Проектирование системы энергоснабжения космического аппарата. Общие сведения об энергоснабжении космических аппаратов. Евразийский национальный университет

ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
проф. Лукьяненко Михаил Васильевич
зав. кафедрой систем автоматического управления Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева

Изучение и освоение космического пространства требуют разработки и создания космических аппаратов различного назначения. В настоящее время наибольшее практическое применение получают автоматические непилотируемые космические аппараты для формирования глобальной системы связи, телевидения, навигации и геодезии, передачи информации, изучения погодных условий и природных ресурсов Земли, а также исследования дальнего космоса. Для их создания необходимо обеспечить очень жесткие требования по точности ориентации аппарата в космосе и коррекции параметров орбиты, а это требует повышения энерговооруженности космических аппаратов.
Одной из важнейших бортовых систем любого космического аппарата, которая в первую очередь определяет его тактико-технические характеристики, надежность, срок службы и экономическую эффективность, является система электроснабжения. Поэтому проблемы разработки, исследования и создания систем электроснабжения космических аппаратов имеют первостепенное значение, а их решение позволит выйти по удельно-массовым показателям и сроку активного существования на мировой уровень.
За последнее десятилетие ведущими мировыми фирмами сделан порыв в повышении энерговооруженности космических аппаратов, что позволяет при тех же самых ограничениях по массе аппаратов, накладываемых существующими носителями, непрерывно увеличивать мощность полезной нагрузки. Подобные достижения оказались возможными благодаря усилиям, предпринятым разработчиками всех компонентов бортовых систем электроснабжения, и прежде всего, источников электроэнергии.
Основными источниками электроэнергии для космических аппаратов в настоящее время являются солнечные и аккумуляторные батареи.
Солнечные батареи с кремниевыми монокристаллическими фотоэлектрическими преобразователями по удельно-массовым характеристикам достигли своего физического предела. Дальнейший прогресс в разработке солнечных батарей возможен при использовании фотоэлектрических преобразователей на основе новых материалов, в частности, из арсенида галлия. Трехкаскадные фотоэлектрические преобразователи из арсенида галлия уже применяются на платформе США HS-702, на европейской Spasebus-400 и др., что позволило более чем вдвое увеличить мощность солнечной батареи. Несмотря на более высокую стоимость фотоэлектрических преобразователей из арсенида галлия, их применение позволит в 2-3 раза увеличить мощность солнечной батареи или при той же мощности снизить соответственно площадь солнечной батареи по сравнению с кремневыми фотоэлектрическими преобразователями.
В условиях геостационарной орбиты применение фотоэлектрических преобразователей на основе арсенида галлия позволяет обеспечить удельную мощность солнечной батареи 302 Вт/м2 в начале работы и 230 Вт/м2 в конце срока активного существования (10-15 лет).
Разработка четырехкаскадных фотоэлектрических преобразователей из арсенида галлия с КПД около 40% даст возможность удельную мощность солнечной батареи до 460 Вт/м2 в начале работы и 370 Вт/м2 в конце срока активного существования. В ближайшей перспективе следует ожидать существенного улучшения и удельно-массовых характеристик солнечных батарей.
В настоящее время на космических аппаратах широко используются аккумуляторы на основе никель-водородной электрохимической системы, однако, энергомассовые характеристики этих аккумуляторов достигли своего предела (70-80 Вт?ч/кг). Возможность дальнейшего улучшения удельных характеристик никель-водородных аккумуляторных батарей весьма ограничены и требуют крупных финансовых затрат.
Для создания конкурентоспособной космической техники необходим был переход на новые типы электрохимических источников электроэнергии, пригодных для использования в составе системы электроснабжения перспективных космических аппаратов.
На рынке космической техники в настоящее время происходит активное внедрение литий-ионных аккумуляторов. Это обусловлено тем, что литий-ионные аккумуляторы обладают более высокой удельной энергией по сравнению с никель-водородными аккумуляторами.
Основным преимуществом литий-ионной батареи является снижение массы из-за более высокого соотношения энергия-масса. Соотношение энергия-масса литий-ионных аккумуляторов выше (125 Вт?ч/кг) по сравнению с максимально достигнутым для никель-водородных аккумуляторов (80 Вт?ч/кг).
Основными преимуществами литий-ионных аккумуляторных батарей являются:
- снижение массы батареи из-за более высокого соотношения энергия-масса (снижение массы для батареи составляет ~40%);
- низкое тепловыделение и высокий КПД по энергии (цикла заряд-разряд) с очень маленьким саморазрядом, что обеспечивает наиболее простое управление при запуске, переходной орбите и штатной эксплуатации;
- более технологичный процесс изготовления литий-ионных аккумуляторов по сравнению с никель-водородными аккумуляторами, что позволяет обеспечить хорошую повторяемость характеристик, высокую надежность и снижение себестоимости.
По оценкам специалистов фирмы SAFT (Франция), применение литий-ионных аккумуляторных батарей на телекоммуникационных спутниках мощностью 15-20 кВт, позволит снизить массу батарей на 300 кг (стоимость вывода на орбиту 1 кг полезной массы составляет ~30 000$).
Основные характеристики литий-ионного аккумулятора VES140 (разработан фирмой SAFT): гарантированная емкость 39 А*ч, среднее напряжение 3,6 В, напряжение в конце заряда 4,1 В, энергия 140 Вт?ч, удельная энергия 126 Вт*ч/кг, масса 1,11 кг, высота 250 мм и диаметр 54 мм. Аккумулятор VES140 квалифицирован для космического применения.
В России на сегодняшний день ОАО «Сатурн» (г. Краснодар) разработал и изготовил литий-ионный аккумулятор ЛИГП-120. Основные характеристики аккумулятора ЛИГП-120: номинальная емкость 120 А?ч, среднее напряжение 3,64 В, удельная энергия 160 Вт*ч/кг, масса 2,95 кг, высота 260 мм, ширина 104,6 мм и глубина 44,1 мм. Аккумулятор имеет призматическую форму, что дает существенные преимущества по удельно-объемной энергии батареи по сравнению с аккумуляторами фирмы SAFT. Варьируя геометрическими размерами электрода можно получить аккумулятор различной емкости. Данная конструкция обеспечивает наивысшие удельно-объемные характеристики батареи и позволяет выполнить компоновку аккумуляторной батареи, обеспечив оптимальный тепловой режим.
Современные системы электроснабжения космических аппаратов представляют собой сложный комплекс из источников электроэнергии, преобразующих и распределительных устройств, объеденных в систему автоматического управления и предназначенных для питания бортовых нагрузок. Вторичные источники электропитания представляют собой энергопреобразующий комплекс, состоящий из определенного количества идентичных импульсных преобразователей напряжения работающих на общую нагрузку. В традиционном варианте в качестве импульсных преобразователей напряжения используются классические преобразователи с прямоугольной формой тока и напряжения ключевого элемента и управлением посредством широтно-импульсной модуляции.
Для повышения технико-экономических показателей системы электроснабжения космического аппарата, таких как удельная мощность, КПД, быстродействие, электромагнитная совместимость, нами предложено использовать квазирезонансные преобразователи напряжения. Были проведены исследования режимов работы двух параллельно включенных квазирезонансных преобразователей напряжения последовательного типа с коммутацией электронного ключа при нулевых значениях тока и частотно-импульсным законом управления. По результатам моделирования и исследования характеристик опытных образцов квазирезонансных преобразователей напряжения были подтверждены преимущества этого типа преобразователей.
Полученные результаты позволяют сделать вывод, что предложенные квазирезонансные преобразователи напряжения найдут широкое применение в системах электропитания цифровых и телекоммуникационных систем, контрольно-измерительной аппаратуры, технологического оборудования, систем автоматики и телемеханики, охранных систем и т.д.
Актуальными проблемами являются изучение особенностей функционирования источников электроэнергии космического назначения, разработка их математических моделей и исследование энергетических и динамических режимов.
Для этих целей нами разработано и изготовлено уникальное оборудование для исследования систем электроснабжения космических аппаратов, что позволяет в автоматизированном режиме производить разносторонние испытания бортовых источников электроэнергии (солнечных и аккумуляторных батарей) и систем электроснабжения в целом.
Кроме того, разработаны и изготовлены автоматизированное рабочие место для исследования энерготепловых режимов литий-ионных аккумуляторов и модулей батарей и аппаратный комплекс для исследования энергетических и динамических характеристик солнечных батарей из арсенида галлия.
Важным аспектом работы является также создание и исследование альтернативных источников электроэнергии для космических аппаратов. Нами проведены исследования маховичного накопителя энергии, представляющего собой супермаховик совмещенный с электрической машиной. Маховик, вращающийся в вакууме на магнитных опорах имеет КПД 100%. У двухроторного маховичного накопителя энергии появляется свойство, позволяющее реализовать трехосную угловую ориентацию. При этом силовой гироскоп (гиродин), как самостоятельная отдельная подсистема, может быть исключен, т.е. маховичный накопитель энергии совмещает функции накопителя энергии и силового гироскопа.
Проведены исследования электродинамических тросовых систем как источника электроэнергии космического аппарата. На сегодняшний день разработана математическая модель электродинамической тросовой системы для расчета максимальной мощности; определены зависимости энергетических характеристик от параметров орбиты и длины троса; разработана методика определения параметров тросовой системы, обеспечивающих генерацию заданной мощности; определены параметры орбиты (высота и наклонение), при которых достигается наиболее эффективное использование тросовых систем в режиме генерации энергии; исследованы возможности тросовой системы при работе в режиме тяги.

Разработка конкурентоспособной космической техники требует перехода на новые типы аккумуляторов, отвечающих требованиям систем электроснабжения перспективных космических аппаратов.

В наши дни космические аппараты используются для организации систем связи, навигации, телевидения, изучения погодных условий и природных ресурсов Земли, освоения и изучения дальнего космоса.

Одним из главных условий к подобным аппаратам является точная ориентация в космосе и коррекция параметров движения. Это значительно повышает требования к системе электроснабжения аппарата. Проблемы энерговооруженности космических аппаратов, и, в первую очередь, разработки по определению новых источников электроэнергии, имеют первостепенное значение на мировом уровне.

В настоящее время основными источниками электроэнергии для космических аппаратов являются солнечные и аккумуляторные батареи.

Солнечные батареи по своим характеристикам достигли физического предела. Дальнейшее их совершенствование возможно при использовании новых материалов, в частности, арсенида галлия. Это позволит в 2-3 раза увеличить мощность солнечной батареи или уменьшить ее размер.

Среди аккумуляторных батарей для космических аппаратов сегодня широко используются никель-водородные аккумуляторы. Однако энергомассовые характеристики этих аккумуляторов достигли своего максимума (70-80 Вт*ч/кг). Дальнейшее их улучшение очень ограничено и, кроме того, требует больших финансовых затрат.

В связи с этим, в настоящее время на рынке космической техники происходит активное внедрение литий-ионных аккумуляторов (ЛИА).

Характеристики литий-ионных батарей гораздо выше по сравнению с аккумуляторами других типов при аналогичном сроке службы и количестве циклов заряд-разряд. Удельная энергия литий-ионных аккумуляторов может достигать 130 и более Вт*ч/кг, а коэффициент полезного действия по энергии — 95%.

Немаловажным фактом является и то, что ЛИА одного типоразмера способны безопасно работать при их параллельном соединении в группы, таким образом, несложно формировать литий-ионные аккумуляторные батареи различной емкости.

Одним из главных отличий ЛИА от никель-водородных батарей является наличие электронных блоков автоматики, которые контролируют и управляют процессом заряда-разряда. Они также отвечают за нивелирование разбаланса напряжений единичных ЛИА, и обеспечивают сбор и подготовку телеметрической информации об основных параметрах батареи.

Но все же основным преимуществом литий-ионных аккумуляторов считается снижение массы по сравнению с традиционными батареями. По оценкам специалистов, применение литий-ионных аккумуляторов на телекоммуникационных спутниках мощностью 15-20 кВт позволит снизить массу батарей на 300 кг. Учитывая то, что стоимость вывода на орбиту 1 кг полезной массы составляет около 30 тысяч долларов, это позволит значительно снизить финансовые затраты.

Одним из ведущих российских разработчиков подобных аккумуляторных батарей для космических аппаратов является ОАО «Авиационная электроника и коммуникационные системы» (АВЭКС), входящее в КРЭТ . Технологичный процесс изготовления литий-ионных аккумуляторов на предприятии позволяет обеспечить высокую надежность и снижение себестоимости.

Владельцы патента RU 2598862:

Использование: в области электротехники для электроснабжения космических аппаратов от первичных источников разной мощности. Технический результат - повышение надежности электроснабжения. Система электроснабжения космического аппарата содержит: группу солнечных батарей прямого солнечного света (1), группу солнечных батарей отраженного солнечного света (7), генерирующий контур (8), стабилизатор напряжения (2), зарядное устройство (3), разрядное устройство (4), аккумуляторную батарею (5), выпрямительное устройство (9), контроллер заряда аккумуляторной батареи (10) и потребителей (6). Переменное напряжение с генерирующего контура (8) преобразуется в постоянное в блоке (9) и поступает на первый вход контроллера заряда аккумуляторной батареи (10). Постоянное напряжение от солнечных батарей отраженного солнечного света (7) поступает на второй вход контроллера заряда аккумуляторной батареи (10). Суммарное напряжение от генерирующего контура и солнечных батарей отраженного солнечного света с первого выхода контроллера (10) попадает на второй вход аккумуляторной батареи (5). Со второго выхода контроллера на первый вход аккумуляторной батареи (5) поступают сигналы управления переключателями (15-21), имеющими контакты 1-3, и выключателями (22-25), имеющими контакты 1-2. Количество управляемых коммутационных аппаратов зависит от числа аккумуляторов в батарее. Для подзаряда выбранного аккумулятора (11-14) на соответствующих переключателях их первые контакты размыкаются с третьим и замыкаются со вторым, на соответствующих выключателях первый и второй контакты замыкаются. Подключенный таким образом ко второму входу батареи соответствующий аккумулятор подзаряжается номинальным зарядным током до поступления команды от контроллера (10) на смену очередного аккумулятора. Потребитель (6) получает питание от оставшихся аккумуляторов, в обход отключенного, с первого выхода батареи (5). 5 ил.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано в составе космических аппаратов, стабилизированных вращением.

Известна система электроснабжения космического аппарата с общими шинами (аналог), которая содержит солнечные батареи (первичный источник энергии), аккумуляторную батарею, потребителей. Недостатком данной системы является то, что напряжение в данной системе является нестабилизированным. Это ведет к потерям энергии в кабельных сетях и во встроенных индивидуальных стабилизаторах потребителей .

Известна система электроснабжения космического аппарата с разделенными шинами и с параллельным включением стабилизатора напряжения (аналог), которая содержит зарядное устройство, разрядное устройство, аккумуляторную батарею. Недостатком ее является невозможность использования в ней экстремального регулятора мощности солнечных батарей .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой системе является система электроснабжения космического аппарата с разделенными шинами и с последовательно-параллельным включением стабилизатора напряжения 2 (прототип), которая также содержит солнечные батареи прямого солнечного света 1, зарядное устройство 3, разрядное устройство 4, аккумуляторную батарею 5 (фиг. 1) . Недостатком этой системы электроснабжения является отсутствие возможности получения, преобразования и накопления электрической энергии от источников разной мощности, таких как энергия магнитного поля Земли и энергия отраженного солнечного света от поверхности Земли.

Целью изобретения является расширение возможностей системы электроснабжения космических аппаратов по получению, преобразованию и накоплению электроэнергии от различных первичных источников разной мощности, что позволяет увеличить срок активного существования и энерговооруженность космических аппаратов .

На фиг. 2 изображена система электроснабжения космического аппарата, стабилизированного вращением, на фиг. 3 - аккумуляторная батарея, содержащая управляемые контроллером коммутационные аппараты; на фиг. 4 - внешний вид космического аппарата, стабилизированного вращением, на фиг. 5 схематично показан один из вариантов движения космического аппарата, стабилизированного вращением, по орбите.

Система электроснабжения космического аппарата, стабилизированного вращением, содержит группу солнечных батарей 7, предназначенных для преобразования отраженного от Земли солнечного света в электрическую энергию, генерирующий контур 8, представляющим собой совокупность проводников (обмотку), расположенных вдоль корпуса космического аппарата, в которых наводится электродвижущая сила за счет вращения космического аппарата в вокруг своей оси в магнитном поле Земли, выпрямительным устройством 9, контроллер заряда аккумуляторной батареи от источников электроэнергии разной мощности 10, аккумуляторную батарею 5, содержащую управляемые контроллером коммутационные аппараты 15-25, осуществляющие подключение или отключение отдельных аккумуляторов 11-14 к контроллеру 9 для их подзаряда малым током (фиг. 2).

Система функционирует следующим образом. В процессе вывода космического аппарата на орбиту он закручивается таким образом, чтобы ось вращения аппарата и солнечные батареи прямого солнечного света были ориентированы на Солнце (фиг. 4). Во время движения вращающегося космического аппарата по орбите генерирующий контур пресекает линии индукции магнитного поля Земли со скоростью вращения космического аппарата вокруг своей оси. В результате по закону электромагнитной индукции в генерирующем контуре наводится электродвижущая сила

где µ o - магнитная постоянная, Н - напряженность магнитного поля Земли, S в - площадь генерирующего контура, N c - количество витков в контуре, ω - угловая частота вращения.

При замыкании генерирующего контура на нагрузку в цепи потребитель-генерирующий контур протекает ток. Мощность генерирующего контура зависит от вращающего момента космического аппарата вокруг своей оси

где J KA - момент инерции космического аппарата.

Таким образом, генерирующий контур является дополнительным источником электроэнергии на борту космического аппарата.

Переменное напряжение с генерирующего контура 8 выпрямляется на блоке 9 и поступает на первый вход контроллера заряда аккумуляторной батареи 10. Постоянное напряжение от солнечных батарей отраженного солнечного света 7 поступает на второй вход контроллера заряда аккумуляторной батареи 10. Суммарное напряжение с первого выхода контроллера 10 попадает на второй вход аккумуляторной батареи 5. Со второго выхода контроллера на первый вход аккумуляторной батареи 5 поступают сигналы управления переключателями 15-21, имеющими контакты 1-3, и выключателями 22-25, имеющими контакты 1-2. Количество управляемых коммутационных аппаратов зависит от числа аккумуляторов в батарее. Для подзаряда выбранного аккумулятора (11-14) на соответствующих переключателях их первые контакты размыкаются с третьим и замыкаются со вторыми, на соответствующих выключателях первый и второй контакты замыкаются. Подключенный таким образом ко второму входу батареи соответствующий аккумулятор подзаряжается малым током до поступления команды от контроллера 10 на смену очередного аккумулятора. Потребитель получает питание от оставшихся аккумуляторов в обход отключенного с первого выхода батареи 5.

При нахождении космического аппарата на орбите в положении 1 (фиг. 4, 5) солнечные батареи отраженного солнечного света ориентированы на Землю. В этот момент входящее в систему электроснабжения космического аппарата зарядное устройство 3 получает электроэнергию от солнечных батарей прямого солнечного света 1, а контроллер заряда аккумулятора 10 получает электроэнергию от солнечных батарей отраженного солнечного света 7 и генерирующего контура 8. В положении космического аппарата 2 солнечные батареи прямого солнечного света 1 остаются направленными на Солнце, в то время как солнечные батареи отраженного солнечного света частично затеняются. В этот момент зарядное устройство 3 системы электроснабжения космического аппарата продолжает получать электроэнергию от солнечных батарей прямого солнечного света, а контроллер 10 теряет часть энергии от блока 7, но продолжает получать энергию от блока 8 через выпрямитель 9. В положении космического аппарата 3 все группы солнечных батарей затенены, зарядное устройство 3 не получает электроэнергию от солнечных батарей 1, а бортовые потребители космического аппарата получают электроэнергию от аккумуляторной батареи. Контроллер заряда аккумуляторной батареи продолжает получать энергию от генерирующего контура 8, подзаряжая очередной аккумулятор. В положение космического аппарата 4 солнечные батареи прямого солнечного света 1 вновь освещаются Солнцем, в то время как солнечные батареи отраженного солнечного света частично затеняются. В этот момент зарядное устройство 3 системы электроснабжения космического аппарата продолжает получать электроэнергию от солнечных батарей прямого солнечного света, а контроллер 10 теряет часть энергии от блока 7, но продолжает получать энергию от блока 8 через выпрямитель 9.

Таким образом, система электроснабжения космического аппарата, стабилизированного вращением, способна получать, преобразовывать и накапливать: а) энергию прямого и отраженного от солнечного света; б) кинетическую энергию вращения космического аппарата в магнитном поле Земли. В остальном функционирование предлагаемой системы аналогично известной.

Технический результат - увеличение срока активного существования и энерговооруженности космического аппарата, достигается за счет использования в составе системы электроснабжения космического аппарата микроконтроллерного зарядного устройства, позволяющей осуществить зарядку аккумуляторной батареи от источников электрической энергии разной мощности (отраженного солнечного света и энергии магнитного поля Земли).

Практическая реализация функциональных узлов предлагаемого изобретения может быть выполнена следующим образом.

В качестве генерирующего контура может быть использована трехфазная двухслойная обмотка с изолированным медным проводом, что позволит приблизить форму кривой электродвижущей силы к синусоиде . В качестве выпрямителя может быть использована мостовая схема трехфазного выпрямителя с маломощными диодами типа Д2 и Д9, что позволит снизить пульсацию выпрямленного напряжения . В качестве контроллера заряда аккумуляторной батареи может быть использован микроконтроллер МАХ 17710. Он может работать с нестабильными источниками, имеющими диапазон выходных мощностей от 1 мкВт до 100 мВт. Устройство имеет встроенный повышающий преобразователь для заряда элементов питания от источников с типовым значением выходного напряжения 0.75 В и встроенный регулятор для защиты батарей от перезаряда . В качестве аккумуляторной батареи, содержащей управляемые контроллером коммутационные аппараты, могут быть использованы литий-ионные аккумуляторные батареи с подсистемой выравнивания напряжения аккумуляторов (системы балансировки). Она может быть выполнена на основе контроллера MSP430F1232 .

Таким образом, отличительные признаки предлагаемого устройства способствуют достижению поставленной цели.

Источники информации

1. Аналоговый мир Maxim. Новые микросхемы / Группа компаний симметрон // Выпуск №2, 2013. - 68 с.

2. Грилихес В.А. Солнечная энергия и космические полеты / В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов - М.: Наука, 1984. - 211 с.

3. Каргу Д.Л. Системы электроснабжения космических аппаратов / Д.Л. Каргу, Г.Б. Стеганов [и др.] - СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2013. - 116 с.

4. Кацман М.М. Электрические машины / М.М. Кацман. - учеб. пособие для учащихся спец. техникумов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. Шк., 1990. - 463 с.

5. Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций / В.А. Прянишников - СПб.: ООО «Крона принт», 1998. - 400 с.

6. Рыкованов А.Н. Системы питания Li-ion аккумуляторных батарей / А.Н. Рыкованов // Силовая Электроника. - 2009. - №1.

7. Чилин Ю.Н. Моделирование и оптимизация в энергетических системах КА / Ю.Н. Чилин. - СПб.: ВИКА, 1995. - 277 с.

Система электроснабжения космического аппарата, содержащая группу солнечных батарей прямого солнечного света, зарядное устройство, получающее электроэнергию от солнечных батарей прямого солнечного света, разрядное устройство, питающее потребителей от аккумуляторной батареи, стабилизатор напряжения, питающий потребителей от солнечной батареи прямого солнечного света, отличающаяся тем, что дополнительно содержит группу солнечных батарей, предназначенных для преобразования отраженного от Земли солнечного света в электрическую энергию, генерирующий контур, представляющий собой совокупность проводников (обмотку), расположенных на корпусе космического аппарата, в которых наводится электродвижущая сила за счет вращения космического аппарата вокруг своей оси в магнитном поле Земли, выпрямительное устройство, а также содержит контроллер заряда аккумуляторной батареи от источников электроэнергии разной мощности, аккумуляторную батарею, дополнительно содержащую управляемые контроллером коммутационные аппараты, осуществляющие подключение или отключение отдельных аккумуляторов к контроллеру для их подзаряда.

Похожие патенты:

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для обеспечения электропитания космических аппаратов (КА) и станций. Технический результат - использование системы терморегулирования для получения дополнительной энергии.

Изобретение относится к области электротехники. Автономная система электропитания содержит солнечную батарею, накопитель электроэнергии, зарядно-разрядное устройство и нагрузку, состоящую из одного или нескольких стабилизаторов напряжения с подключенными к их выходам конечными потребителями электроэнергии.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при проектировании автономных систем электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ). Технический результат - повышение удельных энергетических характеристик и надежности автономной системы электропитания ИСЗ. Предлагается способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли от солнечной батареи и комплекта из вторичных источников электроэнергии - аккумуляторных батарей, содержащих Nакк аккумуляторов, соединенных последовательно, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке, проведении заряда и разряда аккумуляторных батарей через индивидуальные зарядные и разрядные преобразователи, при этом разрядные преобразователи выполнены без вольтодобавочных узлов, для чего число аккумуляторов Nакк в каждой аккумуляторной батарее выбирают из соотношения: Nакк≥(Uн+1)/Uакк.мин, где Nакк - число аккумуляторов в последовательной цепи каждой аккумуляторной батареи; Uн - напряжение на выходе автономной системы электропитания, В; Uакк.мин - минимальное разрядное напряжение одного аккумулятора, В, зарядные преобразователи выполнены без вольтодобавочных узлов, для чего напряжение в рабочей точке солнечной батареи выбирают из соотношения:Uрт>Uакк.макс·Nакк+1, где Uрт - напряжение в рабочей точке солнечной батареи в конце гарантированного ресурса ее работы, В; Uакк.макс - максимальное зарядное напряжение одного аккумулятора, В, при этом рассчитанное число аккумуляторов Nакк дополнительно увеличивают исходя из соотношения: Nакк≥(Uн+1)/Uакк.мин+Nотказ, где Nотказ - число допустимого отказа аккумуляторов, а стабилизацию напряжения на нагрузке и заряд аккумуляторных батарей проводят с использованием экстремального регулирования напряжения солнечной батареи.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в расширении эксплуатационных возможностей системы, увеличении его нагрузочной мощности и обеспечении максимальной бесперебойности работы при поддержании оптимальных параметров работы аккумуляторной батареи при питании потребителей постоянным током.

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к непрерывно следящим за Солнцем солнечным установкам как с концентраторами солнечного излучения, так и с плоскими кремниевыми модулями, предназначенным для питания потребителей, например, в районах ненадежного и децентрализованного электроснабжения.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при проектировании автономных систем электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Изобретение относится к системам поворота солнечной батареи (СПСБ) космического аппарата (КА). Изобретение предназначено для размещения элементов СПСБ для вращения солнечной батареи большой мощности и передачи электроэнергии с солнечной батареи на КА.

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии и её передачи наземным потребителям. Космическая электростанция содержит солнечный коллектор (1) лепесткового типа, корпус станции (2) и пучок (3) СВЧ-антенн. Коллектор (1) выполнен из пластин (панелей) фотоэлектрических преобразователей - как основных, так и вспомогательных. Пластины имеют прямоугольную и треугольную форму. Их соединения выполнены в виде автоматических крючков и петель, которые при развёртывании коллектора соединяются посредством многолепесткового механизма. В сложенном виде коллектор (1) имеет форму куба. Антенны пучка (3) фокусируют СВЧ-энергию на усилитель, передающий эту энергию на наземные электростанции. Технический результат изобретения направлен на повышение эффективности преобразования и передачи энергии потребителям на обширных территориях Земли. 16 ил.

Использование: в области электротехники для электроснабжения космических аппаратов от первичных источников разной мощности. Технический результат - повышение надежности электроснабжения. Система электроснабжения космического аппарата содержит: группу солнечных батарей прямого солнечного света, группу солнечных батарей отраженного солнечного света, генерирующий контур, стабилизатор напряжения, зарядное устройство, разрядное устройство, аккумуляторную батарею, выпрямительное устройство, контроллер заряда аккумуляторной батареи и потребителей. Переменное напряжение с генерирующего контура преобразуется в постоянное в блоке и поступает на первый вход контроллера заряда аккумуляторной батареи. Постоянное напряжение от солнечных батарей отраженного солнечного света поступает на второй вход контроллера заряда аккумуляторной батареи. Суммарное напряжение от генерирующего контура и солнечных батарей отраженного солнечного света с первого выхода контроллера попадает на второй вход аккумуляторной батареи. Со второго выхода контроллера на первый вход аккумуляторной батареи поступают сигналы управления переключателями, имеющими контакты 1-3, и выключателями, имеющими контакты 1-2. Количество управляемых коммутационных аппаратов зависит от числа аккумуляторов в батарее. Для подзаряда выбранного аккумулятора на соответствующих переключателях их первые контакты размыкаются с третьим и замыкаются со вторым, на соответствующих выключателях первый и второй контакты замыкаются. Подключенный таким образом ко второму входу батареи соответствующий аккумулятор подзаряжается номинальным зарядным током до поступления команды от контроллера на смену очередного аккумулятора. Потребитель получает питание от оставшихся аккумуляторов, в обход отключенного, с первого выхода батареи. 5 ил.

Правообладатель иллюстрации SPL

Для космических полетов продолжительностью в несколько десятилетий - или даже дольше - потребуется новое поколение источников питания. Обозреватель решил разобраться, какие варианты есть у конструкторов.

Система питания - жизненно важная составляющая космического корабля. Эти системы должны быть предельно надежными и рассчитанными на работу в жестких условиях.

Современные сложные аппараты требуют все больше энергии - каким же видится будущее их источников питания?

Среднестатистический современный смартфон едва может проработать сутки на одной зарядке. А зонд "Вояджер", запущенный 38 лет назад, по-прежнему передает на Землю сигналы, уже покинув пределы Солнечной системы.

Компьютеры "Вояджеров" способны совершать 81 тысячу операций в секунду - но процессор смартфона работает в семь тысяч раз быстрее.

• Другие статьи сайта BBC Future на русском языке

При конструировании телефона, конечно, подразумевается, что он будет регулярно подзаряжаться и вряд ли окажется в нескольких миллионах километров от ближайшей розетки.

Зарядить аккумулятор космического корабля, который как раз-таки по замыслу должен находиться в ста миллионах километров от источника тока, не получится - нужно, чтобы он был способен либо нести на борту батареи достаточной емкости для того, чтобы работать десятилетиями, либо генерировать электроэнергию самостоятельно.

Решить такую конструкторскую задачу, оказывается, довольно непросто.

Некоторым бортовым устройствам электричество нужно лишь время от времени, но другие должны работать постоянно.

Всегда должны быть включены приемники и передатчики, а в пилотируемом полете или на обитаемой космической станции - также системы жизнеобеспечения и освещения.

Правообладатель иллюстрации NASA Image caption Двигатели у "Вояджеров" не самые современные, но они успешно прослужили уже 38 лет

Доктор Рао Сурампуди возглавляет программу энергетических технологий в лаборатории реактивного движения при Калифорнийском технологическом институте в США. Уже более 30 лет он занимается разработкой систем электропитания для различных аппаратов НАСА.

По его словам, на энергетическую систему обычно приходится примерно 30% всей массы космического аппарата. Она решает три основных задачи:

• выработка электроэнергии

• хранение электроэнергии

• распределение электроэнергии

Все эти части системы жизненно важны для работы аппарата. Они должны мало весить, быть долговечными и иметь высокую "энергетическую плотность" - то есть вырабатывать много энергии при довольно небольшом объеме.

Кроме того, они должны быть надежными, так как отправлять человека в космос для починки поломок весьма непрактично.

Система должна не только вырабатывать достаточно энергии для всех потребностей, но и делать это в течение всего полета - а он может продолжаться десятилетиями, а в будущем, возможно, и столетиями.

"Расчетный срок эксплуатации должен быть длительным - если что-либо поломается, чинить будет некому, - говорит Сурампуди. - Полет к Юпитеру занимает от пяти до семи лет, к Плутону - более 10 лет, а чтобы покинуть пределы Солнечной системы, нужно от 20 до 30 лет".

Правообладатель иллюстрации NASA Image caption В миссии НАСА по отклонению астероидов будет использован новый тип питания от солнечной энергии - более эффективный и долговечный, чем у предшественников

Энергетические системы космического корабля находятся в очень специфических условиях - они должны сохранять работоспособность при отсутствии гравитации, в вакууме, под воздействием очень интенсивной радиации (которая вывела бы из строя большинство обычных электронных приборов) и экстремальных температур.

"Если сесть на Венеру, то за бортом будет 460 градусов, - рассказывает специалист. - А при посадке на Юпитер температура будет минус 150".

Аппараты, направляющиеся к центру Солнечной системы, не имеют недостатка в энергии, собираемой их фотоэлектрическими панелями.

Эти панели на вид мало чем отличаются от солнечных панелей, устанавливающихся на крышах жилых домов, но при этом они работают с куда более высокой эффективностью.

Рядом с Солнцем очень жарко, и фотоэлектрические панели могут перегреться. Чтобы этого избежать, панели отворачивают от Солнца.

На планетарной орбите фотоэлектрические панели менее эффективны: они вырабатывают меньше энергии, так как время от времени оказываются отгороженными от Солнца самой планетой. В подобных ситуациях необходима надежная система накопления энергии.

Атомное решение

Такая система может быть построена на основе никель-водородных аккумуляторов, которые выдерживают более 50 тысяч циклов зарядки и работают более 15 лет.

В отличие от обычных батарей, которые в космосе не работают, эти батареи герметичны и могут нормально функционировать в вакууме.

По мере удаления от Солнца уровень солнечной радиации естественным образом понижается: у Земли он составляет 1374 ватта на квадратный метр, у Юпитера - 50, а у Плутона - всего один ватт на квадратный метр.

Поэтому если аппарат вылетает за орбиту Юпитера, то на нем применяются атомные системы питания.

Самая распространенная из них - это радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), применявшийся на зондах "Вояджер", "Кассини" и на марсоходе "Кьюриосити".

Правообладатель иллюстрации NASA Image caption В качестве одного из возможных источников питания для продолжительных миссий рассматривается улучшенный радиоизотопный генератор Стирлинга

В этих источниках питания нет движущихся частей. Они вырабатывают энергию за счет распада радиоактивных изотопов, таких как плутоний. Срок их службы превышает 30 лет.

Если использовать РИТЭГ нельзя (к примеру, если для защиты экипажа от радиации понадобится слишком массивный для полета экран), а фотоэлектрические панели не подходят по причине слишком большого расстояния от Солнца, тогда можно применить топливные ячейки.

Водородно-кислородные топливные ячейки были использованы в американских космических программах "Джемини" и "Аполлон". Такие ячейки нельзя перезарядить, но они выделяют много энергии, а побочным продуктом этого процесса является вода, которую потом может пить экипаж.

НАСА и лаборатория реактивного движения ведут работы по созданию более мощных, энергоемких и компактных систем с высоким рабочим ресурсом.

Но новым космическим аппаратам нужно все больше энергии: их бортовые системы постоянно усложняются и расходуют много электричества.

Для длительных полетов, возможно, будут применяться атомно-электрические движители

Особенно это касается кораблей, которые используют электрический привод - к примеру, ионный движитель, впервые примененный на зонде Deep Space 1 в 1998 году и с тех пор широко прижившийся.

Электрические двигатели как правило работают за счет электрического выброса топлива на высокой скорости, но есть и такие, которые разгоняют аппарат посредством электродинамического взаимодействия с магнитными полями планет.

Большинство земных энергетических систем не способно работать в космосе. Поэтому любая новая схема перед установкой на космический аппарат проходит серию серьезных испытаний.

В лабораториях НАСА воссоздаются жесткие условия, в которых должно будет функционировать новое устройство: его облучают радиацией и подвергают экстремальным перепадам температур.

К новым рубежам

Не исключено, что в будущих полетах будут применяться улучшенные радиоизотопные генераторы Стирлинга. Они работают по схожему с РИТЭГ принципу, но гораздо более эффективны.

Кроме того, их можно сделать весьма малогабаритными - хотя при этом конструкция дополнительно усложняется.

Для планируемого полета НАСА к Европе, одному из спутников Юпитера, создаются и новые батареи. Они будут способны работать при температурах от -80 до -100 градусов.

А новые литий-ионные аккумуляторы, над которыми сейчас трудятся конструкторы, будут иметь вдвое большую емкость, чем нынешние. С их помощью астронавты смогут, к примеру, провести вдвое больше времени на лунной поверхности, прежде чем возвращаться в корабль для подзарядки.

Правообладатель иллюстрации SPL Image caption Для обеспечения энергией таких поселений, скорее всего, потребуются новые типы горючего

Конструируются и новые солнечные батареи, которые могли бы эффективно собирать энергию в условиях низкой освещенности и низких температур - это позволит аппаратам на фотоэлектрических панелях улетать дальше от Солнца.

На каком-то этапе НАСА намеревается создать постоянную базу на Марсе - а возможно, и на более удаленных планетах.

Энергетические системы таких поселений должны быть намного более мощными, чем используемые в космосе сейчас, и рассчитанными на гораздо более длительную эксплуатацию.

На Луне много гелия-3 - этот изотоп редко встречается на Земле и является идеальным топливом для термоядерных электростанций. Однако пока не удалось добиться достаточной стабильности термоядерного синтеза для того, чтобы применять этот источник энергии в космических кораблях.

Кроме того, существующие на сегодняшний термоядерные реакторы занимают площадь самолетного ангара, и в таком виде использовать их для космических полетов невозможно.

А можно ли применять обычные ядерные реакторы - особенно в аппаратах с электрическими движителями и в планируемых миссиях к Луне и к Марсу?

Для колонии в таком случае не придется вести отдельный источник электричества - в его роли сможет выступить корабельный реактор.

Для длительных полетов, возможно, будут применяться атомно-электрические движители.

"Аппарату Миссии по отклонению астероидов нужны большие солнечные панели, чтобы он обладал достаточным запасом электрической энергии для маневров вокруг астероида, - говорит Сурампуди. - В настоящее время мы рассматриваем вариант солнечно-электрического движителя, но атомно-электрический обошелся бы дешевле".

Однако в ближайшее время мы вряд ли увидим космические корабли на ядерной энергии.

"Эта технология пока недостаточно отработанная. Мы должны быть абсолютно уверены в ее безопасности, прежде чем запускать такой аппарат в космос", - объясняет специалист.

Чтобы удостовериться в том, что реактор способен выдержать жесткие нагрузки космического полета, нужны дополнительные тщательные испытания.

Все эти перспективные энергетические системы позволят космическим аппаратам работать дольше и улетать на большие расстояния - но пока они находятся на ранних стадиях разработки.

Когда испытания будут успешно закончены, такие системы станут обязательной составляющей полетов на Марс - и еще дальше.

• Прочитать можно на сайте .

Введение

энергоснабжение солнечный батарея космический

В настоящее время одним из приоритетов стратегического развития научно-технического потенциала республики является создание космической отрасли. Для этого в Казахстане в 2007 году создано Национальное космическое агентство («Казкосмос»), деятельность которого, в первую очередь, направлена на разработку и внедрение целевых космических технологий и развитие космической науки в интересах социально-экономического развития страны.

Научные космические исследования в Казкосмосе проводятся, в основном, в АО «Национальный центр космических исследований и технологий» (АО «НЦКИТ»), в состав которого входят четыре научно-исследовательских института: Астрофизический институт им. В.Г. Фесенкова, Институт ионосферы, Институт космических исследований, Институт космической техники и технологий. АО «НЦКИТ» имеет большую экспериментальную базу: парк современной измерительной аппаратуры, полигоны, обсерватории, научные центры для проведения фундаментальных и прикладных научных исследований в области космической деятельности по утвержденным приоритетам.

Акционерное общество «Национальный центр космических исследований и технологий» АО «НЦКИТ» организовано путем реорганизации Республиканского государственного предприятия на праве хозяйственного ведения «Центр астрофизических исследований» и его дочерних предприятий на основании постановления Правительства Республики Казахстан №38 от 22.01.2008 г.

Основным предметом деятельности АО является осуществление научно-исследовательской, опытно-конструкторской и производственно-хозяйственной деятельности в области космических исследований и технологий.

Одной из важнейших бортовых систем любого космического аппарата, которая в первую очередь определяет его тактико-технические характеристики, надежность, срок службы и экономическую эффективность, является система электроснабжения. Поэтому проблемы разработки, исследования и создания систем электроснабжения космических аппаратов имеют первостепенное значение.

Автоматизация процессов управления полетом любых космических аппаратов (КА) немыслима без электрической энергии. Электрическая энергия используется для приведения в действие всех элементов устройств и оборудования КА (двигательная группа, органов управления, систем связи, приборного комплекса, отопления и т.д.).

В целом, система электроснабжения генерирует энергию, преобразует и регулирует её, запасает её для периодов пикового потребления или работы в тени, а также распределят её по космическому аппарату. Подсистема электроснабжения может также преобразовывать и регулировать напряжение или обеспечивать ряд уровней напряжений. Она часто включает и выключает аппаратуру и, для повышения надёжности, защищает от короткого замыкания и изолирует неисправности. Конструкция подсистемы зависит от космической радиации, которая вызывает деградацию солнечных батарей. Срок службы химической батареи часто ограничивает срок службы космического аппарата.

Актуальными проблемами являются изучение особенностей функционирования источников электроэнергии космического назначения. Изучение и освоение космического пространства требуют разработки и создания космических аппаратов различного назначения. В настоящее время наибольшее практическое применение получают автоматические непилотируемые космические аппараты для формирования глобальной системы связи, телевидения, навигации и геодезии, передачи информации, изучения погодных условий и природных ресурсов Земли, а также исследования дальнего космоса. Для их создания необходимо обеспечить очень жесткие требования по точности ориентации аппарата в космосе и коррекции параметров орбиты, а это требует повышения энерговооруженности космических аппаратов.

1. Общие сведения об АО «НЦКИТ»

Проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию аппаратуры и программного обеспечения для систем дифференциальной коррекции и навигационной аппаратуры потребителей.

Объектно-ориентированное моделирование и разработка программно-технического обеспечения системы крупномасштабного 3D-моделирования с использованием спутниковых навигационных технологий и лазерной дальнометрии.

Разработка инженерных моделей комплекса научного оборудования для проведения бортовых измерений и накопления целевой научной информации и программное обеспечение для их фунционирования.

Создание научно-методического и программного обеспечения решения задач комплексного анализа и прогнозирования развития космической техники в РК.

Создание программно-математического обеспечения и имитационных моделей космических аппаратов и подсистем.

Разработка экспериментальных образцов приборов, аппаратуры, узлов и подсистем микроспутников.

Создание научно-методического обеспечения и нормативно-технической базы решения задач технического регулирования.

Регламентация требований к разработке, проектированию, созданию, эксплуатации космической техники, обеспечению ее безопасности, оценки и подтверждения соответствия.

Согласно постановлению Правительства №38 от 22 января 2008 года «О реорганизации Республиканского государственного предприятия «Центр астрофизических исследований» Национального космического агентства Республики Казахстан и его дочерних государственных предприятий», РГП «Центр астрофизических исследований» и его дочерние предприятия «Институт ионосферы», «Астрофизический институт им. В.Г. Фесенкова», «Институт космических исследований» реорганизованы путем слияния и преобразования в акционерное общество «Национальный центр космических исследований и технологий» со стопроцентным участием государства в уставном капитале.

Свидетельство о государственной регистрации АО «НЦКИТ» - №93168-1910-АО, идентификационный №080740009161, от 16.07.2008 г., зарегистрировано в Департаменте юстиции г. Алматы Министерства юстиции Республики Казахстан

.2 Общая характеристика организации

Акционерное общество «Национальный центр космических исследований и технологий» зарегистрировано 16.07.2008 г.

В период с 2004 г. по 15.07.2008 г. АО НЦКИТ юридически являлся Республиканским государственным предприятием «Центр астрофизических исследований» (на праве хозяйственного ведения), которое было создано в соответствии с постановлением Правительства Республики Казахстан от 5 марта 2004 года №280 «Вопросы некоторых республиканских государственных предприятий Министерства образования и науки Республики Казахстан». РГП было создано на основе реорганизации и слияния республиканских государственных казенных предприятий «Институт космических исследований», «Институт ионосферы» и «Астрофизический институт имени В.Г. Фесенкова», которым был придан юридический статус дочерних государственныхпредприятий.

Постановлением Правительства Республики Казахстан от 29 мая 2007 года №438 «Вопросы Национального космического агентства» РГП «Центр астрофизических исследований» (на праве хозяйственного ведения) было передано в ведение Национального космического агентства Республики Казахстан.

Институт космических исследований Академии наук Казахской ССР организован согласно Постановлению Кабинета Министров Казахской ССР №470 от 12 августа 1991 года. Основатель и первый директор Института - Лауреат Государственной премии СССР, кавалер Орденов Ленина, Трудового Красного Знамени, «Парасат», академик НАН РК СултангазинУмирзакМахмутович (1936 г. - 2005 г.). В январе 2011 года Институту было присвоено имя академика У.М. Султангазина.

Предметом деятельности Института являлось проведение фундаментальных и прикладных исследований в рамках государственных, отраслевых, международных программ и проектов, а также выполнение работ по грантам отечественных и зарубежных фондов в области дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), космического мониторинга, геоинформационного моделирования, космического материаловедения.

Институт космических исследований, как головная организация, координировал исследования институтов НАН РК и других ведомственных организаций при разработке и реализации всех четырех казахстанских программ научных исследований и экспериментов на борту орбитального комплекса «Мир» с участием космонавта Аубакирова Т.О. (1991 г.) и с участием космонавта Мусабаева Т.А. - (1994, 1998 гг.), на борту Международной космической станции - с участием космонавта Мусабаева Т.А. (2001 г.).

Институт космических исследований имени академика У.М. Султангазина входил в состав АО «НЦКИТ» в качестве отдельного юридического лица в статусе дочернего товарищества с ограниченной ответственностью.

С 2014 года Институт и административный аппарат АО «НЦКИТ» были объединены в единую структуру с сохранением кадрового состава и направлений исследований.

1.3 Виды деятельности АО «НЦКИТ»

Координация, сопровождение и осуществление научно-исследовательской деятельности. Фундаментальные и прикладные космические исследования

Формирование основных направлений и планов научных исследований, представление законченных научных исследований в Национальное космическое агентство Республики Казахстан;

Представление в Национальное космическое агентство Республики Казахстан выводов и рекомендаций, основанных на ежегодных отчетах научных организаций о научной и научно-технической деятельности;

Сопровождение и Осуществление опытно-конструкторской и производственно-хозяйственной деятельности

Создание географических информационных систем на основе методов аэрокосмической съемки;

Прием, обработка, распространение, эквивалентный обмен и продажа данных дистанционного зондирования земли из космоса;

Разработка и эксплуатация космических средств различного назначения, космических систем связи, навигации и дистанционного зондирования;

Оказание инжиниринговых и консалтинговых услуг

Проведение маркетинговых исследований

Осуществление инновационной деятельности

Информирование о деятельности Национального космического агентства - Республики Казахстан и пропаганда достижений науки

Осуществление пропаганды достижений науки и космических технологий, организация. Проведение международных и республиканских съездов, сессий, конференций, семинаров, совещаний, выставок; издание научных журналов, трудов и информирования о деятельности Национального космического агентства Республики Казахстан

Подготовка высококвалифицированных научных кадров. Защита интеллектуальной собственности

Разработка нормативно-правовой документации

Кадровый состав

Всего - 450 квалифицированных специалистов и ученых.

В их числе - 27 доктора наук, 73 кандидатов наук, 2 академика, 2 члена-корреспондента и 3 доктора PHD.

Структура центра

Департамент дистанционного зондирования Земли

Основные направления исследований:

Развитие технологий приема, архивации, обработки и отображения данных ДЗЗ. Проведение фундаментальных и прикладных научных исследований в области изучения спектральных характеристик объектов земной поверхности, космического мониторинга сельскохозяйственных угодий и окружающей среды, чрезвычайных ситуаций (паводков, наводнений, пожаров), тематического дешифрирования спутниковых данных различного спектрального, пространственного и временного разрешения на основе анализа многолетних рядов данных ДЗЗ и состояния земной поверхности.

Проведение подспутниковых исследований. Создание отраслевых и региональных ситуационных центров космического мониторинга чрезвычайных ситуаций.

Департамент геоинформационного моделирования

Разработка численных моделей переноса коротковолновых и тепловых излучений в атмосфере для коррекции космических изображений и расчетов физических параметров атмосферы по данным спутниковой информации.

Создание геоинформационных моделей «риск-анализа» для определения степени влияния природных и техногенных факторов на развитие аварийных ситуаций на магистральных трубопроводах.

Создание автоматизированных методов и технологий цифровой фотограмметрии, методов и вычислительных алгоритмов интерферометрического анализа данных дистанционного зондирования.

Департамент космического материаловедения и приборостроения

Создание технологий производства конструкционных и функциональных материалов аэрокосмического назначения, а также изделий из них.

Разработка качественных, аналитических и численных методов исследования нестационарных задач динамики искусственных и естественных небесных тел.

Разработка новых математических моделей и методов обеспечения программного движения космических аппаратов.

Отдел информационно-образовательного обеспечения (г. Астана)

Организация повышения квалификации и переподготовки специалистов для космической отрасли Казахстана.

Центр приема космической информации (г. Алматы) и Научно-образовательный центр космического мониторинга коллективного пользования (г. Астана)

Регулярный прием, архивация и обработка данных космической съемки с космических аппаратов Aqua/MODIS, Terra/MODIS, SuomiNPP (США).

Имеется международная сертификация.

ДТОО «ИИ» (Институт ионосферы)

Предметом деятельности ДТОО «Институт ионосферы» является проведение фундаментальных, поисковых и прикладных исследований в области солнечно-земной физики и геодинамики: ионосферы и геомагнитного поля, космической погоды, радиационного мониторинга околоземного космического пространства, наземно-космического геодинамического и геофизического мониторинга земной коры Казахстана, создания системы прогнозирования месторождений полезных ископаемых, геодезии и картографии.

ДТОО «АФИФ» (Астрофизический институт им. Фесенкова)

ДТОО «ИКТТ» (Институт космической техники и технологий)

Дочернее товарищество с ограниченной ответственностью «Институт космической техники и технологий» (далее - ДТОО «Институт космической техники и технологий») создано по приказу Национального космического агентства Республики Казахстан №65/ОД от 17.08.2009 года.

ДТОО «Институт космической техники и технологий» было зарегистрировано 23 декабря 2009 года. Единственным Учредителем ДТОО «Институт космической техники и технологий» является Акционерное общество «Национальный центр космических исследований и технологий».

2. Общие сведения об энергоснабжении космических аппаратов

Геометрию космических аппаратов, конструкцию, массу, срок активного существования во многом определяет система энергоснабжения космических аппаратов. Система энергоснабжения или иначе именуемая как система энергопитания (СЭП) космических аппаратов - система космического аппарата, обеспечивающая электропитание других систем, является одной из важнейших систем. Выход из строя системы энергоснабжения ведет к отказу всего аппарата.

В состав системы энергопитания обычно входят: первичный и вторичный источник электроэнергии, преобразующие, зарядные устройства и автоматика управления.

Первичные источники энергии

В качестве первичных источников используются различные генераторы энергии:

солнечные батареи;

химические источники тока:

аккумуляторы;

гальванические элементы;

топливные элементы;

радиоизотопные источники энергии;

ядерные реакторы.

В состав первичного источника входит не только собственно генератор электроэнергии, но и обслуживающие его системы, например система ориентации солнечных батарей.

Часто источники энергии комбинируют, например, солнечную батарею с химическим аккумулятором.

Топливные элементы

Топливные элементы имеют высокие показатели по массогабаритным характеристикам и удельной мощности по сравнению с парой солнечные батареи и химический аккумулятор, устойчивы к перегрузкам, имеют стабильное напряжение, бесшумны. Однако они требуют запаса топлива, потому применяются на аппаратах со сроком нахождения в космосе от нескольких дней до 1-2 месяцев.

Используются в основном водород-кислородные топливные элементы, так как водород обеспечивает наивысшую калорийность, и, кроме того, образовавшаяся в результате реакции вода может быть использована на пилотируемых космических аппаратах. Для обеспечения нормальной работы топливных элементов необходимо обеспечить отвод образующихся в результате реакции воды и тепла. Ещё одним сдерживающим фактором является относительно высокая стоимость жидкого водорода и кислорода, сложность их хранения.

Радиоизотопные источники энергии

Радиоизотопные источники энергии используют в основном в следующих случаях:

высокая длительность полёта;

миссии во внешние области Солнечной системы, где поток солнечного излучения мал;

разведывательные спутники с радаром бокового обзора из-за низких орбит не могут использовать солнечные батареи, но испытывают высокую потребность в энергии.

Автоматика системы энергопитания

В нее входят устройства управления работой энергоустановки, а также контроля ее параметров. Типичными задачами являются:поддержание в заданных диапазонах параметров системы: напряжения, температуры, давления, переключения режимов работы, например, переход на резервный источник питания; распознавание отказов, аварийная защита источников питания в частности по току; выдача информации о состоянии системы для телеметрии и на пульт космонавтов. В некоторых случаях возможен переход с автоматического на ручное управление либо с пульта космонавтов, либо по командам из наземного центра управления.

.1 Солнечные батареи принцип действия и устройство

В основе устройства солнечной батареи лежат генераторы напряжения, составленные из ФЭП - устройств для непосредственного преобразования солнечной световой энергии в электрическую. Действие ФЭП основано на внутреннем фотоэффекте, т.е. на появлении ЭДС под действием солнечного света.

Полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) - это устройство, в котором осуществляется прямое преобразование энергии солнечного излучения в электрическую энергию. Принцип работы ФЭП основан на взаимодействии солнечного света с кристаллом полупроводника, в процессе которого фотоны освобождают в кристалле электроны - носители электрического заряда. Специально созданные под действием так называемого p-n-перехода области с сильным электрическим полем улавливают освободившиеся электроны и разделяют их таким образом, что в цепи нагрузки возникает ток и соответственно электрическая мощность.

Теперь рассмотрим несколько подробнее, хотя и со значительными упрощениями, этот процесс. Начнем с рассмотрения поглощения света в металлах и чистых полупроводниках. При попадании потока фотонов на поверхность металла часть фотонов отражается, а оставшаяся часть поглощается металлом. Энергия второй части фотонов увеличивает амплитуду колебаний решетки и скорость хаотического движения свободных электронов. Если энергия фотона довольно велика, то ее может оказаться достаточно, чтобы выбить из металла электрон, сообщив ему энергию, равную или большую, чемработа выхода данного металла. Это внешний фотоэффект. При меньшей энергии фотона его энергия в конечном счете целиком идет на нагрев металла.

Иная картина наблюдается при воздействии потока фотонов на полупроводники. В отличие от металлов кристаллические полупроводники в чистом виде (без примесей), если на них не воздействуют никакие внешние факторы (температура, электрическое поле, излучение света и т.д.), не имеют свободных электронов, оторванных от атомов кристаллической решетки полупроводника

Рис. 2.1 - Поглощение света в металлах и полупроводниках: 1 - заполненная (валентная) зона, 2 - запрещенная зона, 3 - зона проводимости, 4 - электрон

Однако, поскольку полупроводниковый материал всегда находится под воздействием какой-либо температуры (чаще всего комнатной), небольшая часть электронов может за счет тепловых колебаний приобрести энергию, достаточную для отрыва их от своих атомов. Такие электроны становятся свободными и могут принимать участие в переносе электричества.

Атом полупроводника, лишившийся электрона, приобретает положительный заряд, равный заряду электрона. Однако место атома, не занятое электроном, может быть занято электроном соседнего атома. При этом первый атом становится нейтральным, а соседний - положительно заряженным. Освободившееся в связи с образованием свободного электрона место в атоме равноценно положительно заряженной частице, называемой дыркой.

Энергия, которой обладает электрон в связанном с атомом состоянии, лежит в пределах заполненной (валентной) зоны. Энергия свободного электрона относительно велика и лежит в более высокой энергетической зоне - зоне проводимости. Между ними лежит запрещенная зона, т.е. зона таких значений энергий, которые электроны данного полупроводникового материала не могут иметь ни в связанном, ни в свободном состоянии. Ширина запрещенной зоны для большинства полупроводников лежит в пределах 0,1 - 1,5 эВ. При больших значениях запрещенной зоны, чем 2,0 эВ, мы имеем дело с диэлектриками.

Если энергия фотона равна или превышает ширину запрещенной зоны, то происходят отрыв одного из электронов от своего атома и переброска его из валентной зоны в зону проводимости.

Увеличение концентрации электронов и дырок приводит к возрастанию проводимости полупроводника. Возникающая под действием внешних факторов проводимость тока в чистом монокристаллическом полупроводнике называется собственной проводимостью. С исчезновением внешних воздействий свободные электронно-дырочные пары рекомбинируют друг с другом и собственная проводимость полупроводника стремится к нулю. Идеально чистых полупроводников, которые обладали бы одной лишь собственной проводимостью, не существует. Обычно полупроводник обладает электронной (n-тип) или дырочной (p-тип) проводимостью.

Тип проводимости определяется валентностью атомов полупроводника и валентностью атомов активной примеси, внедренной в его кристаллическую решетку. Например, для кремния (IV группа Периодической системы Менделеева) активными примесями являются бор, алюминий, галлий, индий, таллий (III группа) или фосфор, мышьяк, сурьма, висмут (V группа). Кристаллическая решетка кремния имеет такую форму, при которой каждый атом кремния, находящийся в узле решетки, связан с четырьмя другими ближайшими атомами кремния так называемыми ковалентными или парноэлектронными связями.

Элементы V группы (доноры), внедренные в узлы кристаллической решетки кремния, имеют ковалентные «связи четырех своих электронов с четырьмя электронами соседних атомов кремния, а пятый электрон может быть легко освобожден. Элементы III группы (акцепторы), внедренные в узлы кристаллической решетки кремния, для образования четырех ковалентных связей притягивают электрон от одного из соседних атомов кремния, образуя тем самым дырку. Этот атом в свою очередь может притянуть электрон от одного из соседних ему атомов кремния и т.д.

ФЭП - это полупроводниковый фотоэлемент с запорным (вентильным) слоем, работа которого основана на только что рассмотренном фотоэффекте. Итак, механизм работы ФЭП заключается в следующем (рисунок 2.2).

Кристалл ФЭП состоит из p- и n-областей, имеющих соответственно дырочную и электронную проводимости. Между этими областями образуется p-n-переход (запорный слой). Его толщина 10-4 - 10-6 см.

Так как по одну сторону от p-n-перехода больше электронов, а по другую дырок, то каждый из этих свободных носителей тока будет иметь тенденцию диффундировать в ту часть ФЭП, где их недостаточно. В результате на p-n-переходе в темноте устанавливается динамическое равновесие зарядов и образуется два слоя объемных зарядов, причем со стороны p-области образуются отрицательный, а со стороны n-области положительный заряды.

Установившийся потенциальный барьер (или контактная разность потенциалов) будет препятствовать дальнейшей самодиффузии электронов и дырок через p-n-переход. Контактная разность потенциалов Uк направлена от n-области к p-области. Переход электронов из n-области в p-область требует затраты работы Uк · e, переходящей в потенциальную энергию электронов.

По этой причине все энергетические уровни в p-области подняты относительно энергетических уровней n-области на величину потенциального барьера Uк · е. На рисунке движение вверх по оси ординат соответствует росту энергии электронов и уменьшению энергии дырок.

Рис. 2.2 - Принцип действия ФЭП (точками обозначены электроны, кружочками - дырки)

Таким образом, потенциальный барьер является препятствием для основных носителей (в прямом направлении), а для неосновных носителей (в обратном направлении) никакого сопротивления не представляет.

Под действием солнечного света (фотонов определенной энергии) атомы полупроводника возбудятся, и в кристалле как в p-, так и n-областях возникнут дополнительные (избыточные) пары электрон-дырка (рисунок 2.2, б). Наличие же потенциального барьера в p-n-переходе обусловливает разделение дополнительных неосновных носителей (зарядов) так, что в n-области будут накапливаться избыточные электроны, а в p-области - избыточные дырки, не успевшие рекомбинировать до их подхода к p-n-переходу. При этом будет происходить частичная компенсация объемного заряда у p - n-перехода и возрастать создаваемое ими электрическое поле, направленное против контактной разности потенциалов, что вместе взятое ведет к снижению потенциального барьера.

В результате между электродами установится разность потенциалов Uф, которая по существу представляет собой фото-ЭДС. Если в цепь ФЭП включить внешнюю электрическую нагрузку, то в ней потечет электрический ток - поток электронов от n-области к p-области, где они рекомбинируют с дырками. Вольт-амперная и вольт-мощностная характеристики ФЭП представлены на рисунке 2.3, из которого очевидно, что для снятия с ФЭП максимальной электрической мощности необходимо обеспечить его работу в достаточно узком диапазоне выходных напряжений (0,35 - 0,45 В).

Масса 1 м2СБ 6…10 кг, из них 40% приходится на массу ФЭП. Из фотоэлементов, размеры которых в среднем составляют не более 20 мм, путем последовательного их соединения набирают генераторы напряжения до требуемого значения напряжения, например на номинал 27 В.

Рис. 2.3 - Зависимость напряжения и удельной мощности от плотности тока ФЭП

Генераторы напряжения, имеющие габаритные размеры приблизительно 100 х 150 мм, крепятся на панелях СБ и соединяются последовательно для получения необходимой мощности на выходе СЭП.

Кроме кремниевых ФЭП, которые до настоящего времени используются в большинстве солнечных КЭУ, наибольший интерес представляют ФЭП на основе арсенида галлия и сульфида кадмия. Они обладают более высокой рабочей температурой, чем кремниевые ФЭП (причем ФЭП па основе арсенида галлия имеют более высокий теоретический и практически достигнутый КПД). Необходимо отметить, что по мере увеличения ширины запрещенной зоны полупроводника увеличивается напряжение холостого хода и теоретический КПД ФЭП на его основе. Однако при ширине запрещенной зоны более 1,5 эВ КПД ФЭП начинает уменьшаться, так как все большая часть фотонов не может образовать пару электрон-дырка. Таким образом, имеется оптимальная ширина запрещенной зоны (1,4 - 1,5 эВ), при которой КПД ФЭП достигает максимально возможной величины.

3. Электрохимические космические энергоустановки

Электрохимический источник тока (ЭХИТ) является основой любой электрохимической КЭУ. Он включает в себя электроды, являющиеся, как правило, активными веществами, электролит, сепаратор и внешнюю конструкцию (сосуд). В качестве электролита для ЭХИТ, применяемых на КА, обычно используется водный раствор щелочи КОН.

Рассмотрим упрощенную схему и конструкцию серебряно-цинкового ЭХИТ (рисунок 3.1). Положительный электрод представляет собой проволочную сетку-токоотвод, па которую напрессовано порошкообразное металлическое серебро, спеченное затем в печи при температуре примерно 400°С, что придает электроду необходимую прочность и пористость. Отрицательный электрод - это напрессованная также на сетку-токоотвод масса, состоящая из окиси цинка (70 - 75%) и цинковой пыли (25 - 30%).

На отрицательном электроде (Zn) происходит реакция окислителя активного вещества до гидроокиси цинка Zn(OH)2, а на положительном (AgO) - реакция восстановления активного вещества до чистого серебра. Во внешнюю цепь идет отдача электроэнергии в виде потока электронов. В электролите же электрическая цепь замыкается потоком ионов ОНˉ от положительного электрода к отрицательному. Сепаратор необходим прежде всего для предотвращения соприкосновения (и отсюда короткого замыкания) электродов. Кроме того, он уменьшает саморазряд ЭХИТ и обязателен для обеспечения его обратимой работы на протяжении многих циклов заряд-разряд.

Рис. 3.1 Принцип действия серебряно-цинкового ЭХИТ:

Положительный электрод (AgO), 2 - электрическая нагрузка,

Отрицательный электрод (Zn), 4 - сосуд, 5 - сепаратор

Последнее связано с тем, что при недостаточной сепарации коллоидные растворы окислов серебра, достигающие отрицательного электрода, катодно восстанавливаются в виде тончайших серебряных нитей, направленных к положительному электроду, а ионы цинка также восстанавливаются в виде нитей, растущих в направлении к аноду. Все это может привести к короткому замыканию электродов на первых же циклах работы.

Наиболее подходящим сепаратором (разделителем) для серебряно-цинковых ЭХИТ является пленка из гидратцеллюлозы (целлофан), которая, набухая в электролите, уплотняет сборку, что препятствует оплыванию цинковых электродов, а также прорастанию игольчатых кристаллов серебра и цинка (дендритов). Сосуд серебряно-цинкового ЭХИТ изготавливается, как правило, из пластмассы (полиамидная смола или полистирол) и имеет прямоугольную форму. Для других типов ЭХИТ сосуды могут быть изготовлены, например, из никелированною железа. При заряде ЭХИТ происходил восстановление цинка и окиси серебра на электродах.

Итак, разряд ЭХИТ - это процесс отдачи электроэнергии во внешнюю цепь, а заряд ЭХИТ - процесс сообщения ему электроэнергии извне с целью восстановления первоначальных веществ из продуктов реакции. По характеру работы ЭХИТ делятся на гальванические элементы (первичные источники тока), которые допускают лишь однократное использование активных веществ, и электрические аккумуляторы (вторичные источники тока), которые допускают многократное использование активных веществ в связи с возможностью их восстановления путем заряда от постороннего источника электроэнергии.

В КЭУ на основе ЭХИТ используются электрические аккумуляторы с одноразовым или многоразовым режимами разряда, а также водородно-кислородные топливные элементы.

3.1 Химические источники тока

Электродвижущей силой (ЭДС) химических источников называется разность его электродных потенциалов при разомкнутой внешней цепи:

где и - соответственно потенциалы положительного и отрицательного электродов.

Полное внутреннее сопротивление Rхимического источника (сопротивление постоянной силе тока) состоит из омического сопротивления и сопротивления поляризации :

где - ЭДС поляризации; - сила тока разряда.

Сопротивление поляризации обусловлено изменением электродных потенциалов и при протекании тока и зависит от степени заряженности, силы разрядного тока, состава электродов и чистоты электролита.

;

,

где и и

.

Разрядная емкость Q (А·ч) химического источника есть количество электричества, отдаваемое источником во время разряда при определенных температуре электролита, окружающем давлении, силе раз рядного тока и конечном разрядном напряжении:

,

и в общем случае при постоянной во время разряда силе тока

где - текущее значение силы тока разряда, А; - время разряда, ч.

,

где и

.

В качестве химических источников тока рассмотрены серебряноцинковые, кадмиево-никелевые и никель-водородные аккумуляторные батареи.

3.2 Серебряно-цинковые аккумуляторные батареи

Серебряно-цинковые аккумуляторы благодаря меньшей массе и объему при той же емкости и меньшему внутреннему сопротивлению при заданном напряжении получили распространение в космическом электрооборудовании. Активным веществом положительного электрода аккумулятора является окись серебра AgO, а отрицательной пластины - металлический цинк. В качестве электролита используется водный раствор щелочи КОН плотностью 1,46 г./см3.

Заряд и разряд аккумулятора происходит в две ступени. При разряде на обеих ступенях на отрицательном электроде протекает реакция окисления цинка

2OH ˉ разряд → ZnO + H2O + 2e.

На положительном электроде в-две ступени протекает реакция восстановления серебра. На первой ступени двухвалентная окись серебра восстанавливается до одновалентной:

2AgO + 2e + H2Oразряд → Ag2O + 2OH ˉ.

ЭДС аккумулятора при этом равна 1,82.. 1,86 В, На второй ступени, когда аккумулятор разрядится примерно на 30%, происходит восстановление одновалентной окиси серебра до металлического серебра:

2O + 2e + H2Oразряд → 2Ag + 2OH ˉ.

ЭДС аккумулятора в момент перехода от первой ступени разряда до второй снижается до 1,52.. 1,56 В. Вследствие этого кривая 2 изменения ЭДС при разряде номинальным током (рисунок 3.2) имеет характерный скачок. При дальнейшем разряде ЭДС аккумулятора остается постоянной, пока аккумулятор не разрядится полностью. При заряде реакции протекает в две ступени. Скачок напряжения и ЭДС возникает, когда аккумулятор зарядится примерно на 30% (кривая1), В этом состоянии поверхность электрода покрывается двухвалентной окисью серебра.

Рис. 3.2 - ЭДС аккумулятора при заряде (1) и разряде (2)

В конце заряда, когда прекращается окисление серебра из одновалентного в двухвалентное во всей толще электрода, начинается выделение кислорода по уравнению

OH ˉ разряд → 2H2O + 4e +O2

ЭДС аккумулятора при этом повышается на 0,2…0,3 В (см. рисунок 5.1, пунктирный участок на кривой 1). Выделяющийся при перезарядке кислород ускоряет процесс разрушения целлофановых параметров аккумулятора и возникновения внутренних коротких замыканий.

В процессе заряда вся окись цинка может быть восстановлена до металлического цинка. При перезаряде восстанавливается окись цинка электролита, находящегося в порах электрода, а затем и в сепараторах отрицательных пластин, роль которых выполняют несколько слоев целлофановой пленки. Цинк выделяется в виде кристаллов, которые растут в сторону положительного электрода, образуя цинковые дендрита. Такие кристаллы способны протыкать целлофановые пленки и вызывать короткие замыкания электродов. Цинковые дендриты не вступают в обратные реакции. Опасны поэтому даже кратковременные перезаряды.

3.3 Кадмиево-никелевые аккумуляторные батареи

Активным веществом отрицательного электрода в кадмиево-никелевом аккумуляторе является металлический кадмий. Электролитом в аккумуляторе служит водный раствор едкого калия КОН плотностью 1,18… 1,40 г./см3.

В кадмиево-никелевом аккумуляторе используется окислительно-восстановительная реакция между кадмием и гидратом окиси никеля:

2Ni(OH)3 → Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2

Упрощенно химическую реакцию на электродах можно записать следующим образом. На отрицательном электроде при разряде происходит окисление кадмия:

2e → Cd++

Ионы кадмия связываются с гидроксильными ионами щелочи, образуя гидрат кадмия:

2e + 2OH ˉ разряд → Cd(OH)2.

На положительном электроде при разряде восстанавливается никель с трехвалентного до двухвалентного:

2Ni(OH)3 + 2eразряд → 2Ni(OH)2 + 2OH ˉ.

Упрощение состоит в том, что состав гидроокиси не соответствует точно их формулам. Соли кадмия и никеля малорастворимы в воде, поэтому концентрация ионов Cd++, Ni++, Ni+++определяется концентрацией КОН, от которой в электролите косвенно зависит и величина ЭДС аккумулятора.

Электродвижущая сила только что заряженного аккумулятора равна 1,45 В.В течение нескольких суток после конца заряда происходит снижение ЭДС до 1,36 В.

3.4 Никель-водородные аккумуляторные батареи

Никель-водородные аккумуляторные батареи (НВАБ), обладая высокой надежностью, большими ресурсом и удельной энергией, отличными эксплуатационными показателями, найдут широкое применение в КА взамен никель-кадмиевых аккумуляторов.

Для работы НВАБ на низкой околоземной орбите (НОО) требуется ресурс порядка 30 тыс. циклов в течение пяти лет. Использование АБ на НОО с малой глубиной разряда (ГР) ведет к соответственному снижению гарантируемой удельной энергии (30 тыс. циклов может быть достигнуто при ГР 40%). Трехлетнее непрерывное циклирование в режиме НОО при ГР = 30% двенадцати стандартных НВАБ (RNH-30-1) емкостью 30 А · ч показали, что все НВАБ проработали стабильно 14 600 циклов.

Достигнутый уровень удельной энергии для НВАБ составляет в условиях околоземной орбиты 40 Вт · ч/кг при глубине разряда 100%, ресурс при ГР 30% составляет 30 тыс. циклов.

4/ Выбор параметров солнечных батарей и буферных накопителей

Исходные данные:

Предельная масса КА - Мп = до 15 кг;

Высота круговой орбиты - h = 450 км;

Масса целевой системы - не более 0,5 кг;

Передающая частота - 24 ГГц;

Потребляемое напряжение - 3.3 - 3.6 В;

Минимальная потребляемая мощность трансивера - 300 мВт;

Потребляемая мощность плазмено-ионного двигателя - 155 Вт;

Срок активного существования - 2-3 года.

4.1 Расчет параметров буферного накопителя

Расчет параметров буферного накопителя (БН) из аккумуляторных батарей и определение их состава ведется исходя из ограничений, накладываемых на аккумуляторы по силам зарядного и разрядного токов, интегральной емкости разряда, разовым глубинам разряда, надежности, температурных условий работы и т.д.

При расчете параметров никель-водородных аккумуляторов, воспользуемся следующими характеристиками и формулами [«Конструирование автоматических космических аппаратов» авторы: Д.И. Козлов, Г.Н. Аншаков, В.Ф. Агарков, Ю.Г. Антонов § 7.5], а также техническими характеристиками АБ HB-50 НИАИ Источник, информация о котором взята с сайта [#"justify">Электродвижущая сила только что заряженного аккумулятора равна 1,45 В.В течение нескольких суток после конца заряда происходит снижение ЭДС до 1,36 В.

·сила зарядного тока до 30 А;

·сила разрядного тока 12 - 50А в установившемся режиме и до 120 А в импульсном режиме до 1 минуты;

·максимальная глубина разряда до 54А·ч;

·при работе батарей (особенно в режимах циклирования большими силами тока заряда и разряда) необходимо обеспечить тепловой режим работы аккумуляторных батарей в диапазоне 10…30°С. С этой целью необходимо предусмотреть установку батарей в герметичном отсеке КА и обеспечить режим охлаждения каждого блока воздухом.

Используемые формулы для проведения расчетов параметров никель-кадмиевых аккумуляторов:

Напряжение химических источников электроэнергии отличается от ЭДС на значение падения напряжения во внутренней цепи, что определяется полным внутренним сопротивлением и протекающим током:

, (1)

, (2)

где и - разрядные и зарядные напряжения на источнике соответственно; и - сила токов разряда и заряда соответственно.

Для гальванических элементов одноразового применения напряжение определяется как разрядное.

Разрядная емкость Q (А·ч) химического источника есть количество электричества, отдаваемое источником во время разряда при определенных температуре электролита, окружающем давлении, силе разрядного тока и конечном разрядном напряжении:

, (3)

Номинальная емкость химического источника тока - это емкость, которую должен отдавать источник при оговоренных техническими условиями режимах работы. Для аккумуляторов КА за номинальную и силу тока разряда чаще всего принимают силу тока одно-двух или 10 часового режима разряда.

Саморазряд - бесполезная потеря емкости химическим источником при разомкнутой внешней цепи. Обычно саморазряд выражается в% за сутки хранения:

(4)

где и - емкости химического источника до и после хранения; Т - время хранения, сут.

Удельная энергия химического источника тока представляет собой отношение отдаваемой энергии к его массе:

(5)

Значение удельной энергии зависит не только от типа источника, но и от силы разрядного тока, т.е. от отбираемой мощности. Поэтому химический источник электроэнергии более полно характеризуется зависимостью удельной энергии от удельной мощности.

Расчет параметров:

Определим максимальное и минимальное время разряда из формулы :

Следовательно, максимальное время разряда:

;

минимальное время разряда:

.

Отсюда следует, что время разряда позволяет проектируемому спутнику использовать электрический ток в среднем в течении 167 мин или 2,8 часа, так как наша целевая установка использует 89 мА, время разряда будет не существенным, что положительно сказывается на обеспечение электрическим током других жизненно важных систем спутника.

Определим напряжение разряда и полное внутреннее сопротивление аккумулятора из формулы :

; (1)

(2)

.

Отсюда видно, что напряжение заряда в достаточной мере может обеспечиваться при помощи использования солнечных батарей, даже не большой площади.

Также можно определить саморазряд по формуле :

(4)

Возьмем за время работы аккумулятора Т = 0,923 ч, Q1 = 50 (А·ч) и Q2 = 6 (А·ч) за тридцать минут работы:

,

то есть при минимальном потреблении тока в 12 А, за 30 минут аккумуляторная батарея разредится на 95% при разомкнутой цепи.

Найдем удельную энергию химического источника по формуле :

,

то есть 1 кг химического источника может обеспечить 61,2 Вт в течении часа, что также подходит для нашей целевой установки, которая при работает при максимальной мощности 370 мВт.

4.2 Расчет параметров солнечных батарей

Для расчетов основных параметров СБ влияющих на конструкцию КА, его технических характеристик воспользуемся следующими формулами [«Конструирование автоматических космических аппаратов» авторы: Д.И. Козлов, Г.Н. Аншаков, В.Ф. Агарков, Ю.Г. Антонов § 7.5]:

Расчет параметров СБ сводится к определению ее площади и массы.

Расчет мощности СБ производится по формуле:

(6)

где - мощность СБ; Рн - среднесуточная мощность нагрузки (без учета собственных нужд СЭП); - время ориентации СБ на Солнце за виток; tT - время, в течение которого СБ не освещена; - КПД регулятора избытка мощности СБ, равный 0,85; - КПД регулятора разряда БН, равный 0,85; р.3 - КПД регулятора заряда БН, равный 0,9; - КПД аккумуляторных батарей БН, равный 0,8.

Площадь солнечной батареи рассчитывается по формуле:

(7)

где - удельная мощность СБ, принимаемая:

Вт/м2 при = 60°С и 85 Вт/м2 при = 110°С для материала ФЭП КСП;

Вт/м2 при = 60°С и 100 Вт/м2 при = 110°С для материала ФЭП;

Вт/м2 при = 60°С и 160 Вт/м2 при = 110°С для материала ФЭП Ga - As; - коэффициент запаса, учитывающий деградацию ФЭП из-за радиации, равный 1,2 для времени работы два-три года и 1,4 для времени работы пять лет;

Коэффициент заполнения, вычисляемый по формуле 1,12; - КПД СБ = 0,97.

Масса СБ определяется исходя из удельных параметров. В имеющихся в настоящее время конструкциях СБ удельная масса составляет = 2,77 кг/м2 для кремниевых и = 4,5 кг/м2 для арсенидгаллиевых ФЭП.

Масса СБ рассчитывается по формуле:

(8)

Для начала расчёта СЭП необходимо выбрать солнечные батареи. При рассмотрении различных СБ выбор пал на следующие: солнечные батареи организации ОАО «Сатурн» на основе GaAs фотопреобразователей со следующими характеристиками.

Основные параметры СБ

Параметр СБСБ на основе GaAs ФПСрок активного существования, лет15КПД при температуре 28°C, %28Удельная мощность, Вт/м2170Максимальная мощность, Вт/м2381Удельная масса, кг/м21.6Толщина ФЭП, мкм150 ± 20

Также для расчета понадобиться знать период обращения ИСЗ на низкой околоземной орбите, информация взята с сайта :

·в диапазоне от 160 км период обращения около 88 минут;

·до 2000 км период около 127 минут.

Для расчета возьмем усредненное значение - около 100 мин. При этом время освещенности солнечных панелей КА на орбите больше (около 60 мин), чем время нахождения их в тени около 40 мин.

Мощность нагрузки равна сумме требуемой мощности двигательной установки, целевой аппаратуры, мощности заряда и равна 220 Вт (значение взято с избытком 25 Вт).

Подставляя все известные значения в формулу , получаем:

,

.

Для определения площади панели СБ примем материал ФЭП Ga-Asпри рабочей температуре = 60°С, работе спутника 2-3 года и воспульзуемся формулой :

,

подставляя исходные данные, получим:

после проведения расчетов, получим

,

но с учетом не частого заряда аккумуляторной батареи, использования современных технологий в разработке других систем, а также с учетом того, что мощность нагрузки была взята с запасом около 25 Вт, возможно сократить площадь СБ до 3,6 м2