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鋰電池還能推火箭!長征家族用上了高壓鋰電

2022-04-02 11:06  來源:北京日報   瀏覽:  

3月29日,長征六號改運載火箭成功發(fā)射,“長征家族”再添新成員。這其中,少不了中國航天科技集團八院811所研制的箭上電池的助力。

高壓鋰電首次“亮箭”

作為我國首型固體捆綁火箭,長征六號改的4個固體助推器上,配置有8臺電動伺服機構。這8個在火箭飛行時執(zhí)行運載火箭姿態(tài)和軌道控制任務的“大塊頭”,其能量需求不是一般的高,“瞬時輸出功率達80多千瓦,而在這之前,我們研制的箭上電池最大輸出功率僅有10多千瓦。”中國航天科技集團有限公司八院811所運載火箭電池技術負責人王冠介紹。

運載火箭上常規(guī)采用的28伏低壓鋰電不能滿足要求,811所研制人員為這8個電動伺服量身打造了270伏高壓鋰電,讓“大塊頭”有“大能量”。而270伏的高壓鋰電,在國內運載領域是首次應用。

為了實現這個首次,811所研制人員走出了一條集產學研一體的道路。從思路提出,到工程落實,他們靠不斷的調研學習和一遍一遍的試驗確定方案。2014年,在單體電池設計滿足高倍率輸出要求之后,一系列關于飛行環(huán)境適應性的考驗又來了。

長征六號改箭上電池設計師王舒丹介紹,對于箭上電池來說,長征六號改的使用環(huán)境是目前運載火箭里面最為苛刻的。高壓鋰電安裝在助推器尾端,飛行時間約為2分鐘,在這短短的2分鐘內,電池組需要承受130℃的高溫,而鋰電池單體安全可靠使用的最高環(huán)境溫度約為60℃,原先的電池組保溫材料僅可承受90℃的高溫。與此同時,電池組還需經歷高強度的振動和沖擊,振動量級是之前的1.5倍。

為了確保高壓鋰電首次“亮箭”旗開得勝,研制人員從細節(jié)著手,從內到外,加固減震,選用抗力學性更高、耐高溫性更好的電池組保溫減震材料,通過一輪又一輪的高溫試驗、振動與沖擊試驗,讓高壓鋰電順利通過了“高溫+高量級振動”的雙重考驗。同時,通過更改電池組結構設計,解決了高壓鋰電在低氣壓空間環(huán)境中的電暈問題。

270伏的高壓鋰電,于操作人員也是陌生的場景。研制人員采用了分布式高壓電池技術,將其拆分成3個電池組模塊串聯(lián)組成,有效減少了高壓帶來的操作風險。

經過多次系統(tǒng)級試驗考核,高壓鋰電池組的功率輸出性能表現優(yōu)異,最初“1組高壓鋰電為1臺伺服機構供電”的設計方案,也因此改為“1組高壓鋰電為2臺電動伺服機構供電”,“相當于由‘1對1服務’變?yōu)?lsquo;1對2服務’,滿足火箭設計指標的同時,也達到了減重的效果。”王冠說道。

為后續(xù)型號箭上電池應用奠定基礎

作為國內首個全箭采用鋰電方案的新型運載火箭,長征六號改使用的鋰電數量高達20塊,為運載火箭“歷史之最”。新電池體系的應用,也為后續(xù)型號箭上電池的應用奠定了產品化基礎。

據811所運載電源事業(yè)部副部長呂士銀介紹,在開展這20塊為長征六號改量身定制的箭上電池研制過程中,811所同步啟動了箭上鋰電池的產品化工程,形成了以長征六號改為主線,同步結合在役火箭箭上電池換代的需求,按要求、分容量孵化出了箭上電池的產品系列,形成了八院運載火箭箭上電池的產品化型譜。

“從原先的鋅銀電池,到現在的鋰離子蓄電池,產品化工程的開展讓箭上電池產品種類壓縮了40%以上,適應高密度發(fā)射的同時,進一步提高了箭上電池產品的質量管理水平和成本控制水平。”呂士銀透露,隨著811所箭上電池的升級換代,結合型號的需求,后續(xù)將進一步將箭上電池產品種類壓縮20%以上。

新火箭上新電池的一些操作方式也發(fā)生了變化。長征六號改的箭上電池加溫控溫工作,從箭上轉移到了地面,提高了箭上電池的發(fā)射可靠性,避免了因為加溫不能斷開而導致推遲發(fā)射的情況。同時改變的,還有這20塊電池的充電方式,“從原先繁瑣的下箭充電改為便攜式的設備箭上充電,優(yōu)化操作流程的同時,節(jié)省了操作時間”,呂士銀說道。

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