一种抵近太阳探测器供电系统和方法

1.本发明涉及航天器领域，尤其是一种抵近太阳探测器供电系统和方法。


背景技术：

2.探测器距离太阳越近，照射到探测器的太阳辐射强度越大。目前已经发射升空的美国帕克抵近太阳探测器近日点的太阳辐射强度大约为0.7mw/m^2。国家重点研发计划（项目编号：2022yff0503800）资助设计的抵近太阳探测器距日心最近可达5倍太阳半径，入射至抵近太阳探测器表面的太阳辐射强度可达地球附近辐射强度的1848倍，约2.53mw/m^2。除了太阳辐照，探测器还长期遭受太阳风和太阳活动爆发引起的带电离子的持续侵蚀。抵近太阳探测器不仅需有一个直面太阳辐射冲击的热防护罩，用于抵挡强太阳辐射、太阳风等侵袭，还需要一个在超强太阳辐射运行的供电系统。
3.抵近探测器的供电是关键技术。帕克探测器采用了一种能减轻紫外线降解的传统太阳能电池板。传统太阳能电池板，面对mw/m^2量级太阳辐射时，产生百瓦量级电能会伴随产生数万瓦特的热量，给电池板造成极大的热控压力。psp产生462瓦特电量仅产生6千瓦特的热量，远小于抵近探测器。若采用psp一样的太阳能供电方式，需配备极其庞大且复杂的水冷系统，并需要辐射表面积很大的辐射制冷器，成为热防护系统难以克服的挑战。越复杂的系统越脆弱，出现问题的可能性也越高，复杂的水冷系统为主动热控技术，降低了热控系统的可靠性。
4.帕克抵近太阳探测器采用了一种能减轻紫外线降解的太阳能电池板。距日最近时，由于超强的太阳辐射，帕克电池板每产生1瓦电，就会伴随产生约13瓦的热量。帕克探测器最大耗电功率约462瓦特，最大需要冷却6000瓦特的热量。太阳能电池板的面积约1.55平方米，可闭环控制器倾斜角，倾斜角度为电池板表面法线与热防护罩中心轴线的夹角。在离太阳较远时，电池板都暴露在太阳光照下。距离较近时，调节倾斜角，只剩余足够的板面积吸收太阳能以供电。最近位置时，只有部分太阳能板处于半阴影区，用于发电。为了使太阳能电池板可以正常工作，部分暴露在太阳直接辐射下的太阳能电池板需要保持在不超过150℃，所以在控制倾斜角基础上，仍配备了单向泵循环水冷系统。帕克采用基于美国汉胜公司离心泵和容积为320立方英尺的体积补偿装置组成的复杂的循环水冷系统，总质量55千克，耗电功率不超过43瓦特。
5.抵近太阳探测器距离太阳越近，入射到探测器的太阳辐射强度越大，太阳能电池板产生1瓦电，伴随产生的热量更多。距日心5倍太阳半径的抵近太阳探测器若采用psp的方案，其电池板产生1瓦电力，会伴随产生大约50瓦的热量。500瓦的供电量则伴随产生2.5万瓦特的热量。需配备极其庞大且复杂的水冷系统带走伴随发电过程产生的热量，并需要辐射表面积很大的辐射制冷器，成为热防护系统难以克服的挑战。越复杂的系统越脆弱，出现问题的可能性也越高，复杂的水冷系统降低了热控系统的可靠性。


技术实现要素：

6.本发明的目的旨在克服基于水冷系统的传统太阳能电池板供电技术在抵近太阳探测器供电方面的不足，提供了一种可以用于距日心小于5倍太阳半径区域的抵近太阳探测器的供电系统。
7.本发明是通过以下技术方案实现的：一种抵近太阳探测器供电系统，包括：设于第一太阳能电池板的第一太阳辐射功率计；设于第二太阳能电池板的第二太阳辐射功率计；设于热防护罩上的热电转换装置；设置于热防护罩背部的温度传感器；第一太阳辐射功率计、第二太阳辐射功率计、温度传感器与控制中心连接；第一太阳能电池板、第二太阳能电池板、热电转换装置与储电装置连接；当抵近太阳探测器距离太阳较远，入射至探测器的太阳辐射功率小于太阳常数的50倍时，采用太阳能电池板供电，产生的电能传输至储电装置；随着抵近太阳探测器与太阳距离逐渐接近，入射至探测器的太阳辐射功率逐渐变大，当太阳辐射功率测量值增至太阳常数的50倍时，控制中心发出信号，转动电池板，将太阳能电池板转动至热防护罩的半影区；转动完成后，继续保持周期性测量太阳辐射功率，当太阳辐射功率测量值达到太阳常数的300倍时，控制中心发出信号，转动电池板，把太阳能电池板转动至热防护罩的本影区；此时电池板停止给储电装置供电；控制中心检查温度传感器的测量值，当温度测量值位于-50~500℃时，启动热电转换装置，给储电装置供电。
8.进一步地，所述系统适用于距日心小于5倍太阳半径区域的抵近太阳探测器。
9.进一步地，热电转换装置由若干高温热电材料阵列组合而成，其中一个端面紧贴热防护罩背面，另一个端面向外散热，只要两个端面存在温差，热电转换装置即可产生电。
10.本发明还涉及的一种抵近太阳探测器供电方法，包括：当抵近太阳探测器距离太阳较远，入射至探测器的太阳辐射功率小于太阳常数50倍时，采用太阳能电池板供电，产生的电能传输至储电装置；随着抵近太阳探测器与太阳距离逐渐接近，入射至探测器的太阳辐射功率逐渐变大，当太阳辐射功率测量值增至太阳常数50倍时，控制中心发出信号，转动电池板，将太阳能电池板转动至热防护罩的半影区；转动完成后，继续保持周期性测量太阳辐射功率，当太阳辐射功率测量值达到设定太阳常数300倍时，控制中心发出信号，转动电池板，把太阳能电池板转动至热防护罩的本影区；此时电池板停止给储电装置供电；控制中心检查温度传感器的温度值，当温度测量值位于-50~500℃时，启动热电转换装置，给储电装置供电。
11.本发明通过不同太阳辐射照度下的选择不同的供电方法：入射至探测器的太阳辐照度较弱时，采用太阳能电池板供电，且伴随电池板发电产生的热量较弱，用现有的太阳能电池板水冷技术即可把电池板温度控制在其工作温度范围内。当探测器距离太阳较近，入射至探测器的太阳辐照度很大时，继续采用电池板供电会导致电池板容易被烧坏，此时把电池板转只热防护罩阴影区域。改用热防护罩背面的高温热电材料发电，即可保证稳定发
电，也可以带走热防护罩的一部分热量。进而，本发明可以让抵近太阳探测器在不同强弱太阳辐照下稳定供电，且保证太阳能电池板不被强太阳辐射烧坏。
附图说明
12.图1是本发明实施例的系统第一状态下的结构示意图；图2是本发明实施例的系统第二状态下的结构示意图。
具体实施方式
13.下面将结合本技术实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
14.除非另外定义，本技术实施例中使用的技术术语或者科学术语应当为所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”、“横”以及“竖”等仅用于相对于附图中的部件的方位而言的，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中的部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。本实施例的抵近太阳探测器由国家重点研发计划（项目编号：2022yff0503800）资助。如图1所示，本实施例的抵近太阳探测器供电系统，包括：设于第一太阳能电池板3末端的第一太阳辐射功率计1；设于第二太阳能电池板4末端的第二太阳辐射功率计2；设于热防护罩5上的热电转换装置6；设置于热防护罩背部的温度传感器7。热防护罩5后设有圆台型辐射制冷器8。
15.第一太阳辐射功率计1、第二太阳辐射功率计2、温度传感器7通过信号线12与控制中心10连接；第一太阳能电池板3、第二太阳能电池板4、热电转换装置6通过输电线11与储电装置9连接。储电装置9通过供电线与控制中心10连接。储电装置9与控制中心10位于圆台型辐射制冷器8中。
16.如图1所示，本实施例的供电系统采用双路供电设计，第一路供电是与帕克抵近太阳探测器相似的基于水冷的太阳能电池板供电，每个电池板末端有两个太阳辐射功率计，用于测量入射至电池板的太阳辐射功率，两个功率计的主体位于电池板下方，探测头1.1位于电池板上方，例如：第一太阳辐射功率计1的主体1.2位于第一太阳能电池板3下方，探测头1.1位于第一太阳能电池板3上方。两个太阳辐射功率计通过信号线12与控制中心10连接。
17.第二路供电为热防护罩5背部的热电转换装置6，利用热防护罩5的背部高温发电。热电转换装置6由若干高温热电材料阵列组合而成，其中一个端面紧贴热防护罩背面，另一个端面向外散热，两个端面存在温差时，热电转换装置6产生电。热电转换装置6为现有技
术。热电转换装置6与储电装置9连接。
18.总体上，热电转换装置6把热防护罩5背面的一部分热量转化为电，不仅可以给探测器供电，还降低了热防护罩5的温度。目前选择的高温热电材料是碲化铋，可用于450℃以下的温度环境。
19.基于上述装置，本实施例的供电方法，具体按以下进行：如图1所示，当抵近太阳探测器距离太阳较远，入射至探测器的太阳辐射功率小于太阳常数50倍时，入射至探测器的太阳辐射功率比较弱，此时采用太阳能电池板供电，产生的电通过输电线传输给储电装置9。随着抵近太阳探测器与太阳距离逐渐接近，入射至探测器的太阳辐射功率逐渐变大，辐射功率大致与距离的平方成反比。两个太阳辐射功率计周期性测量太阳辐射功率，同时温度传感器7也周期形测量热防护罩5背部的温度。
20.当太阳辐射功率测量值增至太阳常数的50倍，控制中心10发出信号，通过调节电池板的夹角转动电池板，把太阳能电池板转动至热防护罩的半影区。
21.转动完成后，继续保持周期性测量太阳辐射功率，当太阳辐射功率测量值达到太阳常数300倍时，控制中心发出信号，通过调节电池板的夹角转动电池板，把太阳能电池板转动至热防护罩的本影区。此时电池板停止给储电装置供电，状态如图2所示。
22.然后控制中心检查温度传感器的测量值，当温度测量值位于设定的温度范围内时（比如-50~500摄氏度），控制中心10控制储电装置9，使其接收热电转换装置6的供电。
23.作为一个具体实例：地球大气层外的太阳辐射强度大约为1367w/m^2，这是人们常说的太阳常数。抵近太阳探测器距离太阳越近，入射到探测器附近的太阳辐射强度越大，给电池的循环水冷系统的热控压力越大。
24.当探测器附近的太阳辐射强度达到太阳常数的50倍时，需要把太阳能电池转动至抵近探测器的半影区，当探测器附近的太阳辐射强度达到太阳常数的300倍时，需要把太阳能电池转动至抵近探测器的本影区。转动至本影区后，测量热防护罩的背部温度，确认温度处于热电转换装置的可工作温度范围内后，即可启动热电转化供电模式。
25.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。