1.本发明属于深空探测技术领域，尤其涉及一种应用于火星着陆巡视任务的高可靠复合供电系统。


背景技术：

2.多舱段组合式航天器目前在月球探测及载人航天领域已广泛应用，专利《一种双舱组合式航天器联合供电系统与方法》提供了一种双舱组合式航天器供电系统的设计方法，但其针对的系统单机均采用传统设备，两舱的供电模式相似，仅是在模块复用等环节作了优化设计。
3.同时，传统的航天器针对短时一次性任务，多选用锌银电池，然而针对火星探测器以及行星际探测任务，供电单机面临长期贮存及宽温度范围使用等问题，因此必须选择适应长期贮存的又能增加系统能效的电源单机，短时供电的锌银电池不再适用；其次，传统多舱段航天器长时任务与短时任务若选用不同类型电池组，多为独立供电，不适宜混用或复用；然而，火星探测器的两舱任务相对独立，但又存在长时与短时供电相结合的任务需求，现有的供电模式并不适用于火星探测器的两舱供电；最后，在探测器面临高风险、高复杂的edl(进入、下降、着陆)阶段，无法进行人为干预，两舱电源系统的可靠性、故障识别以及隔离变得尤为重要；综上所述，传统供电拓扑已不适应高可靠复合供电任务的行星际探测需求。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供一种应用于火星着陆巡视任务的高可靠复合供电系统，既可以实现两舱组合供电也可以实现单舱独立供电，既简化了系统配置，又提高了电源系统可靠性，提高能效比。
5.一种应用于火星着陆巡视任务的高可靠复合供电系统，设置于火星探测器上，且火星探测器包括环绕器和着陆巡视器，着陆巡视器包括进入舱与火星车，所述复合供电系统包括进入舱电源分系统、火星车电源分系统、主份供电通路、备份供电通路以及充电通路，其中，进入舱电源分系统采用一次电池进行储能，火星车电源分系统采用可重复充电电池进行储能，主份供电通路用于控制进入舱电源分系统的通断，备份供电通路用于控制火星车电源分系统的通断，充电通路用于实现环绕器对可重复充电电池的充电；
6.当着陆巡视器处于edl阶段时，若一次电池的电压不低于第一设定值，启动主份供电通路，仅由进入舱电源分系统为整个着陆巡视器供电；若一次电池的电压低于第一设定值而不低于第二设定值，同时启动主份供电通路与备份供电通路，由进入舱电源分系统与火星车电源分系统共同为整个着陆巡视器供电；若一次电池的电压低于第二设定值，启动备份供电通路，仅由火星车电源分系统为整个着陆巡视器供电。
7.进一步地，所述备份供电通路上串联有二极管，使得在进入舱电源分系统与火星车电源分系统的共同放电过程中，可重复充电电池的放电电压始终高于一次电池的放电电
压。
8.进一步地，一种应用于火星着陆巡视任务的高可靠复合供电系统，还包括故障检测分系统；
9.所述故障检测分系统用于实时获取进入舱电源分系统中一次电池的放电电压，并对其进行实时判断，其中，若连续的三帧放电电压均低于第二设定值，则判断一次电池故障，启动备份供电通路，仅由火星车电源分系统为整个着陆巡视器供电。
10.进一步地，当火星探测器处于着陆前的飞行阶段时，可重复充电电池以设定的低荷状态进行储能；在着陆巡视器进入edl阶段之前，启动充电通路，并由环绕器通过分段充电或一次充电的方式将可重复充电电池充满，使得可重复充电电池作为着陆巡视器处于edl阶段时的备份电源。
11.进一步地，当着陆巡视器处于火面阶段时，进入舱与火星车分离，火星车太阳翼展开，此时接通一次母线通路，可重复充电电池、太阳电池阵以及火星车上的电源控制设备形成独立的母线系统，为火星车供电。
12.进一步地，当火星探测器处于发射阶段以及着陆前的飞行阶段时，若环绕器的功率不小于第三设定值，则由环绕器为着陆巡视器供电；若环绕器的功率小于第三设定值，则环绕器与着陆巡视器各自独立供电，其中，着陆巡视器由一次电池提供电能或者由可重复充电电池提供电能，且进入舱、环绕器以及火星车三者之间的电压关系满足v
进入舱
>v
环绕器
且v
进入舱
>v
火星车
。
13.进一步地，所述火星车电源分系统包括可重复充电电池、太阳电池阵以及电源控制设备，其中，电源控制设备包括太阳电池阵功率调节器、开关k2、开关k4以及相互串联的电容组合，其中，太阳电池阵依次串联太阳电池阵功率调节器与开关k4后连接火星车的负载，开关k2与电容组合并联，且其中一个并联端连接可重复充电电池，另一个并联端通过开关k4连接火星车的负载；
14.所述主份供电通路包括开关k1、dc/dc转换器以及二极管d2，其中，开关k1两端分别连接一次电池的输出端与dc/dc转换器的输入端，dc/dc转换器的输出端连接进入舱的负载，同时还通过正向连接的二极管d2连接火星车的负载；
15.所述备份供电通路包括开关k3以及双二极管组合d3，其中，开关k3一端连接可重复充电电池，另一端依次串联正向连接的双二极管组合d3与dc/dc转换器后，与进入舱的负载连接；
16.所述充电通路包括串联的开关k5与开关k6，且三个开关串联后，一端连接环绕器，另一端通过电源控制设备中的开关k2连接可重复充电电池，其中，开关k5设置于环绕器上，开关k6设置于火星车中。
17.进一步地，当着陆巡视器处于edl阶段时，若一次电池的电压不低于第一设定值，则闭合开关k1，着陆巡视器其余开关均处于断开状态，仅由一次电池为整个着陆巡视器供电；若一次电池的电压低于第一设定值而不低于第二设定值，则同时闭合开关k1和开关k3，由一次电池与可重复充电电池共同为整个着陆巡视器供电；若一次电池的电压低于第二设定值，则闭合开关k3，仅由火星车电源分系统为整个着陆巡视器供电。
18.进一步地，当着陆巡视器处于火面阶段时，开关k1始终处于闭合状态，使得一次电池独立为进入舱的负载供电；进入舱与火星车分离之后，火星车太阳翼展开，此时再闭合火
星车上的开关k2和开关k4，使得可重复充电电池、太阳电池阵以及火星车上的电源控制设备形成独立的母线系统，为火星车供电。
19.进一步地，所述环绕器的太阳翼通过环绕器母线接入所述主供电通路，同时，环绕器母线上串接有开关s1，且环绕器母线与主供电通路之间通过正向连接的二极管d1实现隔离；
20.当火星探测器处于发射阶段以及着陆前的飞行阶段时，若环绕器的功率不小于第三设定值，则闭合开关s1，断开着陆巡视器上的所有开关，由环绕器为着陆巡视器供电；若环绕器的功率小于第三设定值，则环绕器与着陆巡视器各自独立供电，且进入舱、环绕器以及火星车三者之间的电压关系满足v
进入舱
>v
环绕器
且v
进入舱
>v
火星车
，同时，若要采用一次电池为着陆巡视器提供电能，则仅闭合开关k1，若要采用可重复充电电池为着陆巡视器提供电能，则仅闭合开关k3。
21.有益效果：
22.1、本发明提供一种应用于火星着陆巡视任务的高可靠复合供电系统，对于只需短时供电的进入舱电源分系统，选用自放电率小、免维护、温度适应范围宽等特点的高比能一次电池，节省了进入舱的充电通路，从而减轻整个供电系统的重量；对于需要长时供电的火星车电源分系统，选用可重复充电电池，以此通过采用不同类型储能电池及相应的拓扑设计，达到适应长时间贮存及宽温度范围的探测任务，又能在最关键的edl段实现供电通路复用备份的目的，也即备份供电通路即可独立完成edl任务也可配合主供电通路完成edl任务；由此可见，本发明特别适用于火星探测类任务以及行星际探测任务等需经历长期飞行、适应长时间贮存、各舱任务相对独立的探测器；同时，本发明这种一舱短时供电与另一舱长时供电并存的复合供电系统，能够将系统能效发挥到最大，在简化系统配置、节约整器资源的前提下仍保持电源系统的高可靠性。
23.2、本发明提供一种应用于火星着陆巡视任务的高可靠复合供电系统，备份供电通路有两个串联的二极管阵列，使放电过程中火星车的可重复充电电池电压始终高于进入舱的一次电池电压，能够达到优先使用进入舱一次电池保全火星车可重复充电电池的目的，有效保障了火星车着陆火面首页后供电任务的能量需求。
24.3、本发明提供一种应用于火星着陆巡视任务的高可靠复合供电系统，在短时edl任务期间，可根据实际需要将可重复充电电池可作为备份电源为航天器供电，短时任务结束后，可重复充电电池与太阳翼及电源控制设备共同组合成新的供电拓扑完成长时供电任务，增加了整个电源系统的可靠性。
25.4、本发明提供一种应用于火星着陆巡视任务的高可靠复合供电系统，对于需要长时供电的火星车电源分系统，选用可重复充电电池，在长期飞行阶段以低荷电态保存，减缓可重复充电电池的衰减；开展edl任务之前通过分段充电或一次充电方式将电池充满，能够确保在执行edl任务的关键阶段，即使一次电池出现故障，也可以通过可重复充电电池的备份供电通路满足任务需求。
附图说明
26.图1为一种应用于火星着陆巡视任务的复合供电系统示意图；
27.图2为工况1仅由环绕器供电(s1闭合)系统示意图；
28.图3为工况1环绕器为着陆巡视器充电(k5、k6、k2闭合)系统示意图；
29.图4为工况1进入舱为着陆巡视器供电(k1闭合)系统示意图；
30.图5为工况1火星车独立为着陆巡视器供电(k3闭合)系统示意图；
31.图6为工况2进入舱独立为着陆巡视器供电(k1闭合)系统示意图；
32.图7为工况2火星车独立为着陆巡视器供电(k3闭合)系统示意图；
33.图8为工况2两组电池联合供电(k1、k3闭合)系统示意图；
34.图9为工况3进入舱与火星车各自独立供电(k1、k2、k4闭合)系统示意图。
具体实施方式
35.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
36.在结合火星探测器任务要求的情况下，为增加电源系统的可靠性，提高能效比，本发明提供一种应用于火星着陆巡视任务的高可靠复合供电系统，设置于火星探测器上，且火星探测器包括环绕器和着陆巡视器，着陆巡视器包括进入舱与火星车，所述复合供电系统包括进入舱电源分系统、火星车电源分系统、主份供电通路、备份供电通路以及充电通路，其中，进入舱电源分系统采用一次电池进行储能，火星车电源分系统采用可重复充电电池进行储能，主份供电通路用于控制进入舱电源分系统的通断，备份供电通路用于控制火星车电源分系统的通断，充电通路用于实现环绕器对可重复充电电池的充电。需要说明的是，本发明采用的一次电池为兼具高比能量和高比功率的锂氟化碳电池，能够进一步提高系统的能效比。
37.具体的，如图1所示，所述火星车电源分系统包括可重复充电电池、太阳电池阵以及电源控制设备，其中，电源控制设备包括太阳电池阵功率调节器、开关k2、开关k4以及相互串联的电容组合，其中，太阳电池阵依次串联太阳电池阵功率调节器与开关k4后连接火星车的负载，开关k2与电容组合并联，且其中一个并联端连接可重复充电电池，另一个并联端通过开关k4连接火星车的负载。
38.所述主份供电通路包括开关k1、dc/dc转换器以及二极管d2，其中，开关k1两端分别连接一次电池的输出端与dc/dc转换器的输入端，dc/dc转换器的输出端连接进入舱的负载，同时还通过正向连接的二极管d2连接火星车的负载。
39.所述备份供电通路包括开关k3以及双二极管组合d3，其中，开关k3一端连接可重复充电电池，另一端依次串联正向连接的双二极管组合d3与dc/dc转换器后，与进入舱的负载连接。
40.所述充电通路包括串联的开关k5与开关k6，且三个开关串联后，一端连接环绕器，另一端通过电源控制设备中的开关k2连接可重复充电电池，其中，开关k5设置于环绕器上，开关k6设置于火星车中。
41.所述环绕器的太阳翼通过环绕器母线接入所述主供电通路，同时，环绕器母线上串接有开关s1，且环绕器母线与主供电通路之间通过正向连接的二极管d1实现隔离。
42.由此可见，
①
环绕器供电母线为进入舱及火星车供电，环绕器太阳电池阵可切至充电通路为火星车电池充电；
②
高比能一次电池通过放电开关k1连接到主供电通路，可直接为进入舱负载供电，通过二极管d2为火星车负载供电；
③
可重复充电电池通过放电开关
k2连接到火星车主供电通路，一次母线开关k4接通之后可为火星车负载供电；
④
可重复充电电池通过备份供电通路及二极管组合d3连接到进入舱主供电通路，控制开关k3接通情况下可为进入舱及火星车负载供电；
⑤
环绕器太阳翼通过k5开关切换到充电通路，同时开关k6及k2为接通状态时可对火星车可充电电池进行充电。
43.需要说明的是，火星探测器的飞行与着陆过程可以分为如下三个工况：
44.工况一：火星探测器发射段及长期飞行段
45.当火星探测器处于发射阶段以及着陆前的长期飞行阶段时，航天器为组合体状态，有两种供电方式；其中，第一种：若环绕器的功率不小于第三设定值，也即环绕器功率充足，则闭合开关s1，断开着陆巡视器上的所有开关，由环绕器为着陆巡视器供电，如图2所示；第二种：若环绕器的功率小于第三设定值，也即在某些特殊情况下环绕器功率不足时，则环绕器与着陆巡视器各自独立供电；同时，在第二种情况下，可选择由进入舱通过主份供电通路为着陆巡视器供电，也可选择由火星车通过备份供电通路为着陆巡视器供电，其中，若要采用一次电池为着陆巡视器提供电能，则仅闭合开关k1，其余开关均为断开状态，如图4所示；若要采用可重复充电电池为着陆巡视器提供电能，则仅闭合开关k3，其余开关均为断开状态，如图5所示；需要说明的是，为满足上述供电方式自由切换，进入舱、环绕器以及火星车三者之间的电压关系满足v
进入舱
>v
环绕器
且v
进入舱
>v
火星车
。
46.进一步地，对于长时供电舱，也即火星车，选用的可重复充电电池作为储能装置，在长期飞行阶段以低荷电态保存，以减缓可重复充电电池的衰减；开展edl任务之前通过分段充电或一次充电方式将可重复充电电池充满，以满足edl任务需求；其中，在短时任务，如edl任务期间可重复充电电池可作为备份电源为航天器供电，短时任务结束后，与太阳翼及电源控制设备共同组合成新的供电拓扑完成长时供电任务，如后续的火面探测。
47.因此，当火星车可充电电池需要充电时，可通过依次闭合k6、k5、k2开关进行充电，如图3所示。
48.工况二：着陆巡视器edl段
49.当着陆巡视器处于edl阶段时，环绕器与着陆巡视器分离，着陆巡视器为组合体状态，有三种供电方式；第一种：若一次电池的电压不低于第一设定值，则闭合开关k1，着陆巡视器其余开关均处于断开状态，也即仅启动主份供电通路，仅由进入舱电源分系统为整个着陆巡视器供电，此方式也为标称供电方式，如图6所示；第二种：若一次电池的电压低于第一设定值而不低于第二设定值，也即一次电池电压低于正常工作电压但仍然能够参与工作，则同时闭合开关k1和开关k3，启动主份供电通路与备份供电通路，由进入舱电源分系统与火星车电源分系统共同为整个着陆巡视器供电，如图8所示；此外，由于备份充电通路有两串二极管阵列d3，使得放电过程中可重复充电电池的放电电压始终高于一次电池的放电电压，从而达到优先使用进入舱高比能一次电池保全火星车可重复充电电池的目的；第三种：若一次电池的电压低于第二设定值，说明进入舱电池由于故障已经不能工作，则仅闭合开关k3，启动备份供电通路，仅由火星车电源分系统为整个着陆巡视器供电，如图7所示。
50.需要说明的是，进入舱电源分系统中一次电池的放电电压可以通过进入舱的故障检测分系统来测量，故障检测分系统实际为数管软件，则本发明通过数管软件对进入舱一次电池电压进行实时判断，设定一次电池最低放电电压23v，也即第二设定值为23v，若连续三帧判断电压低于此阈值，则判断进入舱一次电池故障，并通过数管软件自主接通备份供
电通路确保edl任务。
51.工况三：火面阶段
52.当着陆巡视器处于火面阶段时，开关k1始终处于闭合状态，使得一次电池独立为进入舱的负载供电；进入舱与火星车分离之后，火星车太阳翼展开，此时再闭合火星车上的开关k2和开关k4，即接通一次母线通路，使得可重复充电电池、太阳电池阵以及火星车上的电源控制设备形成独立的母线系统，为火星车供电，如图9所示。
53.需要说明的是，本发明复合供电系统的供电对象为航天器的所有用电负载。
54.综上所述，本发明提供一种应用于火星着陆巡视任务的高可靠复合供电系统，对于只需短时供电的进入舱电源分系统，选用自放电率小、免维护、温度适应范围宽等特点的高比能一次电池减轻整个供电系统的重量；对于需长时供电的火星车电源分系统，选用可重复充电电池，在长期飞行阶段以低荷电态保存，减缓可重复充电电池的衰减；开展edl任务之前通过分段充电或一次充电方式将电池充满，以满足任务需求；其中在短时任务期间根据需要可重复充电电池可作为备份电源为航天器供电，短时任务结束后，与太阳翼及电源控制设备共同组成组合成新的供电系统完成长时供电任务；由此可见，本发明特别适用于火星探测类任务以及行星际探测任务等需经历长期飞行、适应长时间贮存、各舱任务相对独立的探测器，本发明这种一舱短时供电与另一舱长时供电并存的复合供电系统，可简化系统配置，显著提高电源系统可靠性。
55.当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。