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天和上那對昂貴的“翅膀”
  新華網 ( 2021-07-30 06:30:19 ) 來源: 《環球》雜志
 

    太陽翼是航天器主要的發電設備,太陽翼展開到位是航天器發射成功的重要判斷依據之一。

徐鳴

  最近,中國空間站成功運行吸引了全世界的目光。其中,天和核心艙的“翅膀”引發國內外廣泛關注,這是中國首次採用柔性太陽翼作為航天器的能量來源。什麼是太陽翼?你知道這對“翅膀”耗資上億元嗎?

  通常,太陽翼由多塊太陽電池板(基板、太陽電池等)、展開機構以及讓太陽翼旋轉的環節等組成,發電原理是光伏效應。今天,地面光伏産品已經可以做到價格很實惠了,太陽翼咋還這麼貴呢?

  這是因為太陽翼暴露在太空環境中,需要一直正對著太陽,高低溫差可達290℃。此外,太空還存在質子、電子輻射以及全譜段紫外線輻照,這些輻照環境會讓材料變性、發黑、老化等,使太陽翼供電性能下降。地面光伏産品通常採用的是單晶硅、多晶硅電池等,其材料以及制備工藝都很難滿足太陽翼如此苛刻的空間環境需求。

  為了應對復雜的太空環境,當前大部分太陽翼都採用轉換效率高、抗輻照性能好的三結砷化鎵電池,其原材料主要為鍺、銀、金等貴金屬,價格也就格外昂貴,一片8平方厘米的三結砷化鎵電池大概需要1000元。天和核心艙的“雙翼”有134平方米,可以大概估算這對“翅膀”耗費上億元。

  太陽翼是航天器主要的發電設備,太陽翼展開到位是航天器發射成功的重要判斷依據之一。所以你會看到,電視直播裏當説到某航天器的太陽翼展開正常時,發射大廳裏的工作人員會熱烈鼓掌。

  實際上,太陽翼經歷了漫長的進化過程。1958年,美國成功發射的先鋒1號衛星,太陽陣總功率大概才1瓦,到1998年,國際空間站的單翼功率約30千瓦。從幾瓦到幾萬瓦,是什麼概念呢?前者僅能勉強點亮一個LED燈泡,後者可以支持30個烤箱同時工作。當然,功率需求猛增的同時也對太陽翼提出了結構剛度更高、質量更小的要求。

  通俗地説,根據承載電池片的“板子”(基板),可以把太陽翼分成剛性、半剛性和柔性太陽翼三類。剛性可以理解為“硬”,不易發生變形。剛性太陽翼由于“板子”比較厚,整體“塊頭”就比較大,會影響航天器的正常發射,半剛性太陽翼也類似,因此就催生了體積可大幅縮小的柔性太陽翼。

  柔性太陽翼一般採用不到1毫米厚的柔性薄膜結構作為“板子”,收攏體積更小,質量更小,因此,天和核心艙的“雙翼”展開有134平方米,收攏後僅為一本書的厚度。

  得益于航天技術和材料的進步,太陽翼研制成本目前已得到有效控制。中國太陽翼的自研起步相對較晚,始于上世紀70年代,但發展十分迅速。此外,商業航天企業的入局將有助于進一步降低産品成本,推動太陽翼制造技術及性能提高。

  在過去兩年時間裏,一些商業航天企業也在對太陽翼進行一係列低成本批産的探索,比如,採用高轉換效率三結砷化鎵太陽電池片及輕質碳纖維面板的組合,以實現太陽翼的低成本化。在平板衛星的研發中,為了實現一箭多星發射目標,最大化壓縮整星收攏厚度,一些企業也試圖採用先進的柔性太陽翼方案。

  今天,中國已發射的柔性太陽翼的航天器僅有天和核心艙一例,而商業航天衛星使用柔性太陽翼,將是一次有意義的嘗試,希望可以使昂貴的“翅膀”變得更好用且便宜。

來源:2021年7月28日出版的《環球》雜志 第15期

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