Диссертация (Система генерирования электроэнергии с увеличенным сроком активного существования для малого космического аппарата), страница 10

ст. АБ показалаработоспособность при режиме максимально приближенном к штатнойциклограмме энергопотребления изделия.Разработанная методика позволила:- проверить расчетные данные проектирования опытного образцагерметичной АБ 19 НМГ-20;- оценить конструктивные особенности АБ, контроль сборки;- проверить основные энергетические параметры (зарядные-разрядныетоки, емкость), возможность работы в вакууме;- проверить требование к конструкции, которая должна осуществлятьнеобходимый теплоотвод.Впервые применение данной методики позволило сократить времятестирования работоспособности с 14 до 7 суток [20];Результат работы по предлагаемой методике позволил использовать этуметодику в дальнейшей работе при изготовлении АБ для КА «Кондор-Э»«Бауманец-2», производства АО «ВПК «НПО машиностроения».2.4 Расчет требуемой установленной емкости аккумуляторной батареиПри полете МКА возможны различные варианты работы источниковэнергии.

Анализируя циклограмму нагрузок и рассчитывая баланс мощностей,необходимо определить количество АБ на борту МКА.Расчет установленной емкости аккумуляторной батареи определяетсяпо наиболее нагруженной циклограмме нагрузок проектируемого МКА научастке выведения (рис.

2.15).76Рис.2.15 Циклограмма нагрузок проектируемого МКА на участке выведения.Где:t1- за 60 секунд до запуска КА система отключается от аэродромного питания;t0-t4 – время выхода КА на орбиту и отделение КА от ОИА (окончание участкавыведения) и перевод работы СУД в режим демпфирования, а затем грубыйрежим орбитальной ориентации при раскрытии БС и антенны РСА;t5- включение электроприводов раскрытия БС;t6- остановка электроприводов раскрытия БС;t7- выход спутника из тени на освещенную часть орбиты.В формуле 2.1, представлен энергобаланс. Энергия, потребляемая нагрузкойна этапе выведения см.

рис. 2.15.Wсум  Pt1 1  P2t2  Pt3 3  P4t4  Pt5 5  P6t6  P7t7 Вт  ч(2.1)Приводя циклограмму (Рис.2.15) к числам, получим значения величинынагрузки на каждом этапе полета КА и длительность этих этапов.Р1=218 Вт; Р2=218 Вт; Р3=241 Вт; Р4 =218 Вт; Р5=265Вт; Р6=290 Вт; Р7 =265 Вт;t1 = 60 c; t2 = 560 c; t3 = 150 c; t4 = 1211 c; t5 = 430 c; t6 = 400 c; t7 = 2400 c.77Подставляя эти значения в формулу 2.1. получим энергопотреблениенагрузки.Wсум  361, 461 Вт  чТак как мы должны обеспечить 3 пуска системы электроприводовразвертывания СБ, то получим утроенное значение WсумWуст АБ = 3 W сум = 1084 Вт чУстановочная емкость будет составлять:Qуст АБ = 3 W сут / U АБ = 1084 / 27= 41 А·чСуммарная емкость составит:Qсум АБ = 1·20 = 20 А·ч (для одной АБ)Qсум АБ = 2·20 = 40 А·ч (для двух АБ)Qсум АБ = 3·20 = 60 А·ч (для трёх АБ)Qсум АБ = 4·20 = 80 А·ч (для четырёх АБ)Считается, что нам должно хватить и трех АБ, но принимая во внимание то,что за 5 лет службы аккумуляторы деградируют на 45%.

И в конце срокаэксплуатации емкость АБ примерно составит.0,55 · 1 Qсум АБ = 0,55 · 20 = 11 А·ч (для одной АБ)0,55 · 2 Qсум АБ = 0,55 · 40 = 22 А·ч (для двух АБ)0,55 · 3 Qсум АБ = 0,55 · 60 = 33 А·ч (для трёх АБ)0,55 · 4 Qсум АБ = 0,55 · 80 = 44 А·ч (для четырёх АБ)Делая вывод по расчету емкости АБ, принимается решение об установлении4-х параллельных подсистем, включающих АБ, а так же аппаратуру78регулирования и контроля АРК-20 (пр-ва ОАО «АВЭКС») в качестверегулятора заряда-разряда и регулятора напряжения АБ.2.5. Требования по тепловыделению аккумуляторной батареиТермодинамика основного токообразующего процесса НМГ АБ такова, чтоэнтропийная составляющая в цикле заряд-разряд обуславливает выделениетепла при заряде и его поглощение при разряде, т.е. тепловые потери болееравномерно распределяются в процессе цикла заряд-разряд.

С учетом логикиэксплуатации АБ задача обеспечения теплового режима батареи в условияхгазового охлаждения будет заключаться, в основном, в циркуляции подогретоговоздуха. Задача снятия тепла, выделяемого батареей на заряде, не ставится.Оценочная мощность тепловыделения одной НМГ АБ при заряде Pzрассчитывается по формуле:Pz = (Uz - ∆H) Iz( 2.2)где: Uz – среднее зарядное напряжение,∆H – изменение энтальпии, принимаемое равным 1,32 В,Iz – ток заряда.При разряде НМГ АБ оценочная мощность Pr составит:Pr = (∆H – Ur ) Ir(2.3)где Ur – среднее разрядное напряжение,∆H – изменение энтальпии, принимаемое равным 1,32 В,Ir – ток разряда.Произведем расчет тепловыделения одной НМГ АБ в режиме работы КА.

Заодин зарядно-разрядный цикл примем заряд током 6 А (0,3 Qн) в течение 5часов, разряд током 20 А в течение 2,5 часов.79Результаты испытаний макетов аккумуляторов НМГ-20 показали, чтовеличина среднего зарядного напряжения при заряде током 6 А (0,3 Qн) всреднемсоставляет 1,4 В, величина среднего разрядного напряжения приразряде током 20 А - 1,25 В.Таким образом, тепловыделение на заряде:Qz = (1,40-1,32)·6·5 = 2,4 Втч;теплопоглощение на разряде:Qr = (1,32-1,05) ·6·2,5 = 4,05 Втч;Суммарное тепловыделение:Q = Qr -Qz =4,05-2,4 = 1,65 Втч.Средняя мощность тепловыделения одного аккумулятора НМГ-20 приполном цикле заряд-разряд составит:P = Q/t = 1,65/7,5 =0,25 Вт.Для батареи 19НМГ-20 данная величина составит:P бат = 0,25·19 = 4,18 Вт.Особенности эксплуатации АБ КА позволяют учитывать только величинутепловыделенияАБнаразряде.Вэтомслучаесредняямощностьтепловыделения одного аккумулятора при полном разряде составит:P = Q/t = 4,05/2,5 = 1,62 Вт.Для батареи 19НМГ-20 имеем:P бат = 1,62·19 = 30,78 Вт.Поскольку процесс разряда НМГ аккумуляторов протекает с поглощениемтепла, основная задача системы терморегулирования КА - обеспечить подвод80теплого воздуха с целью недопущения снижения рабочей температуры нижезаданного значения.

Средняя мощность тепловыделения при полном разрядедля АБ 19 НМГ-20составит 30,78 Вт, что является не хуже чем у НКэлектрохимических систем (батареи 51Г6,11М05,11М075,17М049).2.6. Требования по надежности аккумуляторной батареиАккумуляторная батарея 19НМГ-20 состоит из:-19 последовательно соединенных герметичных никель-металлогидридныхаккумуляторов типа НМГ-20;- 3 датчиков температуры;- элементов конструкции.Ресурс АБ в летной эксплуатации должен составлять не менее 120 % отсрока активного существования КА с суммарным количеством зарядноразрядных циклов не менее 300 при глубине разряда до 20 Ач.Согласно принятой методике расчета все возможные отказы батарейразделяются на внезапные и параметрические.

Первые связаны с внезапнойпотерей работоспособности, вторые – с постепенным выходом контролируемыхпараметров за допустимые пределы. Полная надежность батареи (вероятностьбезотказной работы) Р определяется произведением надежностей по внезапнымРвн и параметрическим Рпар отказам:P=Pвн·Pпар(2.4)В свою очередь, величина надежности батареи по внезапным отказамPвн, если данные виды отказов независимы, равна произведениювероятности отсутствия отказов каждого вида:nP=  ii 1(2.5)81Внезапные отказы характеризуются своими  - характеристиками(интенсивностями отказов). Величины Рi связаны с  - характеристикамисоотношением:Рi= e t  ,(2.6)iгде- интенсивность отказов i-го вида, N –количество аккумуляторов вбатарее, t – продолжительность работы батареи (мес.).Для рассматриваемой батареи возможны следующие виды внезапныхотказов:1) потеря герметичности аккумулятора (течь) Р1;2) короткое замыкание внутри аккумулятора Р2;3) нарушение целостности электрических цепей при механическихперегрузках (в расчете на 1 аккумулятор) Р3;4)деформациякорпусааккумуляторапринарушениирежимовциклирования Р4.Численные значения - характеристик для перечисленных видов отказов, поданнымдвухлетнейэксплуатациианалогичныхпоконструктивномуисполнению и режимам эксплуатации никель-кадмиевых систем аккумуляторов(батареи 51Г6,11М05,11М075,17М049) составляют:-6-1-6-1-6-1-6-11 = 1,5·10 (мес.

)2 = 1,6·10 (мес. )3 = 2,0·10 (мес. )4 = 2,4·10 (мес. )Расчет величин Р1, Р2 для t=12 мес. по формуле (2.6) дает:82Р1= e1,51061219=0,999661219=0,9996Р2= e1,610Для расчета Р3 необходимо учитывать время воздействия механическихнагрузок на батарею. В условиях типичных требований по транспортированиюи выведению на орбиту имеем:а) транспортирование в закупоренной таре или в составе изделия:- по шоссе (2000 км, 60 км/ч)0,0463 мес.- по улучшенным грунтовым дорогам (1000 км, 30 км/ч) 0,0463 мес.б) транспортирование в составе КА (660 с)в) технологическая вибрация (30 мин)0,000255 мес.0,000694 мес.г) вывод на орбиту (2265 с)0,000874 мес.Итого:0,094423 мес.Расчет величины Р3 по формуле (2.6) дает:6Р3= e2,6100,09442319=0,999996Величина Р4 рассчитывается по формуле:Р4=Рак·Рутд(2.7)Рак= e t  N (N=19)(2.8)Рутд= e t  N (N=1)(2.9)45Расчет величины Р4 с подстановкой t=12 дает:Рак= e2,410612196Рутд= e0,0210=0,99943121=0,999999883Р4=0,99943·0,9999998=0,99943Оценка надежности батареи по внезапным отказам, составляет:Рвн=0,9996•0,9996•0,999996•0,99943=0,998627К отказам параметрического типа для рассматриваемой батареи относитсяпадение емкости ниже оговоренного в ТЗ показателя.

Оценка надежностибатареи по этому параметру может быть проведена только при наличиидостаточного массива данных по результатам предварительных и ресурсныхиспытаний. По опыту аналогичных разработок, надежность по этому видуотказов для аналогичных батарей составляет 0,999500.Вероятность безотказной работы (ВБР) батареи составляет:Р=0,998627•0,999500=0,998128.Расчетвероятностибезотказнойстатистических данных по эксплуатацииработывыполненнаосновеникель-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.Выводы по Главе 21. Накопленный опыт эксплуатации аккумуляторных батарей налетательных аппаратах показывает, что правильное обслуживаниеаккумуляторов увеличивает срок их службы минимум в 2 раза. Дляподтверждения работоспособности разработанного опытного никельметаллогидридного аккумулятора в условиях, заданных исходнымитехническими требованиями, проведён комплекс термовакуумныхиспытаний для аккумуляторных батарей.2. В результате проведенных наземных термовакуумных испытанийникель-металлогидридной аккумуляторной батареи получены84необходимые энергетические параметры изделия (токи заряда-разряда,рабочее напряжение, емкость заряда) для условий открытого космоса.3.

При полете МКА возможны различные варианты работы источниковэнергии. Анализируя циклограмму нагрузок и рассчитывая балансмощностей, приходим к тому, что на борту МКА будет находиться 4никель-металлогидридных АБ и аппаратура регулирования и контроляв качестве регулятора заряда и разряда, а также регулятор напряженияАБ.4. Поскольку процесс разряда НМГ аккумуляторов протекает споглощением тепла, основная задача системы терморегулированияКА, состоит в обеспечении подвода теплого воздуха с цельюнедопущения снижения рабочей температуры ниже заданногозначения.5.

Расчет вероятности безотказной работы выполнен на основестатистических данных по эксплуатации никель-кадмиевых АБ дляКА производства АО «ВПК «НПО машиностроения»; полученноезначение вероятности безотказной работы составило 0,998128.Рассматриваемая АБ обладает улучшенными эксплуатационнымихарактеристиками (САС до 7 лет) и по этой причине вероятностьбезотказной работы может быть принята: P≥0,998.85Глава 3 Исследование электромагнитной совместимости аккумуляторнойбатареи и оборудования космического аппарата3.1Обоснованиенеобходимостикомпенсациимагнитногополякосмического аппарата и постановка задачи исследованияДвижущийся по орбите КА обладает собственным магнитным полем. Этополе образуется от электрических и магнитных полей приборов и оборудованияприсутствующего на борту аппарата, и от токов Фуко, наводимых наметаллическую оболочку аппарата при его движении в магнитном поле Земли.Магнитное поле КА, взаимодействуя с магнитным полем Земли, создаетвращающий момент, стремящийся ориентировать магнитный диполь аппаратапо силовым линиям магнитного поля Земли (компас-эффект).