吸吸吸…吸阳光？揭秘航天器的“能量之翼”

你是否也对航天器上大大的“翅膀”感到好奇呢？这些“翅膀”是空间站动力和能源的主要提供装置，今天就让我们深入探索一下这些“翅膀”的秘密！

航天器的能量之翼：太阳能电池阵

问天实验舱上的太阳能帆板

航天器的“翅膀”上布满了太阳能电池，学名叫做“太阳能电池阵”。太阳能电池阵的工作原理与一般的太阳能收集器相似，都能够收集太阳能并将其转化为电能。然而，仅仅实现能量转换还不足以支撑航天器在严苛的太空环境中稳定运行，其关键在于如何高效且持续地获取太阳能。

航天器上的太阳能帆板与一般太阳能收集器最大的不同，就是它能够像向日葵一样，始终面向太阳。凭借精准的对日定向技术，太阳能电池阵可实时调整角度，确保最大限度地沐浴在阳光之下，从而吸收足够的阳光，并为航天器提供充足的能量。这部分电能不仅为航天器的实时运行提供动力，更能为电池进行充电储能。一旦航天器步入太阳光线无法企及的轨道阴影区域，此前默默蓄力的燃料电池便能接力，为航天器运行供应稳定可靠的电能，确保各类仪器设备有条不紊地运转。凭借太阳能板与燃料电池的协同配合，巧妙化解太空环境中光照交替带来的能源供应难题。

太阳能电池阵发展轨迹

那么为什么航天器在执行任务时不直接采用电池，反而采用太阳能帆板+电池的配置呢？这是因为太阳能相比电池能够持续提供电能。所以，航天器在执行太空任务时会根据时间长短选择合适的能源供给系统。时间长的任务更适合太阳能电池板，时间短的任务更适合电池（含燃料电池）。所以当任务时间较长时，比如空间站，太阳能当然是不二之选。但如果任务时间较短，比如阿波罗飞船，就没必要用太阳能。

太阳能帆板的折展机构

另外，我们不难发现，在有限的发射重量约束条件下，要保障大功率负载长时间正常运转，太阳能电池是最为合理的选择。在航天器的不同飞行阶段，太阳能帆板的状态会有所转换。在升空阶段，为避免迎面空气动力流的影响，帆板折叠收藏在整流罩内；进入轨道后，它们则展开为航天器提供电力。

在众多能源方式中，太阳能是一种相对容易获取且可持续的能源，在太空环境中太阳能源源不断，只要太阳能帆板可以正常工作就能持续将太阳能转化为电能。

并且从整个航天系统的综合考量来看，虽然可展开太阳能帆板存在如展开过程有风险等问题，但通过配备备份系统、给爆炸螺栓设置多重保险、多道引信等保障措施就能降低风险，提高其使用的可靠性为卫星等航天器稳定运行提供有力的能源保障。

“自旋”稳定模式下的卫星

目前，有的航天器是“自旋”稳定模式，表面贴着太阳能电池板。虽然其太阳能帆板利用率低且有最大输出功率限制，但相对简单，危险性小甚至无危险，能满足小型卫星的用电需求。

随着航天器的持续发展，电能消耗不断攀升，对卫星质量利用率的要求也在随之提高。而且，随着太空探索任务的日益复杂和多样化，对航天器的能源供应稳定性和可靠性也提出了更高的要求。未来，为了给航天器提供更多电能，在太阳能帆板的设计上可能会有新的突破。比如，设计可自旋展开的太阳能帆板，利用其能展开成平面的优势，在航天器入轨后为航天器提供更加充足的电能。

航天技术与产业发展的双重引擎

航天太阳能帆板在材料科学、光电转换机理和系统集成等方面的技术，为地面光伏技术提供了跨界启迪。例如，新型半导体材料的研发、多结电池结构的应用以及智能微电网和能量存储管理的经验等。这些都有助于推动地面光伏产业向高效、柔性和多功能集成的方向转型。这将拓展太阳能在建筑一体化、交通能源补给和离网能源系统等领域的市场份额，促进应用模式的创新。

随着技术的不断进步，太阳能帆板有望在提升航天器性能方面取得更大突破，例如更高的光电转换效率、更轻的重量和更强的抗辐射能力等。太阳能帆板将继续助力中国航天事业的蓬勃发展，为人类探索宇宙的征程贡献更多力量。

部分信息来源于：知网、光明网等

（科学性审核：刘勇，中国科学院国家空间科学中心研究员）