Автореферат (Система генерирования электроэнергии с увеличенным сроком активного существования для малого космического аппарата), страница 3

Рассчитан необходимый компенсационный электромагнит.Работоспособность компенсационного электромагнита в составе СГЭподтверждена результатами моделирования движения МКА по орбите Земли.Движущийся по орбите КА обладает собственным магнитным полем.Магнитный момент может оказывать вредное воздействие на динамику угловойстабилизации и систему ориентации КА. Поэтому в техническом задании насистему ориентации и систему стабилизации проектируемого КА заданоограничение на напряженность поля КА H≤20 А/м.

Для минимизации этого12явления необходимо применять специальные меры (в частности, магнитнуюбалансировку, т. е. компенсацию магнитных моментов на борту КА).Цель - исследовать впервые обнаруженное магнитное поле нового типаАБ. Измерить напряженность поля АБ и при его превышении ( H  20 А / мсогласно техническим требованиям) компенсировать.Измерения магнитного момента M K проводились при заряжаемой,заряженной, разряжаемой, разряженной батарее.Значения магнитного момента учитывают реальные значения параметровДМП и калибровочной катушки. Напряженность магнитного полярассчитывалась в точках расположения датчиков по формуле:(4)где Мк -магнитный момент: M K  I  S , R – радиус калибровочной катушки,S-площадь поверхности катушки.Выражение, связывающее параметры Мк и Н, имеет вид:.(5)На рисунке 5 представлены результаты напряженности собственногомагнитного поля АБ 19 НМГ-20 во время цикла заряда.Рисунок 5 - Напряженность собственного магнитного поля АБ 19 НМГ-20во время цикла заряда (Н=1,6÷51,03) А/мПо проведенным исследованиям рассчитан необходимый компенсационныйэлектромагнит (размеры, масса, энергопотребление и характеристикинамагничивающей катушки).

Определены характеристики компенсационного13электромагнитного исполнительного органа (ЭМИО) - его размеры, масса,энергопотребление и характеристики намагничивающей катушки.Характеристики электромагнита: средняя по объему сердечниканамагниченность 8,69 А/м; средний объем сердечника 3·10-6 м3; минимальновозможный диаметр соленоида 0,004 м; максимально возможный диаметрсоленоида 0,014 м; центральный коэффициент размагничивания 1,772;намагничивающее поле катушки 293 А/м; масса 0,281 кг.Эффективность действия компенсационного электромагнита оцениваласьпутем моделирования движения МКА относительно центра масс смодернизированной системой генерирования электроэнергии.В орбитальной системе координат вектор индукции магнитного поля Землиимеет вид: Bxo   Bm sin(i ) cos(u )  BO   Byo    2 Bm sin(i ) sin(u )  ,B   Bm cos(i ) zo  (6)Lгде Bm  a E 3 , 0  4 107 Гн/м - магнитная постоянная, LE  8,1 1022 А  м 2 4 Rмагнитный момент диполя Земли, R - расстояние от центра масс Земли доцентра масс МКА, i-наклонение орбиты, u-аргумент широты u  0t .Закон управления электромагнитными устройствами КА получен в виде:Lx   K1 Bx  K 2 B y ZLy   K 2 Bx  Z(7)Lz   K1 B zгде: Lx , Ly , Lz – магнитные моменты электромагнитных устройств; Bx , By , Bz –вектор индукции по осям (Тл); ∆Z – кинетический момент (Hмс); K1  107K 2  5 106Aм 2,ТлAм 2.ТлНмсНа рисунке 6 приведена структурная схема модели, имитирующейвращение МКА с установленной электротехнической аппаратурой(компенсационный электромагнит обеспечивает: В < 25·10-6Тл, т.

е. Н<20А/м).14Рисунок 6 - Блок-схема модели имитирующей вращение МКА с установленнойэлектротехнической аппаратуройНа рисунке 7 в качестве примера моделирования представлены временныезависимости относительных угловых скоростей КА, иллюстрирующиекомпенсирующее действие установленного электромагнита.Рисунок 7 - Относительные угловые скорости при ограничении магнитного моментана электромагнитах 3А·м²15В четвертой главе разработаны алгоритмы управления и контроля АБ вразличных режимах функционирования (заряда – разряда ограничениенагрузки),сформированыкоманды,реализующиеэтоталгоритм,проанализирована работа нового типа аккумуляторных батарей совместно сСГЭ МКА, установлен диапазон ограничения аппаратуры регулирования иконтроля, реализующей алгоритмы управления и контроля.Проблема контроля и регулирования накопителя энергии и устраненияразбаланса его элементов является одной из сложных в СГЭ.

Одним из главныхусловий обеспечения длительной эксплуатации АБ является создание наиболееблагоприятного режима работы АБ. Факторами, снижающими срок службы АБв эксплуатационных режимах, являются: превышение заданной температуры,превышение зарядных токов, превышение разрядных токов.Существуют две основные задачи, которые необходимо решать приразработке алгоритма управления оптимальным режимом эксплуатации АБ.Первая из них - защита батареи от перезаряда, Вторая - защита батареи отпереразряда.Предложенная логическая схема заряда АБ представлена на рисунке 8.Рисунок 8 – Логическая схема заряда АБОтличительные особенности предложенных алгоритмов управленияи контроля заключаются в следующем:- длительный разряд до полного снятия емкости переменной токовойнагрузкой в процессе орбитального полета;16-заряд АБ во время полета от СБ;-«нивелирование» аккумуляторов в АБ (с цельюпереполюсовки отдельных аккумуляторов в АБ).исключенияВ пятой главе приведены сведения об эксплуатационных характеристикахсистемы генерирования электроэнергии с никель-металлогидриднымиаккумуляторными батареями, установленными на МКА «Кондор-Э».

Целевоеиспользование АБ в составе СГЭ, в целом, и предложенные алгоритмыуправления изделием, в частности, проходят проверку на основе текущейтелеметрической информации, получаемой с борта МКА «Кондор-Э».Запуск МКА «Кондор-Э» на орбиту Земли произведен 19 декабря 2014 года,с помощью ракеты-носителя легкого класса «Стрела».МКА «Кондор-Э» предназначен для получения высококачественныхизображений, необходимых для мониторинга земной поверхности и океанов,экологического мониторинга и эффективного управления природнымиресурсами. Космическая система «Кондор-Э» на базе малых КА обеспечиваеткартографирование территорий, изучение и контроль природных ресурсов,океанологические исследования прибрежных акваторий и шельфовых зон,экологические исследования, информационное обеспечение при чрезвычайныхситуациях.

На рисунке 9 представлен МКА «Кондор-Э» с новым типом НМГАБ.Рисунок 9 - МКА «Кондор-Э» с новым типом НМГ АБ17Эксплуатация электротехнического комплекса, включающего накопительэнергии нового типа и разработанную для его обслуживания системууправления и контроля, осуществлялась в период 19.12.2014 г. - 09.06.2015 г. Зауказанный период работоспособность комплекса была обеспечена на всех 4-хподсистемах.Контрольная телеметрическая информация:- максимальная глубина разряда АБ ~ 10 А·ч (0,5 Qн), что не приводит кснижению числа зарядно-разрядных циклов и не вызывает деградационныххарактеристик АБ;- напряжение на АБ - 27÷28 В, из чего следует, что АБ выполняет функциистабилизатора напряжения и подтверждает еѐ полную работоспособность.Одним из главных условий обеспечения длительной эксплуатации АБявляется создание наиболее благоприятного режима работы, уменьшающегозагазованность АБ – режима работы АБ регистрируемого по счетчику амперчасов (САЧ), т.

е., режима при котором прекращение заряда осуществляется пофакту восполнения разрядной емкости.Установлено, что эксплуатация АБ в основном происходила по счетчикуампер-часов в соответствии с принятой логикой управления и периодическимотключением АБ от заряда по сигналу замыкания контактов датчиков давленияв АБ, при котором происходило обнуление САЧ АБ.Аппаратура регулирования и контроля обеспечила заданные требованияпо питанию бортовых систем КА электрической энергией.В Приложениях приведены основные технические требованияаккумуляторной батареи для космического аппарата «Кондор-Э», протоколытермовакуумных испытаний опытного образца никель-металлогидриднойаккумуляторной батареи, методика и протокол результатов измерениямагнитных моментов АБ, блок-схемы алгоритмов управления и контроля АБ,экспертное заключение, акт о внедрении полученных результатов.Основные результаты работыВ ходе выполнения работы получены следующие результаты:1.

Разработан алгоритм управления и способ контроля никельметаллогидридной аккумуляторной батареи по основным электрическимхарактеристикам, обеспечивающий заданные показатели качества(надежность P≥0,998, длительный ресурс - до 7 лет, безопасностьэксплуатации) изделия в составе системы генерирования электроэнергиималого космического аппарата. «Кондор-Э».

Сформирован переченькоманд, реализующих предложенный алгоритм.2. Разработана методика термовакуумных испытаний нового типа никельметаллогидридной аккумуляторной батареи, позволяющая получитьнеобходимые энергетические параметры изделия (токи заряда-разряда,рабочее напряжение, емкость заряда) для условий открытого космоса.183. Обнаружено и впервые исследовано влияние собственного магнитногополя никель-металлогидридной аккумуляторной батареи на ориентациюмалого космического аппарата при взаимодействии его с магнитнымполем Земли. Проведены измерения величины и ориентации магнитногополя аккумуляторной батареи в зависимости от тока заряда-разряда,позволяющие выбрать устройство компенсации магнитного поляаккумуляторнойбатареинамаломкосмическомаппарате.Работоспособность компенсационного электромагнита в составе системыгенерированияэлектроэнергииподтвержденарезультатамимоделирования движения малого космического аппарата «Кондор-Э» поорбите Земли.4.

Малый космический аппарат «Кондор-Э» запущен на орбиту Земли 19декабря 2014 года с помощью ракеты-носителя легкого класса «Стрела».Непрерывное целевое применение нового типа аккумуляторной батареи всоставе системы генерирования электроэнергии по разработаннымалгоритмам управления, подтвержденное текущей телеметрическойинформацией «с борта», обеспечивает бесперебойное питание бортовыхсистем малого космического аппарата электрической энергией взаданном диапазоне параметров.5. Создание унифицированной космической платформы в качестве базовойконструкции целого семейства малых космических аппаратов (массой до1000 кг, со сроком активного существования 7 лет) позволит сохранитьэкономические ресурсы и сократить время выпуска космическихаппаратов.Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах1.