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中国空间站太阳翼被暴晒变形?还能用吗?太空环境到底有多恶劣?

2021年8月31日,中国载人航天工程办公室官方发布神舟十二号航天员在轨拍摄的高清大图,不仅有绝美的太空景色,也有航天员个人温暖的小窝,当然还有夜色下的犹如太空港的北京城,航天员这个职业真是太让人羡慕了!

不过细心的朋友一定发现了一个非常明显的异常现象,从2021年4月29日发射的天和号核心舱的太阳能电池,已经被“暴晒变形”,开始卷曲起来,这太空环境到底有多恶劣?太阳能电池寿命究竟多久,还能使用吗?

太阳能电池为何会被暴晒变形?还能使用吗?

从展示的照片来看,长长的太阳能电池中间已经弓了起来,出现了明显的热变形,熟悉不干胶贴的朋友应该都知道,这就是高温或者太阳暴晒下不干胶贴两面收缩比不一致造成的卷曲变形,在胶贴中属于不合格产品,当然超过设计最高温度,比如设计是50W的灯罩贴纸,结果用了100W的灯泡,那么起翘也属于正常现象,毕竟设计100W的灯泡使用环境已经超出了设计指标!

太空不是很冷么,为什么会热变形?

太空给大家印象寒冷、真空和高辐射,《复仇者联盟》中的乌木喉掉入太空,被冻成冰块的经典景象大家一定不会忘记,所以太空寒冷给人的影响尤为深刻。

但是太空真的不冷,而从理论上来看,太空甚至还有点热!中学里我们就学过,温度的本质是粒子的运动,而理想的太空没有粒子,没有温度所需的“载体”,所以它不存在“温度”,不过却没有理想的真空,太空中存在大量高速运动的粒子。

所以太空中具有“很高的温度”,不过却不会“烫伤”人,因为几个粒子对人体造成的伤害还是可以接受的,但人体在太空中却会真的冻伤,因为真空环境下会让机体的水分蒸发带走大量的热,最终结冰,或者因为辐射温度降低也会结冰。

另外更重要的一点是,太空环境下无大气与尘埃遮挡,太阳光暴晒时会达到非常高的温度,超过100℃那是常态,但一旦进入阴影区,由于没有大气保温,温度又能低至-100℃,这个高温差环境让在太空中工作的设备要求极高,要不然在如此高的温差中早就挂了。

太阳能电池是硬板,怎么可能会变形?

我们熟悉的太阳能电池都是硬板结构,难道还经不住100℃的高温,是不是质量太差了?其实完全不是这样,在天宫空间站上用的是柔性太阳能电池。2021年4月29日《中国青年报》报道中中国航天科技集团八院811所专家详解了天宫空间站的太阳能电池:

天宫空间站使用的是柔性砷化镓太阳能电池,和硅材料太阳能电池相比,砷化镓太阳能电池具有更高的光电转换效率,并且它还具有良好的抗辐射新,耐高温性(200℃时硅太阳能电池几乎已经失效,但砷化镓太阳能电池仍能10%的效率继续工作)。

我国使用的三结砷化镓太阳能电池还是第三代柔性电池,这种结构的柔性太阳能电池展开非常方便,功率重量比很高,效率可达30%以上。天宫空间站建成后,其安装的太阳能电池可供电100KW。

核心舱太阳电池翼的另一个特殊功能,是其在轨期间可以整翼拆卸、转移,未来其他模块发射安装后一旦发生遮挡,那么可以将其转移到么看有遮挡的区域。

因此这种薄膜的太阳能电池在展开后会存在一定的变形,即使没有太阳暴晒也存在这种情形,这是薄膜展开后的挠度正常变形,是材料弹性变形的一种正常现象,这个变形后的抗折弯特性还被用在工程应用中增加刚性,比如最简单的应用就是卷尺。

这种特性在反向受力时能在一定长度上让卷尺保持直线,方便我们测量时,这个特性应该是卷尺类工具中最赞的一个设计。

从这个角度可以看到印刷柔性电缆,似乎还能看到绕太阳能电池的卷轴

当然在太空中的太阳能电池不需要这样的刚性设计,它只是长条形薄膜展开后的正常变形,至于向哪边卷曲,在薄膜制造时或者卷曲向上是可以控制的,但一般来说这种变形会朝着卷绕的中心方向,大胆地猜测一下,这个太阳能电池从拍摄者看到的卷绕方向应该是“趴着展开”的。

中国空间站用啥电池?

2021年3月11日,国际空间站丢弃了一块重达2.9吨的蓄电池组,这些电池属于镍氢可充电电池,总有48个电池组成,根据国际空间站的轨道以及电池组的形状,NASA预测其4年后将会进入大气层彻底烧毁,不会掉到地面。

所以我们至少知道了国际空间站之前用的是镍氢电池组,那么中国的空间站用的是什么电池呢?当然高容量的锂电池了,使用了一种陶瓷隔膜,能最大条件下防止内部短路效果,并且在电池组内使用了阻燃材料,防止电池高温时爆燃。

据811所专家表示,国际空间站核心舱内有6组锂电池,每组有66颗单体电池,电池组内还有一套智能化的锂电管理系统,实现高精度、高可靠、高安全的锂电充电控制。电池充电时启用三级保护机制,并实施温度监测,当充电温度高于设定安全温度值时,立即停止对该蓄电池充电。

另外还设计了冗余通道,也就是说有两组电池互相冗余,当一组下线更换时另一组会继续保持供电,并且使用了分段开关,在单独更换其中单元电池组时保证电压在36V安全电压以内。

中国空间站到底用什么标准的电压?

笔者从《中国空间站科学实验资源手册》查到的资料,对设备供电最多的电源是100V,从使用率以及损耗比例来看,应该是DC的可能性比较大,因为太阳能电池为直流电,锂电池也是直流电,所以用直流的可能性几乎100%。

100V的单路供电接口最大功率为1500W(手册中原文:大型载荷/扩展实验平台挂点预留了100V、1500W供电接口),除了100V以外,还有28V、24V、12V、5V等多种电压可供选择。

延伸阅读:太空锂电池安全吗?

很难确定中国空间站使用的是什么电池类型,不过根据分析,磷酸铁锂电池的可能性比较大,因为电池颗数比较少,只有66颗单体电池,应该是大容量低电压的磷酸铁锂,假如是18650封装的三元锂电的话至少也得几千颗了吧。

两种电池的差别是磷酸铁锂电池就是用磷酸铁锂做正极,三元锂电池也叫三元聚合物锂电池,主要是由镍钴铝或者是镍钴锰做正极。三元锂电指的是镍盐、钴盐、锰盐,但这些金属盐和电解液在一定温度下会分解,会释放出氧分子,从而变成助燃的元凶,因此三元锂电一旦燃烧的话火势将会十分猛烈。

磷酸铁锂电池也存在安全隐患,但相对比三元锂电好那么一点,因此从安全角度也可以判断出,中国空间站用磷酸铁锂电池可能性是比较大的,但这种电池的缺点是容量密度稍低,但从安全角度出发,这个缺点还是可以克服的,毕竟当年还用过能量密度更低的镍氢电池。