21、航天器电力系统：技术、挑战与选择

航天器电力系统：技术、挑战与选择

一、航天器电力系统的起源与发展

1.1 太空时代的开端

1957 年 10 月 4 日，184 磅的人造卫星斯普特尼克一号（Sputnik I）发射升空，它携带银锌原电池作为唯一电源，为两个发射器提供 1 瓦电力，三周后停止广播，并于 1958 年 1 月重返大气层，标志着太空时代的黎明。此后不久，先锋一号（Vanguard I）发射，它是第一颗搭载太阳能电池与二次（可充电）电池的卫星，电池用于在日食期间提供电力。从那时起，人造卫星的复杂性和对电力的需求大幅增加，卫星从科学奇物变成了现代通信、气象、观测、导航、大地测量、国防、娱乐以及科学发现等领域不可或缺的工具。

1.2 卫星发射的增长

自早期以来，卫星发射频率变得平常。过去 40 年全球航天器发射数量不断增长，不仅发射数量增加，卫星尺寸也在增大。如今，虽然现代发射系统能轻松将巨大有效载荷送入轨道，但发射成本仍然很高，通常每千克送入低地球轨道需数千美元。这使得最小化质量和提高系统可靠性变得尤为重要，特别是对于卫星的总线系统。

1.3 太空与地球电力系统的差异

太空作为运行介质具有独特性，与地球电力系统存在显著差异。例如，地球提供方便的接地机制，而太空等离子体接地存在问题；空气提供高效对流冷却，而航天器只能依靠辐射冷却；火是地球上廉价的热能转换为电能的来源，但在太空不可行；水在热管理中普遍使用，但在太空控制废热是严重的设计约束。具体差异如下表所示：
| 属性 | 地面系统 | 太空系统 |
| — | — | — |
| 规模 | 数十到数百兆瓦 | 通常为 1 到 10 千瓦 |
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