蓄电池

张帆

航天器不可或缺设备

人类早期研制的航天器大多依靠蓄电池供电，例如苏联研制的第一颗人造卫星“斯普特尼克一号”和我国研制的“东方红一号”卫星就直接使用蓄电池供电，带来的结果就是使用寿命较短。

随着科技的发展，此后研制的大多数航天器都使用了太阳能电池提供电力，它们最明显的特点就是在卫星或飞船等航天器上安装一块、两块或多块太阳能电池帆板，将太阳光的能量转换为电能，为航天器提供源源不断的电力。

虽然绝大多数航天器都装有太阳能电池，但蓄电池仍然是必不可少的设备。以近地轨道上运行的航天器为例，它们围绕地球转一圈只需要90分钟，而地球自转一周约24小时，航天器很长一段轨道都位于地球阴影区。

在阴影区内，地球挡住了太阳光，航天器上的太阳能帆板无法发电，要保证航天器在阴影区的正常运行，就必须使用蓄电池。当航天器飞到阳照区时，太阳能电池一边给航天器供电，一边将多余的电能储存下来，留待阴影区使用。

此外，航天器在轨道上运行的姿态会不断变化，阳光入射角也在不断变化，如果采用固定太阳能帆板，就不能保证阳光入射角一直接近垂直，太阳能帆板发的电量就会起伏较大，这也需要使用蓄电池进行调节，保证航天器的电源系统能持续稳定地提供电能。

过去数十年里，航天器的电源系统主要使用太阳能电池和蓄电池两种，而蓄电池则起到不可替代的储能作用，是航天器电源分系统的最重部件。因此，对于航天器来说，即使有太阳能帆板发电，蓄电池仍然是供电系统中不可或缺的部分。

多种蓄电池各有优点

经过几十年发展，如今航天器使用的蓄电池种类众多，且技术已经达到了一个较高水平。

早期航天器使用的蓄电池以镉镍蓄电池为主，这是技术上最成熟也曾是应用最广泛的航天器蓄电池，它的主要优点是可靠性高和成本低。

镉镍蓄电池的主要缺点是重量比能量低，大容量蓄电池制作不易。另外，在镉镍电池制作中，氧化镉的污染不容忽视。随着人们的环保意识逐渐增强，这些缺点让它在航天器上的使用越来越少。

20世纪70年代，科研人员结合氢氧燃料电池技术，研制出了新型氢镍蓄电池。通俗地说，同等质量氢镍蓄电池的放电量大，但它占据的体积更大。好在对于大多数航天器来讲，发射质量才是最关键的因素，体积不是大问题。近地轨道上首开记录使用氢镍蓄电池的是哈勃太空望远镜。目前，氢镍蓄电池是航天器采用的主流蓄电池之一。

如今，卫星使用的最新一代蓄电池为锂电池。得益于电动汽车和智能手机的普及，人们对锂电池都不陌生。这种电池具有重量比能量和体积比能量高、使用寿命长和自放电少等优点，其中，锂聚合物电池还改善了电解液泄露问题。目前，锂电池不仅在地面上得到广泛应用，也成为了航天器上的主要蓄电池之一。

核電池主要应用在深空探测器上。美国的“好奇号”火星车和“毅力号”火星车就安装有核电池，它利用钚238放射性衰变获得稳定的电力。核电池的优点是不受光照影响，对深空探测器尤其是外太阳系的深空探测器来说，核电池是必备产品。这种电池在光照强度只有地球轨道数百分之一的深空，仍能通过稳定发电来支持探测器正常工作。

目前，航天器蓄电池发展呈现出一大一小两极分化的趋势。所谓大就是指功率大，以静止轨道卫星为代表的航天器需要大功率电源，要求蓄电池具有大容量、长寿命、高重量和体积比能量的特点;小是指不仅功率小，还侧重于降低蓄电池的体积重量和成本。

据美媒报道，美国宇航局在投资研制新的固体锂电池，如果未来能有效降低固体锂电池的生产成本，它将代替传统锂电池成为航天器蓄电池的“新宠”。