航天电源技术和发展动态

   日期:2004-12-24     来源:工控信息网    评论:0    
1.燃料电池—未来重要的军事能源

  美国《国防要闻》1999年3月8日报道:美国军事指挥官企盼技术的进一步发展生产出替代其它能源的燃料电池。美国陆军训练司令部司令说,在最近进行的一次演习中,一个普通易拉罐大小的燃料电池就可以满足一个轻型战场步兵指挥所一周所需的电能。这种燃料电池具有效率高、重量轻、无污染等优点,在军事上有广泛的应用前景:

1)用作电推进坦克或装甲车的能源,大大降低了战车行驶时的噪音,减少红外辐射,还可作为电磁轨道炮的辅助电源

2)为战场计算机提供电源,是一般电池工作寿命的16-32倍,而且体积小,重量轻,是小规模快速机动部队的理想电源

3)用作舰载电源,用多个燃料电池分别为不同的舰载系统供电,避免一旦集中式供电系统受损,全舰都无法工作的现象发生。

  美国陆这希望用燃料电池取代目前使用的多种电池,使快速反应部队的技术保障装备进一步轻型化,并减轻单兵负荷。燃料电池进入实用阶段还有一些问题,如氢气的存储、燃料电池的副产品,铂催化剂价格比较昂贵等。

2.国外民用通信卫星电源技术发展趋势

  通信卫星通常采用太阳电池方阵给各种系统供电,并为蓄电池充电,在星食期间,蓄电池给卫星供电。过去,太阳电池方阵广泛采用硅光电池。目前较先进的硅光电池转换效率可达15%,但这种电池已不能满足大型平台的要求,现在正在发展和使用砷化钾太阳电池。目前单结砷化太阳电源转换效率一般达18%,双结砷化钾太阳电池可达21-23%。这种电池不仅效率高,而且耐高温,耐空间辐射现在正在研制多结砷化钾太阳电池,其转换效率可望达30%以上。为了再进步提高太阳电池方阵的效率,现在正研究使用太阳能聚光板,以提高太阳能量,使太阳常数提高到1以上。过去通信卫星蓄电池普遍采用镍镉电池,随着卫星功率不断增加,现正发展使用镍氢电池。镍氢电池比镍镉电池放电深度深,比容量大。

3.德国U212潜艇燃料电池

  德国新型潜艇U212级首批四艘于1998年7月1日开始建造。四艘潜艇都将采用燃料电池作为不依赖空气推进装置。把燃料电池作为潜艇的不依赖空气推进动力,是把宇航技术中的燃料电池技术加以推广应用的重要步骤。燃料电池技术的迅速发展以及造价上的可承受性,已使其达到可在商业上广泛应用的程度。

  众所周知,燃料电池是一种把电化学能转换成电能的直接转换装置,是利用氢和氧之间直接反应产生电流、热能和水的装置。这种用燃料电池直接把氢和氧的化学能变成电能的工作过程,不会受到潜艇设计中卡诺循环系统的控制。

  U212级潜艇目前采用的是一种新型质子交换膜燃料电池,也称为聚合物电解膜燃料电池(PEM-FE它的工作温度比较低,通常工作在80℃以下,且毫无噪声,其工作效率可高达70%。这种质子燃料电池采用一种以质子交换方式工作的聚合膜作为膜片的新型固态电解质。这种聚合膜的两边是一种纸板式的碳电极,这种膜状电极又夹在液态水区域和冷却之间。在负极上由于氧的反应作用形成离子,这种负离子与穿透交换膜的氢离子相互反应,产生反应物水和电能。

  燃料电池在部分负载下的效率远高于全负载情况下的效率。因此,燃料电池非常适于用作潜艇的经济型推进动力源,使潜艇不再依赖大气中氧,U212潜艇直接把氧源和氢源贮存起来,使整个燃料电池的有效工作系数大大提高,从而使氧气和氢气参加反应的数量增加,潜艇在水下的工作时间可达几周。

  燃料电池的功率密度高,可以根据不同用途进行串并联组合,使之符合所需要的功率。对于在潜艇上的应用,燃炒电池的布置和安装需要考虑到其与艇上的蓄电池相结合的问题,以满足潜艇不依赖空气运行的需要。U212潜艇的整体式燃料电池是串联叠层组合式。

4.美国“深空1号”星际探测器太阳方阵

  美国1998年10月24日发射了“深空1号”星际探测器。“深空1号”将对美国弹道导弹防御局,美国宇航局路易斯研究中心及AEC——艾伯尔工程有限公司提供的一种集光器型太阳电池进行试验。这种太阳电池方阵实际只有13%的面积被覆以太阳电池片,另外还带有720面菲列尔透镜,利用线性排列的菲列尔透镜把所有阳光都聚集到这些电池上。由于电池少,而透镜又比玻璃罩的电池轻,所以太阳电池方阵的重量减轻了,价格也变便宜了。“深空1号”2.6千瓦的太阳电池方阵有4块帆板,大小为1.1mx1.6m,总重58公斤。为增强辐射防护能力,电池区上的玻璃可做得厚一些。太阳电池本身有两种,它们叠在一起,可在0.4μm-0.85μm的宽频谱范围内进行能量转换,预计效率在22%以上,这种太阳电池方阵的缺点是指向销有一点点误差,能力就会大大降到500W左右,降幅达80%,而普通太阳方阵出现这样大的指向偏差时,只会损失0.3%的电力。

5.美国空军研究实验室提出实现微小卫星的关键技术

  为使微小卫星成为现实,美国空军研究实验室提出6项关键技术,它们是:(1)轻型太阳电池方阵未来的太阳帆板采用复合结构,连接各部分的电缆线将淘汰,太阳帆板采用塑性铰接。使用薄膜太阳电池,每公斤重量供能116瓦,而现有系统为40-50瓦。多结薄膜光电池使电池太阳方阵在轨道上易于展开,轻型“智能”结构可自动消除振动和热效应。(2)柔性集成供电和信号系统。通过真空镀膜技术,使薄膜蓄电池组和柔性电池部件与阻挡层光电池连接,形成多层卫星总线。柔性电池组安装在其它系统周围,(3)多功能结构。(4)超高密度电路。(5)微机电系统。(6)轻型大光学系统。

6.美国陆军正在为PM(项目管理者)Sincgar无线电装置研制一种BB-2590可充锂离子电池

  美国陆军需要一种安全、质量小、高性能和低成本的可充电池来为个人便携式PM Sincgar无线电装置提供电源。PM Sincgar无线电装置以前使用BB-390Λ/U电池,该电池重3.85磅,这对士兵携带来说太重了。因此,美国陆军正在研制一种使用锂离子电池技术的BB-XX90可充电池来代替BB-390Λ/U电池。

美国陆军对BB-XX90可充电池的要求如下表: 

放电速率 5秒电压(V) 终止电压(V) 电流(A)  
C/5        20.0           0.8   
C/2        20.0            2    
C5         20.0           4.0   
2.5C5      22.0           20.0         10.0  

性能要求如下表:

  试验 放电率 容量要求(Λh) 
  完全容量放电 C/2 4.0 
  循环寿命224次 C5 3.6 
  过充,24小时 C5/2 4.0 
  高倍率放电 2.5C5 3.0 
  低温放电(-30℃) C5/2 2.6 
  荷电保持能力(50℃保存7天) C5/2 1.3 
  20Λ脉冲放电,开5秒,关25秒,直到10V(并联方式) 5C5 6.6 
  振动 C/5 4.0 
  研究结果表明,锂离子电池技术的适合BB-XX90电池,单体性能超过了电池组的要求。以7Λ放电之后,仍然能够维持较好的容量。但是高倍率放电所积累的热量限制了BB-X590电池组完全放电。

7.雅德纳技术产品公司的锂一次电池登上火星

  雅德纳公司宣称它为NΛSΛ(美国宇航局)提供了优良的低温电池,用于两个火星探测器供电。这两个火星探测器已于1999年1月3日同火星极地登陆者一起,在美国佛罗里达州的卡纳维拉尔角(美国导弹试验中心)被用“波音得尔塔Ⅱ”号运载火箭送上太空。火星极地登陆者所携带的设备由碟探测器组成,碟型探测器和篮球差不多大小,重5.5磅。在进入火星大气层之前5分钟,这些探测器将从火星极地登陆者脱离,以大约400m/h的速度自由降落到火星上,把其保护外壳破毁在靠近火星南极的陆地上。探测器必须能够承受60000G的重力冲击,可以分裂成前后两部。前部包含的仪器将穿透火星表面以下3英尺的地方,后部包含雅德纳公司制造的电池、一个无线电接书机和一个天线,这些东西将停留在火星表面。这些设备被用电缆连接起来,借助1997年定位在火星轨道上的火星轨道探测器将数据传送回地球,整个系统由雅德纳公司研制的一个具有杰出低温性能的一次锂电池供电,该电池能够承受进入火星大气层时的60000G重力冲击,并且能够在-80℃的低温环境下工作。以前还没有任何电池能在这样的环境下工作。雅德纳公司在2年前与NASA喷气推进实验室(JPL)签定合同之后开始研制该电池。经过雅德纳公司和JPL的鉴定,证实该电池能够承受80000G的重力冲击,在-80℃的低温环境下能够满足飞行任务要求。
 
  
  
  
  
 
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