ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Полный текст

Введение. Малые космические аппараты (КА) являются одним из перспективных направлений космической деятельности. Они широко применяются для организации систем связи, навигации, телевидения, изучения погодных условий и природных ресурсов Земли, предоставления интернет-услуг, а также освоения и изучения дальнего космоса [1]. Любой космический аппарат представляет сложную автономную электротехническую систему, состоящую из модуля полезной нагрузки и модуля служебных систем. Полезная нагрузка - аппаратура или средства, непосредственно реализующие решение задачи, поставленной перед спутником. Модуль служебных систем обеспечивает функционирование КА в процессе полета (управление, контроль, электроснабжение, телеметрия, температурный режим и т. д.) [2; 3]. Каждая подсистема выполняет свою функцию и характеризуется параметрами, общими для всего аппарата. Это масса и габариты, потребление электроэнергии, тепловыделение и надежность [4]. Высокая конкуренция со стороны ведущих космических корпораций и их стремление к снижению затрат на разработку и эксплуатацию КА при одновременном увеличении качества и эффективности использования орбитальных спутниковых группировок выдвигают одно из главных условий, предъявляемых к современным аппаратам - снижение массы служебных систем. Это значительно повышает требования к системе электроснабжения аппарата в целом. Выход из строя системы электроснабжения влечет за собой выход из строя всего спутника [5]. Выбор энергоустановки зависит от потребляемой мощности на борту и времени службы аппарата [6]. Производство высоконадежных и конкурентоспособных на мировом рынке спутников различного назначения требует использования перспективных типов аккумуляторов, отвечающих всем требованиям систем электроснабжения КА и средств для их технической подготовки к запуску. Поэтому проблемы энерговооруженности космических аппаратов, особенно разработки новых источников электроэнергии, имеют первостепенное значение. Целью работы является повышение эффективности снабжения электроэнергией различных потребителей на борту космических аппаратов путем совершенствования энергоустановки. Система электропитания КА. Как правило, на большинстве современных КА реализуется следующая схема СЭП [2; 7; 8]: - генератор или первичный источник энергии; - вторичный источник энергии (аккумуляторные батареи, накапливающие энергию для сеансных нагрузок и коррекции орбиты); - коммутирующие устройства для передачи энергии на нагрузку или на аккумуляторные батареи; - преобразователи постоянного тока для обеспечения качества электропитания, преобразования напряжения, коммутации вторичного питания; - электрические сети; - бортовая кабельная сеть всей системы, высокая надежность которой сочетается с большой массой; - комплекс автоматики, стабилизации и защиты. В качестве генераторов используются: - солнечные батареи (СБ); - топливные элементы; - радиоизотопные источники энергии; - ядерные реакторы. На рис. 1 представлена типовая система энергопитания КА. Система создается с помощью аккумуляторной батареи 2, подключенной через релейно-контакторный аппарат и соответствующую кабельную систему к солнечной батарее 1. Так как поступление энергии от солнечной батареи не является непрерывным, и по мере захода космического аппарата в тень Земли и выхода из нее процесс подзарядки то возникает, то исчезает, в системе электропитания установлен специальный автомат, исключающий возможность перезарядки батареи и тем самым вывода ее из строя или недозарядки, при которой можно лишиться необходимого количества энергии. Для космического аппарата система автомата зарядки и разрядки рассчитана на движение спутника по орбите с периодическим чередованием теневых и солнечных участков [9; 10]. Накопители электроэнергии. Важное место при решении задач энергосбережения, обеспечения необходимого качества и эффективного преобразования энергии для потребителей на борту КА занимают накопители энергии. Накопители энергии запасают энергию, получаемую из системы электроснабжения, хранят ее и выдают по мере необходимости обратно в энергосистему. Поэтому накопители энергии являются важным промежуточным звеном между генераторами и системами распределения и потребления электроэнергии. Существующие накопители различаются [11]: - по характеру протекания физических, химических и других процессов; - принципу действия; - конструктивному исполнению; - технологии изготовления. В таблице представлены характерные показатели накопителей энергии [11]. Из данных таблицы следует, что наилучшими удельными параметрами обладают химические и механические накопители, поэтому для повышения энерговооружённости КА предложено устройство, включающее в себя химический и кинетический накопители энергии [12; 13]. Комбинированный накопитель энергии. Данный комбинированный накопитель (рис. 2) в составе системы электропитания спутника позволит поддержать необходимое электропитание бортовой аппаратуры во время нерасчетных режимов работы КА для поддержания его «живучести», снятия телеметрии и выдачи команд радиоуправления в случаях возможных аварийных ситуаций генератора электроэнергии. http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/zaytsev/sput-kosm/13.jpg Рис. 1. Система энергопитания спутника: 1 - солнечная батарея; 2 - коммутирующее устройство; 3 - буферная батарея Показатели накопителей энергии Накопитель Удельная энергия, Дж/г Время вывода энергии, с Со статической активной зоной Химический Индуктивный Емкостный 102-103 1-10 0,1-0,5 1-105 103-10 10-6-10-2 С динамической активной зоной Механический Электромеханический Электродинамический 10-103 1-10 0,05-1 1-103 10-2-10 10-3-10-2 Накопитель энергии (тезисы) 2 Рис. 2. Комбинированный накопитель энергии Один вентильный электродвигатель установлен по периферии устройства, а второй - в центре. Центральный вентильный электродвигатель, работая в режиме генератора, преобразует кинетическую энергию вращающихся масс в электрическую, пополняя запасы энергии в аккумуляторных батареях. Устройство состоит из подвижной и неподвижной части 6. На неподвижной части закреплены обмотка статора 5 вентильного электродвигателя (ВД1 - внешний двигатель), блок электроники БЭ1 12 (рис. 3), магниты 2 ротора вентильного электродвигателя (ВД2 - внутренний двигатель) и кольца 8. Подвижная часть состоит из диска 3, на котором установлены литий-ионные аккумуляторные батареи АБ 1, блок электроники БЭ2 11 (рис. 4) и магнитные кольца 4 вентильного электродвигателя ВД2 [14]. Применяемые аккумуляторы ГУП «НИИ электроугольных изделий» имеют индекс ЛИА-8. Они призматической формы, размерами 105×45×25 мм, расположены вертикально. Каждый аккумулятор имеет емкость 8 А·ч, рабочее напряжение 2,8 В, массу 0,27 кг [15]. Аккумуляторная батарея состоит из N последовательно соединенных аккумуляторных ячеек. Каждая ячейка содержит M литий-ионных аккумуляторов, соединенных параллельно: (1) где K - общее число аккумуляторов, определяемое конструктивными особенностями диска 3. В предлагаемом комбинированном накопителе энергии реализовано N = 4 ячейки, M = 11 аккумуляторов, K = 44 - общее число аккумуляторов. В момент подключения БЭ1 к питающей сети запускается ВД1 и начинается раскрутка диска 3 до угловой скорости ωST. При этом кинетическая энергия вращающихся масс определяется по известной формуле (2) где JZ - момент инерции вращающегося диска. Количество извлекаемой энергии из аккумулятора без полного разряда: (3) Подставляя в (3) известные данные, получим EАБ = 56,5 кДж. Тогда энергия всей аккумуляторной батареи EΣАБ = 2,5 · 106 Дж. Общая энергия EP системы с полностью зараженной аккумуляторной батареей и вращающимся маховиком равна (4) По мере расходования энергии АБ, БЭ2, используя ВД2 в качестве генератора, заряжает аккумуляторную батарею и одновременно контролирует скорость вращения диска 3. При снижении скорости вращения диска 3 ниже критического значения ωKR происходит запуск двигателя ВД2, и скорость вращения восстанавливается и поддерживается на уровне ωST. Учитывая , а также nKR = 500 об/мин и nST = 6500 об/мин, определим значение энергии Eкин по крайнему правому выражению формулы (4): Eкин = 0,6 · 106 Дж. Кинетическая энергия маховика по отношению к энергии аккумуляторной батареи составит: (5) В случае отключения питания устройства БЭ1 переключает ВД1 в режим генератора и преобразует полученное напряжение до необходимого значения, пригодного для питания потребителей, при этом происходит торможение диска 3. БЭ2 (рис. 4) устанавливается на аккумуляторном диске и служит для управления двигателем ВД2, а также контроля заряда аккумуляторной батареи. Блок электроники БЭ2 состоит из трехфазного инвертора, собранного на транзисторах MOSFET IRFH7004, к которому подключается электродвигатель ВД2, драйверов управления затвором силовых транзисторов инвертора, датчика тока (ДТ), микроконтроллера STM32F103 и трансивера FRM12B. В режиме зарядки, когда диск приводится во вращение двигателем ВД1, микроконтроллер, измеряя напряжения на фазах А, В, С, генератора ВД2, а также ток с помощью ДТ, формирует последовательность коммутаций транзисторов инвертора в соответствии с алгоритмом синхронного выпрямления. Сдвиг фазы управляющего сигнала синхронного выпрямителя формирует пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД), сигнал обратной связи которого является значением тока ДТ, а управляющее воздействие формируется программой микроконтроллера на основе данных о напряжении на аккумуляторной батарее. Заряд аккумуляторной батареи проходит в 2 этапа. Первый этап - заряд постоянным током Ich до напряжения Uch: (6) (7) где Iвсh - максимальный ток заряда аккумуляторного элемента. После достижения напряжения Uch на аккумуляторной батарее начинается второй этап заряда - заряд постоянным напряжением, равным Uch. Процесс заряда завершается при снижении тока заряда Ich меньше заданной величины IchMIN. В случае отключения электроснабжения БЭ1 дает команду переключения режима БЭ2 посредством радиопередатчика RF. Приняв команду переключения, БЭ2 останавливает процесс синхронного выпрямления и зарядки аккумуляторной батареи. Как только частота вращения диска снижается ниже ωKR, микроконтроллер формирует управляющую последовательность управления инвертором для раскрутки диска до значения ωST, после чего питание двигателя ВД2 отключается и цикл повторяется. Описание: C:\Documents and Settings\Admin\Мои документы\БЭ1.bmp Рис. 3. Блок электроники БЭ1 Описание: C:\Documents and Settings\Admin\Мои документы\БЭ2.bmp Рис. 4. Блок электроники БЭ2 БЭ1 устанавливается на неподвижную часть прибора. Его структурная схема практически идентична БЭ2, за исключением той разницы, что добавлен преобразователь, необходимый для формирования внутреннего питающего напряжения, а также для повышения напряжения, полученного с двигателя ВД1, работающего в режиме генератора, до значения, необходимого потребителям, в частном случае - 220 В, 50 Гц. Заключение. В статье представлено устройство для повышения энергетической эффективности системы электропитания перспективных КА. Описан принцип работы данной установки в режиме накапливания энергии и в режиме отдачи ее в систему потребителям. Ориентировочная оценка показала, что использование комбинированного накопителя позволит улучшить массогабаритные характеристики СЭП КА в пределах 24 %. При учёте влияния центробежных сил, возникающих при вращении установки, на ионы в электролите аккумуляторных батарей, вышеуказанное значение возрастёт. Применение современных материалов для диска и аккумуляторных батарей позволит уменьшить массу накопителя при той же самой энергоёмкости.

Об авторах

Ц. Г. Надараиа

ООО «Конструирование, внедрение образцов новой техники»

Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 75

И. Я. Шестаков

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

А. А. Фадеев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

К. Н. Виноградов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: V1nogradov-KN@yandex.ru
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Д. Н. Михалев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы