日前,嫦娥五號探測器發射成功,開啟了我國首次地外天體採樣返回之旅。12月1日23時許,嫦娥五號探測器成功著陸在月球正面預選著陸區,成為我國第三個成功實施月面軟著陸的探測器。成功著陸後,著陸器在地面控制下,將正式開始持續約2天的月面工作,採集月球樣品。12月2日4時53分,嫦娥五號著陸器和上升器組合體完成了月球鑽取採樣及封裝。
據了解,嫦娥五號有望實現五項「我國首次」,分別是:地外天體的採樣與封裝,地外天體的起飛,月球軌道交會對接,攜帶樣品高速地球再入,樣品的存儲、分析和研究。承載了如此重的探測任務,嫦娥五號的探測器所需能源超過了中國此前任何一項月球探測、深空探測器,其電源如何保證?
嫦娥五號探測器為四器組合體設計,由著陸器、上升器、軌道器、返回器4個部分組合而成,需要一次性完成「繞、落、回」三個目標,電源系統由電源控制器、鋰離子蓄電池組及太陽電池陣組成,為了確保以最好的性能保障此次任務,電源控制器比功率國內最高、國際領先,鋰離子蓄電池航天應用比能量最高,太陽電池陣面積比功率國內最高,適應多器多飛行階段的多個狀態。
作為探測器電源系統的「大腦」,為解決在嫦娥五號四器飛行過程中能源緊張、重量資源受限的問題,電源控制器經歷了一次從PCU到PCDU的升級。嫦娥五號電源產品主任設計師介紹,從PCU到PCDU,在於從單一功能向多功能的升級。在嫦娥三號、嫦娥四號任務中,電源控制器只包括功率調節模塊,嫦娥五號則集中了功率調節模塊、配電模塊、火工品控制模塊、智能接口單元等幾個功能,是在探月工程的首次應用。
為了提高太陽電池陣發電功率,嫦娥五號太陽電池電路設計為在太陽電池陣的正面確保貼片面積達到最大化。但在探月任務中,太陽電池帆板面積受到嚴重限制,同時,不同於普通衛星,探測器本身的構型決定了帆板的不規則形狀,嫦娥五號的太陽電池帆板有三角形和多邊形等多種形狀。基板面積小,且奇形怪狀,怎麼處理?
一般的衛星型號,研製人員設計太陽電池電路時,僅採用單一尺寸的太陽電池。針對嫦娥五號,研製人員打破常規思路,採用多種尺寸的電池進行混合布片,讓布片效率達到了91%以上,這比常規產品高了5%至10%。
同時,嫦娥五號選擇更高效率的太陽電池,嫦娥三號和嫦娥四號的太陽電池光電轉換效率分別為28.6%和30.84%,嫦娥五號則達到了31%以上。經過努力,嫦娥五號太陽電池板單位面積下的輸出功率不僅在產品研製時,即使在現在,都是中國國內最高水平。
「比能量」是鋰離子蓄電池的重要性能指標之一,數值越高,單位體積或重量可以存儲的能量越多。嫦娥五號鋰離子蓄電池主管設計師介紹,研製人員將嫦娥五號相關產品的蓄電池重量「比能量」提高至195Wh/kg(瓦時每千克)。這個數值,是目前航天用鋰離子蓄電池「比能量」的最高值。
按照嫦娥五號的工作模式,在抵達月球軌道後,著陸器和上升器的組合體與軌道器和返回器的組合體分離,著陸器和上升器落到月球表面,開展月面採集樣本工作。充分考慮到此次月面執行任務的時間及電源產品的工作模式後,按照總體的方案,研製人員在著陸器和上升器組合體的能源設計上做了優化。
著陸器的電源產品包括太陽電池陣和電源控制器,上升器的電源產品包括太陽電池陣、電源控制器以及鋰離子蓄電池。分離之前,在飛行階段和月面階段光照期,著陸器的太陽電池電路承擔起了為組合體供電的責任;而當組合體在月面階段分離後,上升器迅速轉換角色,由太陽電池電路在光照期為自身供電。而在非光照期,著陸器和上升器共用一組鋰離子蓄電池,由該蓄電池為組合體提供電源。
此外,嫦娥五號是在凌晨升空發射的,這也與蓄電池容量有關。太空飛行器蓄電池容量有限,嫦娥五號在太空長途飛行,必須要有太陽的光照。選擇凌晨發射升空,當嫦娥五號飛到數萬公裡後,蓄電池就可以通過最大的光照夾角,獲得源源不斷的太陽能。
中國的探月工程計劃,經過10年的醞釀,最終確定分為「繞」「落」「回」3個階段:第一階段「繞」:發射探月衛星「嫦娥一號」、後來又發射了」嫦娥二號「,對月球表面環境、地貌、地形、地質構造與物理場進行探測;第二階段「落」:發射了「嫦娥三號」、 「嫦娥四號」,以軟著陸的方式降落在月球上進行探測;第三階段「回」:發射「嫦娥五號」,目標是月面巡視勘察與採樣返回。
而此次嫦娥五號探測器的成功發射與落月,即是第三階段「回」的重要步驟。這段工程的結束,將使我國航天技術邁上一個新的臺階。