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神舟十八号即将發射,飛船确定有重大更新,中國攻克全球難題

作者:胖福的小木屋

從神舟十五号開始,中國空間站進入長期有人駐留模式,而飛船長期在軌駐留,科學家發現了空間站的一個重大缺陷。

神舟十八号即将發射,飛船确定有重大更新,中國攻克全球難題

我們都知道,天和核心艙3個對接口分别是前向對接口、後向對接口以及徑向對接口,其中後向對接口主要用于貨運飛船對接,是以通常情況下留給載人飛船的就是前向對接口與徑向對接口。

空間交會就是其中兩個航天器,其中之一通常是一個空間站,同時到達軌道和方法非常近的距離(例如内視覺接觸)。然後兩個航天器的軌道速度和位置矢量精确比對,通過軌道站保持使它們保持恒定距離。會合之間進行對接或靠泊,使航天器進行實體接觸并在它們之間建立聯系。

通過前向對接口與核心艙對接,而前向對接和後向對接在200米的保持點是一個穩定的保持點,即使飛船發動機不開機,也是能夠保持穩定的。

但是徑向對接對接難度就很大,飛船要以垂直的方式、徑向的方式,垂直向上,從下面群組合體來進行交會對接。這項技術的難度非常大,由于徑向對接口與空間站質心不在一條連線上,如果直接對接,較大的撞擊能量會形成更大的偏轉力矩,除此之外,飛船從核心艙下方接近,在軌道高度上就有一個偏差。由于軌道高度的偏差,不同高度的速度也不一樣,在徑向對接的接近過程中,除了有速度位置的改變外,還要去控制速度方向上的角度。是以整個對接過程是高動态的。

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因為對接在一個品質非對稱的位置上,對接産生的撞擊慣量将對空間站組合體形成一個偏轉力矩,進而影響其運作姿态,是以貨運飛船需要繞飛轉位至核心艙前向對接口對組合體進行品質配平(針對飛船徑向對接任務),同時配合核心艙的控制力矩陀螺與姿控動力系統,就可以實作在神舟飛船直接徑向對接工況下的組合體姿态穩定。

而科學家發現,神舟飛船在徑向對接之後,靠在那裡會受到嚴重的遮擋,神舟飛船電源系統共有3種電源:太陽電池帆闆、镉鎳蓄電池、應急電池。而在遮擋之後有30多分鐘卻是在沒有陽光照射的地影期,太陽電池帆闆将停止工作,這時維持飛船正常運轉的電能都來自镉鎳蓄電池事先儲藏好的電能。為了解決能量平衡問題,交會對接成功後,空間站需要為神舟飛船提供一部分電能。

我們都知道鎳電池有NiCd 記憶效應,镉鎳蓄電池長期不徹底充電、放電,容易在電池内留下痕迹,進而降低電池容量的現象,電池可以記憶充、放電幅度和模式,時間一長就很難改變這種模式,無法再做大幅度充電或放電。除此之外,還會産生産生充放電狀态不斷切換的不穩定情況,具體表現就是充放電不規律,還有不充電、不放電等其它複雜工況。

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以前飛船沒有長期在軌駐留,這個問題還不明顯,而現在,飛船需要長期在軌駐留,空間站進入了長期有人駐留模式,這個問題就很明顯了。

為了保證空間站系統的穩定性,神舟十八号迎來了重大更新,電池換成了锂電池,锂離子電池具有容量高、品質輕等優異的性能,锂離子電池相較于镉鎳蓄電池的一個突出優勢就是沒有記憶效應,壽命優勢也将助力神舟飛船擁有更長的靠泊空間站組合體的時間。根據科學家的研究,锂電池循環壽命長,循環次數可達 1000次以上,在均衡充放電的情況下,使用年限可達 5~10 年,壽命約為镉鎳電池的2倍,

但是因為锂電池和鎳電池相比,高安全、高可靠、耐過充、耐過放性能都不如鎳電池穩定,比如使用在787飛機上的波音公司锂離子電池曾出現由于電池過熱導緻火災的事故。由于航天的特殊性,空間電源對锂離子電池的安全性和可靠性有着嚴格的要求,特别是載人航天領域,對電源系統可靠性和安全性的要求近乎苛刻,可以說,航天系統锂電池的運用是一個全球性的難題。

是以長期以來,國際航天界對于采用锂電池都非常謹慎,直到2013年的時候,國際空間站才使用锂離子電池。

神舟十八号即将發射,飛船确定有重大更新,中國攻克全球難題

為此,NASA在锂電池的生産過程中,有專家審查設計、供電、危險控制等環節,尤其在設計環節嚴格監管,確定每個單個電池沒有設計問題。

而中國神舟十八号采用锂電池,也說明了中國已經攻克了一系列的全球難題,重新設計了對锂離子電池的熱管理系統,長壽命大容量锂離子電池的安全性得到廣泛驗證,是以,锂電池上神舟十八号也就成了水到渠成的事情。

可以說,随着锂電池的采用,這也意味着神舟十七号就是镉鎳蓄電池的收官之戰。也是以采用了锂電池,神舟十八号飛船節餘出相當可觀的重量資源,上下行能力最大提升将近300%,而且空間站和飛船的電力系統也更加穩定,對于航天員在軌駐留提供了更高的保障。

神舟十八号即将發射,飛船确定有重大更新,中國攻克全球難題

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