吸吸吸…吸陽光？揭秘航天器的“能量之翼”

你是否也對航天器上大大的“翅膀”感到好奇呢？這些“翅膀”是空間站動(dòng)力和能源的主要提供裝置，今天就讓我們深入探索一下這些“翅膀”的秘密！

航天器的能量之翼：太陽能電池陣

問天實(shí)驗(yàn)艙上的太陽能帆板

航天器的“翅膀”上布滿了太陽能電池，學(xué)名叫做“太陽能電池陣”。太陽能電池陣的工作原理與一般的太陽能收集器相似，都能夠收集太陽能并將其轉(zhuǎn)化為電能。然而，僅僅實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換還不足以支撐航天器在嚴(yán)苛的太空環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，其關(guān)鍵在于如何高效且持續(xù)地獲取太陽能。

航天器上的太陽能帆板與一般太陽能收集器最大的不同，就是它能夠像向日葵一樣，始終面向太陽。憑借精準(zhǔn)的對日定向技術(shù)，太陽能電池陣可實(shí)時(shí)調(diào)整角度，確保最大限度地沐浴在陽光之下，從而吸收足夠的陽光，并為航天器提供充足的能量。這部分電能不僅為航天器的實(shí)時(shí)運(yùn)行提供動(dòng)力，更能為電池進(jìn)行充電儲能。一旦航天器步入太陽光線無法企及的軌道陰影區(qū)域，此前默默蓄力的燃料電池便能接力，為航天器運(yùn)行供應(yīng)穩(wěn)定可靠的電能，確保各類儀器設(shè)備有條不紊地運(yùn)轉(zhuǎn)。憑借太陽能板與燃料電池的協(xié)同配合，巧妙化解太空環(huán)境中光照交替帶來的能源供應(yīng)難題。

太陽能電池陣發(fā)展軌跡

那么為什么航天器在執(zhí)行任務(wù)時(shí)不直接采用電池，反而采用太陽能帆板+電池的配置呢？這是因?yàn)樘柲芟啾入姵啬軌虺掷m(xù)提供電能。所以，航天器在執(zhí)行太空任務(wù)時(shí)會根據(jù)時(shí)間長短選擇合適的能源供給系統(tǒng)。時(shí)間長的任務(wù)更適合太陽能電池板，時(shí)間短的任務(wù)更適合電池（含燃料電池）。所以當(dāng)任務(wù)時(shí)間較長時(shí)，比如空間站，太陽能當(dāng)然是不二之選。但如果任務(wù)時(shí)間較短，比如阿波羅飛船，就沒必要用太陽能。

太陽能帆板的折展機(jī)構(gòu)

另外，我們不難發(fā)現(xiàn)，在有限的發(fā)射重量約束條件下，要保障大功率負(fù)載長時(shí)間正常運(yùn)轉(zhuǎn)，太陽能電池是最為合理的選擇。在航天器的不同飛行階段，太陽能帆板的狀態(tài)會有所轉(zhuǎn)換。在升空階段，為避免迎面空氣動(dòng)力流的影響，帆板折疊收藏在整流罩內(nèi)；進(jìn)入軌道后，它們則展開為航天器提供電力。

在眾多能源方式中，太陽能是一種相對容易獲取且可持續(xù)的能源，在太空環(huán)境中太陽能源源不斷，只要太陽能帆板可以正常工作就能持續(xù)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。

并且從整個(gè)航天系統(tǒng)的綜合考量來看，雖然可展開太陽能帆板存在如展開過程有風(fēng)險(xiǎn)等問題，但通過配備備份系統(tǒng)、給爆炸螺栓設(shè)置多重保險(xiǎn)、多道引信等保障措施就能降低風(fēng)險(xiǎn)，提高其使用的可靠性為衛(wèi)星等航天器穩(wěn)定運(yùn)行提供有力的能源保障。

“自旋”穩(wěn)定模式下的衛(wèi)星

目前，有的航天器是“自旋”穩(wěn)定模式，表面貼著太陽能電池板。雖然其太陽能帆板利用率低且有最大輸出功率限制，但相對簡單，危險(xiǎn)性小甚至無危險(xiǎn)，能滿足小型衛(wèi)星的用電需求。

隨著航天器的持續(xù)發(fā)展，電能消耗不斷攀升，對衛(wèi)星質(zhì)量利用率的要求也在隨之提高。而且，隨著太空探索任務(wù)的日益復(fù)雜和多樣化，對航天器的能源供應(yīng)穩(wěn)定性和可靠性也提出了更高的要求。未來，為了給航天器提供更多電能，在太陽能帆板的設(shè)計(jì)上可能會有新的突破。比如，設(shè)計(jì)可自旋展開的太陽能帆板，利用其能展開成平面的優(yōu)勢，在航天器入軌后為航天器提供更加充足的電能。

航天技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的雙重引擎

航天太陽能帆板在材料科學(xué)、光電轉(zhuǎn)換機(jī)理和系統(tǒng)集成等方面的技術(shù)，為地面光伏技術(shù)提供了跨界啟迪。例如，新型半導(dǎo)體材料的研發(fā)、多結(jié)電池結(jié)構(gòu)的應(yīng)用以及智能微電網(wǎng)和能量存儲管理的經(jīng)驗(yàn)等。這些都有助于推動(dòng)地面光伏產(chǎn)業(yè)向高效、柔性和多功能集成的方向轉(zhuǎn)型。這將拓展太陽能在建筑一體化、交通能源補(bǔ)給和離網(wǎng)能源系統(tǒng)等領(lǐng)域的市場份額，促進(jìn)應(yīng)用模式的創(chuàng)新。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，太陽能帆板有望在提升航天器性能方面取得更大突破，例如更高的光電轉(zhuǎn)換效率、更輕的重量和更強(qiáng)的抗輻射能力等。太陽能帆板將繼續(xù)助力中國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，為人類探索宇宙的征程貢獻(xiàn)更多力量。

部分信息來源于：知網(wǎng)、光明網(wǎng)等

（科學(xué)性審核：劉勇，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員）