空间飞行器能源管理技术发展综述

杨友超，李海伟，赵岩，徐海运，张翔

(中国运载火箭技术研究院研发中心，北京100076)

空间飞行器能源管理技术发展综述

杨友超，李海伟，赵岩，徐海运，张翔

(中国运载火箭技术研究院研发中心，北京100076)

介绍了能源管理技术的国内外发展现状，提出了能源管理系统的一般组成和工作方式；从能源管理的发展和应用出发，提出了能源管理技术进一步发展所面临的瓶颈，并对解决途径进行了初步探讨。

空间飞行器；能源管理；发展

能源系统是空间飞行器中最重要的分系统之一，负责在各阶段向空间飞行器电气负载提供稳定可靠的电能。能源管理主要作用是对空间飞行器飞行阶段全寿命周期的电能进行统一管理，保证满足空间飞行器各种工况下的能源需求。随着航天技术的不断发展，空间飞行器呈现出载荷多样化和任务复杂化的发展趋势，一方面设备组成越来越复杂，能源需求随之加大，而为提高飞行器机动能力和灵活性，对能源系统质量、体积提出了更高的要求；另一方面，尽管现有飞行器在设计、研制过程中采取了一系列可靠性的措施，但其在轨飞行中仍有可能出现健康状况恶化。当发生故障导致供电能力下降时，如何能够及时定位并隔离故障、防止故障蔓延，并在有限能源供给的条件下优化负载管理，保证飞行器的正常运行显得尤为重要。

因此无论对于深空探测器，还是在轨长期运行的空间站、应用卫星等，能源自主管理都是十分重要的发展方向，它可提高飞行器在突发性空间环境下的自主生存能力，减少对地面测控网的依赖，增强其安全性并降低运行成本，延长航天器使用寿命，能源管理的发展可为人类外太空的探索提供更加持续、长久的动力。

本文从能源管理的发展及应用出发，介绍了目前能源管理技术的发展现状，提出了能源管理系统的一般组成和进一步发展面临的瓶颈，并对解决途径进行了初步探讨。

1 能源管理技术国内外发展现状

1.1 国外发展现状

1.1.1 美国发展现状

美国是最早开始进行空间飞行器能源管理技术研究的国家，其于70年代初提出的航天飞机能源自主控制电子系统主要用于解决航天飞机能源系统安全性和可靠性问题，利用计算机参与故障隔离和系统重构管理技术，成为能源管理技术的雏形。该系统主要实现两项功能：一是航天飞机负载供电安全性管理，即当负荷发生超载时，电源控制器切断该负载与母线的连接，电源控制器会延时一定时间后对该负载进行复位，以便区分故障超载和短期超载；二是电源系统故障状态下的系统重组管理，当电源供电能力因故障下降时，电源管理系统将根据预先设定的规则，按照各负载设备的优先级，切掉部分负载，以保证飞行任务的能源需求。

能源管理系统(PMAD)由NASA研究机构于20世纪80年代中期正式提出，具有供配电系统故障诊断、隔离和恢复，蓄电池管理、载荷优先级管理、能源计划动态调度管理等功能。其主要任务是根据能源的供给与需求情况动态管理负载的切换，当由于内部故障或外部干扰导致能量供给能力突然不足时，按优先级首先供给优先级高的设备的能量需求(如生命维持系统)，并具备故障诊断和故障恢复的功能。它采用星地协同工作方式，星上自主电源管理系统负责供配电管理、监测，地面专家系统作为故障诊断协作系统，根据遥测数据对空间站电源系统进行诊断和故障预测。其研究目标是减少供配电系统对地面测控的依赖，在保证安全性和可靠性的同时，实现自主故障监测、诊断，以适应长时间运行、远距离任务需求。随着需求变化和技术发展，该系统演变为服务于国际空间站的智能功率管理系统。目前PMAD已在国际空间站、重返月球计划和“罗塞塔”号无人飞船计划等多个任务中得到应用。为了有效进行“自由”号空间站(后演变为国际空间站)电源系统运营管理，专门研制了用于其性能预估的软件系统，并已在国际空间站电源系统运营管理中应用。

NASA还提出了利用专家系统参与供配电系统的故障监测、诊断和预测，参与供配电系统的控制决策，以降低地面测控人员的工作强度和操作失误的概率。NASA Lew is研究中心建立了一套基于规则的专家系统，作为地面故障诊断协作系统，通过对太空站供配电自主管理系统运行状态和遥测资料的分析处理，为地面测控人员提供故障诊断、显示和处理建议，以便减少地面工作人员的工作压力。

在一些研究报告中还提出了元器件智能化能源管理概念，通过降低非繁忙时期工作频率或转入休眠状态的方式的自主能源管理技术，降低CPU、RAM等高功耗器件功耗，提高无人飞行器能源的利用率，延长寿命。

1.1.2 欧洲发展现状

XMM-New ton是欧洲空间局(ESA)“地平线2000”计划中四个探测器中的第二个。其中XMM是X-ray Multi-M irror M ission的缩写，意为X射线多重镜面任务。XMM卫星以及部分电气设备如图1所示。

图1 XMM卫星及部分电气设备

XMM具有基本的在轨自主管理能力，采用了供配电系统故障诊断和故障恢复、蓄电池自动充放电和再调整、载荷优先级管理等技术。此外，XMM的设计增强了故障恢复能力。它的设计要求航天器能够在产生故障并且没有地面干涉时生存36 h以上。因此，在借鉴卫星的故障恢复经验上，XMM电源系统的设计注重改进了在产生各种故障情况下的恢复能力。这些改进已经成功地在完整的航天器飞行模型上得到验证，增强了在能源损耗的情况下恢复航天器正常功能的可能性。

俄罗斯的“和平”号空间站运行过程中，地面有一套相同的实物系统同步运行，其中能源系统用于对应在轨运行系统的故障模拟及措施验证，为空间站能源系统运营管理提供支持。

通过对国外能源管理相关系统的研究，可以发现自主管理技术是能源管理和故障诊断技术的主要发展方向。

1.2 国内发展现状

国内在能源管理方面的研究工作开展得较晚，文献[1]和文献[2]中对我国空间站的能源管理系统进行了初步探讨。目前国内对能源系统明确提出自主工作具体要求的飞行器极少，现有能源管理的需求主要基于较长时间脱离地面站监控的自主运行期内保障主要有效载荷指标不降低，一次电源有足够的功率余量，同时保证蓄电池组得到及时的容量补给，以保障一次电源的正常运行。

国内大多在轨或预研卫星所采取的自主管理多针对单机，主要包括充电控制器自主切换控制、蓄电池充电控制、帆板供电监控以及过放安全保护控制等，特别是针对蓄电池的自主充放电管理进行了大量的研究及应用，其实现由数管计算机实时检测蓄电池组压力、电压、主母线电压等参数，实现蓄电池组充电的自动控制。

2 能源管理系统的一般组成

2.1 能源管理系统的功能需求

能源管理系统主要作用是保证能源供给的高效、可靠，在供电能力不足时，进行负载管理，合理调配电能；在故障状态下，能迅速自主定位、处置，确保航天器供电安全。基于以上需求，能源管理系统的工作目标定位如下：(1)进行能源系统运行状态监测，根据任务需求对负载进行实时调配，使能源得到有效合理利用；(2)进行能源系统供电能力预计，优化能源配置，使能源系统工作在最优状态，延长使用寿命，降低置换成本；(3)进行故障诊断、隔离及系统重构，实现故障负载的智能切换，确保飞行器供电安全可靠，减少对地面的依赖。

2.2 能源管理系统的组成

能源管理系统一般采用文献[3]中所述的“以天为主，以地为辅”的天地一体化管理模式，能源管理系统基本组成如图2所示。相对于传统的空间飞行器，在能源系统中增加了能源管理单元。能源管理单元是能源系统的中枢，负责整个能源系统运行状态的全面监测、性能预测、能量平衡分析、负载优先级管理、能源调配、故障诊断等。其具体工作过程如下：(1)采集能源状态信息，实时监测能源系统运行状态；并根据预先装订的能源预测模型(含性能预计、寿命预测等)，对能源(含太阳电池阵、蓄电池组等)后续供给状态进行预计；(2)从数管计算机获取目前的任务阶段和负载状态，依据装订的负载优先级管理策略，确定当前阶段各负载的优先级别；并根据能源供给情况和负载状态分析飞行器的能量平衡情况，并可对后续能源供给及消耗情况进行初步预计；(3)当能源供给充足时，按负载优先级开启相关载荷类负载，提高能源利用率；当由于故障或光照条件变差等导致能源供给不足时，能源管理系统按负载优先级控制功率分配单元断开部分负载供电，保证关键负载的能源供给以及全飞行器的能源平衡；(4)能量管理单元实时监测功率分配单元状态信息，当某关键负载功率分配通路出现故障时，按预先装订的故障管理策略进行故障的隔离和重构；(5)当空间飞行器长期在轨运行后，性能发生衰减，能源管理系统根据性能预计结果、任务阶段，控制功率分配单元关闭某些负载，减轻能源供给压力，优化能源系统工作状态，延长能源工作寿命；(6)能源管理单元将能源状态信息、性能预计、故障管理等信息通过数管计算机、遥测系统发送给地面支持系统。由地面支持系统同步开展状态分析，并经专家库进行能源管理、性能预计、故障诊断等工作，有必要时，则通过地面测控终端向飞行器发送控制指令进行人工干预。同时地面支持系统在接收当前数据后，与以往历史数据进行对比分析，通过对数据变化趋势的分析进行故障的自主预测，及早发现问题，采取措施。

图2 能源管理系统基本组成

能源管理发展的终极目标是在完全不依赖地面的情况下，实现空间飞行器能源的自主、合理、可靠分配。

3 我国能源管理技术发展所面临的瓶颈

随着航天技术的不断发展，长期在轨驻留空间站、深空探测器等进入我国航天工程发展战略。空间站在许多方面不同于以往的航天器，其由多个航天器在轨组建而成，具有功率需求大、寿命长、组合状态多、构型复杂、可在轨维修等特点，能源的高效合理利用、高精度的性能预计等成为亟需解决的问题之一；而对于深空探测器，实现长时间运行下的能源自主管理以及故障状态下的通路重构尤为重要。而目前国内空间飞行器能源管理多针对单机，特别是蓄电池的自主充放电管理，缺少对整个能源系统的安全建模、健康状态预测、故障的诊断和重构以及整器级的动态能源调度和负载优先级管理。要实现能源自主管理，还需解决以下问题：

(1)能源预计及评估

能源系统状态确定是实现能源管理的基础，而目前针对空间飞行器能源系统状态的检测只局限于通过有限的传感器进行粗略的预估，如通过热敏电阻检测太阳电池温度是否满足预定要求，用霍尔传感器检测太阳电池、蓄电池组的供电电流确定其供电状态是否正常，及文献[4]中通过检测蓄电池组的开路电压对蓄电池组剩余容量进行大致估计等，上述措施仅仅能满足能源系统工作状态及简单电路控制的需求，而对于实现能源自主管理是远远不够的。能源管理系统不仅要能对当前工作状态进行判断，还要能对能源系统的后续性能及寿命进行预知，才能做到全任务周期内的“精准”管理。因此对能源系统性能衰减和寿命进行预计，根据结果对能源系统的供电能力进行评估，为能量调配和决策提供支持也是实现能源自主管理亟需解决的问题。

要进行能源系统的性能和寿命预计，必须建立相应的预计模型。模型可通过以下方式获得：模拟空间环境，开展能源(含太阳电池、蓄电池组等)各工况下的寿命试验，分析试验过程中的数据，对影响性能输出和寿命的主要因素进行分析，结合能源自身的参数检测，确定性能及寿命预计的模型，再通过加速试验对模型进行验证，保证其预计的正确性。

(2)能源的自主管理策略

以往空间飞行器对能源管理的实现大多通过数管计算机或地面实现，能源自主管理则意味着能源系统有了自己的“大脑”，可以根据能源状态以及从数管计算机获取的任务信息进行自己的判断。空间飞行器工况复杂、负载多样，且能源系统全周期内运行的边界条件存在很多不确定性，制定策略并实现策略是能源自主管理的难题之一。

实现能源自主管理，需要根据任务阶段和电气负载配置确定不同阶段的负载优先级列表，对全寿命周期中能源及负载的状态进行分析，确定每种工况及状态下的能源动态调度策略，根据当前能源供给、任务阶段、负载状态按负载优先级进行供电或断电，保证能源利用的合理、高效。

(3)能源系统的故障诊断和重构

由于空间环境复杂，空间飞行器长期在轨运行期间易发生故障。如何迅速判定故障区域及故障性质，通过系统重构使故障得以消除或减弱，也是实现能源自主管理必须攻克的关键技术。以往空间飞行器在能源系统的故障重构方面的研究很少，文献[1]提出了利用配电矩阵实现配电通路的重构，文献[5]则主要利用多母线间的冗余切换保证供电的可靠，其实无论哪种方式，都必须解决两个问题：故障的精确定位及重构的策略。

要实现故障的精确定位，就需要对能源系统的故障模式的机理和影响进行深入分析，并通过试验确定每种故障模式下对应的各参数状态及故障表征，建立故障专家库，使故障模式、参数状态、对能源供给的影响形成一一对应。针对每种模式及状态开展分析，以保证飞行器工作正常为目标确定通路重构的需求，对于确定的重构需求制定相应的重构策略。

4 结束语

能源自主管理是空间飞行器能源系统的未来发展方向，对于在轨运行空间站、深空探测等领域发展都具有重要的意义。本文从能源管理技术的国内外发展现状出发，提出了能源管理系统的一般组成，分析了我国开展能源管理技术所面临的瓶颈，可为相关专业开展能源管理研究提供有益参考。

[1]杨亚红，乔卫新，徐慧栋，等.我国空间站能源管理系统方案设想[J].载人航天，2013，19(3)：22-27.

[2]方国隆，张玉花，马季军.“神舟”号载人飞船电源分系统的研制[J].上海航天，2003(5)：11-17.

[3]李平京，宋政吉，谭强，等.长期在轨卫星的天地一体化运行管理系统框架研究[J].飞行器测控学报，2007，26(6)：1-6.

[4]安晓雨，谭玲生.空间飞行器用锂离子蓄电池储能电源的研究进展[J].电源技术，2006，30(1)：70-73.

[5]刘宏泰，王林涛，魏传锋，等.天宫一号与载人飞船组合体能源管理设计与验证[J].中国科学，2014，44(2)：125-130.

Developmentsurvey of energymanagement for space aircraft

YANG You-chao，LIHai-wei，ZHAO Yan，XU Hai-yun，ZHANG Xiang
(China Academe ofLaunch Vehicle Technology R&D Center，Beijing 100076，China)

The domestic and foreign developmentof energymanagementwas described;the general com pose and work forms were put forward.Based on the development and application，the choke point for deeply developmentof the energymanagementwas presented and the approach was studied.

space aircraft;energymanagement;development

TM 619

A

1002-087 X(2016)07-1529-03

2015-12-02

杨友超(1979—)，男，山东省人，高级工程师，硕士，主要研究方向为电源及配电技术。