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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EMI414

15.2.2 辐射EMI414

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EMI430

15.7 宽带EMI431

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/EMC480

18.3.10 ESD480

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EMI567

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RFC627

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T674

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