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箭上电池:为长征五号奋斗的十年

2016-11-7 13:16:24      点击:

一声隆隆巨响,长征五号顺利升空,举国欢腾,从2006年到2016年,上海空间电源所长征五号箭上电池研制团队十年磨一“箭”,为长征五号首次飞行保驾护航。


考验重重

长征五号大型运载火箭发射场位于新启用的中国海南文昌发射中心,其发射任务均为大型载荷,发射时产生的巨大推力是其他中低轨道运载火箭推力的3倍,新的新的发射条件、新的地理环境,给箭上电池带来了新的考验。首先,重型运载火箭推力增加,随之增加的是发射时力学环境的严苛度,箭上电池失效的可能也将随之增加,为保证发射可靠度,需要进行技术攻关,将电池组失效率降为最低。其次,从地理位置上来说,文昌地处中国最南端,属于热带海洋性气候,空气常年潮湿温润,含盐量高,易腐蚀电气设备,使其失效,因此电池组的密封性和抗腐蚀能力提出了更高的要求。为迎接新环境带来的诸多挑战,长征五号箭上电池研制团队,步步论证,层层攻关,级级评审,次次实验,最终为长五首次飞行交出了满意的答卷。


脱胎换骨

为满足箭上电池可靠性增长的要求,长五箭上电池研制团队在现役的运载火箭电池组技术上进行了多次“手术”,涉及导线、橡胶材料、紧固件、外壳油漆等原材料的选择,电加热电路、电加热控制回路等各类设计改进十余处。所谓细节决定成败,大到单体电池内部焊接方式变更、小到一颗微不足道的螺丝钉的选择,无不体现出研制团队对电池组设计的细节的关注。确保电池组圆满完成发射任务,除电池自身的电性能外,说到底是结构件、电输出回路和辅助加热系统在更严格的发射条件下的可靠性保证。相比设计成熟的中小推力火箭,如长征二号、长征四号等,其箭上电池加温控制回路、加热带排布方式只满足该发射条件下的可靠性要求。为适应新的发射环境,长五箭上电池的技术负责人王冠、副主任设计师陈国宏及主管设计师薛钢不断进行技术攻关,采用可靠性更高的加温接点双冗余设计,经过多次可靠性验证,确保加温回路在该断的时候断开,该启动的时候启动,避免因单个控制器失效引起加温失控或不加热。另外加热带的排布也进行了相应改进,使加热效率更高、温度分布更均匀。值得一提的是,为适应文昌发射场的潮湿气候,设计师通过更改螺钉材料、外壳清漆材料、密封橡胶的材料及密封接触方式,以提高箭上电池抗腐蚀能力。看似简单的更改,确是设计团队通过大量调研、计算、研讨、实验的结果。通过设计更改,箭上电池“脱胎换骨”,是飞行成功的重要保障。


多个“首次”
从方案论证到首次飞行,长征五号电池组经历了为期十年的研制历程,借鉴现役箭上电池的成熟设计,研制团队进行了适应性改进,并创造了国内箭上电池的多个“首次”。为满足长征五号减重需求,控制系统电池由两台并联改为单台供电,两台并联使用可使电池组单台失效的情况下,另外一台作为备份电池使用,而改为一台后,若单台电连接产生单点失效,则飞行任务面临失败。为解决减重与可靠性的矛盾,研制团队静下心来,深入分析失效关键。具有多年锌银电池研制经验的副主任工艺师刘立清认为电池极耳与极柱连接处为力学薄弱点,若解决此薄弱点,那么箭上电池将不需要用相同的两块电池组来保证发射可靠性,即可大大减小蓄电池组重量。为解决此薄弱点,工艺师与设计师联和设计,开创性的采用双极耳设计在,解决了单体电池极耳与极柱连接处在大推力环境下的断裂的可能,大大提高了电池输出的可靠性,为控制系统减重提供了有力保障。这样的双极耳设计在锌银电池中尚属首次,也是长五箭上电池的“量身定制”,是空间电源所设计师的技术攻关能力的重要体现。除此之外,长征五号箭上电池首次应用了自动加注电解液技术,在国内箭上电池生产中尚属首次,此技术在增加电解液加注可靠性的同时提升了电池的放点性能,并申报国家发明专利。
    长征五号大型运载火箭的首飞成功是我国运载能力提升的里程碑式事件,而空间电源所运载电源也借此机会,大大提高了特种电池研制能力。