航天器的“翅膀”是怎么來的？一文讀懂太陽能電池的航天故事

關(guān)心航天的人，對太陽能電池都很熟悉，也就是我們俗稱的“太陽翼”或“太陽能帆板”。航天領(lǐng)域是人類第一個大量、全面使用太陽能的。沒有航天技術(shù)幾十年的探索、開發(fā)和應(yīng)用，今天龐大的光伏產(chǎn)業(yè)可能就無從誕生。

太陽能電池，如今往往被叫做光伏材料。雖然一部分深空探測器已經(jīng)在使用放射性同位素電源，但絕大多數(shù)航天器，包括降落在月球和火星表面的探測器，還是在使用太陽能電池，因為它安全可靠、技術(shù)成熟、沒有核污染的擔(dān)憂。在深空探測活動中，巨大的太陽能電池陣還可以作為動力，靠太陽光壓來推進(jìn)。

國際空間站的太陽翼是有史以來在太空中使用的最大的光伏電池板

目前，人類使用過的太陽能電池材料，有硅材料和砷化鎵材料兩種。

登上太空，太陽能電池是怎樣被用在航天器上的？

第一種實用的硅太陽能電池是貝爾實驗室于1954年4月推出的。最初的效率只有6%。但貝爾實驗室的核心業(yè)務(wù)是通信，因此沒有在太陽能電池上投入太多研發(fā)資源。

1954年貝爾實驗室開發(fā)的第一塊

1954年4月25日，貝爾實驗室向公眾宣布，研制成功了硅太陽能電池。當(dāng)時美國軍方正秘密考慮研制并發(fā)射一顆衛(wèi)星。貝爾的太陽能電池引起了美國信號部隊指揮官詹姆斯·奧康奈爾的注意。很快，奧康奈爾安排美國陸軍工程兵團(tuán)電力設(shè)備首席研究員漢斯·齊格勒博士訪問貝爾實驗室。

齊格勒博士對他在貝爾實驗室所看到的一切感到非常震驚。訪問結(jié)束后，他對同事們說：“硅太陽能電池很可能會成為重要的電力來源，我們城鎮(zhèn)所有建筑的屋頂都可以裝太陽能電池，足以滿足美國對電力的全部需求。”

齊格勒博士

齊格勒和他的工作人員立即著手調(diào)查。他們在報告中寫道，太陽能電池在太空里，可以擺脫夜間和惡劣天氣等地面限制，“在地球大氣層上方的操作將為太陽能轉(zhuǎn)換器提供理想的環(huán)境”。太陽能電池相對較輕，作為燃料的太陽能在太空中可以24小時使用。此外，硅太陽能電池能使用很多年，而不像其他電源那樣會在不到一個月的時間內(nèi)用盡。他們因此得出結(jié)論：“對于更長的運(yùn)行時間和有限的重量，光伏原理看起來最有希望?！?/p>

當(dāng)時美國海軍贏得了研制美國第一顆衛(wèi)星的競賽。不過海軍對使用太陽能電池毫無興趣，并稱其“不受控制，且工業(yè)基礎(chǔ)尚未完全建立”。海軍的決定激怒了齊格勒，為了“盡早讓人類受益于這項發(fā)明”，他把太陽能電池的想法告訴了由美國著名科學(xué)家組成的民間團(tuán)體，這些人負(fù)責(zé)監(jiān)督美國剛剛起步的太空計劃。這些科學(xué)家站在齊格勒一邊，表示“在太空中使用太陽能電池系統(tǒng)至關(guān)重要”?？茖W(xué)家們向海軍施壓，要求為“先鋒計劃”設(shè)計太陽能電力系統(tǒng)。

貝爾公司把生產(chǎn)許可授予了Spectrolab公司，這家公司按照美軍的要求，制造了第一批太陽電池陣。為了測試它們能否經(jīng)得住航天發(fā)射的震動和太空環(huán)境，齊格勒等人把太陽能電池封裝在由厚重玻璃保護(hù)的盒子里，裝在兩枚火箭的頭錐上，發(fā)射到足夠高的高度，模擬衛(wèi)星運(yùn)行環(huán)境。

火箭的頭錐上安裝了5塊太陽能電池

在兩次發(fā)射中，太陽能電池都運(yùn)行得很好。測試報告說，“它們的能量足以用于衛(wèi)星儀器，而且當(dāng)火箭高速穿過大氣層時，它們不受表面摩擦溫度的影響。”

但測試成功并沒有給海軍留下深刻印象。海軍公開表示，至少前4顆衛(wèi)星可能會使用常規(guī)化學(xué)電池作為電源。

然而，到1957年8月，先鋒計劃陷入了泥潭。為了快速發(fā)射，美軍決定先發(fā)射一批模擬衛(wèi)星，里面除了一個無線電發(fā)射器外，什么都沒有。齊格勒表示，修改后的計劃為“太陽能電池提供了一個絕佳的新機(jī)會”，因為有“相當(dāng)大的重量和體積空著”。海軍最終讓步了。

經(jīng)過幾次失敗的嘗試，第一顆搭載太陽能電池的衛(wèi)星于1958年進(jìn)入軌道。海軍對太陽能電池沒有信心，因此裝了一些化學(xué)電池。19天后，《紐約時報》報道說，“化學(xué)電池耗盡，太陽能單元正在運(yùn)行?！?/p>

因為采用了太陽能電池，先鋒衛(wèi)星比蘇聯(lián)發(fā)射的信使衛(wèi)星運(yùn)行時間更長。后者僅僅在太空飛行數(shù)周后就停止工作了。而先鋒衛(wèi)星長時間工作，更準(zhǔn)確地繪制了南太平洋島嶼的位置，并使地球物理學(xué)家能夠更好地確定地球的形狀。

先鋒衛(wèi)星使用的太陽能電池

先鋒衛(wèi)星更大的作用，是突破了在太空中使用太陽能。如今的太陽能電池已經(jīng)成為太空計劃中最重要的設(shè)備之一。

先鋒衛(wèi)星和4塊太陽能電池

Spectrolab公司憑借先鋒計劃進(jìn)入衛(wèi)星太陽能電池市場后，一發(fā)而不可收，先后達(dá)成了多個里程碑。其中包括探索者6號偵察衛(wèi)星，是第一個采用完整太陽能電池陣列的，它于1959年提供了第一張來自太空的地球照片。第一顆地球靜止軌道通信衛(wèi)星“辛康”，采用了體裝式太陽能電池。1969年的阿波羅11號任務(wù)，在月球上部署了第一塊太陽能電池板。這些都是Spectrolab的產(chǎn)品。他們還為國際空間站提供了275000片硅電池。這是有史以來在太空使用的最大光伏電池板，總輸出功率為200千瓦。

太陽能電池在各種航天器上的成功使用，讓人們發(fā)現(xiàn)了太陽能電池的價值。漢斯·齊格勒博士計算發(fā)現(xiàn)，用太陽能電池為電池組充電，比攜帶蓄電池，發(fā)射重量要輕得多。當(dāng)時的硅太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率約為10%。美國一家叫做光譜實驗室的公司著手開發(fā)專門為太空應(yīng)用服務(wù)的太陽能電池。此后，太陽能電池成為人造衛(wèi)星的標(biāo)配。

到了20世紀(jì)70年代，硅電池效率提高到了約12%。當(dāng)距離太陽一個天文單位，也就是太陽到地球的距離時，直徑6厘米的硅太陽電池可以產(chǎn)生0.25伏特、1安培的電流。

邁向深空，太陽能電池如何越來越強(qiáng)大？

隨著20世紀(jì)70年代和80年代對更強(qiáng)大、更高效衛(wèi)星的需求增加，以Spectrolab公司為代表的太陽能電池廠商開發(fā)了功能越來越強(qiáng)大的太陽能電池。進(jìn)入21世紀(jì)前后，砷化鎵取代硅，成為空間太陽能電池的主要材料，它的效率大約能達(dá)到30%，迅速成為產(chǎn)業(yè)主流。目前最有效的是多結(jié)光伏電池。它們使用幾層磷化銦鎵、砷化鎵和鍺的組合，在非集中AM1.5G照明下效率能夠超過39.2%，使用集中AM1.5G照明時效率能夠超過47.1%。如今，僅Spectrolab公司每年就能夠生產(chǎn)近50萬瓦（超過30顆高功率衛(wèi)星）的多結(jié)太陽能電池和面板。美國機(jī)遇號、勇氣號火星車所使用的太陽能電池也是Spectrolab的產(chǎn)品。其中機(jī)遇號火星車的設(shè)計壽命只有90天，卻一直工作了14年。

迄今為止，美國宇航局已經(jīng)向火星表面發(fā)射了好幾個探測器，包括著陸器、漫游車和直升機(jī)。在這些探測器上，我們可以看到太陽能電池技術(shù)的發(fā)展和變化。

圖中3輛火星車自左至右分別為勇氣號、索杰納號、好奇號

@火星漫游車

火星漫游車需要電力來機(jī)動、驅(qū)動科學(xué)儀器、與地球通信，如果要在火星上鉆探，需要的電力就更強(qiáng)了。目前火星車主要電力來源依然是多面板太陽能電池陣列。它們看起來有點(diǎn)像“翅膀”，但主要用處是發(fā)電，而不是飛行。

隨著不同代次火星車的發(fā)射，所使用的太陽能電池也不斷更新?lián)Q代，達(dá)到越來越高的性能。

1997年7月4日，索杰納號火星車登陸火星。它的設(shè)計壽命只有一周，但實際上運(yùn)行了整整85天。在火星晴朗的白晝，索杰納號火星車的硅太陽能電池陣列可以產(chǎn)生約140瓦的功率，這個時段可以持續(xù)4小時。火星車需要大約100瓦（相當(dāng)于老式的鎢絲燈泡）才能行駛。

火星探路者探測器拍到的索杰納號火星車

當(dāng)然，140瓦是最理想狀態(tài)下的。火星上也有季節(jié)變化，當(dāng)運(yùn)行到遠(yuǎn)日點(diǎn)的時候，由于距離的關(guān)系，太陽光照的強(qiáng)度就會差一些?；鹦且蚕竦厍蛞粯樱赞D(zhuǎn)軸是傾斜的，這給火星帶來了季節(jié)性的變化，加之太陽能陣列上的灰塵覆蓋，“索杰納號”太陽能陣列發(fā)電能力可能會降低到50瓦左右。所以，“索杰納號”還攜帶了一副40安時的鋰電池，白晝靠太陽能電池來充電。到了夜間，火星車的運(yùn)行就靠它了。

到“勇氣號”和“機(jī)遇號”時代，三結(jié)砷化鎵太陽能電池板已經(jīng)成熟。這類電池板有三層，比“索杰納號”上的單層電池板發(fā)電能力更強(qiáng)。在陽光最充足的時候，“勇氣號”和“機(jī)遇號”的太陽能電池板可以在一個火星日當(dāng)中，提供大約900瓦時的電力。

勇氣號火星車的藝術(shù)想象圖

灰塵覆蓋，是太陽能電池板在火星上的最大問題。因為沒有辦法清理，灰塵堆積會持續(xù)減少太陽能輸出，這是美國宇航局最終與勇氣號和機(jī)遇號火星車失去聯(lián)系的主要因素。

由于這個問題不好解決，后續(xù)的“好奇號”和正在運(yùn)行的“毅力號”，都采用了放射性同位素?zé)犭娫础?/p>

@創(chuàng)造火星發(fā)電記錄的洞察號著陸器

2018年11月26日，美國宇航局的洞察號探測器成功登陸火星，雙太陽能電池板陣列創(chuàng)下了火星每日發(fā)電量的紀(jì)錄。

洞察號火星探測器

在第一個火星日，“洞察號”靠太陽能發(fā)電產(chǎn)生了4588瓦時電力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了好奇號漫游車的2806瓦時。排名第三的是鳳凰號著陸器，它靠太陽能發(fā)電，每天產(chǎn)生約1800瓦時的電量。

“洞察號”的太陽能陣列稱為UltraFlex，可以解釋為“超級靈活”，是軌道科學(xué)ATK公司的產(chǎn)品，如今這家企業(yè)已經(jīng)被諾格公司收購。這是一種折扇式的構(gòu)造，展開后變成一個圓形。它也用在鳳凰號著陸器和天鵝座貨運(yùn)飛船上。

根據(jù)諾格公司的說法，UltraFlex的效率達(dá)到29.5%。電池片由SolAero技術(shù)公司制造。此外“洞察號”上還攜帶了兩只25安時鋰電池。

“洞察號”的兩個太陽能陣列直徑各達(dá)到2.2米，當(dāng)它們打開時，整個著陸器大約有“20世紀(jì)60年代的大型敞篷車”大小。這對電池在晴朗的白晝可以提供600至700瓦的峰值功率，約為地球的1/2。即使被灰塵覆蓋，也能夠提供至少200至300瓦的峰值功率。

@機(jī)智號火星直升機(jī)

2020年，美國宇航局的火星車“毅力號”登陸火星時，帶去了一個獨(dú)特的設(shè)備：機(jī)智號小型直升機(jī)。這臺無人直升機(jī)的飛行，讓人們對火星太陽能的應(yīng)用和維護(hù)有了新的理解?；鹦谴髿庀”。朐谶@里放飛一種比空氣更重的物體，需要的旋轉(zhuǎn)功率比地球上大得多。那么，太陽能電池可以支撐這么大的電力需求嗎？

機(jī)智號火星直升機(jī)在地面進(jìn)行測試

“機(jī)智號”的太陽能電池板由一家名為SolAreo的公司提供，采用了所謂“反轉(zhuǎn)變形多結(jié)板”技術(shù)。這類太陽能電池板不但效率可以達(dá)到33%，超過了傳統(tǒng)砷化鎵電池的30%，而且比常規(guī)的太空級太陽能電池板輕40%以上。面板的重量輕和超高效率，為“機(jī)智號”能飛起來提供了可能。

“機(jī)智號”的太陽能電池板尺寸約為425毫米寬、165毫米長。它的發(fā)電能力不足以直接支持飛行，必須先把鋰電池組充滿之后，靠后者飛行。每個火星日，太陽能電池提供的能量可以進(jìn)行一次90秒的飛行。

在現(xiàn)場照片中，“機(jī)智號”的太陽能電池板看起來塵土飛揚(yáng)，但美國宇航局似乎并不擔(dān)心，稱其影響不大。原來“機(jī)智號”的太陽能電池板安裝在旋翼的上方。這就帶來了一個巨大的好處。我們在前文中說到，灰塵覆蓋導(dǎo)致火星車的太陽電池效率越來越差。但“機(jī)智號”飛行期間，會有比較大的空速，相當(dāng)于用風(fēng)來吹拂太陽能電池，可以把灰塵吹走，恢復(fù)發(fā)電能力。這就讓人們有更大的信心，在火星大氣內(nèi)實現(xiàn)旋翼機(jī)的飛行。

成功創(chuàng)新，太陽能電池“變身”后什么樣？

在可預(yù)見的將來，太陽能電池還將繼續(xù)成為人造衛(wèi)星、宇宙飛船、空間站和探測器的主要電力來源。在月球基地運(yùn)行早期，也將大量部署太陽能電池，支撐基地的運(yùn)行。至于月球核電站的部署，目前還在討論當(dāng)中，即使實現(xiàn)，也肯定排在太陽能電池的后面。

太陽能電池板的關(guān)鍵性能指標(biāo)有兩個。首先是比功率，也就是能產(chǎn)生的功率除以太陽能陣列的質(zhì)量。另一個關(guān)鍵指標(biāo)是堆裝效率，也就是所產(chǎn)生的部署功率除以堆疊起來的體積，這表明了該陣列是否能夠很容易地安裝到運(yùn)載火箭中。當(dāng)然，還有第三個關(guān)鍵指標(biāo)，也就是每個瓦特的成本。

為了增加比功率，航天器上的典型太陽能電池板使用緊密堆積的矩形太陽能電池，覆蓋了太陽能電池板近100%的太陽可見區(qū)域。但是，如果航天器采用體裝式電池，也就是把太陽能電池板貼在衛(wèi)星本體外表面，所覆蓋太陽可見區(qū)域就要少得多。

為了能夠獲得最大功率，太陽能電池板可以隨著航天器的移動而轉(zhuǎn)動。因此，無論航天器指向何處，太陽能電池板都始終指向太陽。不過有時候，衛(wèi)星運(yùn)營方會故意將太陽能電池板偏離一點(diǎn)，避免與與太陽直接對準(zhǔn)。這往往是因為星上蓄電池已經(jīng)充滿，或者有效載荷不需要那么多電力。為了減少軌道阻力，國際空間站有時也會讓太陽電池偏離。

長時間暴露在陽光下會導(dǎo)致光伏電池的性能每年下降大約百分之一到百分之二，而當(dāng)暴露在太陽耀斑的粒子輻射下時則會更快?？臻g包含不同水平的電磁輻射和電離輻射。有4種輻射源：地球輻射帶（也稱為范艾倫帶）、銀河宇宙射線（GCR）、太陽風(fēng)和太陽耀斑。范艾倫帶和太陽風(fēng)主要包含質(zhì)子和電子，而GCR主要是高能質(zhì)子、α粒子和更重的離子。由于這些類型的輻射，隨著時間的推移，太陽能電池板的效率將下降，下降速度取決于太陽能電池技術(shù)和航天器的位置。對于硼硅酸鹽玻璃面板覆蓋物，每年的效率損失可能在5~10%之間。其他玻璃覆蓋物，如熔融石英和鉛玻璃，每年可將效率損失降低到1%以下。

因此，圍繞太陽能電池的研發(fā)和改進(jìn)，還將長期持續(xù)下去。最近的一項成功創(chuàng)新，就是柔性展開式太陽能電池。

柔性展開式太陽能電池陣簡稱ROSA。傳統(tǒng)上，宇航用的太陽能電池比較昂貴、笨重，而且操作起來往往非常復(fù)雜。ROSA可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊，價格實惠，能夠用于低地球軌道到星際旅行的各種科學(xué)和商業(yè)任務(wù)。如今，ROSA已經(jīng)在國際空間站上和雙小行星重定向任務(wù)中得到應(yīng)用，未來還計劃使用在地月軌道空間站上，一些商業(yè)衛(wèi)星也在討論使用ROSA。ROSA的研制企業(yè)叫做紅線航天，最初由可部署空間系統(tǒng)公司（DSS）在美國宇航局的空間技術(shù)委員會支持下開發(fā)。2021年，紅線航天收購了DSS公司，繼續(xù)開發(fā)ROSA的應(yīng)用市場。

航天員在為國際空間站安裝ROSA

紅線航天負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)開發(fā)的副總裁肯·斯蒂爾表示，太陽是太空中最大的能源，每秒產(chǎn)生的能量超過了過去70年人類消耗的能量。大多數(shù)航天器都使用太陽能電池板來利用太陽的持續(xù)能量，并為各種需要提供能量，如熱能和有效載荷操作。然而，太陽能電池板的設(shè)計有兩個關(guān)鍵因素，即尺寸和可靠性，這兩個因素很難優(yōu)化。電池板的尺寸會影響發(fā)射成本，同時需要高可靠性來承受惡劣的太空環(huán)境，包括溫度波動、輻射和微流星體撞擊。因此，人類非常需要開發(fā)新概念的太陽能電池，解決上面說的這些問題。

ROSA的出現(xiàn)正好解決了這些問題。和傳統(tǒng)太陽能電池相比，ROSA結(jié)構(gòu)緊湊，像地毯一樣卷起，便于發(fā)射，展開后的面積卻相當(dāng)大。此外，ROSA是可擴(kuò)展和模塊化的，可以滿足各種任務(wù)要求，可以用在小型衛(wèi)星上，也可以用在深空任務(wù)中。

國際空間站上展開后的ROSA與老電池呈一定角度

紅線航天負(fù)責(zé)國際空間站上ROSA的技術(shù)總監(jiān)馬特表示，大型太陽能電池陣的展開，通常使用電機(jī)和拉索系統(tǒng)，需要大量人員操作和大功率電氣系統(tǒng)。相比之下，ROSA可以利用復(fù)合材料吊桿中的變形勢能，自行展開。而且使用復(fù)合材料吊桿還會大大降低機(jī)構(gòu)卡住或電機(jī)失靈的可能性。

盡管ROSA比傳統(tǒng)的太陽能電池陣列小，但它采用了高效太陽能電池，單片太陽能電池板能夠產(chǎn)生超過30千瓦的功率，未來還可能采用聚光器來提高發(fā)電能力。此外，復(fù)合材料吊桿的結(jié)構(gòu)剛性比較好，能夠承受動態(tài)環(huán)境、振動以及碎片或微流星體碰撞，為長時間任務(wù)提供了可靠性。