，本文通过对卫星能源系统的概述和优化设计的研究，希望可以有助于卫星能源系统系统设计方案的比较和选择。为卫星航天事业作出贡献。

五、参考文献

[1]乔明；朱立颖；李小飞；杜青，SAR卫星能源系统系统设计与仿真研究{J}.航天器工程，2015，24(2):45-50

[2] 张晓峰，张文佳，郭伟峰，国外SAR卫星能源系统分析与启示{M}.航天器工程，2015，24（3）:107-113

[3]王永谦；胡其正；韩国经；付强，卫星能源系统配置方案的优化设计{M}，中国空间科学技术，1999

[4]韩波，陈琦，崔晓婷；航天器电源系统{M}，北京，中国宇宙出版社，2010