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鎳鎘電池確保神舟飛船“心臟”完美“跳動”

作者:中國儲能網新聞中心 來源:解放日報 發(fā)布時間:2013-06-27 瀏覽:
     中國儲能網訊:昨天神十成功返回的直播,費君生沒有看。
 
  各種有關神舟成功的新聞,他似乎都已習以為常,況且,早上8:15就要上班,這一天實驗室還忙得緊,下一次航天飛船的任務,已經開始了。
 
  過去的這十多年,從神一到神十,他沒有一次落下,在酒泉偌大的發(fā)射大廳里,總會有他的一個座位。
 
  每次,老費都會坐在那兒,卻從沒有機會,如同電視里那樣,響亮地回應總指揮一聲,“一切正常”。
 
  在神舟飛船數(shù)萬個零部件中,老費工作的內容,只有一項,為飛船保駕護航的電池組電源,也是飛船跳動的“心臟”。
 
  火箭點火前40分鐘,當一切外部地面供電連接分離后,這顆“心臟”開始為整艘飛船提供動力,一直到太陽能帆板打開,迎來太陽,開始發(fā)電,這顆“心臟”才能“收縮”儲能,等待下一次背光時再次泵出(就像人體里,心臟的主要功能是把血液從心室內泵出,供給全身)。
 
  費君生的任務,就是確保這顆“心臟”每一次的完美“跳動”。
 
  一次,一次,放電、充電、放電、充電……這在飛船上,其實一點也不簡單。
 
  “技術工”
 
  費君生看上去,就像個研究員,大大的金絲框眼鏡,幾乎占據(jù)了半張臉。
 
  對有關飛船項目的所有高精尖內容,他顯得有些輕描淡寫,“我的研究,就是電池嘛。鎳鎘電池,大家都知道的”。
 
  普通鎳鎘電池可重復500次以上充放電,經濟耐用,是最早應用于手機、剃須器、電動玩具等設備的一種充電電池,原理也不復雜。但飛船上用的鎳鎘電池,卻遠非一般可比。
 
  “主要的差別,在安全性、可靠性、功率、容量、性能上。”費君生覺得,這些都是可以想見的,比如飛船的工作環(huán)境,是真空環(huán)境中,溫度在0—18攝氏度之間;電池必須在有陽光時迅速充電,使用時滿足飛船上幾乎所有設備的供電要求,必須功率、容量巨大;飛船重量、空間控制嚴格,安全要求萬無一失,電池只能在大小一定下,盡可能提高性能,穩(wěn)定性需求極高……
 
  老費輕描淡寫,但這些改變,卻正是鎳鎘電池的“基因缺陷”,如鎳鎘電池的“記憶效應”,若發(fā)射前充放電處理不當,極易出現(xiàn)容量衰減、電壓顯著下降等狀況。這些問題,要是出現(xiàn)在太空中,就會是致命的。
 
  如今,神十裝載的這組鎳鎘電池,幾乎像個“怪物”。
 
  它的容量達到70安時,是目前我國容量最大的儲能電源,以普通一節(jié)5號電池容量1500毫安計,約相當于近470節(jié)5號電池同時供電;當巨量的太陽能輸入電池時,端口溫度瞬間可達40攝氏度以上,而電池表面溫度卻能嚴格控制在0—18攝氏度的使用溫度;在極端環(huán)境下工作,它的最佳工作壽命仍可維持半年以上……
 
  老費比劃著,這樣一組電池,一共6塊,分為3組,總重嚴格控制為23公斤,每一塊寬250毫米,長400毫米,高300毫米,類似于一個長方形的巨型不銹鋼“寧波年糕塊”。
 
  “因為空間有限,電池的體積是一定的,所以只能在方寸間提高電池的性能。”老費解釋說,“從神一到神七,容量還是65安時,從神八起就開始應用70安時了。”
 
  老費傾注了20多年的心血,和發(fā)動機、太陽能電池陣、高壓氣瓶、散熱器們一道,靜靜安放在圓柱形的飛船推進艙里,集合在一張專業(yè)的儀器盤上。
 
  當飛船發(fā)射前40分鐘,火箭所有的外部連接撤銷,這組電池瞬間“接管”整艘飛船的動力需求。“發(fā)射前40分鐘,發(fā)射后約37分鐘,第一次完整供電約需77分鐘,然后就是儲電再供電了,整個飛行中一直循環(huán)”。
 
  “怎么樣,聽起來并不復雜吧。我們做的其實不是發(fā)明創(chuàng)造,而是在前人的基礎上,盡可能提高各種性能而已。”老費笑笑,鎘鎳電池已發(fā)展了上百年,最早甚至可追溯到愛迪生,“我們不過是站在前人的肩膀上,提高點性能,做的是"技術工"。”
 
  水調歌頭
 
  按當下的計劃,當神十順利完成任務,鎳鎘電池可能會在之后的飛船上再用一兩次,最新的鋰電池組就將取代鎳鎘電池,完成飛船 “心臟”的升級換代。
 
  那時候,年近花甲的老費,差不多也要“光榮退休”了,與他的鎳鎘電池一起。
 
  更新?lián)Q代必不可免,老費所在的中國航天科技集團公司第八研究院第811所 (下簡稱“811所”),已將兩個電池組的研究人員并在了一起,“我相信到時候更新?lián)Q代會很順利的。”
 
  面對這些,老費很輕松,或者說,對他這一代人,都似乎是再自然不過的事。
 
  自1980年代初從哈爾濱工業(yè)大學電化學專業(yè)畢業(yè),進入研究所。如今的他,是研究員、碩士生導師,“神舟”號載人飛船貯能化學電源主管設計師,國防重點型號工程X衛(wèi)星貯能化學電源主管設計師,新一代航天飛行器貯能化學電源課題負責人,上??臻g電源研究所學科帶頭人……這些榮光,他提都沒提,工作而已。他反而覺得,是該把年輕人往前推的時候了。
 
  只有那些回憶,是屬于自己的,許多細節(jié)模糊了,但更多的事,像印痕一樣,是抹不掉的。“要是感謝所有在神舟號飛船鎳鎘電池組研制過程中作出貢獻的人,功勞簿上不知道要貼多少人上來。當時我們有的,只是之前應用在風云衛(wèi)星上的一種12安時電池,通過飛行試驗考驗,即使在國外,實際應用的航天鎳鎘電池最大容量也未超過50安時。”老費回憶著,但在1994年最終設計方針確定后,所里給我們下達的目標是,國內領先、國際一流。
 
  口號容易提,但實現(xiàn)實在不易。當時,鎳鎘電池極片制造的混粉、軋制、燒結,就在廠里一個廢棄的側門過道,臨時搭起的一個雨棚里,上面還是一個自行車棚,兩扇大門七斜八咧地無法合攏,門縫里甚至可以伸進一條胳膊,冬天北風不斷地往里灌,夏天充塞著1000度的燒結爐和制氫爐散發(fā)的熱量,更別提開爐門的時候。電池中的活性物質浸漬,就在廠里原來類似天井的空地上,臨時搭起的棚屋里進行,雨天水嘩嘩地漏,“連原來制造煤餅的弄堂工廠都不如,有時候覺得就和居里夫人煉鐳的情狀有得一拼”。
 
  條件如此,研究上的問題更傷神。“能做的,只是試,一遍又一遍地試”。每種配比、每個參數(shù)往往要經過多次試驗,不斷調整,獲得穩(wěn)定結果才能最終確定,那時到底進行了多少次試驗,失敗幾次,實在是難以統(tǒng)計,有時候僅僅因為環(huán)境條件不穩(wěn)定,就幾天無法得到正常試驗結果。
 
  研制差不多了,開始制造模樣,還是摸著石頭過河,國外靠濕法拉漿出來的薄極片我們用干法能不能制造出來?大電流深充放電性能到底行不行?充電倍率的增加到底對壽命有多大的影響?選擇哪幾條充電終壓溫度補償曲線,才能保證飛船高可靠高功率的用電需求?誰都沒答案。到了制造樣品階段,全廠更是勒緊了褲腰帶,高價外購高純水,裝在槽罐里確保浸漬用水的需要,同時繼續(xù)單體電池、電池模塊結構和電性能的設計優(yōu)化,出廠產品經驗收及試驗考核,終于滿足了任務需求,之后的每次聯(lián)試項目的考核,產品質量始終穩(wěn)定,具備了參加首次飛行試驗的資格。
 
  飛行試驗階段,突然發(fā)現(xiàn)經過初樣階段長期使用的飛行產品,出現(xiàn)了極柱漏液現(xiàn)象。飛行件必須一個月內交付到位,同時增加熱循環(huán)試驗考核。在沒有高低溫試驗箱的現(xiàn)場,項目組只能利用低溫貯存房作為低溫段環(huán)境,低溫貯存房外的產品準備間作為高溫段環(huán)境。“那時正是盛夏,高溫段溫度30攝氏度,低溫0攝氏度,每隔4個多小時進出搬動一次,每個溫度段還要進行3次充放電循環(huán),專為此親臨現(xiàn)場的李國欣總工程師掛帥,一起搬進搬出,記錄數(shù)據(jù)。試驗持續(xù)了一個星期24小時不間斷,終于滿足了所有要求……”老費回憶。
 
  1999年11月20日,當“神箭”托舉著神舟飛船起飛,老費坐在試驗發(fā)射場測試大廳里,聽著一遍遍播放著蘇軾的“水調歌頭”背景音樂詩朗誦,“前后用了6年時間。6年多的時間不長,但其間完成了那么多工作,克服了那么多困難,又仿佛已經很久遠,現(xiàn)在想想,都覺得不容易。那么多的人和事,一個個、一件件連綿不斷,交織重合,難分難辨,但又漸漸地脈絡清晰,心里的感覺溢于言表,難以述說。”
 
  “明月幾時有,把酒問青天吶。”老費感慨。
 
  兩次意外
 
  其實,說費君生們的鎳鎘電池提供了神舟入軌后的所有動力,并不算精確。
 
  在飛船入軌后,太陽能電池板從折疊狀態(tài)到彈出、打開的瞬間,需要由裝有微型炸藥的火工品,在電力刺激下“爆出”。這一為火工品提供電力的電源,并不在鎳鎘電池組供電的范圍內。
 
  從神一順利起步的鎳鎘電池組,一直到神三發(fā)射前,都在按照飛船的要求小步發(fā)展著,但就在神三發(fā)射前的測試中,電池組中的電池片脫落了。
 
  評價:質量歸零。
 
  “全組一下子蒙了,連續(xù)幾天幾夜查找原因,用工業(yè)CT透視掃描問題。”老費說,“最終確定,問題出在了焊接上。”
 
  要解決,給的時間只有一個月,所領導親自掛帥,全所動員,所有飛行產品進行工業(yè)CT透視檢查,上百張膠片,反復判讀,徹底剔除有疑問的單體,所有測試項目全部重新考核,確保飛行件產品不帶任何隱患上天。“問題是解決了,神三也順利完成任務,但因為產品出現(xiàn)了如此重大問題,上級最終決定,取消鎳鎘電池組為火工品供電,從神四開始,火工品配置了獨立供電電池。”
 
  航天必須萬無一失,老費從此刻骨銘心,上了教訓最重的一課。
 
  神八飛天之前的高低溫試驗中,鎳鎘電池組又出現(xiàn)了意外,因為條件控制不到位,電池在0攝氏度、10攝氏度時都開始出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象。
 
  老費們又一次一頭扎了進去,反復地查,最終發(fā)現(xiàn),采用的70安時電池,在反復充放電時,正極會產生氧氣,這原本應是由負極復合反應掉的,但在低溫環(huán)境下,氧氣析出量增加,同時負極的復合能力下降,最終導致部分氧氣積聚,使電池出現(xiàn)膨脹。
 
  “解決需要提供更加嚴格、精準的鎳鎘電池運行控制指標要求,這就要求我們必須將這些條件一一檢測出來,提供給設計單位,一絲一毫的差距,都會導致謬以千里。”老費說,“這又給我上了一課。”
 
  “我只是慶幸,所有問題都發(fā)生在升空之前。”老費說。
 
  十全十美
 
  10年來,10次進場,從神一到神十,費君生沒有一次落下,從最初一去就要半年,現(xiàn)在每次還需要兩個月。
 
  每一次,所里的技術人員去2人,其他人不停地換,不換的只有老費。
 
  只是這一次,老費帶了2個年輕人一起去了現(xiàn)場,好像更有了些交班的味道。
 
  “帶的都是年輕人,讓他們去有好處,鍛煉一下,工作也能被人看得見,很多回來后不久就去了別的組,別的地方。”老費說這些,顯得挺快樂。
 
  只有他自己,仍然堅守著。
 
  每一次發(fā)射前,老費都會和同事一起,先在飛船檢測大廳的二層,對電池組的各項指標和性能進行全面測試、監(jiān)護。
 
  發(fā)射場里,時常是上千人一起工作,即將上場的緊張與熱鬧,讓人感覺很特別。
 
  火箭發(fā)射前8小時,星箭合體,燃料已添加完成,老費隨著無數(shù)個項目組一起,全面進場,分層、列隊,逐一對火箭、飛船進行最后的精密體檢。
 
  火箭發(fā)射前3小時,老費來到指揮大廳,在自己的位置上坐下來,盯著電腦,開始對電池進行最后的充電維護,將電池充滿,檢查充電電壓、電池溫度等各項關鍵數(shù)據(jù)。
 
  火箭發(fā)射前約40分鐘,充電維護工作必須完成,同時分析判讀電池的各項工作數(shù)據(jù),提出充電維護結論,迎接最后的發(fā)射時刻。
 
  屏幕上,顯示著6塊電池在不同位置的12點的溫度,電池電流大小、容量指標,還有3個組的工作電壓,分別從地面、遙控等幾個方面同時送達的監(jiān)控數(shù)據(jù),不斷變化。
 
  老費的工作內容,屬于飛船電源分系統(tǒng)一支,分系統(tǒng)指揮會詢問情況,一切正常后,等待最后發(fā)射前,總指揮一一點名時作答。
 
  這時,他必須緊盯屏幕,不能有絲毫差池。
 
  這一切,老費做了10年,了然于胸,從未有過差錯。
 
  此次神十成功返回,老費的工作也從神一,完美到了現(xiàn)在。車站月臺上,人們打出“十全十美”迎接他。
 
  老費看得很開:“都十全十美了,以后更該讓位給年輕人,給他們機會了。”
 
  自己呢?“希望能準時退休吧。這么多年了,是該多陪陪家人了。”
 
  (作者:梁建剛,來源解放日報)
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關鍵字:鎳鎘電池 確保

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