钜大LARGE | 点击量：1160次 | 2021年09月24日
镍镉电池确保神舟飞船“心脏”完美“跳动”
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供应动力，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，心脏的重要功能是把血液从心室内泵出，供给全身）。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
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，大家都了解的。
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。
重要的差别，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018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018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，最新的锂离子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，老费所在的我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，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，像印痕相同，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，功劳簿上不了解要贴多少人上来。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？充电倍率的新增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，出厂产品相关相关经验收及试验考核，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，同时新增热循环试验考核。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年十一月二十日，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供应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，要由装有微型炸药的火工品，在电力刺激下爆出。这一为火工品供应电力的电源，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，持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，正极会出现氧气，这原本应是由负极复合反应掉的，但在低温环境下，氧气析出量新增，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。
解决要供应更加严格、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，供应给设计单位，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，好像更加有了些交班的味道。
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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