Проектирование системы энергоснабжения космического аппарата. Uисточники электроэнергии космических аппаратовntitled document

Ростех
ОАО "Концерн "Радиоэлектронные технологии"
КРЭТ разработал новый тип аккумуляторов для работы в космосе
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.

ЕВРАЗИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Им. Л.Н. Гумилева

Физико-технический факультет

Кафедра Космическая техника и технологии

ОТЧЕТ

ПО ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ

ПРАКТИКЕ

АСТАНА 2016

Введение………………………………………………………………………...........3

1 Общие сведения об энергоснабжении космических аппаратов.……………....4

1.1 Первичные источники электроэнергии ………………………………4

1.2 Автоматика системы энергопитания..............................................….5

2 Солнечные космические энергоустановки …………..…………………..…......6

2.1 Солнечные батареи принцип действия и устройство………….….....6

3 Электрохимические космические энергоустановки…………………………..12

3.1 Химические источники тока………………………………………...13

3.2 Серебряно-цинковые аккумуляторные батареи…………………....15

3.3 Кадмиево-никелевые аккумуляторные батареи……………………16

3.4 Никель-водородные аккумуляторные батареи……………………..17

4 Выбор параметров солнечных батарей и буферных накопителей...………...18

4.1 Расчет параметров буферного накопителя…………………………18

4.2 Расчет параметров солнечных батарей……………………………..20

Заключение………………………………………………………………………….23

Список использованных источников……………………………………………...24

Спецификации...……………………………………………………………………25

ВВЕДЕНИЕ

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.

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.

1.1 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.

1.2 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.

Похожая информация.

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 .

Хорошо видны 6 панелей солнечных батарей, жёстко закреплённых на корпусе. Для максимизации мощности такой установки необходима постоянная ориентация корпуса аппарата на Солнце, что потребовало разработки оригинальной системы управления ориентацией

Система энергоснабжения космического аппарата (система энергопитания , СЭП ) - система космического аппарата , обеспечивающая электропитание других систем, является одной из важнейших систем, во многом именно она определяет геометрию космических аппаратов, конструкцию, массу, срок активного существования. Выход из строя системы энергоснабжения ведёт к отказу всего аппарата.

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

Параметры системы

Требуемая мощность энергетической установки аппарата непрерывно растёт по мере освоения новых задач. Так первый искусственный спутник Земли (1957 год) обладал энергоустановкой мощностью порядка 40 Вт , аппарат Молния-1+ (1967 год) обладал установкой мощностью 460 Вт , спутник связи Яхсат 1Б (2011 год) - 12 кВт .

Сегодня большинство бортовой аппаратуры космических аппаратов иностранного производства питается постоянным напряжением 50 или 100 вольт. При необходимости обеспечения потребителя переменным напряжением или постоянным нестандартной величины используются статические полупроводниковые преобразователи.

Первичные источники энергии

В качестве первичных источников используются различные генераторы энергии:

• , в частности:

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.

Солнечные батареи

На сегодняшний день солнечные батареи считаются одним из самых надёжных и достаточно хорошо отработанных вариантов обеспечения космического аппарата энергией.

Мощность излучения Солнца на орбите Земли составляет 1367 Вт/м² . Это позволяет получать примерно 130 Вт на 1 м² поверхности солнечных батарей (при КПД 8…13 %). Солнечные батареи располагают или на внешней поверхности аппарата или на раскрывающихся жёстких панелях. Для максимизации отдаваемой батареями энергии перпендикуляр к их поверхности должен быть направлен на Солнце с точностью 10…15˚. В случае жёстких панелей это достигается или ориентацией самого КА или специализированной автономной электромеханической системой ориентации солнечных батарей , при этом панели подвижны относительно корпуса аппарата. На некоторых спутниках применяют не ориентируемые батареи, располагая их на поверхности так, чтобы при любом положении аппарата обеспечивалась необходимая мощность.

Солнечные батареи со временем деградируют под действием следующих факторов:

• метеорная эрозия уменьшающая оптические свойства поверхности фотоэлектрических преобразователей;
• радиационное излучение понижающее фотоэдс, особенно при солнечных вспышках и при полёте в радиационном поясе Земли ;
• термические удары из-за глубокого охлаждения конструкции на затенённых участках орбиты, нагрева на освещённых и наоборот. Это явление разрушает крепление отдельных элементов батареи, соединения между ними.

Существует ряд мер по защите батарей от этих явлений. Время эффективной работы солнечных батарей составляет несколько лет, это один из лимитирующих факторов, определяющих время активного существования космического аппарата.

При затенении батарей в результате манёвров или входа в тень планеты выработка энергии фотоэлектрическими преобразователям прекращается, поэтому систему энергопитания дополняют химическими аккумуляторами (буферные химические батареи).

Аккумуляторные батареи

Самыми распространёнными в космической технике являются никель-кадмиевые аккумуляторы , так как они обеспечивают наибольшее количество циклов заряд-разряд и имеют лучшую стойкость к перезаряду. Эти факторы выходят на первый план при сроках службы аппарата более года. Другой важной характеристикой химического аккумулятора является удельная энергия, определяющая массо-габаритные характеристики батареи. Ещё одна важная характеристика - это надёжность , так как резервирование химических аккумуляторов крайне нежелательно из-за их высокой массы. Используемые в космической технике аккумуляторы, как правило, имеют герметичное исполнение; герметичность обычно достигается с помощью металло-керамических уплотнений . К батареям также предъявляются следующие требования:

• высокие удельные массогабаритные характеристики;
• высокие электрические характеристики;
• широкий диапазон рабочих температур;
• возможность зарядки низкими токами;
• низкие токи саморазряда .

Помимо основной функции аккумуляторная батарея может играть роль стабилизатора напряжения бортовой сети, так как в рабочем диапазоне температур её напряжение меняется мало при изменении тока нагрузки.

Топливные элементы

Впервые этот тип источника энергии был использован на космическом аппарате Джемини в 1966 году. Топливные элементы имеют высокие показатели по массо-габаритным характеристиками 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.

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.