Автореферат (Система генерирования электроэнергии с увеличенным сроком активного существования для малого космического аппарата)

На правах рукописиТарасов Вячеслав СергеевичСИСТЕМА ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С УВЕЛИЧЕННЫМСРОКОМ АКТИВНОГО СУЩЕСТВОВАНИЯ ДЛЯ МАЛОГОКОСМИЧЕСКОГО АППАРАТАСпециальность 05.09.03 Электротехнические комплексы и системыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква — 20152Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательскийуниверситет «МЭИ» на кафедре «Электротехнические комплексы автономныхобъектов и электрического транспорта» (ЭКАО и ЭТ)Научный руководитель:Еременко Владимир Григорьевичдоктор технических наук, профессор кафедрыЭКАО и ЭТ НИУ «МЭИ», академик АЭН РФ.Официальные оппоненты: Капелько Константин Васильевичдоктор технических наук, профессор кафедрыэлектроснабжения Военной Академии РВСН им.Петра Великого, заслуженный деятель науки РФ,почетный энергетик, академик АВН РФ.Старостин Игорь Евгеньевичкандидат технических наук, ведущий специалистФГУП «Научно-исследовательский институтстандартизации и унификации» (НИИСУ)Ведущая организация:ОАО «Научно-исследовательский, проектноконструкторский и технологическийаккумуляторный институт «Источник»(ОАО «НИАИ «Источник»).Защита диссертации состоится «20» ноября 2015г., в 14 часов 00 мин.в аудитории М-606 на заседании диссертационного совета Д.212.157.02Национального исследовательского университета «МЭИ» по адресу: Москва,Красноказарменная ул., дом 13.Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные печатьюпросим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., дом 14,Ученый Совет НИУ «МЭИ».С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национальногоисследовательского университета «МЭИ» и на сайте www.mpei.ruАвтореферат разослан « »Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.157.02кандидат технических наук,доцент2015 г.С.А.

Цырук3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. В настоящее время многие государства имеют накосмических орбитах аппараты собственных разработок. Однако, немалоечисло стран использует космические аппараты (КА) на основе аренды длярешения своих задач.Направленияразвитияисовершенствованиятехническихиэксплуатационных характеристик КА изложены в федеральной космическойпрограмме, утвержденной правительством РФ, программах военнокосмических сил и технических заданиях на разработку вновь проектируемыхКА. Главной целью программ и технических заданий является удовлетворениерастущих потребностей государственных структур, регионов и населениястраны в космических средствах и услугах на основе расширения и повышенияэффективности использования космического пространства для решениястоящих перед Россией задач в экономической, социальной, научной,культурной и других областях деятельности, а также в интересах безопасностистраны, расширения международного сотрудничества в области космическойдеятельности и выполнения международных обязательств Россией в этойобласти.При этом постоянно повышаются требования к КА - увеличениеинформационной пропускной способности и сроков активного существования(САС), снижение времени разработки и изготовления, уменьшение стоимостисоздания новых КА.

Для спутников, таких как «Ресурс-ДК1» (масса 6,5 тонн),предназначенных для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), срокактивного существования 3 года уже не удовлетворяет поставленным задачам.Решение задачи создания менее энергозатратных, экологически чистых, болеепроизводительных КА предопределяет необходимость совершенствованияхарактеристик бортовых систем путем поиска оригинальных техническихподходов и идей.В начале 90-х годов в условиях экономического кризиса и хроническогонедофинансирования отрасли развитие космической техники потребовалопринятия новых концептуальных решений.

Таким решением стала программадействий «прагматичный космос», выдвинутая ОАО «ВПК «НПОмашиностроения» в 2002 г. на международном авиационно-космическом салоне(МАКС).Одной из важнейших бортовых систем КА является системагенерирования электроэнергии (СГЭ). Конструкция и характеристики СГЭ вомногом определяют конструктивный облик, срок активного существования КАв полѐте, его функциональные возможности, надежность, массогабаритные иэкономические показатели, составляя до 25 % массы, объема и стоимости КА.Ужесточение технических требований к КА, новые задачи, направленныена уменьшение массы и габаритов, формируют новые направления разработоки создания КА и мощных космических платформ (обеспечениефункционирования бортовой нагрузки, что влечѐт за собой необходимостьпоиска новых методов проектирования бортовой аппаратуры и новыхтехнических решений для реализации рациональных режимов работы,4повышения надежности и автономности функционирования СГЭ в рамкахпринятойконцепции«прагматичныйкосмос»,предусматривающейэффективность по критерию «характеристики-затраты»).Вновь проектируемые СГЭ, обеспечивающие высокую потребляемуюмощность и большую частоту циклирования аккумуляторной батареи (АБ) втечение длительного времени, не позволяют напрямую использовать ранееразработанные технические решения, в первую очередь из-за ограниченногосрока службы накопителей АБ.Таким образом, задача исследования работоспособности и качествафункционированияАБникель-металлогидридноготипавсоставеэлектротехнического комплекса КА является актуальной и можетрассматриваться как имеющая самостоятельное значение по разработке СГЭ сувеличенным САС.Цель и задачи работы.Создание информационно-методическойсистемы обслуживания накопителя энергии для малого космического аппаратана основе нового типа никель-металлогидридной аккумуляторной батареи сувеличенным сроком службы 19 НМГ 20.Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:1.

Выбор типа аккумуляторной батареи, в наибольшей степениудовлетворяющей требованиям, предъявляемым к аккумуляторным батареяммалого космического аппарата с увеличенным сроком службы (до 7 лет).2. Разработка методики входного контроля АБ, регламентирующейвыполнение следующих операций:- тестирование показателей качества и характеристик АБ в соответствии с еѐпаспортными данными;- проверка аккумуляторов АБ на герметичность;- проверка АБ на заданные циклограммы нагрузок МКА;- проверка возможности работы АБ в вакууме;- расчет и исследование тепловых режимов работы АБ и СГЭ на ее основе.- формирование требований к системе терморегулирования КА;- проведение термовакуумных испытаний АБ.3. Доработка и экспериментальное подтверждение возможностииспользования управляющего алгоритма и способа контроля нового накопителяэнергии.4.Исследованиесобственногомагнитногополяникельметаллогидридной аккумуляторной батареи - 19 НМГ-20 и компенсация его.5.

Тестирование текущих зарядно-разрядных режимов работы АБ наоснове обработки телеметрических данных СГЭ МКА «Кондор-Э».Поставленные задачи решались в том числе в процессе подготовки иввода в эксплуатацию МКА «Кондор-Э».Создаваемое информационно-методическое обеспечение проектированияи обслуживания накопителя энергии нового типа для МКА необходимо дляпоследующей системной параметрической оптимизации СГЭ КА. В таблице 1представлено разработанное информационно-методическое обеспечениепроектирования и обслуживания накопителя энергии нового типа для МКА«Кондор-Э».5Таблица 1 - Информационно-методическое обеспечение проектированиеи обслуживание накопителя энергии нового типа для проектируемого малогокосмического аппарата «Кондор-Э»Методическое обеспечениевходного контроля новоготипа АБМетодика расчета требуемойустановленной емкости АБИнформационноеобеспечениепроектирование новоготипа АББаза данныхпараметрическихограничений для аппаратурырегулирования и контроля(АРК).База данных характеристикАБ для СГЭБаза данных выбора типа АБдля проектируемого МКАМетодика расчетатепловыделения АБМетодика прогнозируемогорасчета надежностиаккумуляторной батареиМетодика снятия магнитных База данных магнитного поляхарактеристик АБАБМетодика термовакуумныхиспытаний АБМетодика проверки АБ нагерметичностьМетодическое обеспечениеэксплуатации иобслуживания нового типаАБРазработка алгоритмааппаратуры регулирования иконтроля для АБ новоготипа.Анализ телеметрическойинформации с борта МКАМетодика компенсациимагнитного поля АБМетоды исследованияПривыполненииработыиспользованыметодытеорииэлектромагнитного поля, теории электрических цепей, математическогомоделирования электротехнических комплексов.

Моделирование движенияМКА относительно центра масс с модернизированной СГЭ осуществлялось поалгоритмам, разработанным АО ВПК «НПО Машиностроения».Инструменты исследованияСистемы компьютерной математики Мatlab/Simulink.Научная новизна1. Впервые обнаружено вредное влияние собственного магнитного поляникель-металлогидридной аккумуляторной батареи (НМГ АБ) новоготипа на систему ориентации и стабилизации малого космическогоаппарата (МКА) при взаимодействии его с магнитным полем Земли. Наоснове выполненных исследований по снижению результирующегомагнитного воздействия НМГ АБ сформулированы рекомендации посинтезу устройства компенсации и позиционированию его внепосредственной близости от чувствительных элементов системыориентации и стабилизации МКА.2.