空间用同位素电源可靠性研究
未来深空探测任务,如火星探测、行星际探测等任务都将面临弱太阳光照、极端温度、强辐射带和尘暴等空间环境条件,传统的电源系统配置“太阳电池+蓄电池组”已不能满足任务需求,必须寻找能够适应这些严酷环境的新型空间能源。同位素电源多采用Pu-238 作为核源,其衰变过程中释放热量,不受光照、工作温度和高强辐射环境影响,非常适合未来小功率的深空探测航天器。嫦娥三号成功地实现月面软着陆,开展月面巡视,顺利的完成休眠和自主唤醒,安全度过月夜,其中携带的放射性同位素热源发挥了不可替代的作用,为着陆器和巡视器进入月夜后保温提供热量。相对于同位素热源,同位素电源兼具供热和供电功能,失效机理和失效模式更为复杂。在嫦娥三号研制中,曾经设计并制造了1 台空间用同位素电源鉴定产品,计划应用于月球环境下的空间探测任务。嫦娥三号同位素电源鉴定件产品的输出热功率120W,采用PbTe 材料制备温差电组件,实现热电转换,输出大于5W 的电功率,原计划为月夜期间工作的数据采集器提供电源。通常来讲,同位素电源的可靠性和寿命很大程度上决定了探测器的寿命,而同位素电源的可靠性和寿命受设计、元器件筛选、生产制造、试验等多个因素影响。本文对嫦娥三号同位素电源的设计情况进行简要介绍,以其设计、分析和试验数据为基础,从同位素电源的失效机理和失效模式入手,通过可靠性设计、可靠性筛选和可靠性试验等方式,提出一套设计、分析和验证的控制方法,可以显著提高同位素电源在空间应用的可靠性,以实现长寿命、高可靠的空间应用目标,大大延长航天器工作寿命,节省成本。该方法可以为未来我国深空探测航天器提供借鉴和参考。
探月工程 空间能源 放射性同位素电源 可靠性
张明 任保国
北京空间飞行器总体设计部 北京100094 天津电源研究所 天津300384
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2014-06-20（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）