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

Обзоризвестных публикаций [1-25] показывает, что в мире подобного опыта нет.Большая мощность СГЭ обуславливает ее большой вес и большиегабаритные размеры используемых на КА солнечных батарей. В связи с чемвозникают трудности при выведении КА на орбиту.Реализация большого ресурса (до 10 лет), является более трудной задачей,поскольку импульсный характер нагрузки и ее высокая частота циклирования15вступает в противоречие с ограниченным допустимым числом циклов работынакопительных элементов (НЭ) и других элементов СГЭ. В таблице 1.2приведены для сравнения КА с заданным ресурсом. [9].Таблица 1.2 - Сравнение космических аппаратов с заданным ресурсом.НаименованиеКАзапуска)(год ЗаданныйМасса, кгПроизводитель2400Европейскоересурсактивногосуществования, летERS (1991)2-3космическоеагентствоCOSMO-SkyMed (2007)52000ItalianCentroPianificazioneControlloMissioneedelFucino.

ИталияRADARSAT-2 (2007)72225MDA, Alenia SpazioКанада-Италия-СШАРесурс-П (2013)55691ГНПРКЦ«ЦСКБ-Прогресс»РосссияКондор-Э (2014)7850НПО«Машиностроение»Реутов. РосссияПовсеместно используются СГЭ с централизованными источникамиэнергии, накопителями энергии, аппаратурой регулирования и контроля,обеспечивающие стабилизацию напряжения на бортовых шинах КА, кудаподключены источники и накопители электроэнергии, а так же потребители.Преимущественно проектируется система постоянного тока с напряжением 28 В± 0,5 В.Используется блочно-модульный принцип построения СГЭ на базе АРК сгибкой (адаптивной) логикой управления режимами заряда-разряда накопителей16энергии и поддержания стабилизированного напряжения питания потребителей.Выходная мощность таких СГЭ наращивается параллельным подключениеммодулей, причем каждый модуль может эксплуатироваться автономно.

Междумодулями предусмотрены связи, обеспечивающие заданное распределениепотоков энергии.Однако в ряде случаев диапазон изменения напряжения расширяется, аноминальное напряжение увеличивается. Для мощных СГЭ повышаетсянапряжение до 120 В и более, что сокращает массу кабелей. Для уменьшениямассы космического аппарата СГЭ может выполняться вне гермоконтейнера.В настоящее время в качестве первичных источников энергии для СГЭ КАиспользуются:1.Солнечныебатареи-солнечнаяэнергия,преобразованнаявэлектрическую энергию фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП);2.Термодинамический цикл Брайтона + турбина + электромеханическийгенератор;3.Электрохимическиегенераторыхимическая-энергиятоплива,преобразованная топливными элементами (ТЭ);4.

Ядерный реактор - ядерная энергия деления с преобразованием тепловойэнергии в электрическую с термоэмиссионным преобразованием.ТЭ используются на КА с коротким сроком работы (до 1 года), ввидубольшоймассынаправлениятопливаосвоенияприбольшихкосмосаСАС.требуютОсновныесозданияСГЭперспективныесосрокомэксплуатирования от 10-15 лет на орбите.СГЭ с ядерным реактором в настоящее время имеют небольшой ресурс итребуют доработки для достижения ресурса в 5-10 лет.СГЭ с термодинамическим циклом требует создания специальныхподшипников со сроком службы 10 лет и более. Предполагаемое использованиегазовых подшипников требует дополнительного исследования их нагрузочнойспособности, поскольку при больших мощностях генераторов создаютсязначительные усилия на подшипниках.17Практическиединственнымпервичнымисточникомэнергии,обеспечивающим в настоящее время срок работы СГЭ не менее 10 лет, являютсяФЭП, соединенные в СБ.Для обеспечения бесперебойной работы КА на орбите используютсянакопители электроэнергии, заряжаемые на освещенных участках от СБ.В настоящее время используется различные типы накопителей энергии:1.

Кинетические накопители энергии в виде маховиков;2. Тепловые аккумуляторы;3. Индуктивные накопители энергии;4. Емкостные накопители (конденсаторы);5. Электрохимические накопители - перезаряжаемые АБ.Кинетические накопители требуют подшипников с длительным ресурсом ибольшими нагрузками, которые пока не созданы.Тепловые аккумуляторы требуют больших объемов и массы, а такжепреобразователей тепловой энергии в электрическую, работающих при широкоминтервале температур с высоким КПД.Индуктивныеиемкостныенакопителиэнергиипокашироконеиспользуются.

В связи с появлением высокотемпературных сверхпроводников исовершенствованием технологии ионисторов (конденсаторов с электролитом)емкостные накопители электроэнергии могут найти применение в качествемощных импульсных источников.АБ до настоящего времени остается основным накопителем и источникомвторичной электрической энергии на КА, поскольку необычные условияэксплуатации, невесомость, глубокий вакуум, изменение зарядно-разрядныхтоков, температурные режимы, пока не позволяют широко использовать вусловиях космоса другие известные способы накопления, преобразования ираспределения электроэнергии на борту КА, особенно низкоорбитальных.

РаботаАБ и АРК на спутниках ДЗЗ происходит в очень жестких условиях и требованияхпредъявляемых к полезной нагрузке и бортовой аппаратурой к получаемойэлектроэнергии.18АБ имеют ограниченный срок службы, поскольку имеют ограниченноедопустимое количество циклов заряд-разряд. Отсутствие надлежащего контроля ирегулирования зарядно-разрядных циклов АБ приводит к существенномусокращению САС [25].На современных КА для обеспечения максимального срока активногосуществования СГЭ (не менее 10 лет) с применением новых накопителей энергиитребуется разработка АРК выполняющей следующие функции:По АБ:- равномерный или пропорциональный степени заряженности разряд АБ;- исключение перезаряда и переразряда АБ;- ограничение токов АБ;- контроль температуры, давления, емкости.По СБ:- зонный принцип регулирования напряжения секций СБ путем шунтированияФЭП;- стабилизация напряжения на выходных шинах АРК;- использование СБ для заряда АБ;- экстремальное регулирование мощности секции СБ (точка максимальноймощности).В России наряду с создателями КА проекты АРК СГЭ разрабатывают ипатентуют ряд специализированных электротехнических предприятий: НПЦ«Полюс», г.

Томск [4], ОАО «АВЭКС», г. Москва, ГСКБ «АЛМАЗ-АНТЕЙ»имени академика А. А. Расплетина, головная организация по космическойэнергетике - исследовательский центр им. Н.В. Келдыша [19].Используются в основном три схемы ограничения и стабилизациинапряжения нагрузки (Uн), подключаемые к СБ: последовательная, параллельная,параллельно-последовательная.Регуляторизбыточноймощности(РИМ)совместно с регулятором заряда (РЗ) и регулятором разряда (РР) составляетоснову всех структур СГЭ.Известны преимущества последовательной схемы СГЭ с экстремальнымрегулятором мощности (ЭРМ) СБ по сравнению с шунтовым регулятором19мощности при работе на ГСО и параллельной схемы на низкой орбите.

Намощных СГЭ космических станций используется шунтовой регулятор [14]. НПЦ«Полюс» проверена в эксплуатации на КА «Фобос», «Галс», «Экспресс»последовательная схема стабилизации напряжения СБ с ЭРМ. ЭРМ используетсяв СГЭ международной космической станции [25].На американских и западно-европейских КА используется одна структураСГЭ с двумя шинами - зарядной и разрядной, разработанная 20 лет назад.

Uнстабилизируется на освещенном участке шунтированием средней шины СБ. ЗарядАБ осуществляется от специальной секции СБ, подключенной последовательно сосновнойСБ.Нагрузканатеневомучасткеорбитыподключаетсянепосредственно к АБ. Напряжение Uн изменяется в пределах 24-34 В, ауправление зарядом и разрядом АБ осуществляется по командам с Земли.За рубежом также сделан шаг к автоматизации СГЭ со стабилизацией Uн вовсех режимах: «Intelsat» (США) и «Arabsat».Структура СГЭ с шунтовым регулятором напряжения (РН), используемая на КА«Горизонт», «Глонасс», «ГЕОиК», разработанная ОАО «Полюс» совместно сОАО ИСС, требует, чтобы в конце САС при номинальной нагрузке иотключенном шунтовом РН мощность, отдаваемая СБ, была в точке максимума(Рмакс).

В этом случае приходится вводить запас по мощности СБ, который будетвостребован на одном аппарате из 100, поскольку деградация СБ происходитразлично. Проще использовать ЭРМ в последовательной схеме со стабилизациейUн (1-2 %). Автоматическая работа без наземного комплекса (собственныймикропроцессор),обеспечиваетвысокуюживучестьзасчетвведенияперекрестных связей между РЗ-РР-АБ разных модулей составляющих СГЭ КА.На КА серии «Кондор-Э», используется параллельно-последовательнаясхема подключения СБ к АБ и нагрузке.1.2 Концепция прагматичного космосаИдея создания малых КА выдвинута конструкторами АО «ВПК «НПОмашиностроения» в 2002 году на международном авиационно-космическомсалоне (МАКС).