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镍镉电池确保神舟飞船“心脏”完美“跳动”

作者:中国储能网新闻中心 来源:解放日报 发布时间:2013-06-27 浏览:
     中国储能网讯:昨天神十成功返回的直播,费君生没有看。
 
  各种有关神舟成功的新闻,他似乎都已习以为常,况且,早上8:15就要上班,这一天实验室还忙得紧,下一次航天飞船的任务,已经开始了。
 
  过去的这十多年,从神一到神十,他没有一次落下,在酒泉偌大的发射大厅里,总会有他的一个座位。
 
  每次,老费都会坐在那儿,却从没有机会,如同电视里那样,响亮地回应总指挥一声,“一切正常”。
 
  在神舟飞船数万个零部件中,老费工作的内容,只有一项,为飞船保驾护航的电池组电源,也是飞船跳动的“心脏”。
 
  火箭点火前40分钟,当一切外部地面供电连接分离后,这颗“心脏”开始为整艘飞船提供动力,一直到太阳能帆板打开,迎来太阳,开始发电,这颗“心脏”才能“收缩”储能,等待下一次背光时再次泵出(就像人体里,心脏的主要功能是把血液从心室内泵出,供给全身)。
 
  费君生的任务,就是确保这颗“心脏”每一次的完美“跳动”。
 
  一次,一次,放电、充电、放电、充电……这在飞船上,其实一点也不简单。
 
  “技术工”
 
  费君生看上去,就像个研究员,大大的金丝框眼镜,几乎占据了半张脸。
 
  对有关飞船项目的所有高精尖内容,他显得有些轻描淡写,“我的研究,就是电池嘛。镍镉电池,大家都知道的”。
 
  普通镍镉电池可重复500次以上充放电,经济耐用,是最早应用于手机、剃须器、电动玩具等设备的一种充电电池,原理也不复杂。但飞船上用的镍镉电池,却远非一般可比。
 
  “主要的差别,在安全性、可靠性、功率、容量、性能上。”费君生觉得,这些都是可以想见的,比如飞船的工作环境,是真空环境中,温度在0—18摄氏度之间;电池必须在有阳光时迅速充电,使用时满足飞船上几乎所有设备的供电要求,必须功率、容量巨大;飞船重量、空间控制严格,安全要求万无一失,电池只能在大小一定下,尽可能提高性能,稳定性需求极高……
 
  老费轻描淡写,但这些改变,却正是镍镉电池的“基因缺陷”,如镍镉电池的“记忆效应”,若发射前充放电处理不当,极易出现容量衰减、电压显著下降等状况。这些问题,要是出现在太空中,就会是致命的。
 
  如今,神十装载的这组镍镉电池,几乎像个“怪物”。
 
  它的容量达到70安时,是目前我国容量最大的储能电源,以普通一节5号电池容量1500毫安计,约相当于近470节5号电池同时供电;当巨量的太阳能输入电池时,端口温度瞬间可达40摄氏度以上,而电池表面温度却能严格控制在0—18摄氏度的使用温度;在极端环境下工作,它的最佳工作寿命仍可维持半年以上……
 
  老费比划着,这样一组电池,一共6块,分为3组,总重严格控制为23公斤,每一块宽250毫米,长400毫米,高300毫米,类似于一个长方形的巨型不锈钢“宁波年糕块”。
 
  “因为空间有限,电池的体积是一定的,所以只能在方寸间提高电池的性能。”老费解释说,“从神一到神七,容量还是65安时,从神八起就开始应用70安时了。”
 
  老费倾注了20多年的心血,和发动机、太阳能电池阵、高压气瓶、散热器们一道,静静安放在圆柱形的飞船推进舱里,集合在一张专业的仪器盘上。
 
  当飞船发射前40分钟,火箭所有的外部连接撤销,这组电池瞬间“接管”整艘飞船的动力需求。“发射前40分钟,发射后约37分钟,第一次完整供电约需77分钟,然后就是储电再供电了,整个飞行中一直循环”。
 
  “怎么样,听起来并不复杂吧。我们做的其实不是发明创造,而是在前人的基础上,尽可能提高各种性能而已。”老费笑笑,镉镍电池已发展了上百年,最早甚至可追溯到爱迪生,“我们不过是站在前人的肩膀上,提高点性能,做的是"技术工"。”
 
  水调歌头
 
  按当下的计划,当神十顺利完成任务,镍镉电池可能会在之后的飞船上再用一两次,最新的锂电池组就将取代镍镉电池,完成飞船 “心脏”的升级换代。
 
  那时候,年近花甲的老费,差不多也要“光荣退休”了,与他的镍镉电池一起。
 
  更新换代必不可免,老费所在的中国航天科技集团公司第八研究院第811所 (下简称“811所”),已将两个电池组的研究人员并在了一起,“我相信到时候更新换代会很顺利的。”
 
  面对这些,老费很轻松,或者说,对他这一代人,都似乎是再自然不过的事。
 
  自1980年代初从哈尔滨工业大学电化学专业毕业,进入研究所。如今的他,是研究员、硕士生导师,“神舟”号载人飞船贮能化学电源主管设计师,国防重点型号工程X卫星贮能化学电源主管设计师,新一代航天飞行器贮能化学电源课题负责人,上海空间电源研究所学科带头人……这些荣光,他提都没提,工作而已。他反而觉得,是该把年轻人往前推的时候了。
 
  只有那些回忆,是属于自己的,许多细节模糊了,但更多的事,像印痕一样,是抹不掉的。“要是感谢所有在神舟号飞船镍镉电池组研制过程中作出贡献的人,功劳簿上不知道要贴多少人上来。当时我们有的,只是之前应用在风云卫星上的一种12安时电池,通过飞行试验考验,即使在国外,实际应用的航天镍镉电池最大容量也未超过50安时。”老费回忆着,但在1994年最终设计方针确定后,所里给我们下达的目标是,国内领先、国际一流。
 
  口号容易提,但实现实在不易。当时,镍镉电池极片制造的混粉、轧制、烧结,就在厂里一个废弃的侧门过道,临时搭起的一个雨棚里,上面还是一个自行车棚,两扇大门七斜八咧地无法合拢,门缝里甚至可以伸进一条胳膊,冬天北风不断地往里灌,夏天充塞着1000度的烧结炉和制氢炉散发的热量,更别提开炉门的时候。电池中的活性物质浸渍,就在厂里原来类似天井的空地上,临时搭起的棚屋里进行,雨天水哗哗地漏,“连原来制造煤饼的弄堂工厂都不如,有时候觉得就和居里夫人炼镭的情状有得一拼”。
 
  条件如此,研究上的问题更伤神。“能做的,只是试,一遍又一遍地试”。每种配比、每个参数往往要经过多次试验,不断调整,获得稳定结果才能最终确定,那时到底进行了多少次试验,失败几次,实在是难以统计,有时候仅仅因为环境条件不稳定,就几天无法得到正常试验结果。
 
  研制差不多了,开始制造模样,还是摸着石头过河,国外靠湿法拉浆出来的薄极片我们用干法能不能制造出来?大电流深充放电性能到底行不行?充电倍率的增加到底对寿命有多大的影响?选择哪几条充电终压温度补偿曲线,才能保证飞船高可靠高功率的用电需求?谁都没答案。到了制造样品阶段,全厂更是勒紧了裤腰带,高价外购高纯水,装在槽罐里确保浸渍用水的需要,同时继续单体电池、电池模块结构和电性能的设计优化,出厂产品经验收及试验考核,终于满足了任务需求,之后的每次联试项目的考核,产品质量始终稳定,具备了参加首次飞行试验的资格。
 
  飞行试验阶段,突然发现经过初样阶段长期使用的飞行产品,出现了极柱漏液现象。飞行件必须一个月内交付到位,同时增加热循环试验考核。在没有高低温试验箱的现场,项目组只能利用低温贮存房作为低温段环境,低温贮存房外的产品准备间作为高温段环境。“那时正是盛夏,高温段温度30摄氏度,低温0摄氏度,每隔4个多小时进出搬动一次,每个温度段还要进行3次充放电循环,专为此亲临现场的李国欣总工程师挂帅,一起搬进搬出,记录数据。试验持续了一个星期24小时不间断,终于满足了所有要求……”老费回忆。
 
  1999年11月20日,当“神箭”托举着神舟飞船起飞,老费坐在试验发射场测试大厅里,听着一遍遍播放着苏轼的“水调歌头”背景音乐诗朗诵,“前后用了6年时间。6年多的时间不长,但其间完成了那么多工作,克服了那么多困难,又仿佛已经很久远,现在想想,都觉得不容易。那么多的人和事,一个个、一件件连绵不断,交织重合,难分难辨,但又渐渐地脉络清晰,心里的感觉溢于言表,难以述说。”
 
  “明月几时有,把酒问青天呐。”老费感慨。
 
  两次意外
 
  其实,说费君生们的镍镉电池提供了神舟入轨后的所有动力,并不算精确。
 
  在飞船入轨后,太阳能电池板从折叠状态到弹出、打开的瞬间,需要由装有微型炸药的火工品,在电力刺激下“爆出”。这一为火工品提供电力的电源,并不在镍镉电池组供电的范围内。
 
  从神一顺利起步的镍镉电池组,一直到神三发射前,都在按照飞船的要求小步发展着,但就在神三发射前的测试中,电池组中的电池片脱落了。
 
  评价:质量归零。
 
  “全组一下子蒙了,连续几天几夜查找原因,用工业CT透视扫描问题。”老费说,“最终确定,问题出在了焊接上。”
 
  要解决,给的时间只有一个月,所领导亲自挂帅,全所动员,所有飞行产品进行工业CT透视检查,上百张胶片,反复判读,彻底剔除有疑问的单体,所有测试项目全部重新考核,确保飞行件产品不带任何隐患上天。“问题是解决了,神三也顺利完成任务,但因为产品出现了如此重大问题,上级最终决定,取消镍镉电池组为火工品供电,从神四开始,火工品配置了独立供电电池。”
 
  航天必须万无一失,老费从此刻骨铭心,上了教训最重的一课。
 
  神八飞天之前的高低温试验中,镍镉电池组又出现了意外,因为条件控制不到位,电池在0摄氏度、10摄氏度时都开始出现膨胀现象。
 
  老费们又一次一头扎了进去,反复地查,最终发现,采用的70安时电池,在反复充放电时,正极会产生氧气,这原本应是由负极复合反应掉的,但在低温环境下,氧气析出量增加,同时负极的复合能力下降,最终导致部分氧气积聚,使电池出现膨胀。
 
  “解决需要提供更加严格、精准的镍镉电池运行控制指标要求,这就要求我们必须将这些条件一一检测出来,提供给设计单位,一丝一毫的差距,都会导致谬以千里。”老费说,“这又给我上了一课。”
 
  “我只是庆幸,所有问题都发生在升空之前。”老费说。
 
  十全十美
 
  10年来,10次进场,从神一到神十,费君生没有一次落下,从最初一去就要半年,现在每次还需要两个月。
 
  每一次,所里的技术人员去2人,其他人不停地换,不换的只有老费。
 
  只是这一次,老费带了2个年轻人一起去了现场,好像更有了些交班的味道。
 
  “带的都是年轻人,让他们去有好处,锻炼一下,工作也能被人看得见,很多回来后不久就去了别的组,别的地方。”老费说这些,显得挺快乐。
 
  只有他自己,仍然坚守着。
 
  每一次发射前,老费都会和同事一起,先在飞船检测大厅的二层,对电池组的各项指标和性能进行全面测试、监护。
 
  发射场里,时常是上千人一起工作,即将上场的紧张与热闹,让人感觉很特别。
 
  火箭发射前8小时,星箭合体,燃料已添加完成,老费随着无数个项目组一起,全面进场,分层、列队,逐一对火箭、飞船进行最后的精密体检。
 
  火箭发射前3小时,老费来到指挥大厅,在自己的位置上坐下来,盯着电脑,开始对电池进行最后的充电维护,将电池充满,检查充电电压、电池温度等各项关键数据。
 
  火箭发射前约40分钟,充电维护工作必须完成,同时分析判读电池的各项工作数据,提出充电维护结论,迎接最后的发射时刻。
 
  屏幕上,显示着6块电池在不同位置的12点的温度,电池电流大小、容量指标,还有3个组的工作电压,分别从地面、遥控等几个方面同时送达的监控数据,不断变化。
 
  老费的工作内容,属于飞船电源分系统一支,分系统指挥会询问情况,一切正常后,等待最后发射前,总指挥一一点名时作答。
 
  这时,他必须紧盯屏幕,不能有丝毫差池。
 
  这一切,老费做了10年,了然于胸,从未有过差错。
 
  此次神十成功返回,老费的工作也从神一,完美到了现在。车站月台上,人们打出“十全十美”迎接他。
 
  老费看得很开:“都十全十美了,以后更该让位给年轻人,给他们机会了。”
 
  自己呢?“希望能准时退休吧。这么多年了,是该多陪陪家人了。”
 
  (作者:梁建刚,来源解放日报)
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