航天器电源系统PDF电子书下载

第1篇 电源系统综述 3

第1章 卫星概述 3

1.1 简介 3

1.2 卫星系统 4

1.2.1 通信和数据处理系统 4

1.2.2 姿态和轨道控制系统 4

1.2.3 跟踪、遥测和指令系统 5

1.2.4 电源系统 5

1.2.5 热控系统 6

1.2.6 结构和机械系统 6

1.2.7 推进系统 6

1.3 地球轨道分类 7

1.3.1 地球静止轨道 8

1.3.2 地球同步轨道 10

1.3.3 大椭圆轨道 11

1.3.4 近地球轨道 11

1.3.5 太阳同步轨道 11

1.4 轨道力学 12

1.5 卫星稳定法 13

1.5.1 重力梯度 13

1.5.2 磁稳定 13

1.5.3 自旋稳定 13

1.5.4 三轴稳定 14

1.6 发射和转移轨道 15

1.7 运行轨道 16

1.8 地球的地影 17

1.8.1 范例 19

1.9 月亮的月影 21

1.10 光通量 22

1.11 β角 23

1.12 航天器的质量 24

参考文献 25

第2章 近地空间环境 26

2.1 简介 26

2.2 发射和转移轨道环境 26

2.3 在轨环境 27

2.3.1 失重和真空 27

2.3.2 磁场 27

2.3.3 流星体和空间碎片 28

2.3.4 原子氧 29

2.3.5 带电粒子 30

2.4 范艾伦辐射带 31

2.5 太阳风与太阳耀斑 34

2.6 地磁暴 36

2.7 核威胁 37

2.8 总辐射量 37

参考文献 39

第3章 电源系统的选择 40

3.1 简介 40

3.2 原电池 41

3.3 燃料电池 42

3.4 太阳光伏电池 43

3.5 太阳能聚光器——动力电源系统 46

3.6 核热电 48

3.7 核动力或化学动力 49

3.8 其他系统 50

3.8.1 光伏热（TPV） 50

3.8.2 太阳—热电 51

3.8.3 热离子 51

3.8.4 碱金属热电转换器 52

3.9 技术选项比较 53

3.10 系统电压的选择 54

3.11 功率水平 57

参考文献 58

第4章 太阳电池阵—蓄电池电源系统 59

4.1 简介 59

4.1.1 太阳电池阵 59

4.1.2 电池组 60

4.1.3 功率调节 61

4.2 电源系统结构体系 63

4.2.1 直接能量传输 63

4.2.2 峰值功率跟踪 64

4.3 全调节母线 64

4.3.1 太阳电池阵 65

4.3.2 太阳电池阵驱动装置 65

4.3.3 分流器 65

4.3.4 电池组 66

4.3.5 功率调节单元 66

4.3.6 功率分配单元 66

4.3.7 母线电压控制器 66

4.3.8 模式控制器 67

4.3.9 蓄电池组母线 67

4.3.10 功率和能量管理软件 68

4.3.11 负载 68

4.3.12 地面电源 68

4.4 母线电压控制 68

4.5 控制电路 70

4.5.1 模拟控制电路 70

4.5.2 数字控制电路 71

4.5.3 模—数混合控制 71

4.6 部分调节母线 71

4.7 全调节母线与部分调节母线 73

4.8 峰值功率跟踪 75

4.9 功率调节系统的拓扑结构 79

4.10 国际空间站160～120 V母线 80

4.11 大型通信卫星母线 84

4.11.1 100 V母线 84

4.11.2 70 V母线 86

4.11.3 50 V以下母线 88

4.12 小卫星母线 90

4.13 微型卫星母线 91

参考文献 93

第5章 环境影响 95

5.1 简介 95

5.2 太阳电池阵衰减 95

5.3 太阳电池阵的静电放电 96

5.4 电源电子器件损伤 99

5.5 对其他元件的影响 101

5.6 原子氧作用下的质量损失 103

5.7 微流星体和太空碎片撞击 105

5.8 预测损伤 106

参考文献 107

第6章 电源系统需求 108

6.1 简介 108

6.2 自身需求 110

6.3 系统规范 111

第7章 电源系统设计和迭代过程 114

7.1 简介 114

7.2 航天器级迭代 114

7.3 电源系统迭代 116

7.3.1 太阳电池迭代 117

7.3.2 太阳电池阵迭代 119

7.3.3 电池组迭代 120

7.3.4 母线电压迭代 120

7.3.5 火工品电源迭代 121

7.4 负载功率概况 122

7.5 太阳电池阵尺寸 126

7.6 电池组尺寸 127

7.7 功率流分析 128

7.8 设计分析表 131

7.9 最恶劣情况下的误差裕度 132

7.10 设计过程阶段 132

7.11 大事记：从工厂到轨道 134

7.12 电源系统超寿命期的功能 135

第2篇 太阳电池阵—蓄电池组电源系统 139

第8章 太阳电池阵 139

8.1 简介 139

8.2 光伏电池 139

8.3 光伏（太阳电池）技术 141

8.3.1 单晶硅 142

8.3.2 砷化镓 144

8.3.3 半晶和多晶 144

8.3.4 薄膜电池 144

8.3.5 非晶硅 145

8.3.6 多结电池 145

8.4 等效电路 146

8.5 I—V和P—V特性曲线 148

8.6 星体反射功率 151

8.7 太阳电池的背面光照 152

8.8 太阳电池阵的构造 153

8.8.1 刚性蜂窝板 153

8.8.2 体装式太阳电池阵 155

8.8.3 三翼或多翼的太阳电池阵 156

8.8.4 柔性太阳电池阵 157

8.8.5 卷曲型太阳电池阵 158

8.9 太阳电池阵的电性能 159

8.9.1 太阳光的强度 159

8.9.2 太阳入射角 160

8.9.3 温度效应 161

8.9.4 太阳光俘获 165

8.9.5 太阳跟踪 166

8.9.6 峰值功率的获得 167

8.9.7 阴影效应 170

8.10 太阳电池阵设计 172

8.10.1 衰减因子 174

8.10.2 辐射损伤 175

8.10.3 通量计算 180

8.10.4 太阳偏置 182

8.10.5 磁矩 183

8.11 光伏技术的进展 184

8.12 聚光太阳电池阵 189

8.12.1 展开型聚光透镜太阳电池阵 192

8.12.2 聚光板 195

8.12.3 抛物面聚光器 198

参考文献 200

第9章 化学电池 202

9.1 简介 202

9.2 化学电池 202

9.3 电池种类 204

9.3.1 镉镍电池 205

9.3.2 氢镍电池 207

9.3.3 MH—Ni电池 215

9.3.4 锂离子电池 217

9.3.5 锂—聚合物电池 220

9.3.6 锌—银电池 221

9.4 电路模型 222

9.5 属性和性能 223

9.5.1 充电／放电特性 223

9.5.2 内阻抗 226

9.5.3 充电效率 226

9.5.4 能量效率 227

9.5.5 V—T性质 228

9.5.6 自放电 229

9.5.7 自热 229

9.6 循环寿命 233

9.7 瞬时大功率能力 236

9.8 性能比较 237

9.9 电池设计 240

9.10 发射和入轨段的电源 244

9.11 热设计 244

9.11.1 平装 247

9.11.2 竖堆 248

9.11.3 酒架结构 248

9.12 安全性设计 249

9.13 充电控制 250

9.13.1 多速率充电 252

9.13.2 单速率充电 253

9.13.3 无控制充电 253

9.14 电池管理系统 254

9.15 动态模型 256

9.16 循环寿命模型 259

9.17 一次电池 262

9.18 先进电池技术 262

参考文献 264

第10章 电源电磁元件 266

10.1 简介 266

10.2 开关设备 266

10.3 分流调节器 268

10.3.1 完全和部分分流 269

10.3.2 线性和PWM分流 270

10.3.3 顺序线性分流 272

10.3.4 多级PWM分流 273

10.3.5 多相PWM分流 273

10.3.6 校准阶跃分流 274

10.4 分流电路设计 275

10.4.1 全分流电路和部分分流电路 275

10.4.2 分流电路的数量 275

10.4.3 典型分流电路设计 276

10.5 母线纹波滤波器设计 276

10.6 功率变换器 278

10.6.1 蓄电池组充电降压变换器 278

10.6.2 蓄电池放电变换器 282

10.6.3 升压—降压变换器 282

10.6.4 逆向变换器（降压或升压） 284

10.6.5 变压器耦合前向变换器 284

10.6.6 推挽变换器 285

10.6.7 感应耦合降压变换器 286

10.6.8 谐振变换器 286

10.6.9 多输出变换器 287

10.6.10 负载功率变换器 288

10.6.11 电压和电流调节器 289

10.7 电磁元件 291

10.7.1 磁芯和线圈的功率损失 295

10.7.2 电感器设计 296

10.7.3 变压器设计 299

10.7.4 磁元件的制造和测试 300

10.8 最大效率设计 301

10.9 电源电子学趋势 303

参考文献 304

第11章 配电电缆和保护 305

11.1 简介 305

11.2 电线的安培流量 305

11.3 R—L—C参数 306

11.4 导线材料 310

11.5 电线的绝缘层和电缆的屏蔽层 311

11.6 连接件 312

11.7 电缆质量最小化 313

11.7.1 举例 316

11.8 电缆设计过程 317

11.9 柔性电缆 318

11.10 熔断保护 319

11.10.1 熔断器额定值 322

11.10.2 熔断器类型 324

11.10.3 熔断器特性 325

11.10.4 熔断器降额 328

11.10.5 熔断器选择标准 328

11.10.6 冗余熔断器和并联熔断器 329

11.10.7 熔断器测试 330

11.10.8 未加熔断器的负载 331

11.11 远程功率控制器 331

11.12 早期失效检测 332

第12章 辅助元件 333

12.1 简介 333

12.2 太阳电池阵驱动机构 333

12.3 展开机构 337

12.3.1 电爆展开装置 337

12.3.2 激光启爆展开装置 337

12.3.3 形状记忆金属 338

12.4 展开控制器 339

12.5 热控制器 340

12.5.1 热偶 340

12.5.2 金属电阻线 341

12.5.3 热敏电阻 341

12.6 继电器 342

12.7 蓄电池压力监测器和单体蓄电池电压监测器 344

12.8 蓄电池放电装置 345

12.9 电流测量仪 346

12.9.1 分流器 346

12.9.2 霍尔效应变频器 346

12.9.3 磁放大器 347

12.10 电容器 347

12.10.1 钽电容 348

12.10.2 金属聚丙烯电容 348

12.10.3 陶瓷电容 348

12.11 滤波器 348

12.12 遥测／遥控指令 350

12.13 电子封装 352

12.14 辐射屏蔽 353

12.14.1 辐射屏蔽设计示例 355

12.15 EMI屏蔽 356

第3篇 电源系统性能 363

第13章 能量平衡与功率管理 363

13.1 简介 363

13.2 能量平衡分析 365

13.3 计算机程序结构 366

13.3.1 电池组模块 366

13.3.2 太阳电池阵模块 369

13.3.3 母线模块 371

13.3.4 输入变量 371

13.3.5 输出格式 371

13.3.6 程序验证 374

13.4 能量平衡模拟运行 374

13.4.1 在轨模拟 375

13.4.2 转移轨道模拟 375

13.4.3 转移轨道的负载预算 378

13.4.4 发射与入轨模拟 379

13.5 电池组正常工作状态监控 380

13.6 部分调节母线的电池组钳位 382

参考文献 384

第14章 动态性能和稳定性 386

14.1 简介 386

14.2 母线阻抗和系统刚度 386

14.3 电压调节与瞬变状态 389

14.4 高频纹波 391

14.5 纹波测量 394

14.6 电源品质 395

14.7 减小熔断时的交叉干扰 396

14.7.1 举例 397

14.8 主熔断器熔断瞬变 398

14.9 稳定性和母线阻抗 401

14.10 控制系统的动态稳定性 404

14.11 动态模拟模型 407

14.11.1 太阳电池阵模型 408

14.11.2 其他部件模型 409

14.12 模拟运行 410

参考文献 412

第15章 电磁干扰和电磁兼容 413

15.1 简介 413

15.2 EMI源 413

15.2.1 传导EMI 414

15.2.2 辐射EMI 414

15.3 耦合模式 416

15.4 EMI/EMC技术标准 422

15.5 EMI消除方法 426

15.5.1 绞线 427

15.5.2 接地 427

15.5.3 线缆屏蔽 428

15.5.4 搭接 429

15.6 共模EMI 430

15.7 宽带EMI 431

15.8 商用成品设备 432

15.8.1 商用设备的EMI要求 433

15.8.2 NASA与商用试验方法 435

15.8.3 商用成品设备的空间适用性试验 436

15.9 电磁脉冲／核威胁 437

第16章 电子静态放电 441

16.1 简介 441

16.2 GEO的静电放电 442

16.3 LEO的静电放电 442

16.4 绝缘击穿 444

16.5 静电放电进入点 445

16.5.1 缝隙起弧 445

16.5.2 固体绝缘击穿 445

16.5.3 间接交互作用 446

16.6 静电放电效应 446

16.7 减少静电放电 446

16.8 太阳电池阵的静电放电控制 448

16.9 元器件敏感度 449

16.10 试验期间的安全性 451

参考文献 451

第17章 可靠度和降额 452

17.1 简介 452

17.2 随机故障 454

17.3 磨损故障 455

17.4 可靠度基本定理 455

17.5 串并联可靠度 456

17.5.1 举例 457

17.6 冗余 460

17.6.1 n个组件系统中（n—1）个组件必须工作的情况 461

17.6.2 n个组件处于热状态，m个组件必须工作的情况 462

17.6.3 m个组件处于启动状态，d个组件冗余的情况 462

17.6.4 共用的和独立的电池充电器 463

17.6.5 二极管环形线路热备份冗余 464

17.7 故障率统计 465

17.8 MIL—HDBK—217标准 466

17.9 用组件计数法估计可靠度 467

17.10 可靠度的降额 468

17.11 故障率的快速估计 469

17.12 故障模式与影响分析 470

17.13 无冗余组件 470

17.14 可靠度计算举例 471

第18章 总装和测试 473

18.1 简介 473

18.2 测试限制因素 474

18.2.1 生存（仅非运行模式） 476

18.2.2 合格鉴定（仅运行模式） 477

18.2.3 验收（仅运行模式） 477

18.2.4 飞行设计分析（所有模式） 477

18.2.5 温度定位 477

18.3 测试序列 477

18.3.1 环境性能测试 478

18.3.2 检漏 478

18.3.3 压力 479

18.3.4 随机振动 479

18.3.5 正弦振动 479

18.3.6 振动后性能测试 479

18.3.7 声试验 479

18.3.8 热循环 480

18.3.9 EMI/EMC 480

18.3.10 ESD 480

18.3.11 寿命测试 480

18.4 太阳电池测试 480

18.5 导线测试 481

18.6 电源系统测试 481

18.6.1 太阳电池阵测试 482

18.6.2 太阳电池阵驱动机构 484

18.6.3 蓄电池组测试 485

18.6.4 电源电子设备 485

18.6.5 母线阻抗及稳定性测试 486

18.7 航天器级测试 487

18.7.1 一次电源接通测试 487

18.7.2 电源系统测试 487

18.8 测试点 488

18.9 地面测试设备 489

18.10 发射工位测试 490

第4篇 特殊电源系统 495

第19章 太阳系内及深空间飞行任务 495

19.1 简介 495

19.2 外层空间温度 498

19.3 探月任务 500

19.4 水星探测 501

19.5 近日探测 503

19.6 火星探测器 506

19.7 木星和土星探测 508

19.8 深空探测 510

参考文献 512

第20章 放射性同位素温差电源 513

20.1 简介 513

20.2 温差电偶的基本原理 514

20.2.1 单级单耦合型电池 516

20.2.2 单级多耦合型电池 517

20.2.3 多级多耦合型温差电池 517

20.2.4 放射性同位素温差电源装置 518

20.3 放射性同位素温差电源的电路模型 519

20.4 最大传递功率 520

20.5 温度和老化的影响 521

20.6 放射性同位素温差电源的飞行历史 523

20.7 分段式热电转换器 525

20.8 先进的放射性同位素温差电源 526

20.9 热电冷却器 527

参考文献 527

第21章 交流发电机动力系统 528

21.1 简介 528

21.2 热动力学 531

21.2.1 斯特林发动机（Stirling Engine） 531

21.2.2 布雷顿循环 533

21.3 电—机能量转换 534

21.4 发电机技术 535

21.4.1 各种发电机简介 536

21.4.2 并联运行 538

21.4.3 过载能力 539

21.4.4 电压调节和磁场激励 539

21.4.5 速度和频率限制 540

参考文献 541

第22章 大功率高电压系统 542

22.1 简介 542

22.2 高压太阳电池阵 543

22.3 大功率核能温差电源 544

22.4 高压电源的设计问题 548

22.4.1 帕邢（Paschen）击穿电压 548

22.4.2 电介质应力集中 549

22.4.3 电晕腐蚀 551

22.4.4 原子氧 553

22.4.5 等离子体与带电粒子 554

22.4.6 极端温度 559

22.4.7 设计指南 559

22.5 高压直流电源 561

22.6 交流和直流电源 562

22.7 高频交流电源 564

22.7.1 20 kHz电缆 566

22.7.2 20 kHz交流电流中的EMI 567

22.8 大功率器件 569

22.8.1 旋转功率传递器 569

22.8.2 切换与保护 571

22.8.3 半导体装置 573

22.8.4 电容器 574

22.8.5 功率变换器 575

22.8.6 变压器与电感器 576

22.9 超高压电源系统 576

22.10 重复脉冲电源 579

22.11 兆瓦级爆发电源 581

22.12 高温器件 587

参考文献 591

第23章 电推进 593

23.1 简介 593

23.2 比冲 595

23.3 电推进系统类型 597

23.3.1 电热肼推进器 597

23.3.2 肼弧推进器 598

23.3.3 离子推进器 599

23.3.4 静态等离子体推进器 602

23.3.5 磁流体推进器 603

23.3.6 脉冲等离子体推进器 603

23.4 性能对比 604

23.5 太阳能PV推进 606

23.6 太阳能热推进 608

23.7 核动力推进 609

23.8 微波束推进 610

23.9 绳推进 611

23.9.1 空间碎片清理 616

23.9.2 轨道转移航天器 617

23.9.3 保持空间站轨道高度 617

23.9.4 外层空间行星探测 617

参考文献 618

第24章 燃料电池 619

24.1 简介 619

24.2 燃料电池的电化学原理 620

24.3 电性能 621

24.4 燃料电池种类 624

24.5 可再生燃料电池 626

24.6 空间移民基地用RFC 627

24.7 卫星用燃料电池 629

24.8 商用燃料电池 630

参考文献 632

第25章 飞轮储能系统 633

25.1 简介 633

25.2 光电飞轮动力系统 635

25.3 飞轮系统部件 636

25.3.1 转子轮辋 637

25.3.2 辐条 637

25.3.3 磁悬浮轴承 637

25.3.4 降落机械轴承 639

25.3.5 电机 639

25.3.6 敏感器 639

25.4 功率和动量管理电子器件 641

25.5 能量和应力的关系 642

25.6 飞轮的应用举例 644

25.7 能量动量集成存储 648

25.7.1 能量和动量的关系 648

25.7.2 能量释放约束条件 650

25.8 能量—动量轮举例 651

25.8.1 入轨和发射电源 652

25.8.2 用IEMS代替蓄电池组和反作用轮 653

25.8.3 目标设计举例总结 655

25.9 电机的选择 655

25.9.1 同步电机 655

25.9.2 感应电机 657

25.9.3 直流电机 658

25.10 电动机—发电机设计问题 659

25.10.1 电机机构问题 659

25.10.2 恒定扭矩与恒定能量设计 659

25.11 磁悬浮轴承设计问题 660

25.11.1 低速轴承 661

25.11.2 高速轴承 662

25.12 飞轮系统控制器 663

25.13 NASN的飞轮计划 665

参考文献 668

第26章 空间超导 671

26.1 简介 671

26.2 磁场储能 671

26.3 临界I，B和T 674

26.4 磁心设计 677

26.5 系统结构 677

26.6 超低温 679

26.7 元件低温性能 680

26.7.1 半导体器件 680

26.7.2 磁学 681

26.7.3 电容 682

26.7.4 电阻 682

26.7.5 结构材料 683

参考文献 683

第27章 微波束能量卫星 684

27.1 简介 684

27.2 微波 685

27.3 激光 686

27.4 面向地球的空基电源 686

27.5 太阳能动力发电 689

27.6 能量卫星的发展 692

参考文献 693