Автореферат (Система генерирования электроэнергии с увеличенным сроком активного существования для малого космического аппарата), страница 2

Разработано информационно-методическое обеспечение, необходимоедля системной, параметрической и структурной оптимизации системыгенерирования электроэнергии (СГЭ) МКА «Кондор-Э» с новымнакопителем энергии (НМГ АБ).63. В результате проведенных наземных термовакуумных испытаний НМГАБ получены необходимые ее энергетические параметры (токи зарядаразряда, рабочее напряжение, емкость заряда) для условий открытогокосмоса.Практическую ценность результатов работы составляют:- сформированные практические рекомендации по реализации режимовсовместной работы накопителя энергии с аппаратурой регулирования иконтроля СГЭ МКА «Кондор-Э». Выявлены и установлены режимныеограничения;- предложенные алгоритмы управления и способы контроля НМГ АБ поосновным электрическим характеристикам, обеспечивающие заданныепоказатели качества (надежность P≥0,998, длительный ресурс - до 7 лет,безопасность эксплуатации) НМГ АБ в составе СГЭ МКА «Кондор-Э».Сформирован перечень команд, реализующих предложенные алгоритмы;- электрические параметры и характеристики компенсационногоэлектромагнита в системе генерирования электроэнергии малогокосмического аппарата «Кондор-Э»;- разработанные средства по устранению вредного воздействия магнитногополя НМГ АБ в СГЭ МКА «Кондор-Э»: рассчитанные электрическиепараметры и характеристики компенсационного электромагнита;- применение совокупности всех разработанных средств в маломкосмическом аппарате «Кондор-Э», что позволило увеличить срок активногосуществования до 7 лет.Достоверность и обоснованность полученных результатовДостоверностьиобоснованностьрезультатовподтвержденаиспользованием современных вычислительных средств и методовмоделирования, апробацией предложенных методик исследования и анализаэкспериментальных данных, совпадением теоретических расчетов илабораторно – отработочных испытаний, наземными и летными испытаниямисистемы генерирования электроэнергии МКА «Кондор-Э».Реализация работыОсновные результаты данной работы используются специалистами АО«ВПК «НПО машиностроения», ОАО «АВЭКС», ОАО «Корпорация«ВНИИЭМ», ОАО НПП «Квант» при создании МКА «Кондор-Э» в системегенерирования электроэнергии.

Промышленное внедрение основныхрезультатов подтверждено соответствующим актом.Основные результаты диссертационной работы использованы припроектировании новых комплексов энергопреобразующей аппаратуры СГЭМКА АО «ВПК «НПО машиностроения».Апробация работыОсновные положения диссертационной работы докладывались иобсуждались на научных семинарах кафедры «Электротехнические комплексы7автономных объектов» НИУ МЭИ, XXXV-XXVIII Академических чтениях покосмонавтике при Российской академии наук и Федеральном космическомагентстве (Москва 2011- 2014), Международной научно-техническойконференции "Аэрокосмические технологии в нефтегазовом комплексе"(Москва 2009), XVII-XIX международных научно-технических конференцияхстудентов и аспирантов НИУ МЭИ.Основные положения, выносимые на защиту1.

Предложенные методики проектирования и обслуживания АБ в составеСГЭ (методика термовакуумных испытаний, методика проверки АБ нагерметичность, методика снятия магнитных характеристик АБ, методикакомпенсации магнитного поля АБ).2. Алгоритм управления и способ контроля нового типа АБ для малогокосмического аппарата «Кондор-Э».3. Информационно-методическое обеспечение МКА «Кондор-Э» иинформационно-методическая основа для последующей системнойпараметрической и структурной оптимизации системы генерированияэлектроэнергии МКА в части накопителей энергии.ПубликацииОсновное содержание диссертационной работы опубликовано в 16печатных трудах, из них 6 публикаций в изданиях, которые входят в перечень,рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РоссийскойФедерации.Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, спискаиспользованных источников, перечня используемых терминов.

Работаизложена на 222 страницах основного текста, содержит 122 рисунка, 66 таблиц,5 приложений, библиографический список литературы насчитывает 60наименований.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность проводимых исследований,сформулированы цели и задачи работы, изложена научная новизна ипрактическая значимость результатов, представлены положения, выносимые назащиту.В первой главе дан анализ современного состояния системгенерирования электроэнергии космических аппаратов, рассмотрены путисоздания источника энергии, обеспечивающего высокую потребляемуюмощность в течение длительного времени. Проведен сопоставительный анализхарактеристик фотоэлектрических преобразователей, электрохимическихнакопителей, топливных элементов, ядерного реактора.

Обсуждаетсяконцепция «прагматичный космос» (в части создания системы генерированияэлектроэнергиидляунифицированнойкосмическойплатформы).Анализируются характеристики никель-кадмиевых, никель-водородных,никель-металлогидридных и литий-ионных химических накопителей энергии.8Проводится сравнение параметров источников тока и обосновывается выбортипа электрохимической системы.Использованиеразработаннойунифицированнойкосмическойплатформы в части СГЭ для создания семейства современных малогабаритныхКА различного назначения в сочетании с новыми технологиями и накопленнымнаучно-техническим заделом позволяет сохранить экономические ресурсы исократить время выпуска космических аппаратов.Эксплуатационные характеристики космического аппарата определяютсяпараметрами накопителя энергии – АБ. Мощность, ресурс работы и надежностьнакопителя энергии определяют срок активного существования космическогоаппарата в целом.Анализ использования АБ для аэрокосмического примененияпоказывает, что в этих областях в настоящее время наибольшее вниманиеуделяется развитию литий-ионных (ЛИ) АБ.

Однако использование ЛИ АБимеет как свои преимущества, так и ряд недостатков, на устранение которыхнеобходимы значительные временные и материальные затраты.Применение в КА аккумуляторных батарей на базе НМГ аккумуляторовпозволит получить АБ с более высокими удельными характеристиками, посравнению с характеристиками АБ на базе никель-кадмиевых (НК)аккумуляторов, сохранить без существенных доработок основные элементысхемы управления и эксплуатации бортовой аппаратуры, использовать типовыеконструкции корпусов, что значительно удешевляет НМГ АБ.Именно эти факторы, при прочих равных условиях, делаютпредпочтительным использование никель-металлогидридных аккумуляторовдля космических целей.Реализация заданных требований может быть осуществлена на базегерметичного никель-металлогидридного аккумулятора емкостью 20 А·ч.

Нарисунке 1 представлено изделие АБ 19НМГ-20, которое удовлетворяетизложенным требованиям.Рисунок 1 - АБ 19НМГ-209Во второй главе рассматриваются задачи расчета емкости и числааккумуляторных батарей для КА, тепловыделения, оценивается надежностьаккумуляторной батареи. Рассмотрены вопросы исследования опытногообразца никель-металлогидридного (НМГ) аккумулятора в условиях,максимально приближенных к штатной эксплуатации. Разработана иапробирована методика термовакуумных испытаний опытного образцагерметичной АБ.Расчет установленной емкости аккумуляторной батареи выполнен понаиболее нагруженной циклограмме нагрузок проектируемого МКА на участкевыведения (рисунок 2).Рисунок 2 - Циклограмма нагрузок проектируемого МКА на участке выведенияЗа 60 секунд до запуска КА бортовая система отключается от аэродромного питания; t0-t4 –время выхода КА на орбиту и отделение КА от ОИА (окончание участка выведения) иперевод работы СУД в режим демпфирования, а затем грубый режим орбитальнойориентации при раскрытии СБ и антенны; t5- включение электроприводов раскрытия БС; t6остановка электроприводов раскрытия СБ; t7- выход спутника из тени на освещенную частьорбиты.Установочная емкость рассчитана из условия обеспечения 3 пусков:Qуст АБ = 3 W сут / UАБ = 1084 / 27= 41 А·ч(1)Исходя из рассчитанной емкости накопителей энергии, принято решение обустановки четырех параллельных подсистем, включающих АБ, а такжеаппаратуру регулирования и контроля АРК-20 в качестве регулятора зарядаразряда и регулятора напряжения АБ.Алгоритм эксплуатации изделия разработан исходя из условия обеспечениязаданного теплового режима батареии предусматривает циркуляциюподогретого воздуха.Средняя мощность тепловыделения одного аккумулятора при полномразряде составляет:P = Q/t = 4.05/2,5 = 1,62 Вт.(2)Для батареи 19НМГ-20 имеем:Pбат = 1,62 · 19=30,78 Вт.10Поскольку процесс разряда никель-металлогидридных аккумуляторовпротекает с поглощением тепла, основная задача системы терморегулированияМКА - обеспечить подвод теплого воздуха с целью недопущения снижениярабочей температуры ниже заданного значения.Ресурс АБ в летной эксплуатации должен составлять не менее 120 % отсрока активного существования МКА с суммарным количеством зарядноразрядных циклов не менее 300 при глубине разряда до 20 А·ч.Согласно принятой методике расчета полная надежность батареи(вероятность безотказной работы) L определялась произведением надежностейпо внезапным Lвн и параметрическим Lпар отказам:L=Lвн·Lпар(3)Расчет вероятности безотказной работы выполнен на основестатистических данных по эксплуатации никель-кадмиевых АБ для КАпроизводства АО «ВПК «НПО машиностроения», полученное значениевероятности безотказной работы составило 0,998128.

Рассматриваемая АБобладает улучшенными эксплуатационными характеристиками (САС до 7 лет)и по этой причине вероятность безотказной работы может быть принята:P≥0,998.В период с 02.06.12 г. по 09.07.12 были проведены термовакуумныеиспытания опытного образца АБ 19 НМГ-20. Испытания проводились поразработанной автором методике в АО «ВПК «НПО машиностроения» втермовакуумной установке ВК-8.Испытаниям подвергалась аккумуляторная батарея 19 НМГ-20,включенная по приведенной на рисунке 3 схеме.Рисунок 3 - Схема включения АБ при термовакуумных испытанияхДОКА – служебная аппаратура дистанционного обслуживания космическогоаппарата, ЗУ – зарядное устройство.Методика термовакуумных испытаний предусматривает:- тестирование в режимах заряда/разряда до срабатывания датчикадавления или достижения Uаб =28,5/18В в предельно допустимых11диапазонах температур: минимальной (0±2)̊С; максимальной +(25±2) ̊С;нештатной минимальной температуре -(5±2)̊С; нештатной максимальнойтемпературе +(35±2)̊С;- тестирование при имитации штатной циклограммы КА;- время тестирования работоспособности АБ 7 суток.На рисунке 4 приведена циклограмма тестирования АБ в штатном режиме,соответствующем энергопотреблению МКА при +(25±2)̊С.Рисунок 4 - Штатная циклограмма МКА +(25±2)̊СПри отработке методики термовакуумных испытаний проверенырасчетные параметры аккумуляторной батареи 19 НМГ-20: зарядные-разрядныетоки, емкость, соответствие габаритных размеров и массы изделия заявленнымтеплодинамическим характеристикам.В третьей главе проведено исследование влияния электромагнитнойсовместимости аккумуляторной батареи с оборудованием космическогоаппарата.