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

Таким решением стала7программа действий «прагматичный космос», выдвинутая АО «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 КА вполёте, его функциональные возможности, надежность, массогабаритные иэкономические показатели, составляя до 25 % массы, объема и стоимости КА.Поэтому проблема совершенствования технических характеристик СГЭ имеетактуальное значение.Большой научно – технический вклад в становление и развитие СГЭ КАвнеслитворческиеколлективыведущих,предприятийфедеральногокосмического агентства (Роскосмос): АО «ВПК «НПО машиностроения», ОАО«Корпорация «ВНИИЭМ», НПО им. С.

А. Лавочкина, ГНП РКЦ «ЦСКБПрогресс», ГКНПЦ им. М. В. Хруничева, РКК «Энергия» им. С. П. Королёва,ОАО «НИИ Электромеханики» (НИИЭМ), ОАО «ИСС» имени М.Ф.Решетнева» идр.Имирешаютсяоптимизационныеструктурно–функциональныеиконструкторско – компоновочные задачи по размещению элементов СГЭ на КА,создана методология наземной отработки, лётных испытаний и сопровождения впроцессе штатной эксплуатации. Разработку, исследования и испытаниясоставных частей СГЭ обеспечивают: ОАО «АВЭКС», ОАО НПП «Квант», ОАО«НИАИ «ИСТОЧНИК», НПО «Энергия», ОАО «Сатурн», ОАО «НПЦ «Полюс»(ранее НПО «Полюс») и др.Многолетний творческий труд коллективов названных предприятий сучастием ученых и специалистов ведущих университетов России (НИУ МЭИ,МГТУ им.

Н. Э. Баумана, НИЯУ МИФИ, НИУ МАИ), позволил добитьсязначительных успехов и обеспечивает успешное функционирование СГЭкосмических аппаратов.Постоянное ужесточение технических требований и появление новыхзадач при создании маломассогабаритных КА и мощных космических платформ:8обеспечение функционирования бортовой аппаратуры в условиях открытогокосмического пространства, обеспечение электропитания специальной бортовойнагрузки, влечёт за собой необходимость поиска новых методов проектированиябортовой аппаратуры и новых технических решений реализации оптимальныхрежимов работы, повышения надежности и автономности функционированияСГЭ в рамках принятой концепции «прагматичный космос», предполагающейэффективность 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 ограниченного срокаслужбы накопителей АБ.Таким образом, задача исследования работоспособности и качествафункционированияАБэлектротехническогоникель-металлогидридногокомплексаКАявляетсятипаактуальнойвсоставеиможетрассматриваться как имеющая самостоятельное значение по разработке СГЭ сувеличенным САС.Цель и задачи работы.

Создание информационно-методической системыобслуживания накопителя энергии для малого космического аппарата на основенового типа никель-металлогидридной аккумуляторной батареи с увеличеннымсроком службы 19 НМГ 20.Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:1.Выбортипааккумуляторнойбатареивнаибольшейстепениудовлетворяющей требованиям, предъявляемым к аккумуляторным батареяммалого космического аппарата с увеличенным сроком службы (до 7 лет).2. Разработка методикивходного контроля АБ, регламентирующейвыполнение следующих операций:- тестирование показателей качества и характеристик АБ в соответствии с еёпаспортными данными;9- 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.Доработкаиэкспериментальноеподтверждениевозможностииспользования управляющего алгоритма и способа контроля нового накопителяэнергии.4.

Исследовать собственное магнитное поле никель-металлогидриднойаккумуляторной батарей - 19 НМГ-20 и компенсировать его.5. Тестирование текущих зарядно-разрядных режимов работы АБ на основеобработки телеметрических данных СГЭ МКА «Кондор-Э».Поставленные задачи решались в процессе подготовки и ввода вэксплуатацию МКА «Кондор-Э».Создаваемое информационно-методическое обеспечение проектирования иобслуживания накопителя энергии нового типа для МКА необходимо дляпоследующей системной параметрической оптимизации СГЭ КА.

В таблице 1представленопроектирования«Кондор-Э».разработанноеинформационно-методическоеобеспечениеи обслуживания накопителя энергии нового типа для МКА10Таблица 1.1 - Информационно-методическое обеспечение проектированиеиобслуживание накопителя энергии нового типа для проектируемого малогокосмического аппарата «Кондор-Э»Методическое обеспечениеИнформационноевходного контроля нового обеспечение проектированиетипа АБнового типа АБМетодика расчетатребуемой установленнойемкости АББаза данных параметрическихограничений для аппаратурырегулирования и контроля(АРК).Методика расчетатепловыделения АББаза данных характеристикАБ для СГЭМетодика прогнозируемогорасчета надежностиаккумуляторной батареиБаза данных выбора типа АБдля проектируемого МКАМетодика снятиямагнитных характеристикАББаза данных магнитного поляАБМетодическоеобеспечениеэксплуатации иобслуживаниянового типа АБРазработкаалгоритмааппаратурырегулирования иконтроля для АБнового типа.Анализтелеметрическойинформации с бортаМКАМетодикакомпенсациимагнитного поля АБМетодика термовакуумныхиспытаний АБМетодика проверки АБ нагерметичностьМетоды исследованияПри выполнении работы было проведено моделирование по разработаннымблокам моделей, реализующих движения проектируемого малого космическогоаппарата«Кондор-Э»относительноцентрамасссновымтипомАБ.11Моделирование движения МКА относительно центра масс с модернизированнойСГЭ проводилось в среде программирования Мatlab/Simulink.Научная новизна1.

Впервые обнаружено вредное влияние собственного магнитного поляникель-металлогидридной аккумуляторной батареи (НМГ АБ) нового типана систему ориентации и стабилизации малого космического аппарата(МКА) при взаимодействии его с магнитным полем Земли. На основевыполненных исследований по снижению результирующего магнитноговоздействияНМГАБсформулированырекомендациипосинтезуустройства компенсации и позиционированию его в непосредственнойблизости от чувствительных элементов системы ориентации и стабилизацииМКА.2. Разработано информационно-методическое обеспечение, необходимое длясистемной,параметрическойгенерированияэлектроэнергиииструктурной(СГЭ)МКАоптимизации«Кондор-Э»системысновымнакопителем энергии (НМГ АБ).3.

В результате проведенных наземных термовакуумных испытаний НМГ АБполучены необходимые ее энергетические параметры (токи заряда-разряда,рабочее напряжение, емкость заряда) для условий открытого космоса.Практическая 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 поосновнымэлектрическимхарактеристикам,обеспечивающиезаданныепоказатели качества (надежность P≥0,998, длительный ресурс - до 7 лет,безопасность эксплуатации) НМГ АБ в составе СГЭ МКА «Кондор-Э».12Сформирован перечень команд, реализующих предложенные алгоритмы;электрические параметры и характеристики компенсационного электромагнитав системе генерирования электроэнергии малого космического 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 малом космическомаппарате «Кондор-Э», что позволило увеличить срок активного существованиядо 7 лет.Достоверность и обоснованность полученных результатовДостоверность и обоснованность результатов подтвержденаиспользованием современных вычислительных средств и средств моделирования,апробацией предложенных методик исследования и анализа экспериментальныхданных, совпадением теоретических расчетов и лабораторно – отработочныхиспытаний, наземными и летными испытаниями системы генерированияэлектроэнергии МКА «Кондор-Э».Реализация работыОсновные результаты данной работы используются специалистами АО «ВПК«НПО машиностроения», ОАО «АВЭКС», ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ», ОАОНПП «Квант», ОАО «НИАИ «ИСТОЧНИК» при создании МКА «Кондор-Э» всистеме генерирования электроэнергии.

Промышленное внедрение основныхрезультатов подтверждено соответствующим актом.Основные результаты диссертационной работы использованы припроектировании новых комплексов энергопреобразующей аппаратуры СГЭ МКААО «ВПК «НПО машиностроения».Апробация работыОсновныеположениядиссертационнойработыдокладывалисьиобсуждались на заседании кафедры «Электротехнические комплексы автономных13объектов» НИУ МЭИ, XXXV-XXVIII Академических чтениях по космонавтике,при Российской академии наук и Федеральном космическом агентстве (Москва2011-2014),Международнойнаучно-техническойконференции"Аэрокосмические технологии в нефтегазовом комплексе" (Москва 2009), XVIIXIX международных научно-технических конференциях студентов и аспирантовНИУ 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-методическоеИнформационно-методическаяобеспечениеосновадляМКАпоследующей«Кондор-Э».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,рекомендованныхВАКМинистерстваобразованияинаукиРоссийскойФедерации.Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, спискаиспользованных источников, перечня используемых терминов.

Работа изложенана 222 страницах основного текста, содержит 122 рисунка, 66 таблиц, 5приложений,наименований.библиографическийсписоклитературынасчитывает6014Глава1Перспективыразвитиясистемгенерированияэлектроэнергии космических аппаратов1.1Анализсовременногосостояниясистемгенерированияэлектроэнергии космических аппаратовДостижения отечественной промышленности в области космонавтики и ихсистем генерирования электроэнергии нашли отражение в следующем спискелитературы [1-25].Основные СГЭ космических аппаратов используют СБ, герметичныеникель-водородные, никель-кадмиевые, никель-металлогидридные или литийионные аккумуляторные батареи. Неотъемлемыми элементами, существенноувеличивающимиресурсСГЭ,являетсяАРК,обслуживающаянаиболеечувствительный к режимам эксплуатации элемент СГЭ - АБ. Особенностью АРКявляется ее модульность и децентрализованная система управления модулями,предложенная и защищённая авторскими свидетельствами российских учёных,работающих в ОАО «АВЭКС» и НПО «Полюс».ОднаковновьпроектируемыеСГЭ,обеспечивающиевысокуюпотребляемую мощность и большую частоту циклирования АБ в течениедлительного времени, не позволяют напрямую использовать ранее разработанныетехнические решения в первую очередь из-за ограниченного срока службынакопителей АБ.Трудновыполнимымизадачамиприпроектированиисистемыэлектропитания для космического аппарата являются достижение необходимоймощности СГЭ и большого срока активного существованиякосмическогоаппарата, таких как, Кондор-Э (производства АО «ВПК «НПО машиностроения»),при относительно небольшой заданной массе оборудования СГЭ.