早期航天员只能吃冷饭？神舟十八号电池系统大升级

2024年4月25日，神舟十八号飞船在酒泉卫星发射中心执行发射，它与神舟十七号是不一样的。因为神舟十八号是最新一批神舟载人飞船的第一艘，有多项技术升级，特别是全面升级了飞船的电源系统，提升了飞船的性能与安全性。在神舟五号、六号、七号，三次载人飞行任务中，由于电力供应不足，航天员不得不吃冷饭！那么，我国神舟飞船的电源系统包括哪些部分？分别是做什么用的？载人航天的电源系统经历了哪些重要改进，为什么要不断改进？大家好，我是来自中国科学院国家空间科学中心的周炳红，今天就来为大家分享载人航天电源系统，主要是电池系统发展升级的故事。

首先，神舟飞船的电源系统由哪些部分组成呢？它包括主电源、应急电源、返回着陆电源和火工品电源四个部分。主电源后面几个电源是顾名思义的，比如应急电源有重要的“救命”作用。万一发生意外情况，应急电池就会启用。应急电池使用的是高性能比银锌电池，其作用就像UPS不间断电源。出现紧急情况时，飞船返回地面需要4个小时，而应急电池可以确保飞船的用电量。主电源又分为太阳电池翼、调节控制器、蓄电池三个部分。飞船绕地球飞行一圈大约90分钟，会经历光照区和地影区，在光照区，太阳电池翼将太阳能转化为电能，同时为蓄电池充电储存能量。在太阳无法照射的地影区，蓄电池负责为整个飞船供电。

那么，随着我国载人航天工程的发展，电源系统经历了哪些升级改进呢？航天员每天的生活用电要依靠电源系统，飞船的用电功率大约2千瓦，相当于一个普通家用空调或者是一个功率高点的微波炉的耗电量，这样神舟飞船一天耗电40多度。在载人航天工程一期时，由于供电能力有限，航天员吃的都是冷饭。载人航天工程二期使用的电源系统中，太阳能电池帆板的材料采用了砷化镓，代替了一期使用的多晶硅，发电能力提高了一倍，可以确保航天员顿顿吃上热饭。

神舟十八号以前的飞船使用的一直是镉镍蓄电池，工作电压28伏。载人航天发展过程中，还研制了另外两种蓄电池，分别是用于天宫实验室的100伏高压氢镍蓄电池，和用于天舟货运飞船的锂离子蓄电池。这次神舟十八号也升级到了锂离子蓄电池。

为什么要用锂离子电池呢？这是由于空间站时代飞船的使用环境和使用时间长度变化决定的。空间站时代后，在轨驻留时间通常是6个月，这样一来就面临两个很严峻的问题：一是空间站舱体的遮挡问题，舱体连接长度数十米，还有巨大的柔性太阳翼，对神舟载人飞船的太阳翼形成了比较严重的光照遮挡，导致自主发电能力不足。还有一个是神舟飞船停靠期间需要接受空间站的电力供应，由此产生充放电状态不断切换的不稳定情况，造成充放电不规律问题。

从神舟一号到神舟十七号，飞船配置的都是“镉镍蓄电池”，这种电池具有高安全、高可靠、耐过充、耐过放等优势性能，可以满足神舟飞船高安全运行的任务要求，但是它也有缺点，就是“记忆效应”。“记忆效应”就是蓄电池在长期小负载情况下不断充放电时产生的，一旦耗电量又增加、回到满负荷状态，就可能会出现蓄电池供电能力不足的问题。鉴于长寿命大容量锂离子电池的安全性在天舟货运飞船中得到广泛验证，为了让神舟飞船具备更加强大的能力，从神舟十八号开始，就换成了锂离子电池。锂离子电池相较于镉镍蓄电池的一个突出优势就是没有记忆效应，使用寿命长。这就使得神舟飞船克服了不规律充放电问题，获得了更长的停靠空间站组合体的时间，同时也更加安全可靠。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者名称：周炳红

审核：孙志斌 中国科学院国家空间科学中心研究员

出品：中国科协科普部

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