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機器人航天器一般被派往太陽系中一些條件最惡劣的地方去探索人類無法到達的地方。這些航天器依靠電力系統使它們能夠在極端環境工作，并通過地球上工作團隊僅定期和延遲的輸入來執行其推進科學知識的使命。這種航天器上的所有組件都經過設計和測試，可以在服務期內遇到的環境中生存，而電池（通常是最敏感的組件之一）必須在任務過程中提供電力。需要在太空中長時間運行的電源通常限于光伏太陽能電池陣列或放射性同位素熱電發電機（RTG），它們通常與二次電池或電容器一起使用。這些儲能設備可以在電源不可用的任務階段（例如，在發射期間）和對于使用光伏的任務，當太陽能不可用（例如，日食期間和晚上）時使用，以滿足超過太陽能電池陣列或RTG能力（負載均衡）的峰值功率需求。持續時間較短的任務可以使用一次電池。近日，美國宇航局（NASA）噴氣推進實驗室（JPL）的John-Paul Jones等人聚焦于該實驗室執行的航天飛行器任務中的電池，重點闡述了過去、現在以及未來任務中航天器電池的設計理念和功能需求，為新型航天器電池的開發提供了重要思路。

【內容表述】

過去和現在的使命

表1. 過去、現在、未來和任務概念中能源存儲系統的例子

（a）NASA尚未選擇概念任務進行飛行；他們代表著未來可能的任務，但無具體的任務要求。AFT和壽命值代表著設計目標。（b）允許的飛行溫度。（c）LLISSE是由美國宇航局格倫研究中心領導的任務概念。

任務要求可以用于定義與允許航天器運行的其他系統相關的電池所需的能力。這些要求包括溫度范圍、功率/能量、質量/體積、任務持續時間（以及二次電池的循環壽命）、輻射耐受性、沖擊/振動耐受性和除氣性。電池交付任務的成本和時間也在電池化學選擇和電池設計中發揮重要作用。通常，某些要求是很重要的，因為它們決定了電池的尺寸或化學成分以用于特定的任務。有時，這些要求也非常極端，以至于迫使新的電池化學發展以滿足任務要求。表1對過去、現在和未來各種噴氣推進實驗室任務和任務概念對電池系統的要求進行了描述。

例如，深空2號（DS2）中所用的Li/SOCl2原電池使用了一種在零下80 ℃下工作的改性陰極電解液，以及一種能夠承受探測器撞擊火星表面期間預期的 80000 g沖擊力的改進電池盒。一次電池為這次任務提供了最多的能量，因為沒有其他電源可以為二次電池充電。一次電池系統的簡單性通常很有吸引力，特別是對于具有有限壽命，無電源的探測器。推動新電池開發的任務要求的另一個例子是火星探測車（MER）任務，該任務使用由定制的低溫電解質制造的鋰離子電池，能夠在-20 ℃ 下運行（圖1C）。一旦開發出低溫鋰離子電池等技術并證實可以用于飛行器，電池通常會盡可能重復使用。但是，開發可用于飛行器中的新型電池的成本和風險很高，新任務應盡可能地降低成本和風險。這就是用于MER的低溫電池化學，它隨后在鳳凰號、火星科學實驗室（MSL）、朱諾號、重力恢復與內部實驗室（GRAIL）和火星大氣與揮發性演化（MAVEN）上飛行。這些任務都能夠表明電池在MER上的成功，以及在任務開發過程中可在-20 ℃下持續運行（從而降低了任務的風險）。Mars 2020（M2020）Perseverance Rover電池（圖1A）使用了與MER相同的電解質，但由于傳統電極材料過時而使用了新的電極。

為極端環境設計使用的電池具有專用的熱管理系統，以保持模塊在允許飛行溫度（AFT）范圍內，就MER電池而言，包括氣凝膠絕緣、兩個放射性同位素加熱器單元（RHUs）和生存加熱器。MSL和M2020有一個泵熱循環回路，使用來自RTG的廢棄熱功率。與高溫環境相比，這在低溫環境中更容易實現，這可能需要對電池化學成分進行大量的再設計。

對于需要鋰離子電池的計劃或正在開發中的任務，已經從使用主要為航空航天任務設計的電池轉向使用18650圓柱形電池格式的商用現貨（COTS）電池。這種方法利用現代電池設計和制造技術，并最大限度地減少電池間的差異，以達到通常不需要的電池平衡程度。電池模塊結合了設計功能，可為電池提供足夠的熱保護和機械保護。第一個使用COTS電池的JPL深空任務是2018年的MarCO CubeSats，每個CubeSat中使用了12個松下NCR18650B電池。“Ingenuity”號（火星直升機）也利用了這種方法，使用了6個索尼VTC4電池（圖1B）來實現在另一個星球上的首次飛行。這種方法的缺點是電池化學成分可能會在沒有警告的情況下發生變化（需要對未來的任務進行重新認證），并且對電池進行修改非常困難，因為供應商將大規模生產更改為小規模的定制生產運行并不劃算。

任務溫度曲線是選擇電池化學成分時的主要考慮因素。電池實際經歷的溫度將根據任務的目的地以及航天器的熱設計而發生巨大變化。當任務溫度分布更加溫和時，例如在像Europa Clipper這樣的軌道/飛行任務期內，電池會經歷更窄的溫度范圍，即0 ℃到30 ℃。這是一項利用COTS電池設計方法的任務，并在經歷大量的評估測試后選擇了LGMJ118650電池。

圖1. JPL任務中的電池示例。（A）M2020的電池組件。（B）火星直升機的電池。（C）MER、Phoenix和MSL/M2020的單個鋰離子電池（從左到右）。（D）CADRE流動站電池概念的計算機生成圖。

實現未來的任務理念

新的任務概念不斷被開發出來，其中許多需要定制的儲能解決方案，這里只能展現幾個任務概念。確定NASA感興趣的目的地以及可能的任務最佳地點之一是行星科學十年調查。這些文件包含來自行星科學界對NASA任務優先事項的指導，他們經常強調哪些任務需要進一步的技術開發。一旦將這些指導方針發展為更詳細的任務概念，就可以將任務需求轉化為高級電池要求。2023~2032十年期的調查即將發布，將為NASA未來十年的任務提供指導。

Europa Lander概念車（圖2）以一個大型的（~100公斤）Li/CFx（X≈1.0）一次電池為基準。一次電池是這項任務的最佳設計選擇，因為這顆木星的衛星離太陽如此之遠（平均距離7.8億公里），因此太陽輻照度極低，這意味著太陽能電池板需要非常大才能為著陸器提供動力。此外，木星衛星周圍嚴酷的持續輻射環境意味著著陸器的電子設備只能存活幾周，這使得它在未來幾十年里都不太可能作為RTG的電源。雖然可以增加額外的屏蔽以耐輻射，但質量限制排除了這種情況。對于這個任務概念，最大任務持續時間的最小質量的目標驅使電池化學選擇Li/CFx，它在可用一次電池的電池水平中有著已證明的最高比能量（~700 Wh/kg），但在高比能量的COTS電池中不是最高的。Europa的表面非常寒冷(~-170 ℃)；然而，通過使用隔熱材料和航空電子設備產生的余熱，除了可以利用Li/CFx電池產生的熱量（Li/CFx電池中的45%的能量在放電時作為熱量釋放），電池的工作溫度可以保持在0 ℃以上。

圖2. 一個設想的Europa Lander概念車，將~100 kg的Li/CFx一次電池放置在主體外，分成四個獨立的電池組。

火星或月球表面，以及金星和冰冷衛星的任務需要航天器來承受極端溫度；在金星的情況下，這也包括高壓。對這些任務來說通常還需要自定義單元。月球表面的溫度可以低至-232 ℃，最高可達120 ℃。月球表面的近真空環境使得其產生的熱量不能用散熱器輕易去除。NASA協作自主分布式機器人探測器（CADRE）上的電池目前被設計為在-20 ℃到75 ℃的溫度范圍內運行。為了實現如此寬的溫度范圍，Saft MP-xtd鋰離子電池已被基準化，具有可從-30 ℃到 85 ℃運行的工作能力（充放電）。結合適當的熱管理，鋰離子電池這種擴大的的溫度范圍（圖1D）將使漫游車一天中的大部分時間（至少200小時）探索月球表面。在月球中接近兩極的永久陰影區（PSRs）內源性，那里有被困的水冰，這與在赤道附近運行是完全不同的挑戰。當前的漫游車設計（假設合理的電池質量小于100 kg）將月球被永久遮擋區域中的運行時間限制到約6 h。如果能在兩次充電之間留出幾天的時間，就能讓飛行器有更久的時間進入這些黑暗區域，從而獲得更大的科學回報，這是任務設計者們非常希望看到的。組裝級別的目標已設定為>250 Wh/kg，而當前的實踐設計水平為<150 Wh/kg。

金星在大氣壓為92 atm下的表面溫度接近恒定約462 ℃。現有的電池設計即使具有顯著的絕緣性和相變材料，也無法在這樣的溫度下生存，這也將著陸器的使用壽命限制到約2 h。為了使長壽命的金星表面著陸器取得成功，必須確定新的電源。一種這樣的候選技術是熱電池，其變體已被用于過去任務中的關鍵操作，并且在超過350 ℃的內部溫度下工作。盡管標準熱電池可以在所需的金星溫度下運行，但由于電解液泄漏和隨后的電池串擾，它們的設計將運行時間限制在幾個小時內，因此該小組和Eagle-Picher科技公司進行了長壽命熔融鹽電池的開發。雖然實驗室電池在循環時可以存活100天，但自放電將一次性使用期限限制為約25天。

盡管金星表面的環境對所有航天器系統來說都是極具挑戰性的，但金星的上層大氣則較為溫和。溫度從海拔45到65公里范圍內從110 ℃到-30 ℃變化，這可以通過修改現有的儲能技術來獲取支持。這種方法為未來的金星飛行器設計提供了參考。雖然使用現有的鋰離子電池可以達到低溫極限，但目前還不能突破高溫/低空的限制。為了實現這一應用，對現有電池進行了改進，如Saft MPxtd航天器鋰離子電池，以擴大可達到的溫度范圍。

識別和設計太空飛行器電池

飛行器電池需要滿足廣泛的要求，包括溫度范圍、體積、質量、功率、能量、保質期、循環壽命、輻射、沖擊、振動等。有些要求是相互關聯的；例如，電池的循環壽命通常與它的溫度和功率曲線直接相關。為了降低任務的風險和成本，人們總是希望盡可能地考慮使用經過飛行驗證的“傳統”電池化學和設計。然而，由于任務要求有可能在設計周期中改變，保持相同的電源通常是不可行的，而且新的電池化學成分必須經過飛行使用驗證。電池的性能在要求中列出的最苛刻條件下同時進行評估。例如，如果電池必須在溫度低至-30 ℃和高達C/2放電速率下運行，那么其容量是在高于C/2放電速率和<-30 ℃的溫度下確定的，而不考慮其要求范圍內的任何更良性的條件。在任務的各個階段（即驗收測試、集成、巡航、任務作業等）之后，還必須使用降額來估計電池的性能，以確保電池在任務的所有階段（特別是結束階段）仍有足夠的電量。在設計電源系統時，需權衡電池尺寸以滿足這樣如此嚴格的要求，而不是保持一個較小的電池加熱器以產生更多的能量。理解這些需求以及它們之間的關系是為給定任務概念確定正確電池的關鍵。

在任務從概念到飛行的開發過程中，需求是不斷變化的。隨著這一發展的不斷推進，電力系統的利潤也在不斷提高，以確保最終產品能夠滿足其目標。這些余量在開發過程中會有所不同，但一般來說，特定組件（在本例中是電池）必須提供比所需更多的能量和功率，或在更寬的溫度窗口內運行。由于存在這些余量，航天器上的電池系統相對于其他不太重要的應用而言通常尺寸過大。因此，寧愿有一個稍微大一點的電池，而不是因為太小而失去整個任務。如前所述，充足的電池模塊熱設計對于支持極端環境下的可靠運行至關重要，可包括使用絕緣、生存加熱器、RHUs、泵熱回路和熱開關，以保持電池在AFTs內。雖然這些熱控制至關重要，但擴展電池的工作能力可以實現已經耗盡了現有工程解決方案的新任務概念。

【結論】

機器人航天器可以生成有價值的科學數據，這些數據可以試圖回答一些關于宇宙最有趣的問題，但前提是驅動它們的動力系統可以在這些環境工作。現代機器人任務應盡可能使用傳統的電池設計，因為其有已被認可的可靠性水平、較低的成本和開發時間。先進的電池開發是為COTS電池技術不足的任務設計而保留的。任務概念的多樣性要求動力系統的多樣性來滿足每個任務的需求。理想情況下，這可以使用已驗證的技術來實現，但有時條件非常極端，以至于獨特的電池解決方案必須經過設計、制造和測試。使用新電池技術的額外風險意味著它必須經過大量的測試和驗證，超出任務期間預期的極限。電池技術專家面臨的主要挑戰是，將快速發展的電池技術轉化為高度動態的任務概念，往往具有激進性的的時間表和有限的開發時間。然而，在新環境中執行任務的好處遠遠超過了增加的風險，因此，能夠使新任務類型到達新目的地的新電池化學可以引起人們的極大興趣。

John-Paul Jones*, Marshall C. Smart, Frederick C. Krause, William C. West, and Erik J. Brandon, Batteries for robotic spacecraft, Joule, 2022. https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.04.004