鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:1186次 | 2021年09月24日
鎳鎘電池確保神舟飛船“心臟”完美“跳動”
昨天神十成功返回的直播,費(fèi)君生沒有看。各種有關(guān)神舟成功的新聞,他似乎都已習(xí)以為常,況且,早上8:15就要上班,這一天實(shí)驗(yàn)室還忙得緊,下一次航天飛船的任務(wù),已經(jīng)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(fèi)都會坐在那兒,卻從沒有機(jī)會,如同電視里那樣,響亮地回應(yīng)總指揮一聲,一切正常。
在神舟飛船數(shù)萬個零部件中,老費(fèi)工作的內(nèi)容,只有一項(xiàng),為飛船保駕護(hù)航的電池組電源,也是飛船跳動的心臟。
火箭點(diǎn)火前40分鐘,當(dāng)一切外部地面供電連接分離后,這顆心臟開始為整艘飛船供應(yīng)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,心臟的重要功能是把血液從心室內(nèi)泵出,供給全身)。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
費(fèi)君生的任務(wù),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(shí)一點(diǎn)也不簡單。
技術(shù)工
費(fèi)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(guān)飛船項(xiàng)目的所有高精尖內(nèi)容,他顯得有些輕描淡寫,我的研究,就是電池嘛。鎳鎘電池,大家都了解的。
標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測繪、無人設(shè)備
普通鎳鎘電池可重復(fù)500次以上充放電,經(jīng)濟(jì)耐用,是最早應(yīng)用于手機(jī)、剃須器、電動玩具等設(shè)備的一種充電電池,原理也不復(fù)雜。但飛船上用的鎳鎘電池,卻遠(yuǎn)非一般可比。
重要的差別,在安全性、可靠性、功率、容量、性能上。費(fèi)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018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(shè)備的供電要求,必須功率、容量巨大;飛船重量、空間控制嚴(yán)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(fèi)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(yīng),若發(fā)射前充放電處理不當(dāng),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(dá)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(dāng)于近470節(jié)5號電池同時供電;當(dāng)巨量的太陽能輸入電池時,端口溫度瞬間可達(dá)40攝氏度以上,而電池表面溫度卻能嚴(yán)格控制在018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(fèi)比劃著,這樣一組電池,一共6塊,分為3組,總重嚴(yán)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?yàn)榭臻g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(fèi)解釋說,從神一到神七,容量還是65安時,從神八起就開始應(yīng)用70安時了。
老費(fèi)傾注了20多年的心血,和發(fā)動機(jī)、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(jìn)艙里,集合在一張專業(yè)的儀器盤上。
當(dāng)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(fù)雜吧。我們做的其實(shí)不是發(fā)明創(chuàng)造,而是在前人的基礎(chǔ)上,盡可能提高各種性能而已。老費(fèi)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(diǎn)性能,做的是技術(shù)工。
水調(diào)歌頭
按當(dāng)下的計劃,當(dāng)神十順利完成任務(wù),鎳鎘電池可能會在之后的飛船上再用一兩次,最新的鋰離子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(fèi),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(fèi)所在的我國航天科技集團(tuán)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(fèi)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(xué)電化學(xué)專業(yè)畢業(yè),進(jìn)入研究所。如今的他,是研究員、碩士生導(dǎo)師,神舟號載人飛船貯能化學(xué)電源主管設(shè)計師,重點(diǎn)型號工程X衛(wèi)星貯能化學(xué)電源主管設(shè)計師,新一代航天飛行器貯能化學(xué)電源課題負(fù)責(zé)人,上??臻g電源研究所學(xué)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(xì)節(jié)模糊了,但更多的事,像印痕相同,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(xiàn)的人,功勞簿上不了解要貼多少人上來。當(dāng)時我們有的,只是之前應(yīng)用在風(fēng)云衛(wèi)星上的一種12安時電池,通過飛行試驗(yàn)考驗(yàn),即使在國外,實(shí)際應(yīng)用的航天鎳鎘電池最大容量也未超過50安時。老費(fèi)回憶著,但在1994年最終設(shè)計方針確定后,所里給我們下達(dá)的目標(biāo)是,國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流。
口號容易提,但實(shí)現(xiàn)實(shí)在不易。當(dāng)時,鎳鎘電池極片制造的混粉、軋制、燒結(jié),就在廠里一個廢棄的側(cè)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?zé)o法合攏,門縫里甚至可以伸進(jìn)一條胳膊,冬天北風(fēng)不斷地往里灌,夏天充塞著1000度的燒結(jié)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(zhì)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(jìn)行,雨天水嘩嘩地漏,連原來制造煤餅的弄堂廠都不如,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(jīng)過多次試驗(yàn),不斷調(diào)整,獲得穩(wěn)定結(jié)果才能最終確定,那時到底進(jìn)行了多少次試驗(yàn),失敗幾次,實(shí)在是難以統(tǒng)計,有時候僅僅因?yàn)榄h(huán)境條件不穩(wěn)定,就幾天無法得到正常試驗(yàn)結(jié)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?充電倍率的新增到底對壽命有多大的影響?選擇哪幾條充電終壓溫度補(bǔ)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要,同時繼續(xù)單體電池、電池模塊結(jié)構(gòu)和電性能的設(shè)計優(yōu)化,出廠產(chǎn)品相關(guān)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)收及試驗(yàn)考核,終于滿足了任務(wù)需求,之后的每次聯(lián)試項(xiàng)目的考核,產(chǎn)品質(zhì)量始終穩(wěn)定,具備了參加首次飛行試驗(yàn)的資格。
飛行試驗(yàn)階段,突然發(fā)現(xiàn)經(jīng)過初樣階段長期使用的飛行產(chǎn)品,出現(xiàn)了極柱漏液現(xiàn)象。飛行件必須一個月內(nèi)交付到位,同時新增熱循環(huán)試驗(yàn)考核。在沒有高低溫試驗(yàn)箱的現(xiàn)場,項(xiàng)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(chǎn)品準(zhǔn)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(jìn)出搬動一次,每個溫度段還要進(jìn)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(jìn)搬出,記錄數(shù)據(jù)。試驗(yàn)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(fèi)回憶。
1999年十一月二十日,當(dāng)神箭托舉著神舟飛船起飛,老費(fèi)坐在試驗(yàn)發(fā)射場測試大廳里,聽著一遍遍播放著蘇軾的水調(diào)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(jīng)很久遠(yuǎn),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(luò)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(fèi)感慨。
兩次意外
其實(shí),說費(fèi)君生們的鎳鎘電池供應(yīng)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,要由裝有微型炸藥的火工品,在電力刺激下爆出。這一為火工品供應(yīng)電力的電源,并不在鎳鎘電池組供電的范圍內(nèi)。
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(zhì)量歸零。
全組一下子蒙了,持續(xù)幾天幾夜查找原因,用工業(yè)CT透視掃描問題。老費(fèi)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(lǐng)導(dǎo)親自掛帥,全所動員,所有飛行產(chǎn)品進(jìn)行工業(yè)CT透視檢查,上百張膠片,反復(fù)判讀,徹底剔除有疑問的單體,所有測試項(xiàng)目全部重新考核,確保飛行件產(chǎn)品不帶任何隱患上天。問題是解決了,神三也順利完成任務(wù),但因?yàn)楫a(chǎn)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(dú)立供電電池。
航天必須萬無一失,老費(fèi)從此刻骨銘心,上了教訓(xùn)最重的一課。
神八飛天之前的高低溫試驗(yàn)中,鎳鎘電池組又出現(xiàn)了意外,因?yàn)闂l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(fèi)們又一次一頭扎了進(jìn)去,反復(fù)地查,最終發(fā)現(xiàn),采用的70安時電池,在反復(fù)充放電時,正極會出現(xiàn)氧氣,這原本應(yīng)是由負(fù)極復(fù)合反應(yīng)掉的,但在低溫環(huán)境下,氧氣析出量新增,同時負(fù)極的復(fù)合能力下降,最終導(dǎo)致部分氧氣積聚,使電池出現(xiàn)膨脹。
解決要供應(yīng)更加嚴(yán)格、精準(zhǔn)的鎳鎘電池運(yùn)行控制指標(biāo)要求,這就要求我們必須將這些條件一一檢測出來,供應(yīng)給設(shè)計單位,一絲一毫的差距,都會導(dǎo)致謬以千里。老費(fèi)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(fèi)說。
十全十美
10年來,10次進(jìn)場,從神一到神十,費(fèi)君生沒有一次落下,從最初一去就要半年,現(xiàn)在每次還要兩個月。
每一次,所里的技術(shù)人員去2人,其他人不停地?fù)Q,不換的只有老費(fèi)。
只是這一次,老費(fèi)帶了2個年輕人一起去了現(xiàn)場,好像更加有了些交班的味道。
帶的都是年輕人,讓他們?nèi)ビ泻锰?,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(fèi)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(fèi)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(xiàng)指標(biāo)和性能進(jìn)行全面測試、監(jiān)護(hù)。
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(fèi)隨著無數(shù)個項(xiàng)目組一起,全面進(jìn)場,分層、列隊,逐一對火箭、飛船進(jìn)行最后的精密體檢。
火箭發(fā)射前3小時,老費(fèi)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(jìn)行最后的充電維護(hù),將電池充滿,檢查充電電壓、電池溫度等各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
火箭發(fā)射前約40分鐘,充電維護(hù)工作必須完成,同時分析判讀電池的各項(xiàng)工作數(shù)據(jù),提出充電維護(hù)結(jié)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(diǎn)的溫度,電池電流大小、容量指標(biāo),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(dá)的監(jiān)控數(shù)據(jù),不斷變化。
老費(fèi)的工作內(nèi)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(diǎn)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(fèi)做了10年,了然于胸,從未有過差錯。
此次神十成功返回,老費(fèi)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(fèi)看得很開:都十全十美了,以后更該讓位給年輕人,給他們機(jī)會了。
自己呢?希望能準(zhǔn)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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