鉅大LARGE | 點擊量：1190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，費君生沒有看。各種有關(guān)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(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(nèi)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供應動力，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）。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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(shù)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(guān)飛船項目的所有高精尖內(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。
普通鎳鎘電池可重復500次以上充放電，經(jīng)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。
重要的差別，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(shù)工。
水調(diào)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，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，老費所在的我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，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的人，功勞簿上不了解要貼多少人上來。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(nèi)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(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(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，不斷調(diào)整，獲得穩(wěn)定結(jié)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(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)和電性能的設計優(yōu)化，出廠產(chǎn)品相關(guān)相關(guān)經(jīng)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(chǎn)品質(zhì)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(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(chǎn)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年十一月二十日，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(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，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供應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(chǎn)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(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，但因為產(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，正極會出現(xiàn)氧氣，這原本應是由負極復合反應掉的，但在低溫環(huán)境下，氧氣析出量新增，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。
解決要供應更加嚴格、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，供應給設計單位，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)在每次還要兩個月。
每一次，所里的技術(shù)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(guān)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(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(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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