商业航天电源系统发展现状和展望

许薇 鄢婉娟 黄洪昌

（1 中电科蓝天科技股份有限公司 2 航天东方红卫星有限公司）

自国务院发布《2016 中国的航天》白皮书以后，我国商业航天领域开始呈现蓬勃发展的态势，以商业遥感卫星星座、商业微小SAR 卫星星座、低轨互联网卫星、商业运载火箭等为代表的商业航天各领域迅速发展，推动我国航天产业呈现新的发展态势。在航天技术进步的驱动下，商业航天规模化生产成为可能，发展商业航天产业，提升航天技术水平，对支撑我国成为航天强国具有重要意义。商业卫星产业是现代航天产业发展的时代所需，引领了一种全新的卫星研制生产和运营模式：①卫星研制周期短；
②多星组网运行，快速部署，需求量大；
③成本可控。电源系统是航天器的主要系统之一，为航天器的工作提供能量，是航天器的“心脏”，随着商业卫星有效载荷能力不断提升，电源分系统技术发展和生产更要适应新模式[1-3]。

第一代电源系统

最初商业卫星主要以立方星为主，属于微小卫星，因此，电源系统拓扑也是以微小卫星的电源系统为技术基线，包含了太阳电池阵、蓄电池组和电源控制器（模块/板）等电源单机产品。我国从21 世纪初就开始了微小卫星电源系统的研制，二十年来的技术积累和皮纳卫星研制经验为第一代商业卫星电源系统提供了相对成熟可靠的系列产品和技术，这也为商业卫星得以快速发展提供了良好的技术基础。

第一代商业卫星电源系统仍然是太阳电池阵和蓄电池组的拓扑结构，大部分为不调节母线，其中太阳电池翼多为体装式或单板展开的形式，基板主要为碳纤维铝蜂窝基板、铝合金基板和PCB 板等，面积在1m2以内，表面贴装刚性太阳电池片；
蓄电池一般为18650 锂离子电池或者小容量锂离子电池组成的蓄电池组；
电源控制器功能相对中高功率卫星相对简单，一般是一块电源控制板。

电源系统的现状

基于微小卫星规模小、研制周期短等特点，微小卫星一直是航天技术发展最快的一个分支，是航天产品智能化和集成化技术验证的先行者，这也是对商业卫星电源系统最有利的促进因素。

近年来，商业卫星的发射数量和单次发射体量日益增长，卫星有效载荷也越来越大，已经接近甚至超过传统航天领域的小卫星，例如，立方体卫星已经从体装式帆板，发展为多折展开式太阳翼或卷轴式太阳翼，平均功率已近上千瓦，而很多商业卫星的平台输出功率最高可达到数千瓦，因此蓄电池组和电源控制器的能力需要同步增长，电源控制器也从一块单板升级到了以传统卫星电源控制器为基础改进的功率调节与配电一体化的轻量化电源调控器。

商业航天的产业化方向更注重其在国民经济中的社会价值和经济效益，追求实用性和高效性，因此低成本高可靠一直是其重要特点和优势所在，同时也是商业航天所追求的目标和发展方向。随着商业卫星的应用领域越来越广泛，商业航天作为航天产业社会化大发展的一种基本形态，经济属性、市场属性、资本属性也日益突出，并逐渐由单一产业丰富为多产业构建的引领性产业综合体，深度融入社会经济发展大系统。因此，作为商业航天的重要分系统，电源系统产品需要改变传统航天研制模式，从技术创新、产品设计、生产测试、物料供给等方面都要开展全新研制和生产模式。

电源系统面临的问题

商业卫星对电源系统设计的灵活性、高效性和产品一致性提出了严格的要求。从产品技术发展来看，要实现高效、轻质、低成本目的，提高功率密度；
从产品设计架构来看，单机产品从整机设计逐步趋于标准模块化、可插拔、可扩展的架构设计，逐步从定制产品的生产模式向批量化货架产品生产转变。

（1）产品的技术创新性不够

国内在轨的商业卫星电源系统以及单机产品目前主要以航天技术中成熟、高可靠技术为基础，针对各用户的任务需求，对现有技术逐步开展技术适应性改造和创新。

（2）产品的集成度不高

电源系统由单机组成，整体的体积和重量都较大，面对当前商业卫星电源平台的小型、轻量和高能量密度的需求，还需要进行系统集成技术的研究和攻关，这也是产品技术创新不够的表现。

（3）产品的批产能力不够

商业卫星为了实现更高的经济效益和社会效益，都是以星座的形式出现，因此需要兼顾实用性与时效性，实现快速部署。而目前国内的卫星电源系统供应商大多是以传统航天电源单位为主，生产模式正在逐步从定制化向标准化、模块化转变，但是与市场需求的快速增长仍然存在差距。

（4）产品的成本较高

由于产品的生产体系还不够健全和完善，还没有建成完整的标准化、模块化研制和生产的产业链，因此，产品的成本相对于市场的期望目标还存在较大差距，电源系统成本约占整星成本的10%～15%，也是制约卫星成本的重要因素。

因此，商业卫星电源系统要以用户需求为导向，发展公用平台技术，建立组批生产与测试机制，提升商业卫星的组网速度和质量。

根据商业航天市场低成本、高性价比、快速部署的显著特点，电源系统单机产品的生产模式要打破原有思想，重新打造一条适合商业卫星市场的产业化道路，需从以下方面开展工作。

优化电源系统架构设计

高度集成化设计是公认提高能量密度和减重最有效的途径，因此将一体化设计应用于电源系统或者是电源单机产品上，可以彻底打破大卫星电源轻小型化的模式，实现“轻装上阵”。

（1）太阳翼集成化和柔性化

开展太阳电池阵和太阳翼结构的一体化集成设计，实现太阳翼整机综合性能提升。推进太阳翼柔性轻量化、高收纳设计，实现太阳翼面密度和体积比功率大幅度提升，同时柔性基板的制造成本较刚性基板大幅降低。

（2）智能化蓄电池包

为节省整星资源，提升蓄电池组的能量密度，蓄电池组朝着多功能集成方向发展，形成智能蓄电池包。开展紧凑型单机智能化设计，蓄电池包可实现自主充放电管理、自主均衡管理和自主加热功能管理等功能。

（3）能源控制器

开展新型能源控制器拓扑研究，通过供配电系统一体化设计，有利于电功率的集中处理和传输，减少供电、配电两个环节之间的功率损失，提高功率密度。以现有的公用卫星平台为基础，完善不同功率等级卫星的电源调控器型谱，适应不同规模商业卫星的供电需求，实现快速组装和批量制造。

（4）产品设计规范化

对于低成本小卫星供配电系统，以“标准化、货架式”产品开发为指导思想，对产品的电气接口、机械接口、信息接口等进行系统规划，完善专用产品保证体系和设计规范，加速实现快速组装、快速更换和快速批量构建的目标。针对同一平台的供配电设备，规定标准的供电接口（即统一母线电压、输出路数、接插件型号等设计），实现整机或单模块的插拔式替换。

降低单机产品的生产成本

当前国内商业卫星关键核心部件依然依托体制内的研究院所，暂且没有实现全商业化的研制模式及供应链条，且体制内星上产品的整体成本定价高，并不符合商业卫星低成本的采购需求，因此减低产品的生产成本是必然之举。

（1）适当应用商业现货（COTS）器件

通过地面筛选、抗辐照加固和有效冗余设计，引入先进COTS 器件或成熟工艺的汽车级或工业级高性能集成芯片，经过地面筛选和环境试验摸底，逐步推进低成本器件在轨验证和应用。通过制定COTS器件筛选机制和商业卫星COTS 优选目录，首选有飞行经验和质保的COTS 器件，降低研制成本。

但是COTS 器件也有它的特点，需要在选用的时候加以慎重考虑。一是生命周期短。COTS 的性能升级符合“摩尔定律”，现在选择的一款新产品，两年后就可能会停产，所以对于研制周期较长的卫星，需要对器件做好充分的鉴定试验和验证后，要充分调研产品的后续规划，或者做好战略储备，但是会相应提高储存成本，因此要综合各项因素开展选型。二是批次间一致性。宇航级元器件需要经过专业鉴定，鉴定的本质，是对技术状态变化的管理，COTS 器件没有这样的管理程序，从上市到成熟期，会不断改进技术和工艺，以降低成本、提升良品率，但这些改进的细节并不会公开，也不会通知到每个用户，这些改变对商业用户无害，但对航天用户的影响有时是致命的。三是禁限用工艺。宇航用元器件为了适应太空环境，对元器件选用有一系列的禁限用工艺，比如为了避免在真空环境下生长出“锡须”，太空环境下“纯锡”镀层是被禁止使用的，必须在镀层合金中掺入5%左右的铅。但目前绝大多数COTS 器件的表面镀层，都采用了环保的“无铅工艺”，在太空工作中会引入短路风险[4]。

（2）建设批量化产线

美国太空探索技术公司（SpaceX）的卫星工厂具备设计、生产、集成、测试的全流程能力，目前国内商业卫星的大部分研制单位尚不具备这样的能力，这也是研制成本高的一个主要原因。商业卫星均为星座，需要标准化产品和规模化的生产能力，传统卫星的单机大部分还是定制模式，电源系统也一样，因此要想降低成本，需要通过规模化生产来降低研制单位的制造成本，那么将生产过程自动化或者部分工序自动化是必然发展趋势，既能够解决成本问题，又能够解决产能问题。目前，已经有研制单位正在建设面对商业航天的电源单机产品自动化产线，充分借鉴民品行业成熟的制造技术，结合航天产品的特有属性，正在建设和已经建设完成了太阳电池阵制造的自动化生产、组装线，锂离子蓄电池智能生产线、蓄电池组PACK 产线、元器件自动焊接产线等，未来能够满足商业航天领域年产百套电源系统的能力。

（3）批量产品自动化集成测试

具备批量生产能力后，自然就需要自动化集成测试来满足研制需求。对于商业卫星星座，批量产品测试与总装是总体设计的重要方面。产品接口标准化是自动化测试与集成的基础，也是实现快速组装的必要条件。对于电源系统，需要在自动化产线实现自动检测，开发通用自动化测试系统实现电源单机以及系统测试，减少人为测试失误；
同时，自动化测试系统需要设计标准的供电接口、供电测试流程和测试平台，确保供电安全。

因为商业卫星的经营模式是产业化运作模式，所以各分系统的产品也需要实现产业化生产和运行，才能够跟随商业航天发展的步伐。未来的商业卫星电源系统和单机产品必然是加速推进产品的型谱化和标准化设计，形成货架产品；
大胆尝试先进技术的应用，提升商业卫星电源系统的设计活力。

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