3月29日，長征六號(hào)改運(yùn)載火箭成功發(fā)射，“長征家族”再添新成員。這其中，少不了中國航天科技集團(tuán)八院811所研制的箭上電池的助力。
高壓鋰電首次“亮箭”
作為我國首型固體捆綁火箭，長征六號(hào)改的4個(gè)固體助推器上，配置有8臺(tái)電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)。這8個(gè)在火箭飛行時(shí)執(zhí)行運(yùn)載火箭姿態(tài)和軌道控制任務(wù)的“大塊頭”，其能量需求不是一般的高，“瞬時(shí)輸出功率達(dá)80多千瓦，而在這之前，我們研制的箭上電池最大輸出功率僅有10多千瓦。”中國航天科技集團(tuán)有限公司八院811所運(yùn)載火箭電池技術(shù)負(fù)責(zé)人王冠介紹。
運(yùn)載火箭上常規(guī)采用的28伏低壓鋰電不能滿足要求，811所研制人員為這8個(gè)電動(dòng)伺服量身打造了270伏高壓鋰電，讓“大塊頭”有“大能量”。而270伏的高壓鋰電，在國內(nèi)運(yùn)載領(lǐng)域是首次應(yīng)用。
為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)首次，811所研制人員走出了一條集產(chǎn)學(xué)研一體的道路。從思路提出，到工程落實(shí)，他們靠不斷的調(diào)研學(xué)習(xí)和一遍一遍的試驗(yàn)確定方案。2014年，在單體電池設(shè)計(jì)滿足高倍率輸出要求之后，一系列關(guān)于飛行環(huán)境適應(yīng)性的考驗(yàn)又來了。
長征六號(hào)改箭上電池設(shè)計(jì)師王舒丹介紹，對(duì)于箭上電池來說，長征六號(hào)改的使用環(huán)境是目前運(yùn)載火箭里面最為苛刻的。高壓鋰電安裝在助推器尾端，飛行時(shí)間約為2分鐘，在這短短的2分鐘內(nèi)，電池組需要承受130℃的高溫，而鋰電池單體安全可靠使用的最高環(huán)境溫度約為60℃，原先的電池組保溫材料僅可承受90℃的高溫。與此同時(shí)，電池組還需經(jīng)歷高強(qiáng)度的振動(dòng)和沖擊，振動(dòng)量級(jí)是之前的1.5倍。
為了確保高壓鋰電首次“亮箭”旗開得勝，研制人員從細(xì)節(jié)著手，從內(nèi)到外，加固減震，選用抗力學(xué)性更高、耐高溫性更好的電池組保溫減震材料，通過一輪又一輪的高溫試驗(yàn)、振動(dòng)與沖擊試驗(yàn)，讓高壓鋰電順利通過了“高溫+高量級(jí)振動(dòng)”的雙重考驗(yàn)。同時(shí)，通過更改電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了高壓鋰電在低氣壓空間環(huán)境中的電暈問題。
270伏的高壓鋰電，于操作人員也是陌生的場(chǎng)景。研制人員采用了分布式高壓電池技術(shù)，將其拆分成3個(gè)電池組模塊串聯(lián)組成，有效減少了高壓帶來的操作風(fēng)險(xiǎn)。
經(jīng)過多次系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)考核，高壓鋰電池組的功率輸出性能表現(xiàn)優(yōu)異，最初“1組高壓鋰電為1臺(tái)伺服機(jī)構(gòu)供電”的設(shè)計(jì)方案，也因此改為“1組高壓鋰電為2臺(tái)電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)供電”，“相當(dāng)于由‘1對(duì)1服務(wù)’變?yōu)?lsquo;1對(duì)2服務(wù)’，滿足火箭設(shè)計(jì)指標(biāo)的同時(shí)，也達(dá)到了減重的效果。”王冠說道。
為后續(xù)型號(hào)箭上電池應(yīng)用奠定基礎(chǔ)
作為國內(nèi)首個(gè)全箭采用鋰電方案的新型運(yùn)載火箭，長征六號(hào)改使用的鋰電數(shù)量高達(dá)20塊，為運(yùn)載火箭“歷史之最”。新電池體系的應(yīng)用，也為后續(xù)型號(hào)箭上電池的應(yīng)用奠定了產(chǎn)品化基礎(chǔ)。
據(jù)811所運(yùn)載電源事業(yè)部副部長呂士銀介紹，在開展這20塊為長征六號(hào)改量身定制的箭上電池研制過程中，811所同步啟動(dòng)了箭上鋰電池的產(chǎn)品化工程，形成了以長征六號(hào)改為主線，同步結(jié)合在役火箭箭上電池?fù)Q代的需求，按要求、分容量孵化出了箭上電池的產(chǎn)品系列，形成了八院運(yùn)載火箭箭上電池的產(chǎn)品化型譜。
“從原先的鋅銀電池，到現(xiàn)在的鋰離子蓄電池，產(chǎn)品化工程的開展讓箭上電池產(chǎn)品種類壓縮了40%以上，適應(yīng)高密度發(fā)射的同時(shí)，進(jìn)一步提高了箭上電池產(chǎn)品的質(zhì)量管理水平和成本控制水平。”呂士銀透露，隨著811所箭上電池的升級(jí)換代，結(jié)合型號(hào)的需求，后續(xù)將進(jìn)一步將箭上電池產(chǎn)品種類壓縮20%以上。
新火箭上新電池的一些操作方式也發(fā)生了變化。長征六號(hào)改的箭上電池加溫控溫工作，從箭上轉(zhuǎn)移到了地面，提高了箭上電池的發(fā)射可靠性，避免了因?yàn)榧訙夭荒軘嚅_而導(dǎo)致推遲發(fā)射的情況。同時(shí)改變的，還有這20塊電池的充電方式，“從原先繁瑣的下箭充電改為便攜式的設(shè)備箭上充電，優(yōu)化操作流程的同時(shí)，節(jié)省了操作時(shí)間”，呂士銀說道。
