Диссертация (Система генерирования электроэнергии с увеличенным сроком активного существования для малого космического аппарата), страница 7

Следует отметить, что температурааккумулятора повышается в процессе заряда или разряда ввиду естественноговыделения тепла на внутреннем сопротивлении аккумулятора.При заряде положительного электрода его потенциал сдвигается всторону положительных значений (рис. 1.21). В ходе неконтролируемогозаряда, потенциал положительного электрода, сдвигается к значениям, прикоторых возможно протекание реакций, приводящих к окислению электролита,нарушению структуры положительного электрода и как следствие, кнеобратимой потери емкости.Установлено,чторазностьпотенциаловмеждуположительнымиотрицательным электродом ЛИ АБ не должна превышать 4,3 В. В противномслучае с поверхности катодного электрода начинается процесс выделения44металлического лития, а структура положительного электрода нарушается.Далее начинается газовыделение (разложение электролита), что приводит кповышению давления, разгерметизации и воспламенению аккумулятора.Таким образом, повышение давления в ЛИ АБ, является очень опаснойситуацией.

По данным экспериментов, проведенных в ОАО «НИАИ»Источник»,критическаяситуациявозникаетпридавлениивнутриаккумулятора 8 атмосфер. При нарастании давления до 4-4,5 атм., можносудить о вялотекущем процессе тепловой химической реакции в аккумуляторе,т. е. при его охлаждении реакция электролита со свободным литиемпрекращается, либо скорость процесса существенно замедляется.Рис. 1.21. Модель электрического режима цикла разряда/заряда/храненияЛИ АБПри длительном циклировании АБ в условии перезаряда,количествосвободного лития в электролите увеличивается.

Процесс возникновениятеплового разгона связан с повышением температуры до такой величины, прикоторой начинается процесс разложения электролита. В качестве примераможно привести имевшее место воспламенение ЛИ АБ мобильных телефоновфирмы Nokia. Нагрев телефона от рук пользователя (АБ не находилась врежиме заряда), провоцировал возникновение неконтролируемых реакцийпорошкового лития с электролитом45Активно разрабатываемые в последнее время в ряде стран, имеющихкосмическую программу, перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторныебатареи(ЛИсовременнымиАБ)обладаютзначительнымиэлектрохимическимисистемамипреимуществамипосвоимпередудельнымэнергетическим характеристикам (превышают их в 2-3 раза). ИспользованиеЛИ АБ в космических проектах приведет к резкому уменьшению веса и объемасистем энергопитания, улучшению надежности и более низкой стоимости КА.NASA и воздушные силы США в течение последних лет началиреализовывать преимущества этих систем в своих космических программах.NASA планирует применять ЛИ АБ в ряде будущих проектов длямежпланетных полетов, орбитальных спутников Земли на геостационарныхорбитах (ГСО) и низких орбитах (НО), а также в снаряжении астронавтов.Некоторые многообещающие проекты NASA, где ЛИ АБ являются основнымиисточниками тока, включают проекты экспедиций на Марс.Становление рынка ЛИ АБ в России пришлось на период перестройкиэкономических отношений.

В наследство от прошлого Россия получила полноеотсутствие промышленной базы бытовой электронной техники, созданной входе мировой интеллектуальной революции. Можно предположить, чтосоздание и развитие ЛИ АБ в России в первую очередь пойдет благодарязаинтересованности космоса и военной техники.

Пока сохранились коллективы,обладающие культурой работы с литиевыми источниками тока, вероятностьсоздания конкурентно-способного отечественного ЛИ АБ достаточно велика ипри соответствующем финансировании может быть реализована. Если это неразвивать, через непродолжительное время придется полностью покупать иизделие, и технологию, и оборудование для производства и заново обучатькадры «с нуля».1.5Выбор аккумуляторной батареи для проектируемого малогокосмического аппаратаВ исходных технических требованиях проектируемой АБ для малого46космическогоаппарата(МКА)«Кондор-Э»былижесткозаданыконтролируемые параметры (основные технические требования проектируемойАБ для МКА «Кондор-Э», приведены в приложении А).Анализиспользованияаккумуляторныхбатарейдлявоенногоиаэрокосмического применения, показывает, что в этих областях в настоящеевремя наибольшее внимание уделяется развитию литий-ионных батарей.

Втаблице1.3.представленосравнениесовременныхотечественныхаккумуляторов поставляемых для космических нужд.Таблица1.3-Сравнениесовременныхотечественныхаккумуляторовпоставляемых для космических нужд.ТипЛитий-Никель-Никель-Никель-аккумулятораионныйМеталлогидридныйкадмиевыйводородный1,351,21,2570—9040—4550—55180—21080—100100—120До 15 (28) 20 (28)20 (28)40(3)-0,150,15129896—987290—928/10007/18005/5007/1000Номинальноенапряжение,В 3,6Удельнаяэнергияпо 130массе, Втч/кгУдельнаяэнергияпо 260объему, Втч/дм3Саморазряд,%(сут.)Максимальноеизбыточноедавление, мПаОтдачапоемкости, %Срокслужбы,годы/циклы47Нужно отметить, что использование ЛИ АБ имеет как свои преимущества,так и ряд недостатков, на проработку которых необходимы значительныевременные и материальные затраты.К преимуществам ЛИ АБ относится то, что они имеют более высокиеудельные характеристики за счетвысокого номинальногонапряжения –3,6 В, что в три раза выше номинального напряжения никель-кадмиевых иникель-металлогидридных аккумуляторов.

Также ЛИ АБ характеризуютсянебольшим саморазрядом, величина которого за 30 суток хранения составляет4-6 %. Однако, они имеют ряд недостатков, ограничивающих их областьприменения и накладывающих определенные дополнительные требования наусловия эксплуатации. Основными из них являются:- низкая устойчивость к перезаряду и переразряду, что требует жесткогоконтроля с помощью встроенной электронной схемы управления;- взрывоопасность;- отсутствие большого опыта эксплуатации в КА.Именноэтифакторыпредполагаютразработкусовершенноиногоалгоритма эксплуатации ЛИ АБ в составе космических аппаратов, что приведетк необходимости создания системы управления КА, отличной от используемыхв настоящее время.ПрименениежевКАаккумуляторныхбатарейнабазеникель-металлогидридных аккумуляторов позволит, с одной стороны, получить АБ сболеевысокимиудельнымихарактеристикамипосравнениюсхарактеристиками АБ на базе никель-кадмиевых аккумуляторов, сохранитьосновные элементы схемы управления и эксплуатации без существенныхдоработок, использовать типичные для НК АБ корпуса, что значительноудешевляет НМГ АБ, с другой стороны отказаться от применения вводородных электродах дорогостоящего платинового катализатора, что имеетместо в традиционных НВ АБ высокого давления.48Учитывая максимальные токи заряда и разряда, заданные в требованиях,необходимо предусмотреть оптимизированное конструктивное исполнениетокоподводящего узла аккумуляторов, с цельюзначенийвнутреннегосопротивления.обеспечения более низкихМинимизациявнутреннегосопротивления позволит обеспечить более стабильные параметры примаксимальных величинах токов разряда и повысить, тем самым, надежностьбатареи.Именно эти факторы, при прочих равных условиях на данный момент, делаютпредпочтительным использование никель-металлогидридных аккумуляторов.Реализация заданных требований может быть осуществлена на базегерметичного никель-металлогидридного аккумулятора емкостью 20 А·ч.

Нарис. 1.22 представлена АБ 19НМГ-20, которая удовлетворяет изложеннымтехническим требованиям проектируемой АБ для МКА «Кондор-Э».Рис. 1.22. АБ 19НМГ-20Выводы по Главе 11. Постоянное ужесточение технических требований и появление новыхзадач, таких, как создание маломассогабаритных КА, обеспечениефункционированиябортовойаппаратурывусловияхоткрытогокосмического пространства, обеспечение электропитания специальнойбортовойнагрузкинеобходимостьповышеннымпоискановыхнапряжениемметодоввлечётпроектированиязасобойбортовой49аппаратуры и новых технических решений, реализующих оптимальныережимы работы, повышение надежности и увеличение срока активногосуществования СГЭ.2. Проведенный анализ НВ, НК, НМГ, ЛИ электрохимических системпоказывает, что для рассматриваемого малого космического аппаратапредпочтительней является НМГ аккумуляторная батарея.3.

Для проверки расчетных данных проектирования опытного образцагерметичной АБ 19 НМГ-20, оценки её конструктивных особенностей,контролясборки,проверкиосновныхэнергетическиепараметров(зарядные-разрядные токи, емкость), возможность работы в вакууме(условия аналогичные открытому космосу), а также требование кконструкции, которая должна осуществлять необходимый теплоотвод,необходимо разработать методику термовакуумных испытаний, покоторой провести необходимый комплекс термовакуумных испытаний.4. Для безаварийной работы системы управления МКА необходимоисследовать впервые обнаруженный магнитный момент опытногообразца никель-металлогидридной аккумуляторной батарей 19 НМГ-20.5.

При полете космического аппарата по орбите возможны различныеварианты совместной работы источников энергии (СБ и АБ) МКА. Этиварианты накладывают ограничение на аппаратуру, реализующуюсовместную работу всей системы генерирования МКА. В связи с этим,необходимоустановитьпараметрическиеограниченияаппаратурырегулирования и контроля, реализующие алгоритмы эксплуатации НМГАБ в МКА.6.

Дляподтверждениянеобходимоправильностипроанализироватьинформацию «с борта» МКА.новыхметодовполученнуюиалгоритмовтелеметрическую50Глава2Исследованиеметаллогидриднойопытногоаккумуляторнойобразцабатареивникельусловиях,максимально приближенным к штатной эксплуатации2.1Задачииметодикатермовакуумныхиспытанийникель-металлогидридного аккумулятораАнализируя отказы новых АБ на начальных стадиях эксплуатации, былисделаны выводы, что в основном АБ выходят из строя в результате:- производственных дефектов;- работы в предельных диапазонах температур (от повышенных допониженных);- повреждений при транспортировке.Для проверки опытного образца герметичной АБ 19 НМГ-20 по контролюсборки, проверки основных энергетические параметров (зарядные-разрядныетоки, емкость), возможности работы в вакууме, а также требований кконструкции, которая должна осуществлять необходимый теплоотвод, инадежности, необходимо разработать методику термовакуумных испытаний.Следует отметить основные недостатки известных термовакуумныхиспытаний АБ, проводившихся ранее:- время тестирования работоспособности АБ (в среднем более 14 суток) [39];- отсутствие тестирования АБ в предельно допустимом диапазоне температур.- отсутствие тестирование АБ при имитации штатной циклограммы КА.Вопросы, связанные с термовакуумными испытаниями, нашли отражениев следующем списке литературы [8,18, 20-25, 49, 56,61].Цель термовакуумных испытаний опытного образца герметичной АБ 19НМГ-20:подтверждениеработоспособностиопытногообразцаАБи51соответствия заданным требованиям в условиях, максимально приближенных кусловиям штатной эксплуатации в орбитальном полете в составе МКА.Создав заранее жесткие условия, более высокие чем эксплуатационные,похарактеруизменениякрутизнысемействакривыхзаряда-разрядахарактеристик АБ, определили пересчетом возможный эксплуатационный срок.Чтобы подтвердить:- надежность- качество сборки- эксплуатационные характеристикиВпервыепоразработаннойметодикеиспытаниямподвергласьаккумуляторная батарея 19 НМГ-20, включенная по следующей схеме рис.