太阳翼：为航天器装上“翅膀”

文/迟惑

关心航天的人，对太阳能电池都很熟悉，也就是我们俗称的“太阳翼”或“太阳能帆板”。航天领域是人类第一个大量、全面使用太阳能的。没有航天技术几十年的探索、开发和应用，今天庞大的光伏产业可能就无从诞生。

太阳能电池，如今往往被叫做光伏材料。虽然一部分深空探测器已经在使用放射性同位素电源，但绝大多数航天器，包括降落在月球和火星表面的探测器，还是在使用太阳能电池，因为它安全可靠、技术成熟、没有核污染的担忧。在深空探测活动中，巨大的太阳能电池阵还可以作为动力，靠太阳光压来推进。

目前，人类使用过的太阳能电池材料，有硅材料和砷化镓材料两种。

第一道光伏电流

第一种实用的硅太阳能电池是贝尔实验室于1954年4月推出的。最初的效率只有6%。但贝尔实验室的核心业务是通信，因此没有在太阳能电池上投入太多研发资源。

1954年4月25日，贝尔实验室向公众宣布，研制成功了硅太阳能电池。当时美国军方正秘密考虑研制并发射一颗卫星。贝尔的太阳能电池引起了美国信号部队指挥官詹姆斯·奥康奈尔的注意。很快，奥康奈尔安排美国陆军工程兵团电力设备首席研究员汉斯·齐格勒博士访问贝尔实验室。

齐格勒博士对他在贝尔实验室所看到的一切感到非常震惊。访问结束后，他对同事们说：“硅太阳能电池很可能会成为重要的电力来源，我们城镇所有建筑的屋顶都可以装太阳能电池，足以满足美国对电力的全部需求。”

▲ 1954年贝尔实验室开发的第一块太阳能电池的广告

▲ 齐格勒博士

齐格勒和他的工作人员立即着手调查。他们在报告中写道，太阳能电池在太空里，可以摆脱夜间和恶劣天 气等地面限制，“在地球大气层上方的操作将为太阳能转换器提供理想的环境”。太阳能电池相对较轻，作为燃料的太阳能在太空中可以24小时使用。此外，硅太阳能电池能使用很多年，而不像其他电源那样会在不到一个月的时间内用尽。他们因此得出结论：“对于更长的运行时间和有限的重量，光伏原理看起来最有希望。”

当时美国海军赢得了研制美国第一颗卫星的竞赛。不过海军对使用太阳能电池毫无兴趣，并称其“不受控制，且工业基础尚未完全建立”。海军的决定激怒了齐格勒，为了“尽早让人类受益于这项发明”，他把太阳能电池的想法告诉了由美国著名科学家组成的民间团体，这些人负责监督美国刚刚起步的太空计划。这些科学家站在齐格勒一边，表示“在太空中使用太阳能电池系统至关重要”。科学家们向海军施压，要求为“先锋计划”设计太阳能电力系统。

贝尔公司把生产许可授予了Spectrolab公司，这家公司按照美军的要求，制造了第一批太阳电池阵。为了测试它们能否经得住航天发射的震动和太空环境，齐格勒等人把太阳能电池封装在由厚重玻璃保护的盒子里，装在两枚火箭的头锥上，发射到足够高的高度，模拟卫星运行环境。

▲ 火箭的头锥上安装了5块太阳能电池

▲ 先锋卫星和4块太阳能电池

▲ 安装有太阳能电池的先锋卫星被放入火箭头锥，正准备发射

在两次发射中，太阳能电池都运行得很好。测试报告说，“它们的能量足以用于卫星仪器，而且当火箭高速穿过大气层时，它们不受表面摩擦温度的影响。”

但测试成功并没有给海军留下深刻印象。海军公开表示，至少前4颗卫星可能会使用常规化学电池作为电源。

然而，到1957年8月，先锋计划陷入了泥潭。为了快速发射，美军决定先发射一批模拟卫星，里面除了一个无线电发射器外，什么都没有。齐格勒表示，修改后的计划为“太阳能电池提供了一个绝佳的新机会”，因为有“相当大的重量和体积空着”。海军最终让步了。

经过几次失败的尝试，第一颗搭载太阳能电池的卫星于1958年进入轨道。海军对太阳能电池没有信心，因此装了一些化学电池。19天后，《纽约时报》报道说，“化学电池耗尽，太阳能单元正在运行。”

因为采用了太阳能电池，先锋卫星比苏联发射的信使卫星运行时间更长。后者仅仅在太空飞行数周后就停止工作了。而先锋卫星长时间工作，更准确地绘制了南太平洋岛屿的位置，并使地球物理学家能够更好地确定地球的形状。

先锋卫星更大的作用，是突破了在太空中使用太阳能。如今的太阳能电池已经成为太空计划中最重要的设备之一。

Spectrolab公司凭借先锋计划进入卫星太阳能电池市场后，一发而不可收，先后达成了多个里程碑。其中包括探索者6号侦察卫星，是第一个采用完整太阳能电池阵列的，它于1959年提供了第一张来自太空的地球照片。第一颗地球静止轨道通信卫星“辛康”，采用了体装式太阳能电池。1969年的阿波罗11号任务，在月球上部署了第一块太阳能电池板。这些都是Spectrolab的产品。他们还为国际空间站提供了275000片硅电池。这是有史以来在太空使用的最大光伏电池板，总输出功率为200千瓦。

太阳能电池在各种航天器上的成功使用，让人们发现了太阳能电池的价值。汉斯·齐格勒博士计算发现，用太阳能电池为电池组充电，比携带蓄电池，发射重量要轻得多。当时的硅太阳能电池，转换效率约为10%。美国一家叫做光谱实验室的公司着手开发专门为太空应用服务的太阳能电池。此后，太阳能电池成为人造卫星的标配。

到了20世纪70年代，硅电池效率提高到了约12%。当距离太阳一个天文单位，也就是太阳到地球的距离时，直径6厘米的硅太阳电池可以产生0.25伏特、1安培的电流。

▲ 绕地球飞行的先锋卫星

越来越强大的太阳能电池

随着20世纪70年代和80年代对更强大、更高效卫星的需求增加，以Spectrolab公司为代表的太阳能电池厂商开发了功能越来越强大的太阳能电池。进入21世纪前后，砷化镓取代硅，成为空间太阳能电池的主要材料，它的效率大约能达到30%，迅速成为产业主流。目前最有效的是多结光伏电池。它们使用几层磷化铟镓、砷化镓和锗的组合，在非集中AM1.5G照明下效率能够超过39.2%，使用集中AM1.5G照明时效率能够超过47.1%。如今，仅Spectrolab公司每年就能够生产近50万瓦（超过30颗高功率卫星）的多结太阳能电池和面板。美国机遇号、勇气号火星车所使用的太阳能电池也是Spectrolab的产品。其中机遇号火星车的设计寿命只有90天，却一直工作了14年。

迄今为止，美国宇航局已经向火星表面发射了好几个探测器，包括着陆器、漫游车和直升机。在这些探测器上，我们可以看到太阳能电池技术

的发展和变化。

▲ 图中3辆火星车自左至右分别为勇气号、索杰纳号、好奇号

▲ 火星探路者探测器拍到的索杰纳号火星车

@火星漫游车

火星漫游车需要电力来机动、驱动科学仪器、与地球通信，如果要在火星上钻探，需要的电力就更强了。目前火星车主要电力来源依然是多面板太阳能电池阵列。它们看起来有点像“翅膀”，但主要用处是发电，而不是飞行。

随着不同代次火星车的发射，所使用的太阳能电池也不断更新换代，达到越来越高的性能。

1997年7月4日，索杰纳号火星车登陆火星。它的设计寿命只有一周，但实际上运行了整整85天。在火星晴朗的白昼，索杰纳号火星车的硅太阳能电池阵列可以产生约140瓦的功率，这个时段可以持续4小时。火星车需要大约100瓦（相当于老式的钨丝灯泡）才能行驶。

当然，140瓦是最理想状态下的。火星上也有季节变化，当运行到远日点的时候，由于距离的关系，太阳光照的强度就会差一些。火星也像地球一样，自转轴是倾斜的，这给火星带来了季节性的变化，加之太阳能阵列上的灰尘覆盖，“索杰纳号”太阳能阵列发电能力可能会降低到50瓦左右。所以，“索杰纳号”还携带了一副40安时的锂电池，白昼靠太阳能电池来充电。到了夜间，火星车的运行就靠它了。

到“勇气号”和“机遇号”时代，三结砷化镓太阳能电池板已经成熟。这类电池板有三层，比“索杰纳号”上的单层电池板发电能力更强。在阳光最充足的时候，“勇气号”和“机遇号”的太阳能电池板可以在一个火星日当中，提供大约900瓦时的电力。

灰尘覆盖，是太阳能电池板在火星上的最大问题。因为没有办法清理，灰尘堆积会持续减少太阳能输出，这是美国宇航局最终与勇气号和机遇号火星车失去联系的主要因素。

由于这个问题不好解决，后续的“好奇号”和正在运行的“毅力号”，都采用了放射性同位素热电源。

▲ 勇气号火星车的艺术想象图

▲ 洞察号火星探测器

@创造火星发电记录的洞察号着陆器

2018年11月26日，美国宇航局的洞察号探测器成功登陆火星，双太阳能电池板阵列创下了火星每日发电量的纪录。

在第一个火星日，“洞察号”靠太阳能发电产生了4588瓦时电力，远远超过了好奇号漫游车的2806瓦时。排名第三的是凤凰号着陆器，它靠太阳能发电，每天产生约1800瓦时的电量。

“洞察号”的太阳能阵列称为UltraFlex，可以解释为“超级灵活”，是轨道科学ATK公司的产品，如今这家企业已经被诺格公司收购。这是一种折扇式的构造，展开后变成一个圆形。它也用在凤凰号着陆器和天鹅座货运飞船上。

根据诺格公司的说法，UltraFlex的效率达到29.5%。电池片由SolAero技术公司制造。此外“洞察号”上还携带了两只25安时锂电池。

“洞察号”的两个太阳能阵列直径各达到2.2米，当它们打开时，整个着陆器大约有“20世纪60年代的大型敞篷车”大小。这对电池在晴朗的白昼可以提供600至700瓦的峰值功率，约为地球的1/2。即使被灰尘覆盖，也能够提供至少200至300瓦的峰值功率。

@机智号火星直升机

2020年，美国宇航局的火星车“毅力号”登陆火星时，带去了一个独特的设备：机智号小型直升机。这台无人直升机的飞行，让人们对火星太阳能的应用和维护有了新的理解。火星大气稀薄，要想在这里放飞一种比空气更重的物体，需要的旋转功率比地球上大得多。那么，太阳能电池可以支撑这么大的电力需求吗？

“机智号”的太阳能电池板由一家名为SolAreo的公司提供，采用了所谓“反转变形多结板”技术。这类太阳能电池板不但效率可以达到33%，超过了传统砷化镓电池的30%，而且比常规的太空级太阳能电池板轻40%以上。面板的重量轻和超高效率，为“机智号”能飞起来提供了可能。

“机智号”的太阳能电池板尺寸约为425毫米宽、165毫米长。它的发电能力不足以直接支持飞行，必须先把锂电池组充满之后，靠后者飞行。每个火星日，太阳能电池提供的能量可以进行一次90秒的飞行。

▲ 机智号火星直升机在地面进行测试

在现场照片中，“机智号”的太阳能电池板看起来尘土飞扬，但美国宇航局似乎并不担心，称其影响不大。原来“机智号”的太阳能电池板安装在旋翼的上方。这就带来了一个巨大的好处。我们在前文中说到，灰尘覆盖导致火星车的太阳电池效率越来越差。但“机智号”飞行期间，会有比较大的空速，相当于用风来吹拂太阳能电池，可以把灰尘吹走，恢复发电能力。这就让人们有更大的信心，在火星大气内实现旋翼机的飞行。

柔性展开式天阳能电池

在可预见的将来，太阳能电池还将继续成为人造卫星、宇宙飞船、空间站和探测器的主要电力来源。在月球基地运行早期，也将大量部署太阳能电池，支撑基地的运行。至于月球核电站的部署，目前还在讨论当中，即使实现，也肯定排在太阳能电池的后面。

太阳能电池板的关键性能指标有两个。首先是比功率，也就是能产生的功率除以太阳能阵列的质量。另一个关键指标是堆装效率，也就是所产生的部署功率除以堆叠起来的体积，这表明了该阵列是否能够很容易地安装到运载火箭中。当然，还有第三个关键指标，也就是每个瓦特的成本。

为了增加比功率，航天器上的典型太阳能电池板使用紧密堆积的矩形太阳能电池，覆盖了太阳能电池板近100%的太阳可见区域。但是，如果航天器采用体装式电池，也就是把太阳能电池板贴在卫星本体外表面，所覆盖太阳可见区域就要少得多。

为了能够获得最大功率，太阳能电池板可以随着航天器的移动而转动。因此，无论航天器指向何处，太阳能电池板都始终指向太阳。不过有时候，卫星运营方会故意将太阳能电池板偏离一点，避免与与太阳直接对准。这往往是因为星上蓄电池已经充满，或者有效载荷不需要那么多电力。为了减少轨道阻力，国际空间站有时也会让太阳电池偏离。

长时间暴露在阳光下会导致光伏电池的性能每年下降大约百分之一到百分之二，而当暴露在太阳耀斑的粒子辐射下时则会更快。空间包含不同水平的电磁辐射和电离辐射。有4种辐射源：地球辐射带（也称为范艾伦带）、银河宇宙射线（GCR）、太阳风和太阳耀斑。范艾伦带和太阳风主要包含质子和电子，而GCR主要是高能质子、α粒子和更重的离子。由于这些类型的辐射，随着时间的推移，太阳能电池板的效率将下降，下降速度取决于太阳能电池技术和航天器的位置。对于硼硅酸盐玻璃面板覆盖物，每年的效率损失可能在5~10%之间。其他玻璃覆盖物，如熔融石英和铅玻璃，每年可将效率损失降低到1%以下。

▲ 航天员在为国际空间站安装ROSA

▲ 国际空间站上展开后的ROSA与老电池呈一定角度

因此，围绕太阳能电池的研发和改进，还将长期持续下去。最近的一项成功创新，就是柔性展开式太阳能电池。

柔性展开式太阳能电池阵简称ROSA。传统上，宇航用的太阳能电池比较昂贵、笨重，而且操作起来往往非常复杂。ROSA可以实现结构紧凑，价格实惠，能够用于低地球轨道到星际旅行的各种科学和商业任务。如今，ROSA已经在国际空间站上和双小行星重定向任务中得到应用，未来还计划使用在地月轨道空间站上，一些商业卫星也在讨论使用ROSA。

ROSA的研制企业叫做红线航天，最初由可部署空间系统公司（DSS）在美国宇航局的空间技术委员会支持下开发。2021年，红线航天收购了DSS公司，继续开发ROSA的应用市场。

▲ 完工的第一副ROSA

▲ 劳拉公司在卫星上应用ROSA的想象图

红线航天负责业务开发的副总裁肯·斯蒂尔表示，太阳是太空中最大的能源，每秒产生的能量超过了过去70年人类消耗的能量。大多数航天器都使用太阳能电池板来利用太阳的持续能量，并为各种需要提供能量，如热能和有效载荷操作。然而，太阳能电池板的设计有两个关键因素，即尺寸和可靠性，这两个因素很难优化。电池板的尺寸会影响发射成本，同时需要高可靠性来承受恶劣的太空环境，包括温度波动、辐射和微流星体撞击。因此，人类非常需要开发新概念的太阳能电池，解决上面说的这些问题。

ROSA的出现正好解决了这些问题。和传统太阳能电池相比，ROSA结构紧凑，像地毯一样卷起，便于发射，展开后的面积却相当大。此外，ROSA是可扩展和模块化的，可以满足各种任务要求，可以用在小型卫星上，也可以用在深空任务中。

红线航天负责国际空间站上ROSA的技术总监马特表示，大型太阳能电池阵的展开，通常使用电机和拉索系统，需要大量人员操作和大功率电气系统。相比之下，ROSA可以利用复合材料吊杆中的变形势能，自行展开。而且使用复合材料吊杆还会大大降低机构卡住或电机失灵的可能性。

尽管ROSA比传统的太阳能电池阵列小，但它采用了高效太阳能电池，单片太阳能电池板能够产生超过30千瓦的功率，未来还可能采用聚光器来提高发电能力。此外，复合材料吊杆的结构刚性比较好，能够承受动态环境、振动以及碎片或微流星体碰撞，为长时间任务提供了可靠性。