Система энергоснабжения бортового комплекса космических аппаратов (160,00 руб.). Uисточники электроэнергии космических аппаратовntitled document Системы электропитания космических аппаратов

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА» М. А. ПЕТРОВИЧЕВ, А. С. ГУРТОВ СИСТЕМА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ БОРТОВОГО КОМПЛЕКСА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия САМАРА Издательство СГАУ 2007 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» УДК 629.78.05 ББК 39.62 П306 ЦИ ОНАЛЬ НЫ ПР ТЕТНЫЕ Е Н А О РИ ОЕКТЫ Инновационная образовательная программа "Развитие центра компетенции и подготовка специалистов мирового уровня в области аэрокосмических и геоинформационных технологий” ПР И Рецензенты: доктор технических наук А. Н. К о п т е в, зам. начальника отдела ГНП РКЦ «ЦСКБ - Прогресс» С. И. Миненко П306 Петровичев М.А. Система энергоснабжения бортового комплекса космических аппаратов: учеб. пособие / М.А. Петровичев, А.С. Гуртов. – Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2007. – 88 с.: ил. ISBN 978-5-7883-0608-7 Рассматривается роль и значение системы электроснабжения для космического аппарата, составные элементы этой системы, особое внимание уделяется рассмотрению принципов действия и устройства источников питания, особенностям их использования для космической техники. Пособие дает достаточно обширный справочный материал, который может использоваться при курсовом и дипломном проектировании студентами неэлектрических специальностей. Учебное пособие предназначено студентам специальности 160802 «Космические аппараты и разгонные блоки». Оно также может быть полезно молодым специалистам ракетно-космической отрасли. Подготовлено на кафедре летательных аппаратов. УДК 629.78.05 ББК 39.62 ISBN 978-5-7883-0608-7 2 Петровичев М. А., Гуртов АС, 2007 Самарский государственный аэрокосмический университет, 2007 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Система электроснабжения бортового комплекса космических аппаратов Из всех видов энергии электрическая является наиболее универсальной. По сравнению с другими видами энергии она имеет ряд преимуществ: электрическая энергия легко преобразуется в другие виды энергии, КПД электрических установок значительно выше КПД установок, работающих на других видах энергии, электрическую энергию легко передавать по проводам к потребителю, электрическая энергия легко распределяется между потребителями. Автоматизация процессов управления полетом любых космических аппаратов (КА) немыслима без электрической энергии. Электрическая энергия используется для приведения в действие всех элементов устройств и оборудования КА (двигательная группа, органов управления, систем связи, приборного комплекса, отопления и т. д.). Система электроснабжения (СЭС) КА является одной из важнейших систем, обеспечивающих работоспособность КА. Основные требования, предъявляемые к СЭС: необходимый запас энергии для совершения всего полета, надежная работа в условиях невесомости, необходимая надежность, обеспечиваемая резервированием (по мощности) основного источника и буфера, отсутствие выделений и потребления газов, способность работать в любом положении в пространстве, минимальная масса, минимальная стоимость. Вся электроэнергия, необходимая для выполнения программы полета (для штатного режима, а также для некоторых нештатных), должна находиться на борту КА, поскольку восполнение ее возможно только для обитаемых станций. Надежность СЭС во многом определяется 3 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» резервированием всех видов источников, преобразователей, коммутационной аппаратуры и сети. Невесомость оказывает существенное влияние на жидкости и газы, заставляя использовать источники, не содержащие жидкости в свободном состоянии. Это обеспечивает также работоспособность аппаратуры при изменении положения в пространстве. Учитывая малый внутренний объем КА, даже небольшое количество газа, попадая в него, существенно меняют состав атмосферы. Газы, выделяемые из источников несут с собой пары щелочей или кислот, которые приводят к коррозии и отказам, в первую очередь, БЦВМ и радиоаппаратуры. Использование таких источников на борту КА нежелательно. 1. Структура системы электроснабжения КА Основной системой электроснабжения КА является система постоянного тока. Это определено тем, что большинство источников, которые могут использоваться на борту, являются источниками постоянного тока. Сеть переменного тока является вспомогательной, используется для питания ограниченного числа потребителей, например, системы управления движением. Первичный источник (рис.1.1) преобразует какую-либо энергию (химическую, световую, ядерную) в электрическую и должен обеспечить работу потребителей во все время полета. Потребление электроэнергии во время полета неравномерно: бывают пики нагрузки (обычно во время работы полезной нагрузки, спуска с орбиты и т.д.) и моменты, когда нагрузка мала. Для парирования пиков нагрузки используют буферный источник. Впервые на многоразовом КА «Шаттл» использована безбуферная система электроснабжения. Это объясняется тем, что на летательном аппарате используются три первичных источника на основе топливных элементов, что позволяет варьировать генерируемой ими мощностью. 4 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Система распределения Преобразо ватель Преобраз ователь Сеть Потребитель Первичный источник Буферный источник Рис.1.1. Структура аппарата системы электроснабжения космического Буферный источник характеризуется тем, что суммарная производимая им энергия равна нулю. Он заряжается во время малой нагрузки на сеть и отдает энергию во время пиков. Обычно в качестве буфера используют аккумуляторы. Для согласования характеристик аккумулятора с первичным источником и сетью используют преобразователи (рис.1.1.). В первом случае это зарядное устройство, во втором – стабилизатор напряжения, обеспечивающий стабильность напряжения в сети. Произведенная электроэнергия должна быть доставлена потребителю в нужном количестве, в заданное время, с необходимым качеством. Этими задачами занимаются система распределения и электрическая сеть. Система распределения подключает потребитель к соответствующему источнику, обеспечивает резервирование (если это необходимо) и выключает, если потребитель неисправен. Техническая реализация этих процессов осуществляется с помощью коммутационной и защитной аппаратуры. Доставкой электроэнергии потребителю занимается электрическая сеть. Она должна быть минимальна по массе, но в то же время иметь 5 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» малые потери электроэнергии и обеспечивать надежное соединение потребителя и источник. 2. Классификация первичных источников ы Химическая Солнечная батарея э л е м е Электромашинны й генератор Т о п л и в н ы е магнитогидродинамичес А к к у м у л я т о р термоэлектронные Г а л ь в а н и ч е с к и термоэлектрические Электрическая энергия механическая тепловая ядерная световая Рис.2.1. Способы получения электрической энергии на борту КА На борту космического аппарата может использоваться в качестве первичной только три вида энергии: химическая, ядерная и солнечная. Причем химическая и ядерная забираются с Земли, а солнечная поступает непосредственно во время полета. Возможны три способа преобразования химической энергии непосредственно в электрическую, так называемый прямой способ преобразования. В этом случае получаем источники с достаточно высоким КПД (около 70%): гальванические элементы, аккумуляторы и топливные элементы (рис.2.1). 6 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Гальванические элементы запасают химическую энергию прямо в корпусе, и по мере ее расходования заканчивается цикл работы. В аккумуляторах возможно двойное преобразование: при зарядке накапливается химическая энергия, при разряде химическая преобразуется в электрическую (стрелки на рис.2.1 показывают направление преобразования энергии). Впервые на борту использовался серебряно-цинковый щелочной аккумулятор (СЦА) в силу того, что он самый легкий, может работать в любом положении и не выделяет и не потребляет газы. СЦА дали толчок к развитию целого ряда аккумуляторов. В настоящее время аккумуляторы имеют наибольшее распространение в качестве основных и буферных источников. В топливных элементах химическая энергия непрерывно пополняется извне. Наиболее разработанными являются топливные элементы, у которых в качестве «топлива» используется Н2 и О2. Химическая реакция окисления водорода разнесена на два электрода. В результате получаем электрическую энергию, тепло и воду. Этот источник достаточно сложен в эксплуатации, но имеет малую массу, достаточно большой срок работы (до 5000 часов) и хороший КПД. В сочетании с устройством, разлагающим воду на Н2 и О2, может обеспечить полный цикл буферного источника с большим сроком службы, легче самого хорошего аккумулятора и имеет достаточно высокий КПД. Все первичные источники энергии (химическая, ядерная и световая) могут использоваться для получения тепла. Преобразование тепловой энергии в электрическую возможно тремя путями: термоэлектрический генератор, термоэлектронный (термоионный) генератор и магнитогидродинамический генератор (МГД). Термоэлектрические генераторы первоначально имели КПД 0,7% и использовались как измерители температуры под названием «термопара». Использование полупроводников позволило повысить КПД до 7-10%. Термоэлектрические генераторы в сочетании с изотопными источниками тепла образуют чрезвычайно надежные и продолжительно работающие источники электрической энергии небольшой мощности. Используются на борту в качестве сверх- аварийных источников. Термоэлектронный генератор устроен по принципу электронной лампы. Имеет КПД несколько больше, но наличие высокой температуры ставит его использование на борту нерациональным. В 80-е годы прошлого столетия конструктора космической техники обратили свое внимание на машинные генераторы, широко применяемые 7 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» в земных условиях, несмотря на тройное преобразование энергии, наличие вибраций, сложность работы в условиях вакуума. Эти генераторы оказались самыми дешевыми, детально изученными, имеющими хорошие характеристики и КПД немного ниже 40% и дающими большую мощность в небольшом объеме («Шаттл»). При использовании электромашинных генераторов приходится решать проблемы их работы в условиях вакуума, привода и обеспечения стабильности частоты. Солнечные батареи (СБ) используют прямое преобразование солнечной энергии с помощью полупроводниковых преобразователей в электрическую. СБ имеют КПД до 30%, но ухудшают маневренность КА, имеют небольшой срок службы и не работают на теневом участке орбиты. В последние годы СБ привлекают пристальное внимание ученых всего мира, поскольку удалось получить КПД более 40%. Использование арсенида галлия позволяет получать сверхтонкие СБ, малой массы, с большим сроком службы. Рационально использовать на околоземных орбитах для снабжения электроэнергией обитаемых космических станций. Все перечисленные выше источники электрической энергии чрезвычайно дороги, так стоимость 1 кВт-час, получаемого от солнечных батарей, достигает 40$. 3. ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА (ХИТ) 3.1. Общие сведения о химических источниках тока (ХИТ) Химический источник тока (ХИТ) - это устройство, в котором энергия химической реакции непосредственно превращается в электрическую энергию и наоборот. Большое разнообразие ХИТ, отличающихся размерами, конструктивными особенностями и природой протекающих в них токообразующей реакции, обусловлено широким использованием их в различных условиях и отраслях техники. По принципу работы ХИТ делятся на следующие группы: гальванические элементы (элементы одноразового действия), в этих элементах заложен определенный запас реагентов, после израсоходования которых они теряют свою работоспособность; аккумуляторы (элементы многоразового действия, перезаряжаемые или обратимые). Аккумуляторы после разряда допускают повторный заряд путем пропуска тока от внешней цепи в обратном 8 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» направлении, при этом из продуктов реакции восстанавливаются исходные вещества. Большинство аккумуляторов допускает проведение большого числа циклов заряд-разряд; топливные элементы. В топливные элементы в процессе работы непрерывно подводятся новые порции реагентов и одновременно удаляются продукты реакции, поэтому они могут работать непрерывно в течение длительного времени. Поскольку наиболее широкое применение получили аккумуляторы, то настоящая работа ставит своей задачей ознакомление с наиболее распространенными их типами. 3.2Серебряно-цинковые аккумуляторы Серебряно-цинковые (СЦ) аккумуляторы представляют собой вариант щелочного аккумулятора с отрицательным цинковым электродом и положительным - серебряным. Электролитом служит раствор химически чистого едкого кали концентрации около 560 г/л (плотность электролита около 1.4). Токообразующая реакция может быть представлена следующими уравнениями: 2Ag + Zn О заряд разряд Ag2 O +Zn Ag 2O +Zn заряд разряд Ag + Zn О. При заряде аккумулятора на положительных электродах происходит окисление металлического серебра Ag сначала до полуокиси Ag2O, а потом - до окиси Ag0, на отрицательных восстановление окиси цинка (Zn0) до металлического цинка (Zn). Наличие двух стадий химической реакции обуславливает две ступени заряда и разряда СЦ аккумуляторов (см. рис. 3.3-3.4). Помимо основных реакций при работе и хранении СЦ аккумуляторов возможно протекание ряда побочных реакций. Одна из побочных реакций - саморастворение металлического цинка (коррозия), сопровождающееся выделением газообразного водорода. При температуре 20°С выделяется 0,3-0,4 мл водорода в сутки с одного ампер-часа емкости аккумулятора, при температуре 0°С -0,13 мл, при температуре 40°С - 2 мл. Условное обозначение серебряно-цинковых аккумуляторов состоит из букв СЦ, определяющих их принадлежность, буквы, характеризующей конструктивную разновидность и время разряда: 9 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» К - короткий (от 15-минутного до 1-часового); С - средний (от 1-часового до 10-часового); Д - длительный (от 10-часового и более); К - средний, многоцикловой; Б - буферный, многоцикловой, и числа, условно показывающего емкость аккумулятора. Через дробную черту к условному обозначению аккумулятора указывается четырехзначный или пятизначный номер технологического варианта исполнения. Соединенные последовательно аккумуляторы составляют батареи и образуют блок питания. 3.2.1 Основные технико-эксплуатационные характеристики: Удельная энергия -<=130 Вт-ч/кг. Ресурс - до 100 зарядно-разрядных циклов. Срок службы - до 0.5 – 1 год. Диапазон рабочих температур - от 0 до 40 С. В чем причина установки серебряно-цинковых аккумуляторов на борт космических аппаратов? 1. Аккумулятор самый легкий из всех существующих. Удельная энергия СЦ до 130 Вт-ч/кг, а у свинцового всего - 22. Это объясняется тем, что у СЦ аккумуляторов используются пористые электроды, в которых работает вся масса электрода, а в свинцовых – сплошные, и реакция в них происходит только в поверхностном слое. 2. 3. 10 Как видно из уравнения химической реакции в СЦ аккумуляторе реакция происходит без выделения и поглощения газов, что позволяет делать аккумуляторы герметизированными. Это особенно важно для космических аппаратов с их малым свободным объемом. Если бы происходило выделение или поглащение газов, то атмосфера КА наполнялась парами щелочи, что отрицательно сказалось на работе электронной аппаратуры, особенно БЦВМ. В процессе работы аккумулятора не расходуется электролит, что позволяет использовать небольшие количества электролита, который находится в пластинах электродов и сепараторе. Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» 1. 2. 3. Отсутствие «свободного» электролита позволяет использовать аккумулятор в любом пространственном положении. К недостаткам аккумулятора можно отнести: Малый срок службы. Двухступенчатость зарядно-разрядных характеристик, что усложняет и удорожает зарядное устройство, и неудобно для потребителей электроэнергии. Высокая стоимость аккумулятора (серебро). 3.2.2. Устройство серебряно-цинковых аккумуляторов Положительный электрод серебряно-цинкового аккумулятора изготавливается из серебра. Характерной особенностью серебра является легкость его восстановления до металла из соединений. Благодаря этому и хорошей электропроводности на основе его соединений можно конструировать разные химические источники тока. Положительные электроды аккумуляторов изготавливаются из порошка серебра, который прессуется на каркас из серебряной проволоки, отрицательный электрод изготавливается из цинка. В серебряно-цинковых аккумуляторах используется нерастворимый отрицательный электрод. В этом электроде, благодаря применению высокопористого цинкового электрода и малого количества электролита, который в основном находится в порах электрода и сепараторного материала, обеспечиваются значительно лучшие условия для работы цинкового электрода. В отечественных аккумуляторах отрицательные электроды изготавливаются так называемым намазным способом - паста из порошка цинка намазывается на каркас из освинцованной медной проволоки, затем осуществляется подпрессовка и прокалка. Использование пористых электродов позволяет значительно снизить массу аккумулятора (увеличить удельную энергию), поскольку в процессе образования тока участвует весь объем электродов. Для того, чтобы ионы успевали проникать внутрь электродов, их приходится делать тонкими, поэтому в одном корпусе (банке) располагается большое количество положительных Ag и отрицательных Zn электродов, разделенных изолирующим материалом - сепаратором. В ходе разработки серебряно-цинковых аккумуляторов одной из основных проблем явилась проблема сепарации, при малом электрическом сопротивлении и хорошей химической стойкости в щелочи, сепарация 11 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» должна препятствовать продвижению через нее частиц серебра и дендритов цинка. В настоящее время в серебряно-цинковых аккумуляторах получила применение сепарация из целлюлозы, в которую «одевается» отрицательный электрод (рис. 3.2). Эта сепарация не имеет сквозных пор, через которые электролит мог бы свободно диффундировать от одного электрода к другому. Целлофановая сепарация после помещения ее в раствор щелочи впитывает в себя электролит, набухает и увеличивает свою толщину в 2-5 раза. Перенос ионов через такую сепарацию происходит принудительно (под влиянием электрического поля, возникающего в работающем аккумуляторе). Целлофановая пленка довольно легко подвергается окислению окислами серебра и кислородом, выделяющимся на серебряном электроде при перезаряде (заряд свыше номинальной емкости) аккумулятора. Для уменьшения окисления сепаратора на положительный электрод одевается дополнительная сепарация из капроновой ткани – «капроновый чулок». Сборка аккумуляторных блоков в сосуде производится с таким расчетом, что набухающая сепарация создает достаточное давление, препятствующее сползанию активной массы отрицательного электрода и уменьшению роста дендритов цинка. Следует отметить, что целлофановая пленка не отвечает в полной мере требованиям, предъявляемым к сепарации серебряно-цинковых аккумуляторов. При определенных условиях дендриты цинка могут прорастать через целлофан за счет восстановления цинка в толще сепарации, замыкая пластины аккумулятора - основная причина малого срока аккумулятора. Постепенное химическое разрушение сепаратной пленки за счет окисления является другой причиной, ограничивающей в настоящее время срок службы серебряно-цинковых аккумуляторов. Практически электролит в аккумуляторе не расходуется, поэтому oбщее количество его обычно невелико - в порах активных масс и сепарации. При неплотно закрытых пробках он начинает поглощать углекислый газ из воздуха, что ведет к увеличению внутреннего сопротивления аккумулятора. С ростом числа разрядно-зарядных циклов уровень электролита начинает понижаться за счет разложения воды в конце заряда. 12 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Сосуды для аккумуляторов (банки) (рис.3.1,поз.1), в которых размещаются пакеты электродов, и крышки (рис.3.1,поз.2) изготавливаются из полистирола или полиамида методом штамповки или литья под давлением. В крышке аккумулятора имеется отверстие для заливки электролита и вентиляции. Заливочное отверстие закрывается газоотводной пробкой Рис.3.1. Внешний вид аккумулятора (см. рис.3.1 поз. 4). В пробке предусматривается отверстие с клапаном для выпуска скопившихся газов. Пробки водонепроницаемы и открываются только при опреде-ленном избыточном давлении внутри аккумуляторного суда. Сборка аккумуляторного блока (рис.3.2) производится следующим образом: две отрицательные пластины 1 заворачиваются в целлофановую пленку 2, а затем сгибаются по линии 3. 13 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» 1 2 3 4 Рис.3.2. Сборка электродов в аккумуляторный блок: 1-отрицательный электроды, 2-целофан, 3- линия сгиба, 4- выводы отрицательных электродов. Между ними помещается положительный электрод, на который надет капроновый мешок. 3.2.3. Основные рабочие характеристики серебряно-цинкового аккумулятора: а) Приведение в действие. Для этого необходимо выполнить три операции: заливку и пропитку его электролитом, формирование электродов, рабочий заряд. Процесс формирования электродов серебряноцинковых аккумуляторов сложен и занимает длительное время ~ от 70 до 100 часов, поэтому в последние годы разработаны и выпускаются сухозаряженные аккумуляторы, способные работать непосредственно после заливки электролитом и пропитки им сепарации и электродов; Заряжаются обычно аккумуляторы номинальным током. Для большинства серебряно-цинковых аккумуляторов им является ток 10-20 часового заряда. б) Зарядно-разрядные характеристики. На рис. 3.3. представлены зарядные характеристика аккумулятора. Первая ступень (напряжение 1,62-1,65В) соответствует образованию полуокиси серебра и составляет около 25-50% от общей длительности заряда. Вторая ступень (напряжение 1,92-1,95В) соответствует образованию окиси серебра, и заряд на этой ступени занимает около 70% времени. 14 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Когда зарядное напряжение достигает 2В, начинается разложение воды и выделение кислорода на положительном электроде. Продолжение заряда аккумулятора не только бесполезно, но и вредно, поскольку при этом происходит только разложение воды, выделяющийся на серебряных электродах кислород окисляет целлофан, уменьшая его механическую прочность. Пологие участки зарядной характеристики имеют очень малый наклон. Это объясняется тем, что потери в СЦ аккумуляторе малы. Зарядная характеристика СЦ аккумулятора чрезвычайно неудобна в работе: а) зарядное устройство должно обеспечивать скачок напряжения. Это должен быть источник тока (внутреннее сопротивление источника должно быть большим, чтобы ток не зависел от сопротивления нагрузки); U, B 2Iн 2.0 Iз=Iн 10Iн 1.8 1.6 1.4 0.25 0.5 0.75 1.0 Qз/Qн Рис.3.3. Зарядные характеристики при различных токах заряда б) в силу пологости характеристик нельзя определить заряжен аккумулятор или нет; в) категорически запрещено включать на зарядку акку-муляторы параллельно, поскольку у одного аккумулятора можно «высушить» электролит, разлагая воду. Заряд аккумулятора токами больше чем номинальный приводит к тому, что он принимает меньший заряд (рис. 3.3), поскольку при 15 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» увеличении тока заряда химические процессы происходят только на поверхности электродов, что приводит к уменьшению емкости аккумулятора. в) Разряд аккумулятора. (разрядные кривые представлены на рис. 3.4.) По оси аргументов использована относительная координата: отношение отдаваемой емкости Qр (а-час) к емкости разряда при номинальном разрядном токе Qн. С ростом разрядного тока величина напряжения на клеммах аккумулятора падает, уменьшается также отдаваемая емкость (рис.3.4). При разряде аккумулятора небольшими токами (Iраз=200ºС – никель Ni. Чтобы обеспечить нормальную работу топливных элементов, требуются специальные электроды (рис.3.20). Такой толщины пластины хватает на обеспечение разности давлений между жидкостью и газом ±0,5атм. Электрод должен быть двухслойным. Первый тонкий слой с малыми отверстиями покрыт смачивающим веществом, которое создает капиллярную силу, выталкивающую жидкость в сторону газа. Вторая, более толстая часть электрода имеет отверстия 30-50 мкм, которые покрыты 31 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» несмачивающим веществом, что стремится вытолкнуть жидкость в сторону электролита. Например, давление в жидкости повысилось. За счет этого жидкость продвигается в сторону газа, несмачивающая сила увеличивается, компенсируя избыток давления. В настоящее время электроды делаются из проволоки по методу технологии «метало-резина». Теоретически размеры топливного элемента могут быть сколь угодно большими. Однако на практике несколько элементов объединяются в небольшие модули или батареи, которые соединяются либо последовательно, либо параллельно. 3.5.2. Классификация топливных элементов Существуют различные типы топливных элементов. Их можно классифицировать, например, по используемому топливу, рабочему давлению и температуре, по способу удаления воды. а) по виду топлива: на основе Н2 и О2. Продукт реакции – тепло, электрическая энергия и вода. Для КА это самый удобный тип топлива, поскольку вода и кислород могут использоваться в системе жизнеобеспечения (СОЖ). в принципе ТЭ могут работать на любом топливе. б) по рабочей температуре: низкотемпературные – до 100ºС («Шаттл», «Джемини»). Выделение низкотемпературной группы ТЭ объясняется способами сбора воды, поскольку для этих ТЭ она находится в жидком состоянии; среднетемпературные – до 260º–300ºС («Аполлон»). Для этих ТЭ характерна максимальная скорость реакции. высокотемпературные – 1000ºС. Применение на КА таких ТЭ проблематично из-за высокой температуры и сложностью отвода тепла. Ведутся интенсивные работы по созданию ТЭ для земных нужд, работающему на природном газе и кислороде воздуха при температуре 500-7000С с КПД около 70%. в) по способу сбора воды: фитильный (как в керосиновой лампе). Использовался на «Джемени», очень медленная приспосабливаемость; 32 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» испарительный, характерен для среднетемпературных ТЭ, где вода находится в газообразном состоянии; динамический: используется камера с низким парциальным давлением воды, соединяемая с водородной газовой камерой с помощью мембраны с односторонней проводимостью воды. г) по виду электролита: жидкий, используется расплав КОН при температуре около 2500 С; твердый (ионно-обменная мембрана), носитель заряда - ион водорода; матричный, используется материал с микропорами – асбест, в который заливают жидкий электролит. 3.5.3. ВАХ топливного элемента В 1.23 1 2 3 J A/cm2 0 50 100 150 200 250 Рис.3.21. Вольтамперная характеристика ТЭ Вольтамперная характеристика ТЭ на кислороде – водороде (рис.3.21.) может быть разделена на три участка в зависимости от процесса, определяющего падение напряжения. ЭДС такого ТЭ составляет 1.23 В. 1-й участок: характеризуется расходом энергии на организацию химического процесса (химическая поляризация) (рис.3.21, участок 1); 33 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» 2-й участок характеризуется преимущественным падением напряжения на «омических» элементах - на электродах и электролите; 3-й участок - ионы не успевают поступать внутрь электродов, нехватка концентрации ионов (концентрационная поляризация). Увеличение температуры электролита приводит к уменьшению затрат энергии на организацию химического процесса, и при температуре около 20000 С процесс идет самостоятельно. Изменение температуры мало влияет на величину падения напряжения на участке 2. На участке 3 начальное увеличение температуры ведет к росту энергии ионов – наклон уменьшается. Рост температуры вызывает увеличение колебаний молекул электролита, что затрудняет движение ионов, скорость движения ионов падает. Таким образом, существует оптимальная температура электролита, при которой падение напряжения на участке 3 будет минимальным. Для электролита КОН с концентрацией 1.8 оптимальная температура составляет около 250о С. Для того, чтобы электролит оставался жидким, необходимо давление порядка 4.5 атм. Для топливных элементов нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. В существующих топливных элементах от 60 до 70% энергии топлива непосредственно превращается в электричество. Топливные элементы могут в недалеком будущем стать широко используемым источником энергии на транспорте, в промышленности и домашнем хозяйстве. Высокая стоимость топливных элементов ограничивала их применение военными и космическими приложениями. Предполагаемые использования топливных элементов включают их применение в качестве переносных источников энергии для армейских нужд и компактных альтернативных источников энергии для околоземных спутников с солнечными батареями при прохождении ими протяженных теневых участков орбиты. Небольшие размеры и масса топливных элементов позволили использовать их при пилотируемых полетах к Луне. Топливные элементы на борту трехместных кораблей «Аполлон» применялись для питания бортовых компьютеров и систем радиосвязи. Топливные элементы можно использовать в качестве источников питания оборудования в удаленных районах, для внедорожных транспортных средств, например, в строительстве. В сочетании с электродвигателем постоянного тока топливный элемент будет эффективным источником движущей силы автомобиля. 34 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Для широкого применения топливных элементов необходимы значительный технологический прогресс, снижение их стоимости и возможность эффективного использования дешевого топлива. При выполнении этих условий топливные элементы сделают электрическую и механическую энергию широко доступными во всем мире. 3.5.4. Устройство жидкостного топливного элемента ТЭ с жидким электролитом использовался при полетах на Луну аппаратов «Аполлон». В качестве электролита применялся расплав КОН концентрации 1.8. При температуре ниже 200 градусов этот электролит не проводит электрический ток, поэтому для работы его необходимо предварительно разогреть, используя какой-либо источник. В качестве основного конструкционного материала используется никель, поскольку он хорошо работает при повышенных температурах и является катализатором. Срок службы такого ТЭ около 500 часов. Основные достоинства: возможность получения большой плотности тока – до 250 миллиампер на квадратный сантиметр, использование дешевого катализатора и материала конструкции, поскольку электролит в реакции не участвует, ТЭ имеет его в малом количестве, поэтому толщина ТЭ составляет несколько миллиметров. 35 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Рис. 3.22. Устройство жидкостного топливного элемента 1 – гибкий корпус из Ni, 2 - газокислородная камера из Ni, 3 – кислородный электрод, Ni-проволока, 4 – электролит, расплав КОН, 5 – фторопластовый сепаратор, 6 - газоводородная камера, 7 – отрицательный электрод, 8 – изолятор. Недостатки ТЭ с жидким электролитом: для начала работы ТЭ необходимо его разогреть до температуры 200-2500 С, для поддержания ТЭ в рабочем состоянии необходимо потреблять электрический ток вне зависимости, нужен он в это время или нет, малый срок службы, нужна хорошая система охлаждения. Конструктивно ТЭ выполняется в виде двух половинок из никелевого корпуса (рис. 3.22, поз.1), разделенных (электрически) изолятором 8. Электроды двухслойные, выполнены их никелевой 36 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» проволоки. Газовые камеры 2 и 6 получают штамповкой из никеля и приваривают в нескольких местах к электродам. Между электродами, для предотвращения замыкания, располагается фторопластовый сепаратор 5. Для обеспечения давления внутри топливного элемента, его корпус 1 (рис.3.22) делается гибким. Необходимое количество топливных элементов (для получения напряжения 27В ТЭ соединяют последовательно) помещается в цилиндр, где создается внутреннее давление. Так как корпус не соединяется с внешней средой, то внутри него не образуются пузыри воздуха, тем самым обеспечивается надежность топливного элемента. Для отвода тепла и обеспечения заданной температуры электролита и электрода Н2 используется продувка Н2 через газоводородную камеру. Вместе с водородом из газовой камеры выносятся пары H2O, которые конденсируют путем охлаждения. Отличительной особенностью топливного элемента является то, что в реакцию вступают только H2 и О2. Все примеси, которые присутствуют в газах, скапливаются в газовых камерах, уменьшая площадь контакта H2 и О2 с электролитом, уменьшается ток либо напряжение. Для предотвращения этого периодически производят продувку газовых камер, выбрасывая наружу их содержимое. Потери H2 и О2 за счет продувки – 10-14%. 3.5.5. Топливный элемент с ионно-обменной мембраной (ИОМ) Топливный элемент на основе ИОМ в течение многих лет эксплуатируется на МКА «Шаттл». Эти ТЭ обладают рядом достоинств по сравнению с ТЭ с жидким электролитом: большой срок службы (до 5000 часов); постоянная готовность к работе; при отсутствии потребления энергии не расходуется топливо. В ИОМ-ах используется самый легкий ион – Н+ (рис.3.23.). Это позволяет затрачивать на его движение минимум энергии и получать высокую скорость движения ионов. Существуют 2 типа ИОМ: 1. с предельной температурой 42ºС; 2. на основе фтора с предельной температурой 82ºС. 37 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Рис. 3.23. Устройство ТЭ с ионнообменной мембраной 1 – газокислородная камера, 2 – СТР, 3 – система сбора H2О, 4 – положительный электрод, 5 – твердый электролит – ионнообменная мембрана, 6 – водородный электрод 7 - газоводородная камера. Топливные элементы на основе ИОМ – низкотемпературные. Максимальная плотность тока первой ИОМ – 25-30 мА/см2, второй ИОМ – до 200 мА/см2. В этом ТЭ H2О образуется на кислородном электроде и выделяется тепло. ИОМы критичны к температуре и влажности. При подсыхании ИОМ растрескиваются (при увеличении температуры), уменьшая отдаваемый ток. Газовые камеры выполняются из титана Ti, электроды – титановая проволока, покрытая в один – два молекулярных слоя платиной Pt. Сбор воды на первых ТЭ производился с помощью фитилей, на современных ТЭ – путем использования камеры низкого парциального давления воды и ее динамического отсоса. Срок службы современного топливный элемент с ИОМ достигает 5000 часов. 3.5.6. Энергетическая система на базе ТЭ Как отмечалось выше, ТЭ может работать только при наличии обеспечивающих систем. Система хранения и подачи компонентов (СХиП) рабочих тел (рис.3.24.) обеспечивает хранение водорода и кислорода и подачу их в ТЭ при заданных температуре и давлении. Система может строиться на основе газобаллонного и криогенного хранения рабочих тел. Одним из 38 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» достоинств водородно-кислородного топлива является его высокая H2 О Система хранения и подачи ЭХГ Потребители СТР Система управления Н Q Рис. 3.24. Структура системы электроснабжения на базе топливных элементов удельная энергия q=2540Вт-час на килограмм массы. Из таблицы видно, что для водородно-кислородных ТЭ наиболее целесообразно криогенное хранение рабочих тел. Таблица. Способы хранения и подачи водорода и кислорода №/№ Способ хранения Удельная энергия, Вт-ч/кг 1 без систем хранения и подачи 2540 баллонная система хранения 130 2 металлическая баллонная система хранения 260 3 композитная 4 криогенная система хранения 1580 Газобаллонная система позволяет хранить запасы топлива достаточно долгое время при больших перерывах в работе, обеспечение и регулирование заданного давления водорода и кислорода осуществляется 39 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» просто, но баллоны тяжелы, что значительно снижает удельную энергию СЭ. Криогенная СХиП обеспечивает высокое значение удельной энергии, но является очень сложной, дорогой и позволяет совершать полет не более 2 недель. Сохранение компонентов в жидком состоянии осуществляется путем «захолаживания», т.е. испарения компонентов. Поэтому, если нет потребления компонент, расход их продолжается, обеспечивая жидкое состояние за счет теплоты испарения. Криогенный бак представляет собой две полированные емкости, вставленные одна в другую, пространство между ними вакуумируется. При работе ТЭ необходимое количество кислорода и водорода зависит от потребляемой электроэнергии. Для получения необходимого количества газообразных водорода и кислорода внутри бака имеется нагреватель, управляемый от давления в баке. В баке также имеется вентилятор, обеспечивающий перемешивание жидкости (что особенно важно в условиях невесомости). Защиту от высоких давлений осуществляет дренажный клапан. На выходе криогенного бака стоит насос, обеспечивающий необходимое давление газов в рабочих камерах ТЭ. Учитывая сложность криогенной системы и особые условия ее работы, понятно, почему первая авария с СЭС произошла на «Аполлоне 13», где взорвался кислородный криогенный бак. Электрохимический генератор (ЭХГ) представляет собой генератор электрической энергии на основе ТЭ, объединенных в батарею. Для получения необходимого напряжения соединяют последовательно до 30 ТЭ, при этом газовые камеры ТЭ находятся под напряжением относительно друг друга, поэтому для подачи водорода и кислорода в ТЭ необходимо использовать трубопроводы, выполненные из изоляционного материала. Обычно подача рабочих тел и продувка обеспечиваются через параллельно соединенные трубопроводы. В состав ЭХГ входит также подсистемы отвода воды и тепла. Подсистема сбора воды может быть статической с использованием фитилей или созданием градиента давления водяных паров из зоны электрохимической реакции во влагоотделительную полость или динамической с циркуляцией водорода через осушительные камеры. Вода обычно используется в системе обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) экипажа. 40 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Подсистема отвода тепла от ТЭ обеспечивает сбор тепла и передачу его в систему терморегулирования (СТР) КА. Система управления (СУ) обеспечивает автоматическое управление всеми элементами энергосистемы в зависимости от количества потребляемой электроэнергии В качестве примера рассмотрим основные параметры энергетической системы многоразового КА «Шаттл» на основе топливных элементов. Мощность, кВт: 4 минимальная 14 максимальная пиковая: 20 в течение 60 мин. 24 в течение 2 мин Род тока Постоянный Напряжение постоянного тока, В 27.5 – 32.5 Энергоемкость, кВт-ч: 1480 номинальная 50 для полезного груза 120 аварийная Вода в СОЖ, вырабатываемая ЭХГ, кг 500 Кислород для СОЖ, хранимый в баках ЭУ, кг 100 Ресурс одного цикла, сут. 7 Число циклов 100 Общий ресурс, час 5000 Время жизни, лет 10 Продолжительность предстартовой подготовки, 24 час Продолжительность поддержания готовности к 24 запуску, час 4. Термоэлектрические генераторы Проблема поиска источников энергии, способных в автономном режиме обеспечивать электропитание, весьма актуальна. Использование принципа прямого преобразования тепловой энергии в электрическую 41 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» позволяет решить поставленную задачу. Среди известных систем, использующих этот принцип (термоэмиссионные, термоэлектрические преобразователи и МГД-генераторы), с электрической мощностью до нескольких киловатт, длительным ресурсом (более десяти лет), высокой надежностью, автономностью в настоящее время обладают только системы с термоэлектрическими преобразователями, что делает их наиболее предпочтительными для использования в качестве автономных источников тока. Принцип действия. При нагревании одного конца проводника носители электричества перемещаются от нагретого конца к холодному, создавая разность потенциалов (рис.4.1а). Т1 Т1 - - Т1 ЭДС Т2 Т2 + тепло а) б) Рис. 4.1. Принцип действия термоэлектрического генератора Для снятия разности потенциалов потребуется второй проводник, один конец которого также нагреется и в нем создастся разность потенциалов (рис. 4.1б). Если взять проводники из одинакового материала, то суммарная разность потенциалов всегда будет равна нулю. Проводники должны быть из разных материалов. Лучшая пара металлических материалов медь-константан имеет ЭДС 46.3 миллиВольта при разности температур 1000о и КПД около 0.7%. КПД термоэлектрического преобразователя определяется термическим КПД и КПД преобразования 42 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» η = ηт *ηпр Термический КПД зависит от разности температур горячего Т2 и холодного Т1 концов ηт = (Т2 - Т1)/ Т2 , и для металлического термоэлемента максимум составит около 80%. Следовательно КПД преобразования не превышает 10%. Это объясняется тем, что в металле одинаковые носители – электроны, и разности потенциалов, полученные в каждом проводнике, вычитаются (рис. 4.1б). Соединение проводников, подвергающееся нагреву носит название «горячий спай», ненагреваемое – «холодный спай». Такой термоэлемент не используется для получения электроэнергии, а применяется для измерения температуры и носит название «термопара». Для получения электроэнергии необходимо повысить КПД преобразования, что возможно осуществить, используя полупроводники с разными носителями – p и n. В этом случае КПД преобразования становится значительно выше. Однако для наиболее распространенных кремниевых полупроводников предельная температура составляет 1500 С и общий КПД не превышает 7-10%. Полупроводниковые материалы, использующиеся в таких генераторах, должны иметь как можно больший коэффициент термо-э.д.с., хорошую электропроводность и малую теплопроводность. р Соединительные пластины n p тепло Рис. 4.2. Устройство полупроводникового ТЭГ 43 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Последнее необходимо для того, чтобы получить значительный перепад температуры между холодными и горячими спаями кристаллов. Этим требованиям лучше всего удовлетворяют сильно легированные полупроводниковые материалы (полуметаллы). 0.25 Напряжение, В 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Ток, А Рис. 4.3. Вольтамперная характеристика ТЭГ Устройство полупроводникового ТЭГ показано на рис. 4.2. Батарея термоэлементов собирается из кристаллов p и n, размещенных между нагреваемой и охлаждаемой поверхностями (рис.4.2.). Полупроводниковые элементы p и n располагаются поочередно таким образом, чтобы ЭДС суммировались (показаны стрелками). Для соединения полупроводниковых элементов используют металлические пластины. Поскольку для работы в термоэлектрическом генераторе не требуется высокая чистота применяемых материалов, то генераторы получаются относительно дешевыми и успешно работают в условиях проникающей радиации. Для разогрева может использоваться побочное тепло (солнечный свет, стенка разогревающейся при работе установки) и тепло от специального генератора (радиоизотоп, атомный реактор). Несмотря на малый КПД, не превышающий 10%, термоэлектрические генераторы нашли широкое применение для питания переносных устройств электроники. Объясняется это простотой эксплуатации, высокой надежностью, небольшой стоимостью. Внешняя характеристика одного из термоэлементов (рис.4.3) достаточно круто спадает, поэтому для такого генератора не опасны 44 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» короткие замыкания, но ТЭГ могут использоваться в силу этого как индивидуальные источники. Рис. 4.4. Внешний вид ТЕБ радиально-кольцевой конструкции В отечественных промышленных и опытных термоэлектрических генераторах (ТЭГ) на природном газе максимальная единичная электрическая мощность не превышает 150 Вт. Единичная мощность работающих ТЭГ с атомно-реакторным нагревом достигает 5 кВт. Наиболее рациональным источником тепла для КА являются изотопы. Это сочетание полупроводникового ТЭГ и изотопа позволяют создать источники, работающие надежно много лет. ТЭГ для космической техники имеют небольшую мощность и используются в качестве сверх аварийных источников для целей включения пиросредств. На обитаемых спутниках такой источник получается слишком тяжелым из-за радиационной защиты. Термоэлектрические батареи (ТЭБ) могут быть как плоской так и радиально-кольцевой формы. Общим недостатком ТЭБ плоской геометрии является существенная деградация электрической мощности и системного КПД при многократном термоциклировании и из-за роста внутреннего электрического сопротивления. Эти недостатки могут быть устранены применением ТЭБ радиально-кольцевой геометрии (рис.4.4.). Она позволяет значительно сократить потери тепла по конструктивным элементам Цилиндрические элементы с передачей теплоты по радиусу конструктивно хорошо сопрягаются с наиболее распространенными как в ядерной энергетике, так и в теплотехнике трубчатыми конструкциями теплообменников. Это позволяет получить в цилиндрических конструкциях более высокие удельные энергетические характеристики за счет снижения массы конструктивных элементов 45 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» В настоящее время ООО "ФОТОН" корпорации НПО "РИФ" осуществляет изготовление и испытания ТЭБ радиально-кольцевой конструкции. Таблица. 4.1. Некоторые термоэлектрические генераторы, выпускавшиеся в СССР Тепло вая мощно сть РИТ, Вт КП Электрическ Д, ая % мощность РИТЭГа, Вт Выходное электрическ Масса Начало ое РИТЭГ производст ва напряжение а, кг РИТЭГа, В Эфир- 720 МА 30 4.2 35 1250 1976 ИЭУ-1 2200 80 3.6 24 2500 1976 Гонг 315 18 5.7 14 600 1983 ИЭУ1М 2200 120 (180) (3300) 5.4 5 28 2 (3) x 1990 1050 Принятые в таблице 4.1 сокращения: РИТ- радиоизотопное топливо, РИТЭГ – радиоизотопный термоэлектрический генератор. Таблица 4.2. Термоэлектрические генераторы, использовавшиеся на спутниках США Характеристика SNAP-9A SNAP-11 IMP COMSAT Космический Транзит – 4 Сервейер IMP COMSAT аппарат Топливо Pu238 Cm242 Pu238 Sr90 Максимальная электрическая 25 21-25 25 30 мощность, Вт КПД, % 4.8 – 5.2 Масса, кг. 12.3 13.6 9.6 11.4 1-3 Ресурс, месяцы 6 2-6 5-10 лет года 5. Солнечные батареи 46 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Преобразование солнечной энергии напрямую в электрическую сулит большие выгоды при использовании на КА. Поэтому уже в 1958 году СССР и США разработали и поставили на борт КА первые солнечные батареи. Солнечная батарея представляет собой совокупность преобразователей света в электричество (ФЭП) и конструктивные элементы - панели, обеспечивающие механическую прочность, геометрическую неизменяемость и крепление их к конструкции КА. За небольшой срок произошло бурное развитие теории фотопреобразователей (ФЭП), разработаны новые конструктивные и технологические решения. Так КПД ФЭП увеличился с 7% первых солнечных батарей до 42% в экспериментальных установках. Увеличился размер ФЭП с 10*20 мм до 150*150мм в современных батареях, что позволяет снизить массу за счет коммутационных соединений и уменьшения площади батареи. Увеличен срок службы за счет применения гибкого соединения ФЭП, что уменьшает механические напряжения в преобразователях при переходе с освещенной стороны в тень и обратно. К основным достоинствам солнечных батарей необходимо отнести: первичная энергия для получения электроэнергии находится в космосе. Недостатки: 1. небольшой срок службы (вместе с солнечным светом на ФЭП попадают микрочастицы, летящие с Солнца); 2. значительно ухудшается маневренность КА не только за счет значительного увеличения момента инерции КА, а также за счет снижения максимальных угловых скоростей и ускорений, определяемых прочностью панелей солнечных батарей; 3. сложность размещения панелей под обтекателем; 4. высокая стоимость электроэнергии из-за использования большой массы монокристаллического кремния (стоимость 1кВт*ч электроэнергии достигает 40$); 5. относительно низкий КПД (около 15%); 6. рационально использовать их только на околоземных орбитах и для полета на Марс и Венеру. 5.1. Фотоэлектрические преобразователи Солнечное излучение как первичный источник энергии обладает рядом специфических особенностей, которые необходимо учитывать при определении рациональных путей и способов использования этого 47 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» источника. Можно выделить несколько характеристик Солнца как источника энергии в том месте пространства, где проходит траектория полета космического аппарата. Энергетические характеристики – это зависимость плотности потока солнечного излучения от длины волны и расстояния до Солнца на поверхность перпендикулярную потоку света. Солнце имеет непрерывный спектр излучения. Распределение энергии в спектре Солнца весьма неравномерно и истинная кривая спектральной плотности имеет довольно сложный вид, однако распределение энергии в спектре Солнца достаточно близко к спектру абсолютно черного тела при температуре 58000 К (рис. 5.1.). Основная часть энергии Солнца приходится на короткую часть спектра - синюю и ультрафиолетовую. Длинная часть спектра, обладая малой энергией, не способна создавать электричество, но ведет к нагреву солнечных батарей, поэтому от нее стараются избавиться. На первых солнечных батареях использовали защитное покрытие синего цвета (не пропускающее красную и инфракрасную часть спектра), в настоящее время фотопреобразователи делаются прозрачными для этой части спектра. 2500 Удельная энергия 2000 1500 1000 500 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Длина волны,мкм Рис. 5.1 Спектральная характеристика солнечного излучения 48 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Ввиду конечных и достаточно больших размеров Солнца солнечные лучи не параллельны и имеют некоторый угловой параметр. Этот параметр особенно важен, когда концентрируют солнечную энергию. Таблица. Энергетические и геометрические характеристики солнечного излучения Параметр Меркурий Энергия Е, 9250 Вт/м2 Угол, ψ, 81 угловые сек. Венера Земля Марс Юпитер Сатурн 2730 1373 610 52 15.4 44 32 21 7 4 Из таблицы видно, что использовать солнечное излучение рационально в пределах Венера-Марс. Основными полезными видами энергии, которые используются на борту, являются электрическая, механическая, тепловая и световая. Разнообразная бортовая аппаратура потребляет главным образом электрическую энергию. Необходимо отметить, что солнечное излучение - это единственный первичный источник, энергия которого может быть непосредственно преобразована во все полезные виды энергии (рис. 5.2). 49 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Солнечный свет Фотопреобразователи Электричество Солнечные источники тепла Солнечный парус Прямые преобраз. тепло Машинные преобразоват. Рис. 5.2. космосе Концентра торы Свет Механичес кая энер. Схема основных путей преобразования солнечной энергии в В качестве преобразователя свет-электричество наибольшее распространение получили преобразователи на основе pn – перехода, изготавливаемые из кремния и, реже, арсенида галлия. Фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) представляет собой плоскую пластину, размером от 20*10 мм до 180*180 мм. В основе ФЭП лежит pn – переход, образуемый соответствующими полупроводниковыми пластинами (рис. 5.3, поз. 3 и 4). Сверху ФЭП закрыт защитным покрытием 1. Защитное покрытие выполняет несколько функций: а) защищают переход от внедрения примесей в полупроводники (вместе с потоком солнечного света движутся потоки микрочастиц); б) поверхность защитного покрытия должна иметь малый коэффициент отражения, чтобы энергия солнечных лучей использовалась как можно полнее; в) до недавнего времени защитное покрытие было синего цвета, для защиты от красной части спектра. В настоящее время защитное покрытие выполняется прозрачным для красной части спектра. Токосъемник 2 (рис.5.3.) должен, с одной стороны, располагаться по всей поверхности для уменьшения переходного сопротивления. С 50 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» другой – его площадь должна как можно меньше закрывать полупроводник. На практике токосъемник 2 выполняется в виде полосок металла, занимающий около 11% площади ФЭП (11% ФЭП не освещены Солнцем и не вырабатывают электроэнергию). Сам ФЭП чаще всего выполняется из двух полупроводников n и p – типов, причем n полупроводник делается тонким (рис.5.3, поз.3) для того, чтобы свет проходил через него не расходуя свою энергию, и во втором толстом слое (рис.30, поз. 4) отдавал энергию, высвобождая носитель. Толщина р-слоя должна быть больше длины свободного пробега фотона света (около 0.5 мм.). В настоящее время нижний токосъемник 5 делают зеркальным и толщина р-полупроводника уменьшается вдвое. Нижний токосъемник 5 для солнечных батарей низколетящих спутников делается сплошным и зеркальным с обеих сторон. Выяснилось, что отраженный от земной поверхности свет и тепло разогревают ФЭП и уменьшают его энергию на 20%. В последних разработках ФЭП применяют три слоя полупроводников, используется энергия отраженная от Земли, отдача ФЭП увеличивается соответственно на 20%. Принцип работы ФЭП основан на том, что фотон света, пройдя через тонкий n – полупроводник, в толстом р - слое отдает свою энергию, создавая пару электрон – дырка, которые переходят в соответствующую область. 51 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» 1 2 3 4 5 Рис. 5.3 Структура фотоэлектрического преобразователя 1 - защитное покрытие, 2 – токосъемник, 3 – n-полупроводник, 4 – p-полупроводник, 5 – токосъемник и металлическое зеркало. ЭДС кремниевого ФЭП на уровне орбиты Земли (поток света перпендикулярен пластинке ФЭП) составляет около 0.6 В. Вольтамперная характеристика идеального ФЭП представляет собой совокупность характеристик источника напряжения (величина напряжения не зависит от тока нагрузки) и источника тока (величина тока не зависит от сопротивления нагрузки) (Рис. 5.4.крив. 1). Падение напряжения с ростом тока нагрузки обусловлено наличием сопротивлений токосъемников и самого полупроводника. При коротком замыкании ФЭПа ток ограничен, поскольку его величина определяется количеством фотонов. Такая характеристика ФЭП с одной стороны хороша, поскольку невозможно вывести его из строя даже коротким замыканием. С другой стороны, иногда требуется немного увеличить ток, но ФЭП этого не может сделать и выдает нулевое напряжение, то есть отключает нагрузку. Фотоэлектрические модули с защитным покрытием из текстурированного закаленного стекла на базе монокристаллических 52 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» кремниевых фотоэлектрических преобразования света - 15-20%. Напряжение, В элементов имеют высокий КПД 1 0.6 2 0.4 0.2 0 0 0.01 0.02 Плотность тока 0.03 А/см2 Рис.5.4. Вольтамперная характеристика кремниевого ФЭП 1- идеальный ФЭП, 2 - реальный ФЭП. КПД солнечных батарей удалось довести до рекордного значения 42,8 процента. Предыдущий рекорд составлял 40,7 процента, но для области, где выигрыш в 0,2 процента - норма, а в один процент - прорыв, это очень значительный шаг. Для достижения результата понадобились объединенные усилия целого ряда лабораторий, исследовательских центров и коммерческих предприятий. Конечной целью является создание дешевой портативной солнечной батареи. Перед учеными поставлена задача довести КПД до 50 процентов. В настоящее время запускается следующая стадия проекта: переход от лабораторных исследований к созданию работающего прототипа. Предполагается, что это займет три года и потребует около ста миллионов долларов. 53 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Основные потери энергии в солнечных батареях связаны с отражением части солнечного излучения от поверхности, прохождением части излучения через преобразователь без поглощения, внутренним сопротивлением преобразователя и другими физическими процессами. В кремниевой батарее, созданной университетом Делавэра, для уменьшения потерь солнечный свет расщепляется специальной оптической системой на три области с различным уровнем энергии и направляется на три ячейки разной чувствительности: высокой, средней и низкой. 5.2. Солнечные батареи Солнечные батареи космических летательных аппаратов представляют собой сложные электромеханические устройства, обеспечивающие электрическое соединение ФЭП, их размещение на единой несущей основе, прочность и устойчивость всей конструкции при вибрации и маневрах, размещение под обтекателем, возможность раскрытия, монтажа и ориентации в условиях космоса. Солнечные батареи (СБ) бывают ориентируемые и неориентируемые. Ориентация СБ может осуществляться по одной или двум координатам. Неориентируемые СБ жестко крепятся к корпусу КА или являются составной частью корпуса КА. В зависимости от механических характеристик несущей опоры, или подложки, СБ разделяют на конструкции с жесткой, полужесткой и гибкой несущими поверхностями. Жесткая несущая конструкция СБ выполняется в виде крыла, на которое накладываются ФЭП, имеет высокие резонансные частоты и малые прогибы панелей. Удельная мощность таких СБ – 20-40 Вт/кг конструкции. Гибкие солнечные батареи имеют подложку с нулевой жесткостью изгибу, развертывается и удерживается в рабочем положении с помощью раскладных мачт, балок или пантографов. Конструкция СБ с гибкой несущей поверхностью могут быть двух типов: свертываемые или рулонные, складные или пакетные. Удельная мощность – 40-80 Вт/кг. Основной вклад в массу СБ дают ФЭП. Поэтому актуальной является задача уменьшения их толщины и увеличения КПД. Наиболее перспективны в этом отношении ультратонкие ФЭП (до 50мкм), применение ФЭП больших размеров. Ожидается увеличение удельной мощности до 200Вт/кг. 54 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Для получения необходимого напряжения и тока ФЭП приходится соединять последовательно и параллельно. В солнечных батареях старого типа соединялось до нескольких сот тысяч элементов. Это приводило к большому весу соединительных проводов, но при отказе до 80% ФЭП батарея продолжала работать. Используемые в настоящее время ФЭП имеют большие размеры и создают ток до 6А на один элемент. Для получения напряжения 27 В и тока 200А необходимо последовательно соединить 54-55 элементов и параллельно 34 ветви. Таким образом, солнечная батарея содержит всего 1870 элементов. При электрическом соединении ФЭП возникает дилемма: делать все соединения (как последовательные, так и параллельные) - получаем высокую надежность СБ, но большую массу, если соединять последовательно все 54-55 ФЭП и эти «веточки» соединять параллельно – получаем минимальную массу, но и низкую надежность, и малый срок службы. Вторая проблема: при использовании СБ взаимодействие тока, текущего по соединительным проводам СБ и магнитным полем Земли приводит к возникновению силы и момента, что вызывает разворот КА. Третья проблема связана со статической электризацией панелей СБ. Постепенное накапливание заряда статического электричества на поверхности СБ может вызвать пробой и порчу ФЭП. Для устранения этого явления на панели СБ наклеивают токопроводяшие пленки (снижение КПД). 5.3 Космические фотоэлектрические преобразователи и солнечные батареи Повышение требований к бортовым системам космических аппаратов (КА) приводит к необходимости создания солнечных батарей (СБ), обладающих более высокими энергетическими и эксплуатационными характеристиками с увеличенным ресурсом работы. Наиболее перспективным путем решения этих задач является создание СБ на основе фотоэлектрических преобразователей из арсенида галлия и родственных ему соединений. Солнечные фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) на основе арсенида галлия обеспечивают существенное увеличение КПД, удельного энергосъема и радиационной стойкости космических СБ по сравнению с батареями на основе кремния. ФЭП на основе AsGa обеспечивают: 55 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Большее значение КПД, достигающее в условиях космоса величины до 25% в ФЭП с одним р-п переходом в GaAs и до 30% в каскадных ФЭП. Улучшение радиационной стойкости, обеспечивающее увеличение срока эксплуата-ции СБ до 15 лет на геостационарных орбитах. Возможность работы при высоких степенях концентрирования солнечного излучения при одновременном повышении КПД до значений 30-35%. За последние десятилетия накоплен большой отечественный и зарубежный опыт эксплуатации космических ФЭП и СБ на основе GaAs и соединений. Показано, что GaAs-ФЭП обеспечивают увеличение КПД, удельного энергосъема, радиационной стойкости и других параметров по сравнению с кремниевыми СБ. Большой коэффициент поглощения солнечного излучения в арсениде галлия позволяет сохранить высокий КПД при уменьшении толщины структуры ФЭП до величины менее 10 мкм, что обеспечивает снижение более чем на порядок расхода арсенида галлия и, как следствие этого, снижение в 2-3 раза веса солнечных батарей. В таких тонкопленочных ФЭП с толщиной активной области порядка 5 мкм возможно достижение высокой двусторонней чувствительности и повышение на 20-25% энергосъема в космосе за счет использования аль-бедо Земли. ФЭП из GaAs наряду с повышением эффективности обеспечивают также улучшение радиационной стойкости, что приблизительно в 2 раза увеличивает ресурсработы космических СБ. Как показали многолетние исследования по деградации космических СБ под действием радиационного облучения, степень деградации существенно зависит от параметров орбиты космического аппарата (КА). Для низкоорбитальных КА (770 км) деградация СБ на основе кремния и GaAs-GaAlAs составляет соответственно 15% и 5% в течение 5 лет пребывания КА на орбите. Для КА на геостационарных орбитах деградация составляет 31% (Si) и 16% (GaAs) в течение 15 лет пребывания на орбите. Для радиационно-опасных орбит (7400 км при угле наклона 50°), деградация оставляет 49% (Si) и 22% (GaAs) в течение 5 лет пребывания на орбите. Поэтому применение для энергоснабжения КА батарей на основе GaAs дает значительный экономический эффект по сравнению с СБ на основе кремния, несмотря на более высокую стоимость таких СБ. Чрезвычайно важным преимуществом GaAs ФЭП является их 56 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» способность эффективно преобразовывать 100-1000-кратно концентрированное солнечное излучение. Это позволяет снизить расход GaAs полупроводниковых материалов пропорционально степени концентрирования и, следовательно, существенно снизить стоимость "солнечной" электроэнергии. Дополнительными преимуществами при переходе к концентраторным СБ в космосе являются: возможность организации защиты фотопреобразователя элементами конструкции концентрирующей системы от ионизирующих излучений; возможность выбора теплового режима ФЭП, обеспечивающего термический отжиг радиационных дефектов; улучшение радиационной стойкости ФЭП, работающих при повышенной плотности фототока, за счет фотонного и инжекционного "отжига" радиационных дефектов. В каскадных ФЭП может быть достигнуто существенное увеличение КПД до 25-27% и до значений порядка 30-35% при концентрированном облучении. За последние годы в ФТИ им.А.Ф.Иоффе созданы AlGaAs/GaAs солнечные элементы, в которых благодаря улучшенной фоточувствительности в "фиолетовой" области спектра достигнуты значения КПД 23-25%, близкие к теоретическому пределу для ФЭП с одним р-п переходом. Добавление к этим ФЭП узкозонных материалов на основе InP/InGaAs и AlGaSb/GaSb позволило создать механически стыкованные каскадные ФЭП с КПД до 28%, имеющие не только высокую эффективность, но и повышенную радиационную стойкость, что позволит создавать на их основе космические СБ с повышенным ресурсом работы. 5.4. Солнечные элементы производства завода "Солнечный Ветер" 57 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Рис. 5.5 Внешний вид ФЭП, выпускаемых заводом «Солнечный ветер» Завод "Солнечный Ветер" (Краснодар) производит фотоэлектрические элементы на основе монокристаллическиого кремния, как p-типа, так и n-типа, по собственной технологии (рис.5.6), обеспечивающей высокие параметры элементов и широкий диапазон применения при сравнительно низкой цене. Элементы имеют структуру: Рис. 5.6. Структура ФЭП 1 - текстура с антиотражающим покрытием 2 - n+ (p+) - Si , 3 - p (n) - Si , 4 - p+ (n+) - Si , 5 - металл, 6 - солнечный свет. Все элементы, как n-, так и p-типа, прозрачны для инфракрасной области спектра, что приводит к меньшей нагреваемости элементов на солнце и соответственно увеличению их эффективности (рис.5.7). 58 1-солнечный свет 2 – инфракрасные лучи Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Рис. 5.7. ФЭП со структурой, пропускающей красную часть спектра Компания «Солнечный Ветер» одна из первых в мире начала промышленный выпуск солнечных элементов с двусторонней чувствительностью на кремнии p- и n-типа. Фирма производит различные модификации элементов на основе псевдоквадрата (рис. 5.5) с размерами: 103.5x103.5 мм, 125x125 мм, 156x156 мм, а также их части. Типичные вольт-амперные характеристики: на примере 1 2 Рис. 5.8. Вольтамперные характеристики ФЭП солнечного элемента 125x125 из кремния с низким (поз.2) и высоким (поз.1) удельным сопротивлением представлены на рис.5.8 Таблица. Электрические характеристики солнечных элементов: Диа- Ток Мощн Размер, Мах Напряже - Мах метр, КЗ, ние ХХ, В ость,В мм напр.,В ток,А А мм т 59 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» 85x85 100 102.8x102.8 135 103.5x103.5 125 125x125 150 2.1 2.4 3.2 3.6 3.2 3.6 4.6 5.2 0.59 0.61 - 0.59 0.61 - 0.59 0.61 - 0.59 0.61 - 0.49 1.85 - 0.9 2.14 1.05 0.49 2.9 - 1.4 3.3 1.6 - 0.49 2.9 - 1.4 3.3 1.6 - 0.49 4.1 - 2.0 4.7 2.3 - В настоящее время в основном выпускаются псевдоквадратные фотоэлектрические элементы размером стороны от 100 до 175 мм. В продаже имеются отдельные фотоэлектрические модули пиковой мощностью от 5 до 160 Вт. Модули большей мощности (до 200 Вт) изготавливаются под заказ. Все модули имеют осветленное стекляное покрытие и прочную рамку из алюминия. В солнечных батареях с защитным покрытием из обычного стекла применяются фотоэлектрические элементы с КПД от 12% и выше (в среднем 13-16%). 6. Вторичные источники электроэнергии Вторичные источники преобразуют напряжение одной величины и частоты в напряжение другой величины и частоты. Для обеспечения работы различной бортовой аппаратуры необходимо иметь несколько напряжений. Удобнее всего получить их, используя переменное напряжение, поэтому на борту стоит преобразователь постоянного тока в переменный 500(1000)Гц, 40В. Существует 2 способа преобразования: динамический и статический преобразователи. Динамический преобразователь представляет собой соединение в одной машине двигателя постоянного тока и генератора переменного. Регулятор напряжения и частоты такой машины представляет сложное устройство и составляет около половины массы самого преобразователя. 60 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Недостатки: 1. не работает в условиях вакуума, 2. создает большие помехи электронной аппаратуре, 3. создает вибрации, 4. требует постоянного обслуживания, 5. большая полетная масса, 6. низкий КПД, 7. недостаточно высокая надежность. В настоящее время для КА созданы надежные статические транзисторные преобразователи постоянного тока в переменный (инверторы) мощностью в несколько киловатт, превосходящие по основным параметрам электромашинные преобразователи. КПД транзисторных преобразователей может достигать 60-70%. По сравнению с электромашинными, статические преобразователи обладают следующими преимуществами: время выхода на рабочий режим меньше в 5-10 раз и составляет доли секунды; в несколько раз меньше пусковые токи; лучшее качество переходных процессов; отсутствуют акустические шумы, создаваемые при работе преобразователя; большой срок службы, малые масса и габариты. К ним предъявляются жесткие требования: нестабильность частоты не хуже, чем 10-4 отклонение амплитуды напряжения не больше ±5% форма переменного напряжения должна отличаться от гармонического не больше, чем на несколько %.. Применение кремниевых транзисторов позволяет создавать преобразователи, работающие при температурах до 80-1000С. Полупроводниковые приборы работают в преобразователях в ключевом режиме. Этот режим позволяет с помощью приборов относительно небольшой мощности управлять достаточно большой мощностью в нагрузке. Возможно дальнейшее улучшение выходных характеристик статических преобразователей, благодаря применению дополнительных фильтров, увеличения числа преобразующих каскадов и т. п. 61 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Надежность работы полупроводниковых преобразователей увеличивают путем дублирования и резервирования элементов, что практически мало сказывается на увеличении их габаритов и массы по сравнению с электромашинными преобразователями. Технические характеристики преобразователя приведены в таблице 1. Прибор предназначен для питания специальной аппаратуры переменным током стабилизированной частоты 500 Гц и стабилизированным напряжением 40 В. Таблица 1 №№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Напряжение питания, В 27+4 -3 Частота выходных напряжений, Гц Выходное напряжение, В: однофазное трехфазное Коэффициент нелинейных искажений, % по однофазному выходу по трехфазному выходу Выходные мощности, ВА: однофазного выхода трехфазного выхода Коэффициент мощности нагрузок: однофазных (индуктивных) трехфазных (индуктив.или емкостных) КПД, не менее Масса, кг, не более Ресурс работы, час 6.1. Структурная схема преобразователя 62 Численное значение Наименование параметра 500 40+1,2 –1,2 40+2 -2 5 10 0…65 0…115 0.7 0.8…1 0.62 12.5 1000 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Принцип построения статического преобразователя основан на разделении функций между отдельными элементами. На рис. 6.1. приведена функциональная схема статического преобразователя. Она состоит из следующих блоков: 1 - кварцевый задающий генератор; 2 - предварительный усилитель; 3 - фазорасщепитель; 4 - предварительный усилитель; 5 - усилитель мощности трехфазного напряжения; 6 - фильтр выходного трехфазного напряжения; 7 - реле; 8 - регулятор трехфазного выходного напряжения; 9 - схема задержки; 10 - усилитель мощности однофазного напряжения; 11 - фильтр выходного однофазного напряжения; 12 - диодный сумматор; 13 - регулятор однофазного выходного напряжения; 14 – трехфазный выход; 15 – однофазный выход. Кварцевый задающий генератор 1 (рис.6.1.) предназначен для выработки переменного напряжения стабильной частоты. Он включает в себя (см. блок-схему рис. 6.2) кварцевый возбудитель 1, буфер- формирователь 1 2 7 3 4 5 6 14 8 15 9 10 11 63 12 13 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Рис.6.1. Блок-схема статического преобразователя 2, блоки делителей частоты 3 и выходной усилитель 4. Кварцевый возбудитель 1 (КЗГ) обеспечивает заданную стабильность выходного напряжения кварцевого задающего генератора по частоте. На выходе кварцевого возбудителя формируются импульсы произвольной формы с частотой следования 24 кГц, которые поступают на вход буферного каскада. Буферный каскад 2 (рис.6.2) осуществляет развязку кварцевого возбудителя с делителем частоты и формирует импульсы с крутым передним фронтом для запуска делителей частоты. Блок делителей частоты 3 состоит из четырех триггерных делителей частоты с общим коэффициентом деления 16. С выхода блока делителей частоты прямоугольные 2 1 24 кГц 3 24 кГц 4 1.5 кГц 1.5 кГц Рис. 6.2. Блок-схема задающего кварцевого генератора. 1 - кварцевый возбудитель, 2 - буферный каскад, 3 - блок делителей частоты, 4 - выходной усилитель. импульсы с частотой следования 1,5 кГц поступают на вход выходного усилителя 4, где они усиливаются по мощности и поступают на вход фазорасщепителя 3 (рис.6.1.). Предварительный усилитель 2 (см. рис.6.1) служит для усиления выходного напряжения кварцевого задающего генератора и 64 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» исключает реакцию входа фазорасщепителя на выход КЗГ. Работает предварительный усилитель в ключевом режиме. Фазорасщепитель 3 (рис.6.1) предназначен для получения трех напряжений прямоугольной формы частотой 500 Гц, сдвинутых по фазе на 120 градусов. Стабильность частоты фазорасщепителя обеспечивается синхронизацией его от кварцевого задающего генератора. Предварительный усилитель 4 (рис.6.1.) предназначен для усиления сигнала фазорасщепителя по мощности и исключения влияния изменения нагрузки прибора на точность угла сдвига фаз и устойчивость синхронизации фазорасщепителя. Он представляет собой делитель на 3. Усилители мощности 5, 10 предназначены для усиления по мощности однофазного и трехфазного напряжений. Трехфазный усилитель мощности состоит из трех усилителей на транзисторах, выполненных по двухтактной схеме с трансформаторным выходом. Транзисторы работают в режиме ключа, выходные обмотки трансформаторов соединены по схеме "треугольник". Запуск транзисторов усилителя мощности производится прямоугольными импульсами. Фильтры выходного однофазного 11 и трехфазного напряжений 6 преобразуют прямоугольные напряжения усилителей мощности в синусоидальные. Они состоят из дросселей и конденсаторов, которые образуют последовательный колебательный контур. Этот контур настраивается в резонанс на основную гармонику. Регуляторы однофазного 13 и трехфазного напряжений 8 предназначены для стабилизации выходных однофазного и трехфазного напряжений путем воздействия на напряжения питания однофазного и трехфазного усилителей мощности. Они выполнены по мостовой схеме. При создании такого преобразователя все эти требования разделяются по различным элементам. Источником колебаний является кварцевый генератор, который вырабатывает колебания произвольной формы, но стабильной частоты 24кГц. Нестабильность составляет 10-4…10-6 %. Поскольку изготовить кварц на частоту 500Гц невозможно и с целью уменьшения веса, кварцевый генератор генерирует частоту 24кГц. Потом эта частота делится в 16 раз. 65 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» С выхода делителя получаем прямоугольное напряжение с частотой 1500Гц. С помощью расщепителя фаз напряжение делится в 3 раза и сдвигается на 120º, получаем трехфазное напряжение прямоугольной формы. Три предварительных усилителя доводят это напряжение до нужной величины, необходимой для управления усилителями мощности. Три усилителя мощности обеспечивают необходимую выходную мощность, и после фильтров получаем напряжение синусоидальной формы. Измеритель напряжения определяет отклонение напряжения от заданной величины и управляет регулятором напряжения. Если измеряемое напряжение выходит за заданное значение, система контроля и сигнализации (СКИС) выключает этот преобразователь и включает резервный. Кроме того, на СКИС попадает сигнал из кварцевого генератора. Вообще, в составе статического преобразователя используется 2 кварцевых генератора. Если один из них отказал, то СКИС включает другой. Все процессы в данном преобразователе происходят с напряжениями прямоугольной формы, то-есть транзисторы работают в ключевом режиме, имеют два состояния – включено-выключено. Такой режим характеризуется тем, что мощность, рассеиваемая на транзисторах, мала. Это ведет к увеличению КПД, уменьшению радиаторов, снижению веса всего преобразователя. Кроме того, путем фильтрации из прямоугольного напряжения можно получить гармоническое со значительно меньшими искажениями. 6.2. Способы повышения надежности статического преобразователя Как правило, преобразователь является источником для питания жизненно важных систем и от его надежности зависит существование КА. Повышение надежности статпреобразователя одна из первейших задач при его проектировании. Существует 3 способа повышения надежности 1. резервирование изделия целиком, 2. резервирование отдельных блоков, 3. резервирование только ненадежных элементов (транзисторов). 66 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» На борту ставят, как правило, два преобразователя: основной и резервный. Переключение с одного на другой происходит автоматически с помощью СКИС. Использование резервных блоков в составе одного прибора позволяет значительно повысить его надежность. Однако, такое резервирование связано с трудностью определения отказавшего блока, отключением неисправного и включением резервного, поскольку сами коммутирующие элементы могут оказаться менее надежными. В рассмотренном преобразователе резервируется только кварцевый генератор. Резервирование ненадежных элементов является самым распространенным и рациональным, поскольку масса прибора увеличивается на небольшую величину, а вероятность отказа уменьшается существенно. 7. Системы распределения электроэнергии Система распределения электроэнергии включает: электрические провода, монтажное и установочное оборудование, распределительные устройства, коммутационную аппаратуру, устройства защиты от помех и статического электричества, приборы контроля за работой источников и потребителей. По назначению и количеству входящих элементов система распределения электрической энергии является важнейшей составной частью электрооборудования КА и определяет в значительной степени его технические и эксплуатационные показатели. Важность и сложность функций, осуществляемых системой распределения электрической энергии, а также специфичность условий ее эксплуатации предъявляют к этой системе высокие требования, выполнение которых должно гарантировать надежность и безотказность снабжения электроэнергией потребителей КА. Существует типа 3 систем распределения: централизованное, децентрализованное и комбинированное. Централизованная система электроснабжения КА характеризуется тем, что все источники подключаются к одному распределительному устройству (рис. 7.1), называемому центральное распределительное устройство (ЦРУ). На рис. 7.1 два источника электрической энергии И1 и И2 через предохранители F1 и F2 с помощью 67 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» выключателей В1 и В2 подключены к центральному распределительному устройству. От ЦРУ получают питание все потребители Пi. Достоинством такой системы является то, что электроснабжение возможно, пока действует хотя бы один источник электроэнергии. Недостатков у централизованного распределения значительно больше. 1. Низкое качество электроэнергии, определяемое тем, что все время происходит включение и выключение потребителей. Отсюда скачки напряжений. 2. Тяжелая электрическая сеть, поскольку необходимо тянуть провода от всех источников к ЦРУ, потом от ЦРУ ко всем потребителям. 3. При отказе ЦРУ все потребители оказываются обесточенными. ЦРУ F1 В1 И1 F2 П1 В2 И2 П2 Рис. 7.1. Централизованная система электроснабжения Децентрализованное электроэнергии в идеале предполагает, РУ1 имеет источник И1 F1 B1 И2 В2 п о т р распределение что каждый потребитель собственный электроэнергии. к РУ2 68 к п о т р F2 Рис.7.2. Децентрализованная система электроснабжения КА Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» В реальности в децентрализованной системе распределения один источник обслуживает собственную группу потребителей (рис. 7.2) через собственные распределительные устройства. Достоинствами такой системы являются несколько лучшее качество электроэнергии (меньше потребителей, меньше скачки напряжения) и уменьшение веса сети (источник и потребители располагаются рядом). Недостаток в этой системе один, но более существенный – при выходе из строя источника все потребители его группы остаются без питания. Такая система используется в основном при сопутствующих экспериментах, когда эта группа приборов питается от отдельного источника, не связанного с общей сетью КА. Рассмотренные системы распределения являются предельными. На практике никогда не используются такие системы. Реальные системы, как правило, промежуточные. Комбинированное распределение электроэнергии F1 В1 РУ 1 П1 И1 В4 В5 В3 П3 F2 И2 П2 В2 РУ 2 П4 Рис. 7.3. Комбинированная система распределения электроэнергии 69 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Рассмотрим комбинированную систему распределения электроэнергии (рис. 7.3.) на основе двух источников. Каждый источник электрической энергии имеет в своей цепи защитную аппаратуру, устройство коммутации и распределительное устройство (например, для источника И1 защита F1 и распредустройство РУ1). Чаще всего в качестве распределительного устройства используется обыкновенная шина. К каждой шине подключена своя группа потребителей. При штатном режиме работы система распределения может работать как децентрализованная (включены В1и В2) и как централизованная (дополнительно включается В3). Последний режим возникает, например, тогда, когда потребителю, включенному на РУ, не хватает электроэнергии от источника И1. Выключатели В4 и В5 необходимы при нештатных ситуациях. При отказе одного из источников он отключается, а распредустройства получают электроэнергию от одного источника. Например, вышел из строя источник И1, В1 и В4 выключается, а питание РУ1 может получать через В3 или В5. В случае выхода из строя распределительного устройства это РУ отключается, а оба источника работают на второе устройство. Например, вышло из строя РУ2. Выключаются В2, В3 и В4, включены В1и В5. Таким образом, в комбинированной распределительной системе предусмотрено полное резервирование как источников, так и РУ. Как поступать с потребителями, которые подключены к РУ, вышедшему из строя? Потребители разбиты на четыре группы (на рис. 7.3. условно не показана аппаратура защиты и коммутации потребителей). Потребители группы П1 не влияют на продолжение полета и служат для обеспечения, например, комфорта членам экипажа (освещение, отопление и т.д.). Они распределяются между РУ и подключаются к нам с помощью одной линии. Потребители группы П2 могут подключаться к одному либо другому РУ. Потребители группы П3 постоянно подключены к обоим РУ, провода от каждого РУ идут до потребителя и в разных кабелях, и, как правило, по разным бортам КА. Кроме того, эти потребители напрямую подключены к какому-нибудь источнику. 70 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Потребители группы П4, помимо указанного для группы П3, имеют свой собственный «сверхаварийный» источник. Это в основном пиротехнические средства. Например, нельзя осуществить спуск спускаемого аппарата, не отделив его от приборно-агрегатного отсека. Таким образом, система имеет высокую надежность и гибкость работы. Реально на борту КА таких систем несколько (система постоянного тока первичных источников электроэнергии, система переменного тока, система буферных источников), отличающихся количеством потребителей, степенью их важности для надежности КА и т.д.. 8. Электрическая сеть К электрическим сетям предъявляется ряд специфических требований. 1) Обеспечение надежного и бесперебойного снабжения электроэнергией потребителей в любых условиях эксплуатации. Эта задача решается совместным построением конфигурации сети, системы распределения и защиты. 2) Обеспечение высокого качества электроэнергии, получаемой потребителями. Это вызвано тем, что многие потребители критичны к величине напряжения (особенно снижения) или частоты. 3) Обеспечение защиты оборудования от помех, возникающих при работе электрооборудования и статического электричества. Распространение помех возможно двумя путями. Непосредственно от источника помехи распространяются по проводам сети. Для защиты от этого рода помех в сети ставят фильтры, ограничивающие распространение помех по сети. Вторым путем возникновения помех являются магнитные и электрические поля, существующие внутри КА. С электрической точки зрения провода сети обладают емкостью и индуктивностью, поэтому поля наводят в них ЭДС помех (в некоторых случаях величины импульсов помех могут достигать больших значений). Особое внимание приходится обращать на статическое атмосферное электричество. Учитывая большую скорость движения КА, и несмотря на малое количество зарядов, потенциал на частях корпуса КА может достигать больших значений. Поэтому части конструкции КА 71 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» должны быть соединены электрически не только за счет контакта, а с помощью специальных шин металлизации. Атмосфера Земли имеет свой потенциал, который изменяется с высотой. Это нужно учитывать при маневрах КА. Вид электрической сети определяется типом летательного аппарата, его назначением, особенностями требований к системе электроснабжения. Электрическую сеть классифицируют по назначению, основным электрическим параметрам системы электроснабжения, роду тока, напряжению, частоте, конфигурации сети и т.п.. По назначению сети подразделяются на питательные (магистральные) и распределительные (вторичные распределительные). Питательной называется часть электрической сети от источника энергии до распределительного устройства, а также участки между распределительными устройствами. Распределительная сеть служит для передачи и распределения электрической энергии от РУ к потребителям. Участок распределительной сети, питающий группу потребителей от РУ через общий аппарат защиты, называется фидером. По основным электрическим параметрам сети подразделяются на сети постоянного тока (27 В), трехфазные сети (40 В, 500 или 1000 Гц) и однофазные сети переменного напряжения (40 В, 500 Гц). Сети постоянного тока применяются, как правило, в первичных системах. По системе передачи электроэнергии сети подразделяются на двухпроводные незаземленные, двухпроводные заземленные и однопроводные сети постоянного и однофазного переменного тока и трехи четырехпроводные для трехфазных цепей. Двухпроводная незаземленная (рис. 8.1. поз.1) сеть имеет важное достоинство – при замыкании одного из проводов на корпус сеть продолжает функционировать, но сеть тяжелая (два провода – прямой «плюс» и обратный «минус»). Обычно в сети в качестве буфера используется аккумулятор, имеющий малое внутреннее сопротивление, поэтому уровень помех в сети (между проводами) невелик. Основные помехи возникают между сетью и корпусом, их уровень достаточно высок. Коммутационная и защитная аппаратура включается в один плюсовой провод. Двухпроводная заземленная сеть соединяется с корпусом КА в одной точке. Она также тяжела, но уровень помех в ней значительно ниже. Существенный недостаток этой сети состоит в том, что при замыкании на корпус плюсового провода сеть обесточивает потребитель. 72 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» В однопроводной сети (рис.8.1, поз. 3) в качестве обратного провода используется корпус КА. В этом случае сеть почти в два раза легче, качество электроэнергии выше, поскольку электрическое сопротивление корпуса значительно меньше сетевого провода. сеть И П И П И П Р ис.8.1. Типы сетей 1 – двухпроводная незаземленная сеть; 2 – двухпроводная заземленная сеть; 3 – однопроводная сеть. Однопроводная сеть используется во многих транспортных системах и носит название «самолетной». Для ракетно-космической техники (РКТ) характерны процессы расстыковки. Во время медленного раздвижения блоков КА между ними при однопроводной сети будет гореть дуга, поэтому однопроводная сеть до последнего времени не использовалась в РКТ. Многоразовая космическая система «Шаттл» использует однопроводную сеть, получая значительную экономию в массе проводов. Трехпроводная сеть с нейтралью, соединенной с корпусом КА, позволяет включать потребители как на фазное, так и линейное напряжение. В зависимости от системы распределения сети классифицируются на централизованные, смешанные, децентрализованные и раздельные. 9. Коммутационная аппаратура Коммутационная аппаратура служит для управления источниками и потребителями электрической энергии. Она подразделяется на аппаратуру прямого (ручного) и дистанционного действия. Аппаратура прямого действия – кнопки, переключатели, выключатели, концевые и путевые 73 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» выключатели – предназначена для управления в цепях небольшой мощности на обитаемых КА. Выключатели и переключатели бывают трех типов: перекидные, нажимные и поворотные. Они служат для замыкания или размыкания цепей на длительное время. По числу коммутируемых цепей выключатели и переключатели могут быть одноцепевыми, двух- и трехцепевыми. Концевые выключатели и переключатели принадлежат к аппаратам нажимного действия, только нажатие осуществляется не экипажем, а специальным устройством электрофицированного механизма. Концевые выключатели служат для фиксированного останова механизма при достижении их выходными устройствами крайних положений, блокировки, сигнализации, программного управления механизмами. Концевые выключатели часто используются для сигнализации стыковки КА, отделения каких-либо блоков, закрытия люков и дверей. Дистанционная аппаратура включает в себя электромагнитные (контактные, реле) и электронные (бесконтактные) устройства. Основу реле составляет разомкнутая магнитная система 1 3 4 (рис.9.1.), подвижный якорек 3, который под действием магнитного поля, создаваемого током катушки 5. Рис.9.1. Устройство реле 1 – магнитный провод 2 – возвратная пружина 2 3 – подвижный якорек 5 4 – контактная группа 5 – обмотка 1 поворачивается, замыкая контакты 4. При выключении питания обмотки 5 пружина 2 возвращает якорек в исходное положение. В космической технике, в связи с особенностями среды существования КА, кроме обычных реле используются специальные. Обычные реле используются в герметичных кабинах, поскольку в условиях вакуума дугу, возникающую при размыкании контактов, погасить невозможно. 74 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Для работы в вакууме используются специальные реле, помещаемые в стеклянную колбу, или реле, использующие герконы. 1 2 3 4 Рис. 9.2. Устройство геркона 1-стекляный корпус, 2 – подвижный контакт, 3 – магнитик, 4 – неподвижный контакт. + N 1 2 3 4 Рис. 9.3. Устройство поляризованного реле Геркон представляет собой стеклянную трубку (рис.9.2,1), наполненную нейтральным газом, в которой расположена контактная группа 2 и 4. На одном из контактов прикреплен постоянный магнитик 3. Если вокруг геркона создать магнитное поле, то контакт 2 замыкается с контактом 3. 75 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Включенное состояние рассмотренных реле происходит только тогда, когда течет ток по обмотке. Это нерациональный расход электроэнергии и лишнее выделение тепла. Реле, которое сохраняет одно из двух положений без протекания тока по обмоткам, называется поляризованным. Поляризованное реле не имеет возвратной пружины, а подвижный якорек является постоянным магнитом (рис.9.3, поз.3). При подаче питания на левую обмотку 1, магнитный якорек перебрасывается влево, магнитный поток, создаваемый якорьком в магнитной системе 2 удерживает якорек в новом положении после снятия питания с обмотки 1. Сила удержания якорька в одном из положений такова, что для перебрасывания его в другое положение необходима перегрузка свыше 150g. Пример электронного коммутационного устройства рассмотрен в разделе «Защитная аппаратура». 10. Защитная аппаратура Повышение надежности системы энергоснабжения КА достигается применением защитной аппаратуры, обеспечивающей отключение (изоляцию) неисправного элемента. Под селективностью защиты понимают ее способность из всех элементов системы выделить неисправный и изолировать его. Основным классификационным параметром защиты является электрический параметр: ток, напряжение и мощность. Причиной повышения тока может быть только потребитель, поэтому нужно защитить от неисправного потребителя сеть и источник электроэнергии. Защита источника - новая задача по сравнению с земными источниками. В полет, для его выполнения берется определенное количества энергии. Если она будет расходоваться нерационально (питая неисправный потребитель), ее может не хватить на совершение задач полета. Защита по напряжению должна быть двойной. Превышение напряжения ведет к тому, что потребители будут перегреваться, поскольку выделяемая мощность пропорциональна квадрату напряжения. Полупроводниковые элементы пробиваются повышенным напряжением. Срок службы большинства электрических устройств обратно пропорционален квадрату напряжения. 76 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Пониженное напряжение приводит к отказу электронной аппаратуры, электрические двигатели перегреваются. Несмотря на все сказанное защита по напряжению практически не используется на борту КА. Это объясняется тем, что используемые на борту первичные источники электроэнергии в принципе не могут выдать напряжение больше определенного, поэтому ставить защиту от превышения напряжения не имеет смысла. В настоящее время появилась тенденция увеличения срока службы солнечных батарей за счет избыточности числа элементов, за счет избыточности напряжения в начале эксплуатации с тем, чтобы к концу эксплуатации выдаваемое солнечной батареей напряжение должно быть номинальным. В течение всего времени эксплуатации напряжение поддерживается номинальным с помощью соответствующего преобразователя, в случае отказа которого напряжение может превысить допустимые значения. В этом случае необходима защита от превышения напряжения. Защита от пониженного напряжения не осуществляется, дистанционная коммутационная аппаратура настраивается на напряжение включения 19 В. Если в сети напряжение ниже этой величины, потребители не включаются. Защита по мощности практически не применяется, но иногда используют защиту от перегрева. По количеству срабатываний защита бывает: одноразовая и многоразовая. Одноразовая защита (предохранители) после срабатывания становится негодной для дальнейшего использования. У такой защиты нельзя определить ток срабатывания. Он определяется косвенно. Из партии берут определенный процент, определяют токи срабатывания, если они укладываются в нормы, партия признается годной. В связи с невозможностью определить истинный ток срабатывания каждого прибора, допуск на прибор делают большим +/- 15%. Одноразовая токовая защита – предохранители. Предохранитель типа стеклянный СП состоит из стеклянной трубки 2, штампованных металлических наконечников 1 и калиброванной проволоки 3 (рис.10.1). Ток срабатывания предохранителей Iкрит составляет полтора номинального тока, указанного на предохранителе. Если на 77 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» предохранителе указан ток 2 А, то предохранитель сработает при токе 3А(+15%...-15%). Iкрит. =1,5* Iном. Это объясняется тем, что потребителю «разрешено» потреблять ток на 20% больше номинального. Минимальное значение тока срабатывания Iср.мин. = Iкрит *0.85= Iном. *0.85*1.5 = 1.275 Iном, то есть между максимально допустимым током потребителя и минимальным током срабатывания предохранителя зазор в 0.075 Iном на непредвиденные Рис. 10.1. Стеклянный предохранитель 1 – металлический штампованный колпачок, 2 – стеклянный корпус, 3 – проволока, которая перегорает. Рис. 10.2. Плавкая вставка обстоятельства (повышение температуры окружающей среды и т. д.). Для повышения контакта предохранителя с арматурой его делают в виде «ножа» (рис. 10.2.) Для больших токов характерны потребители, имеющие большую индуктивную составляющую тока, что затрудняет гашение дуги. Предохранители для таких токов имеют точеные колпачки (для увеличения площади контакта), заполнение (рис.10.3, поз. 4) из материала, выделяющего большой объем газа при нагревании. За счет газа при перегорании проволоки 3 повышается давление, дуга быстрее гаснет. 78 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Сложности возникают при защите потребителей, имеющих большой пусковой ток (рис. 10.4.). Если предохранитель выбрать на пусковой ток, то он не сработает, когда ток превысит номинальный. Если защиту выбирать по номинальному току потребителя, то предохранитель сработает при пуске и такой потребитель не удастся включить. 1 2 3 4 Рис. 10.3. Предохранитель для больших токов 1 – колпачки точеные, 2 – корпус сделан из электрокартона, 3 – проволока, 4 – материал, который при нагревании выделяет большое количество газа. Для защиты этих потребителей созданы предохранители, состоящие из двух частей: безинерционная и с тепловой инерцией. Таки предохранители называются инерционно-плавкими. Пружина 5 (рис. 10.4) не обладает тепловой инерцией и срабатывает при токе, превышающем пусковой. Разрыв электрической цепи происходит очень быстро, поэтому дуга быстро гаснет. Спай из двух пластин не успевает прогреваться при пуске (за счет большой массы) до расплавления припоя. Только если ток длительное время превышает номинальный, происходит расплавление. За счет пружины 5 верхняя пластина 6 (рис.10.4) начинает скользить по нижней и в момент разрыва приобретает достаточно большую скорость. Дуга быстро гаснет. 79 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Рис. 10.4. Инерционно-плавкий предохранитель 1 – колпачок, 5 – пружина, 6 - элемент с тепловой инерцией. Многоразовая токовая защита строится на использовании механических конструкций с использованием биметаллических элементов (автоматы защиты) или на основе электронных схем с тиристорами в качества силовых элементов. Электронная защита во многих случаях является и коммутирующей. Поскольку сопротивление выключенных тиристоров чрезвычайно велико (ток утечки составляет от десятков микроампер). На рис. 10.5. представлена схема, поясняющая принцип работы такой защиты. В исходном состоянии (рис.10.5.) тиристоры Тв и Т0 выключены, ток через Потр равен нулю, конденсатор разряжен. При подаче управляющего напряжения на Т0 тиристор включается и его сопротивление становится равным нулю. (рис. 10.6.). Ток, равный току Потр, течет через Т0 и через Ri. По цепи R1 – C – Ri конденсатор заряжается до напряжения сети. Если ток Потр превышает допускаемое значение, с усилителя УС поступает на управляющий электрод Тв напряжение, достаточное для включения тиристора. Сопротивление Тв П от р R1 c 27В Tв T0 УС Ri Рис. 10.5. Схема многоразовой тиристорной защиты Потр – потребитель, 80 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Т0 – тиристор основной, Ri – измеритель тока, С – конденсатор для выключения Т0, Тв – вспомогательный тиристор, УС – усилитель, R1 – резистор для зарядки конденсатора Пот р R1 c I П от р Ri Рис.10.6. становится равным нулю и конденсатор С разряжается через Тв, Ri и Т0 (сопротивление Тв равно 0, рис.10.7.). Какое-то время ток конденсатора Ic превышает ток потребителя, тиристор выключается, Потр обесточен. Поскольку R1 выбрано достаточно большим, протекающий через него ток Тв достаточно мал и Тв выключется. Схема пришла в исходное положение. 81 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Потр c IПотр T0 IC Ri Рис.10.7. Дифференциальная F2 F3 токовая защита. F4 F5 При рассмотрении F1 П И1 F2 Д1 И2 Д2 F3 F1 И1 П И2 Рис. 10.8. Дифференциальная токовая защита. систем распределения электроэнергии были указаны случаи, когда потребитель получал энергию от двух или нескольких источников. 82 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» На рис. 10.8. (верхний) показано включение такого потребителя. Источники И1 и И2 с помощью своих проводов соединены с потребителем П. Последовательно с П включен предохранитель F1. Для исключения возможности замыканий проводов от источников на концах проводов стоят предохранители F2-F3 b F4-F5. Схема должна работать следующим образом. Например, при замыкании провода на линии от источника И1, должны выгореть предохранители F2 и F3. Потребитель должен питаться от источника И2. На самом деле, ток короткого замыкания течет от И1 и И2. Поскольку допустимый разброс токов срабатывания предохранителей высок (15%), может сработать предохранитель F4 или F5, отключив потребитель от исправной линии. И только потом сработает предохранитель F2. Потребитель отключается от обоих источников. Защита не обладает селективностью. Для исключения подобного явления можно применить схему с диодами (нижний рисунок). В рассмотренном нами случае ток короткого замыкания потечет только от источника И1. Предохранитель F2 сработает и отключит аварийный участок цепи. Потребитель получает энергию от источника И1. Содержание Система электроснабжения бортового комплекса космических аппаратов…………………………………………. 3 1. Структура системы электроснабжения……………………... 4 2. Классификация первичных источников…………………… 6 83 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» 3. Химические источники тока……………………………… 3.1. Общие сведения о химических источниках тока (ХИТ) 3.2.Серебряно-цинковые аккумуляторы…………………… 3.2.1. Основные технико-эксплуатационные характеристики………………………………………………….. 3.2.2. Устройство серебряно-цинковых аккумуляторов 3.3.3. Основные рабочие характеристики серебряноцинкового аккумулятора………………………………………... 3.2.4. Характеристики некоторых промышленных серебряно-цинковых аккумуляторов…………………….…….. 3.3. Никель- цинковые аккумуляторы…………………….….. 3.4. Литий-ионные герметичные призматические и цилиндрические аккумуляторы и батареи на их основе….…. 3.5. Топливные элементы………………………………..…….. 3.5.1. Принцип действия……………………………...… 3.5.2. Классификация топливных элементов………… 3.5.3. ВАХ топливного элемента……………………… 3.5.4. Устройство жидкостного топливного элемента.. 3.5.5. Топливный элемент с ионно-обменной мембраной (ИОМ)……………………………………………… 3.5.6 Энергетическая система на базе ТЭ…………… 4. Термоэлектрические генераторы………………… … 5. Солнечные батареи………………………………………… 5.1. Фотоэлектрические преобразователи………………….. 5.2. Солнечные батареи ……………………………… 5.3 Космические фотоэлектрические преобразователи и солнечные батареи……………………………………… 5.4 Солнечные элементы производства завода "Солнечный Ветер"……………………………………………………………. 6. Вторичные источники электроэнергии……………… 6.1.Структурная схема преобразователя…………… 6.2.Способы повышения надежности статического преобразователя…………………………………… … 7. Системы распределения электроэнергии…………..……….. 8.Электрическая сеть…………………………………………… 9. Коммутационная аппаратура……………………………… 10. Защитная аппаратура…………………………………… Список литературы……………………………………….. 84 8 8 9 10 11 14 18 21 25 29 29 32 33 35 37 38 42 47 48 54 55 58 61 63 67 68 72 74 77 87 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Список литературы 1. Энергетические установки космических аппаратов./ С.А. Подшивалов, Э.И. Иванов и др.;под общей ред. Д.Д. Невяровского В.С. Викторова. –М.: Энергоиздат, 1981.- 223с. 85 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» 2. Тузов, В.П. Электротехнические устройства летательных аппаратов; Учеб. пособие для авиац. неэлектрич спец. вузов/ – М.: Высш. шк, 1987. – 152 с. 3. Грилихес, В.А.Солнечная энергия и космические полеты/ В. А. Грилихес, П. П.Орлов, Л. Б. Попов. –М.: Наука, 1984. - 216 с. 4. Колтун, В. М. Солнечные элементы/В.М. Колтун. – М.: Наука, 1987. 192 с. 5. Кравец, В. Г. Основы управления космическими полетами/ В. Г. Кравец, В. Е. Любинский. – М.: Машиностроение, 1983.- 224 с. 5. Космические энергосистемы/ В. А. Ванке, Л. В. Лесков, А. В. Лукьянов. – М.: Машиностроение, 1990. – 144 с. 6. Корлисс, У. Источники энергии на радиоактивных изотопах/ У. Корлисс, Д. Харви, –М.: Мир, 1967.- 414 с. 7. Петровичев, М.А Системы оборудования летательных аппаратов. Лабораторный практикум/ М.А.Петровичев, Е. И.Давыдов. - Самара: Извво Сам. гос. аэрокосм. ун-та, 2004. - 80 с. 8.Термоэлектрические генераторы, http://www.rif.vrn.ru/new/index.html. 9. Никель-металлгидридные аккумуляторы. 2006, e-battery.ru 10. Лаврус, В.С. Источники энергии/ В.С. Лаврус// НиТ, 1997 11. Твердооксидные топливные элементы; сборник научно-технических статей. – Снежинск; изд - во РФЯЦ – ВНИИТФ, 2003. - 376 С. 12. Солнечные батареи ОАО "Сатурн" в космических программах./ http://www.saturn.kuban.ru/2.html 13. Аккумуляторная компания "РИГЕЛЬ" 2004./ http://www.rigel.ru/rigel/akk/index.html 14. Солнечные элементы производства завода «Солнечный ветер»./ [email protected] [email protected] 86 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Учебное издание Петровичев Михаил Александрович Гуртов Александр Сергеевич СИСТЕМА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ БОРТОВОГО КОМПЛЕКСА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Учебное пособие Технический редактор А. Г. П р о х о р о в Редакторская обработка Т. Ю. Д е п ц о в а Компьютерная верстка Т. Ю. Д е п ц о в а Доверстка Т. Ю. Д е п ц о в а Подписано в печать 22.10.07. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 5,5. Тираж 120 экз. Заказ. ИП-15/2007 Самарский государственный аэрокосмический университет. 443086 Самара, Московское шоссе, 34. Изд-во Самарского государственного аэрокосмического университета. 443086 Самара, Московское шоссе, 34. 87

ЕВРАЗИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Им. Л.Н. Гумилева

Физико-технический факультет

Кафедра Космическая техника и технологии

ОТЧЕТ

ПО ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ

ПРАКТИКЕ

АСТАНА 2016

Введение………………………………………………………………………...........3

1 Общие сведения об энергоснабжении космических аппаратов.……………....4

1.1 Первичные источники электроэнергии ………………………………4

1.2 Автоматика системы энергопитания..............................................….5

2 Солнечные космические энергоустановки …………..…………………..…......6

2.1 Солнечные батареи принцип действия и устройство………….….....6

3 Электрохимические космические энергоустановки…………………………..12

3.1 Химические источники тока………………………………………...13

3.2 Серебряно-цинковые аккумуляторные батареи…………………....15

3.3 Кадмиево-никелевые аккумуляторные батареи……………………16

3.4 Никель-водородные аккумуляторные батареи……………………..17

4 Выбор параметров солнечных батарей и буферных накопителей...………...18

4.1 Расчет параметров буферного накопителя…………………………18

4.2 Расчет параметров солнечных батарей……………………………..20

Заключение………………………………………………………………………….23

Список использованных источников……………………………………………...24

Спецификации...……………………………………………………………………25

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших бортовых систем любого космического аппарата, которая в первую очередь определяет его тактико-технические характеристики, надежность, срок службы и экономическую эффективность, является система электроснабжения. Поэтому проблемы разработки, исследования и создания систем электроснабжения космических аппаратов имеют первостепенное значение.

Автоматизация процессов управления полетом любых космических аппаратов (КА) немыслима без электрической энергии. Электрическая энергия используется для приведения в действие всех элементов устройств и оборудования КА (двигательная группа, органов управления, систем связи, приборного комплекса, отопления и т. д.).

В целом, система электроснабжения генерирует энергию, преобразует и регулирует её, запасает её для периодов пикового потребления или работы в тени, а также распределят её по космическому аппарату. Подсистема электроснабжения может также преобразовывать и регулировать напряжение или обеспечивать ряд уровней напряжений. Она часто включает и выключает аппаратуру и, для повышения надёжности, защищает от короткого замыкания и изолирует неисправности. Конструкция подсистемы зависит от космической радиации, которая вызывает деградацию солнечных батарей. Срок службы химической батареи часто ограничивает срок службы космического аппарата.

Актуальными проблемами являются изучение особенностей функционирования источников электроэнергии космического назначения. Изучение и освоение космического пространства требуют разработки и создания космических аппаратов различного назначения. В настоящее время наибольшее практическое применение получают автоматические непилотируемые космические аппараты для формирования глобальной системы связи, телевидения, навигации и геодезии, передачи информации, изучения погодных условий и природных ресурсов Земли, а также исследования дальнего космоса. Для их создания необходимо обеспечить очень жесткие требования по точности ориентации аппарата в космосе и коррекции параметров орбиты, а это требует повышения энерговооруженности космических аппаратов.

Общие сведения об энергоснабжении космических аппаратов.

Геометрию космических аппаратов, конструкцию, массу, срок активного существования во многом определяет система энергоснабжения космических аппаратов. Система энергоснабжения или иначе именуемая как система энергопитания (СЭП ) космических аппаратов - система космического аппарата, обеспечивающая электропитание других систем, является одной из важнейших систем. Выход из строя системы энергоснабжения ведет к отказу всего аппарата.

В состав системы энергопитания обычно входят: первичный и вторичный источник электроэнергии, преобразующие, зарядные устройства и автоматика управления.

1.1 Первичные источники энергии

В качестве первичных источников используются различные генераторы энергии:

Солнечные батареи;

Химические источники тока:

Аккумуляторы;

Гальванические элементы;

Топливные элементы;

Радиоизотопные источники энергии;

Ядерные реакторы.

В состав первичного источника входит не только собственно генератор электроэнергии, но и обслуживающие его системы, например система ориентации солнечных батарей.

Часто источники энергии комбинируют, например, солнечную батарею с химическим аккумулятором.

Топливные элементы

Топливные элементы имеют высокие показатели по массогабаритным характеристикам и удельной мощности по сравнению с парой солнечные батареи и химический аккумулятор, устойчивы к перегрузкам, имеют стабильное напряжение, бесшумны. Однако они требуют запаса топлива, потому применяются на аппаратах со сроком нахождения в космосе от нескольких дней до 1-2 месяцев.

Используются в основном водород-кислородные топливные элементы, так как водород обеспечивает наивысшую калорийность, и, кроме того, образовавшаяся в результате реакции вода может быть использована на пилотируемых космических аппаратах. Для обеспечения нормальной работы топливных элементов необходимо обеспечить отвод образующихся в результате реакции воды и тепла. Ещё одним сдерживающим фактором является относительно высокая стоимость жидкого водорода и кислорода, сложность их хранения.

Радиоизотопные источники энергии

Радиоизотопные источники энергии используют в основном в следующих случаях:

Высокая длительность полёта;

Миссии во внешние области Солнечной системы, где поток солнечного излучения мал;

Разведывательные спутники с радаром бокового обзора из-за низких орбит не могут использовать солнечные батареи, но испытывают высокую потребность в энергии.

1.2 Автоматика системы энергопитания

В нее входят устройства управления работой энергоустановки, а также контроля ее параметров. Типичными задачами являются: поддержание в заданных диапазонах параметров системы: напряжения, температуры, давления, переключения режимов работы, например, переход на резервный источник питания; распознавание отказов, аварийная защита источников питания в частности по току; выдача информации о состоянии системы для телеметрии и на пульт космонавтов. В некоторых случаях возможен переход с автоматического на ручное управление либо с пульта космонавтов, либо по командам из наземного центра управления.

Похожая информация.

ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
проф. Лукьяненко Михаил Васильевич
зав. кафедрой систем автоматического управления Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева

Изучение и освоение космического пространства требуют разработки и создания космических аппаратов различного назначения. В настоящее время наибольшее практическое применение получают автоматические непилотируемые космические аппараты для формирования глобальной системы связи, телевидения, навигации и геодезии, передачи информации, изучения погодных условий и природных ресурсов Земли, а также исследования дальнего космоса. Для их создания необходимо обеспечить очень жесткие требования по точности ориентации аппарата в космосе и коррекции параметров орбиты, а это требует повышения энерговооруженности космических аппаратов.
Одной из важнейших бортовых систем любого космического аппарата, которая в первую очередь определяет его тактико-технические характеристики, надежность, срок службы и экономическую эффективность, является система электроснабжения. Поэтому проблемы разработки, исследования и создания систем электроснабжения космических аппаратов имеют первостепенное значение, а их решение позволит выйти по удельно-массовым показателям и сроку активного существования на мировой уровень.
За последнее десятилетие ведущими мировыми фирмами сделан порыв в повышении энерговооруженности космических аппаратов, что позволяет при тех же самых ограничениях по массе аппаратов, накладываемых существующими носителями, непрерывно увеличивать мощность полезной нагрузки. Подобные достижения оказались возможными благодаря усилиям, предпринятым разработчиками всех компонентов бортовых систем электроснабжения, и прежде всего, источников электроэнергии.
Основными источниками электроэнергии для космических аппаратов в настоящее время являются солнечные и аккумуляторные батареи.
Солнечные батареи с кремниевыми монокристаллическими фотоэлектрическими преобразователями по удельно-массовым характеристикам достигли своего физического предела. Дальнейший прогресс в разработке солнечных батарей возможен при использовании фотоэлектрических преобразователей на основе новых материалов, в частности, из арсенида галлия. Трехкаскадные фотоэлектрические преобразователи из арсенида галлия уже применяются на платформе США HS-702, на европейской Spasebus-400 и др., что позволило более чем вдвое увеличить мощность солнечной батареи. Несмотря на более высокую стоимость фотоэлектрических преобразователей из арсенида галлия, их применение позволит в 2-3 раза увеличить мощность солнечной батареи или при той же мощности снизить соответственно площадь солнечной батареи по сравнению с кремневыми фотоэлектрическими преобразователями.
В условиях геостационарной орбиты применение фотоэлектрических преобразователей на основе арсенида галлия позволяет обеспечить удельную мощность солнечной батареи 302 Вт/м2 в начале работы и 230 Вт/м2 в конце срока активного существования (10-15 лет).
Разработка четырехкаскадных фотоэлектрических преобразователей из арсенида галлия с КПД около 40% даст возможность удельную мощность солнечной батареи до 460 Вт/м2 в начале работы и 370 Вт/м2 в конце срока активного существования. В ближайшей перспективе следует ожидать существенного улучшения и удельно-массовых характеристик солнечных батарей.
В настоящее время на космических аппаратах широко используются аккумуляторы на основе никель-водородной электрохимической системы, однако, энергомассовые характеристики этих аккумуляторов достигли своего предела (70-80 Вт?ч/кг). Возможность дальнейшего улучшения удельных характеристик никель-водородных аккумуляторных батарей весьма ограничены и требуют крупных финансовых затрат.
Для создания конкурентоспособной космической техники необходим был переход на новые типы электрохимических источников электроэнергии, пригодных для использования в составе системы электроснабжения перспективных космических аппаратов.
На рынке космической техники в настоящее время происходит активное внедрение литий-ионных аккумуляторов. Это обусловлено тем, что литий-ионные аккумуляторы обладают более высокой удельной энергией по сравнению с никель-водородными аккумуляторами.
Основным преимуществом литий-ионной батареи является снижение массы из-за более высокого соотношения энергия-масса. Соотношение энергия-масса литий-ионных аккумуляторов выше (125 Вт?ч/кг) по сравнению с максимально достигнутым для никель-водородных аккумуляторов (80 Вт?ч/кг).
Основными преимуществами литий-ионных аккумуляторных батарей являются:
- снижение массы батареи из-за более высокого соотношения энергия-масса (снижение массы для батареи составляет ~40%);
- низкое тепловыделение и высокий КПД по энергии (цикла заряд-разряд) с очень маленьким саморазрядом, что обеспечивает наиболее простое управление при запуске, переходной орбите и штатной эксплуатации;
- более технологичный процесс изготовления литий-ионных аккумуляторов по сравнению с никель-водородными аккумуляторами, что позволяет обеспечить хорошую повторяемость характеристик, высокую надежность и снижение себестоимости.
По оценкам специалистов фирмы SAFT (Франция), применение литий-ионных аккумуляторных батарей на телекоммуникационных спутниках мощностью 15-20 кВт, позволит снизить массу батарей на 300 кг (стоимость вывода на орбиту 1 кг полезной массы составляет ~30 000$).
Основные характеристики литий-ионного аккумулятора VES140 (разработан фирмой SAFT): гарантированная емкость 39 А*ч, среднее напряжение 3,6 В, напряжение в конце заряда 4,1 В, энергия 140 Вт?ч, удельная энергия 126 Вт*ч/кг, масса 1,11 кг, высота 250 мм и диаметр 54 мм. Аккумулятор VES140 квалифицирован для космического применения.
В России на сегодняшний день ОАО «Сатурн» (г. Краснодар) разработал и изготовил литий-ионный аккумулятор ЛИГП-120. Основные характеристики аккумулятора ЛИГП-120: номинальная емкость 120 А?ч, среднее напряжение 3,64 В, удельная энергия 160 Вт*ч/кг, масса 2,95 кг, высота 260 мм, ширина 104,6 мм и глубина 44,1 мм. Аккумулятор имеет призматическую форму, что дает существенные преимущества по удельно-объемной энергии батареи по сравнению с аккумуляторами фирмы SAFT. Варьируя геометрическими размерами электрода можно получить аккумулятор различной емкости. Данная конструкция обеспечивает наивысшие удельно-объемные характеристики батареи и позволяет выполнить компоновку аккумуляторной батареи, обеспечив оптимальный тепловой режим.
Современные системы электроснабжения космических аппаратов представляют собой сложный комплекс из источников электроэнергии, преобразующих и распределительных устройств, объеденных в систему автоматического управления и предназначенных для питания бортовых нагрузок. Вторичные источники электропитания представляют собой энергопреобразующий комплекс, состоящий из определенного количества идентичных импульсных преобразователей напряжения работающих на общую нагрузку. В традиционном варианте в качестве импульсных преобразователей напряжения используются классические преобразователи с прямоугольной формой тока и напряжения ключевого элемента и управлением посредством широтно-импульсной модуляции.
Для повышения технико-экономических показателей системы электроснабжения космического аппарата, таких как удельная мощность, КПД, быстродействие, электромагнитная совместимость, нами предложено использовать квазирезонансные преобразователи напряжения. Были проведены исследования режимов работы двух параллельно включенных квазирезонансных преобразователей напряжения последовательного типа с коммутацией электронного ключа при нулевых значениях тока и частотно-импульсным законом управления. По результатам моделирования и исследования характеристик опытных образцов квазирезонансных преобразователей напряжения были подтверждены преимущества этого типа преобразователей.
Полученные результаты позволяют сделать вывод, что предложенные квазирезонансные преобразователи напряжения найдут широкое применение в системах электропитания цифровых и телекоммуникационных систем, контрольно-измерительной аппаратуры, технологического оборудования, систем автоматики и телемеханики, охранных систем и т.д.
Актуальными проблемами являются изучение особенностей функционирования источников электроэнергии космического назначения, разработка их математических моделей и исследование энергетических и динамических режимов.
Для этих целей нами разработано и изготовлено уникальное оборудование для исследования систем электроснабжения космических аппаратов, что позволяет в автоматизированном режиме производить разносторонние испытания бортовых источников электроэнергии (солнечных и аккумуляторных батарей) и систем электроснабжения в целом.
Кроме того, разработаны и изготовлены автоматизированное рабочие место для исследования энерготепловых режимов литий-ионных аккумуляторов и модулей батарей и аппаратный комплекс для исследования энергетических и динамических характеристик солнечных батарей из арсенида галлия.
Важным аспектом работы является также создание и исследование альтернативных источников электроэнергии для космических аппаратов. Нами проведены исследования маховичного накопителя энергии, представляющего собой супермаховик совмещенный с электрической машиной. Маховик, вращающийся в вакууме на магнитных опорах имеет КПД 100%. У двухроторного маховичного накопителя энергии появляется свойство, позволяющее реализовать трехосную угловую ориентацию. При этом силовой гироскоп (гиродин), как самостоятельная отдельная подсистема, может быть исключен, т.е. маховичный накопитель энергии совмещает функции накопителя энергии и силового гироскопа.
Проведены исследования электродинамических тросовых систем как источника электроэнергии космического аппарата. На сегодняшний день разработана математическая модель электродинамической тросовой системы для расчета максимальной мощности; определены зависимости энергетических характеристик от параметров орбиты и длины троса; разработана методика определения параметров тросовой системы, обеспечивающих генерацию заданной мощности; определены параметры орбиты (высота и наклонение), при которых достигается наиболее эффективное использование тросовых систем в режиме генерации энергии; исследованы возможности тросовой системы при работе в режиме тяги.

Введение

энергоснабжение солнечный батарея космический

В настоящее время одним из приоритетов стратегического развития научно-технического потенциала республики является создание космической отрасли. Для этого в Казахстане в 2007 году создано Национальное космическое агентство («Казкосмос»), деятельность которого, в первую очередь, направлена на разработку и внедрение целевых космических технологий и развитие космической науки в интересах социально-экономического развития страны.

Научные космические исследования в Казкосмосе проводятся, в основном, в АО «Национальный центр космических исследований и технологий» (АО «НЦКИТ»), в состав которого входят четыре научно-исследовательских института: Астрофизический институт им. В.Г. Фесенкова, Институт ионосферы, Институт космических исследований, Институт космической техники и технологий. АО «НЦКИТ» имеет большую экспериментальную базу: парк современной измерительной аппаратуры, полигоны, обсерватории, научные центры для проведения фундаментальных и прикладных научных исследований в области космической деятельности по утвержденным приоритетам.

Акционерное общество «Национальный центр космических исследований и технологий» АО «НЦКИТ» организовано путем реорганизации Республиканского государственного предприятия на праве хозяйственного ведения «Центр астрофизических исследований» и его дочерних предприятий на основании постановления Правительства Республики Казахстан №38 от 22.01.2008 г.

Основным предметом деятельности АО является осуществление научно-исследовательской, опытно-конструкторской и производственно-хозяйственной деятельности в области космических исследований и технологий.

Одной из важнейших бортовых систем любого космического аппарата, которая в первую очередь определяет его тактико-технические характеристики, надежность, срок службы и экономическую эффективность, является система электроснабжения. Поэтому проблемы разработки, исследования и создания систем электроснабжения космических аппаратов имеют первостепенное значение.

Автоматизация процессов управления полетом любых космических аппаратов (КА) немыслима без электрической энергии. Электрическая энергия используется для приведения в действие всех элементов устройств и оборудования КА (двигательная группа, органов управления, систем связи, приборного комплекса, отопления и т.д.).

В целом, система электроснабжения генерирует энергию, преобразует и регулирует её, запасает её для периодов пикового потребления или работы в тени, а также распределят её по космическому аппарату. Подсистема электроснабжения может также преобразовывать и регулировать напряжение или обеспечивать ряд уровней напряжений. Она часто включает и выключает аппаратуру и, для повышения надёжности, защищает от короткого замыкания и изолирует неисправности. Конструкция подсистемы зависит от космической радиации, которая вызывает деградацию солнечных батарей. Срок службы химической батареи часто ограничивает срок службы космического аппарата.

Актуальными проблемами являются изучение особенностей функционирования источников электроэнергии космического назначения. Изучение и освоение космического пространства требуют разработки и создания космических аппаратов различного назначения. В настоящее время наибольшее практическое применение получают автоматические непилотируемые космические аппараты для формирования глобальной системы связи, телевидения, навигации и геодезии, передачи информации, изучения погодных условий и природных ресурсов Земли, а также исследования дальнего космоса. Для их создания необходимо обеспечить очень жесткие требования по точности ориентации аппарата в космосе и коррекции параметров орбиты, а это требует повышения энерговооруженности космических аппаратов.

1. Общие сведения об АО «НЦКИТ»

Проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию аппаратуры и программного обеспечения для систем дифференциальной коррекции и навигационной аппаратуры потребителей.

Объектно-ориентированное моделирование и разработка программно-технического обеспечения системы крупномасштабного 3D-моделирования с использованием спутниковых навигационных технологий и лазерной дальнометрии.

Разработка инженерных моделей комплекса научного оборудования для проведения бортовых измерений и накопления целевой научной информации и программное обеспечение для их фунционирования.

Создание научно-методического и программного обеспечения решения задач комплексного анализа и прогнозирования развития космической техники в РК.

Создание программно-математического обеспечения и имитационных моделей космических аппаратов и подсистем.

Разработка экспериментальных образцов приборов, аппаратуры, узлов и подсистем микроспутников.

Создание научно-методического обеспечения и нормативно-технической базы решения задач технического регулирования.

Регламентация требований к разработке, проектированию, созданию, эксплуатации космической техники, обеспечению ее безопасности, оценки и подтверждения соответствия.

Согласно постановлению Правительства №38 от 22 января 2008 года «О реорганизации Республиканского государственного предприятия «Центр астрофизических исследований» Национального космического агентства Республики Казахстан и его дочерних государственных предприятий», РГП «Центр астрофизических исследований» и его дочерние предприятия «Институт ионосферы», «Астрофизический институт им. В.Г. Фесенкова», «Институт космических исследований» реорганизованы путем слияния и преобразования в акционерное общество «Национальный центр космических исследований и технологий» со стопроцентным участием государства в уставном капитале.

Свидетельство о государственной регистрации АО «НЦКИТ» - №93168-1910-АО, идентификационный №080740009161, от 16.07.2008 г., зарегистрировано в Департаменте юстиции г. Алматы Министерства юстиции Республики Казахстан

.2 Общая характеристика организации

Акционерное общество «Национальный центр космических исследований и технологий» зарегистрировано 16.07.2008 г.

В период с 2004 г. по 15.07.2008 г. АО НЦКИТ юридически являлся Республиканским государственным предприятием «Центр астрофизических исследований» (на праве хозяйственного ведения), которое было создано в соответствии с постановлением Правительства Республики Казахстан от 5 марта 2004 года №280 «Вопросы некоторых республиканских государственных предприятий Министерства образования и науки Республики Казахстан». РГП было создано на основе реорганизации и слияния республиканских государственных казенных предприятий «Институт космических исследований», «Институт ионосферы» и «Астрофизический институт имени В.Г. Фесенкова», которым был придан юридический статус дочерних государственныхпредприятий.

Постановлением Правительства Республики Казахстан от 29 мая 2007 года №438 «Вопросы Национального космического агентства» РГП «Центр астрофизических исследований» (на праве хозяйственного ведения) было передано в ведение Национального космического агентства Республики Казахстан.

Институт космических исследований Академии наук Казахской ССР организован согласно Постановлению Кабинета Министров Казахской ССР №470 от 12 августа 1991 года. Основатель и первый директор Института - Лауреат Государственной премии СССР, кавалер Орденов Ленина, Трудового Красного Знамени, «Парасат», академик НАН РК СултангазинУмирзакМахмутович (1936 г. - 2005 г.). В январе 2011 года Институту было присвоено имя академика У.М. Султангазина.

Предметом деятельности Института являлось проведение фундаментальных и прикладных исследований в рамках государственных, отраслевых, международных программ и проектов, а также выполнение работ по грантам отечественных и зарубежных фондов в области дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), космического мониторинга, геоинформационного моделирования, космического материаловедения.

Институт космических исследований, как головная организация, координировал исследования институтов НАН РК и других ведомственных организаций при разработке и реализации всех четырех казахстанских программ научных исследований и экспериментов на борту орбитального комплекса «Мир» с участием космонавта Аубакирова Т.О. (1991 г.) и с участием космонавта Мусабаева Т.А. - (1994, 1998 гг.), на борту Международной космической станции - с участием космонавта Мусабаева Т.А. (2001 г.).

Институт космических исследований имени академика У.М. Султангазина входил в состав АО «НЦКИТ» в качестве отдельного юридического лица в статусе дочернего товарищества с ограниченной ответственностью.

С 2014 года Институт и административный аппарат АО «НЦКИТ» были объединены в единую структуру с сохранением кадрового состава и направлений исследований.

1.3 Виды деятельности АО «НЦКИТ»

Координация, сопровождение и осуществление научно-исследовательской деятельности. Фундаментальные и прикладные космические исследования

Формирование основных направлений и планов научных исследований, представление законченных научных исследований в Национальное космическое агентство Республики Казахстан;

Представление в Национальное космическое агентство Республики Казахстан выводов и рекомендаций, основанных на ежегодных отчетах научных организаций о научной и научно-технической деятельности;

Сопровождение и Осуществление опытно-конструкторской и производственно-хозяйственной деятельности

Создание географических информационных систем на основе методов аэрокосмической съемки;

Прием, обработка, распространение, эквивалентный обмен и продажа данных дистанционного зондирования земли из космоса;

Разработка и эксплуатация космических средств различного назначения, космических систем связи, навигации и дистанционного зондирования;

Оказание инжиниринговых и консалтинговых услуг

Проведение маркетинговых исследований

Осуществление инновационной деятельности

Информирование о деятельности Национального космического агентства - Республики Казахстан и пропаганда достижений науки

Осуществление пропаганды достижений науки и космических технологий, организация. Проведение международных и республиканских съездов, сессий, конференций, семинаров, совещаний, выставок; издание научных журналов, трудов и информирования о деятельности Национального космического агентства Республики Казахстан

Подготовка высококвалифицированных научных кадров. Защита интеллектуальной собственности

Разработка нормативно-правовой документации

Кадровый состав

Всего - 450 квалифицированных специалистов и ученых.

В их числе - 27 доктора наук, 73 кандидатов наук, 2 академика, 2 члена-корреспондента и 3 доктора PHD.

Структура центра

Департамент дистанционного зондирования Земли

Основные направления исследований:

Развитие технологий приема, архивации, обработки и отображения данных ДЗЗ. Проведение фундаментальных и прикладных научных исследований в области изучения спектральных характеристик объектов земной поверхности, космического мониторинга сельскохозяйственных угодий и окружающей среды, чрезвычайных ситуаций (паводков, наводнений, пожаров), тематического дешифрирования спутниковых данных различного спектрального, пространственного и временного разрешения на основе анализа многолетних рядов данных ДЗЗ и состояния земной поверхности.

Проведение подспутниковых исследований. Создание отраслевых и региональных ситуационных центров космического мониторинга чрезвычайных ситуаций.

Департамент геоинформационного моделирования

Разработка численных моделей переноса коротковолновых и тепловых излучений в атмосфере для коррекции космических изображений и расчетов физических параметров атмосферы по данным спутниковой информации.

Создание геоинформационных моделей «риск-анализа» для определения степени влияния природных и техногенных факторов на развитие аварийных ситуаций на магистральных трубопроводах.

Создание автоматизированных методов и технологий цифровой фотограмметрии, методов и вычислительных алгоритмов интерферометрического анализа данных дистанционного зондирования.

Департамент космического материаловедения и приборостроения

Создание технологий производства конструкционных и функциональных материалов аэрокосмического назначения, а также изделий из них.

Разработка качественных, аналитических и численных методов исследования нестационарных задач динамики искусственных и естественных небесных тел.

Разработка новых математических моделей и методов обеспечения программного движения космических аппаратов.

Отдел информационно-образовательного обеспечения (г. Астана)

Организация повышения квалификации и переподготовки специалистов для космической отрасли Казахстана.

Центр приема космической информации (г. Алматы) и Научно-образовательный центр космического мониторинга коллективного пользования (г. Астана)

Регулярный прием, архивация и обработка данных космической съемки с космических аппаратов Aqua/MODIS, Terra/MODIS, SuomiNPP (США).

Имеется международная сертификация.

ДТОО «ИИ» (Институт ионосферы)

Предметом деятельности ДТОО «Институт ионосферы» является проведение фундаментальных, поисковых и прикладных исследований в области солнечно-земной физики и геодинамики: ионосферы и геомагнитного поля, космической погоды, радиационного мониторинга околоземного космического пространства, наземно-космического геодинамического и геофизического мониторинга земной коры Казахстана, создания системы прогнозирования месторождений полезных ископаемых, геодезии и картографии.

ДТОО «АФИФ» (Астрофизический институт им. Фесенкова)

ДТОО «ИКТТ» (Институт космической техники и технологий)

Дочернее товарищество с ограниченной ответственностью «Институт космической техники и технологий» (далее - ДТОО «Институт космической техники и технологий») создано по приказу Национального космического агентства Республики Казахстан №65/ОД от 17.08.2009 года.

ДТОО «Институт космической техники и технологий» было зарегистрировано 23 декабря 2009 года. Единственным Учредителем ДТОО «Институт космической техники и технологий» является Акционерное общество «Национальный центр космических исследований и технологий».

2. Общие сведения об энергоснабжении космических аппаратов

Геометрию космических аппаратов, конструкцию, массу, срок активного существования во многом определяет система энергоснабжения космических аппаратов. Система энергоснабжения или иначе именуемая как система энергопитания (СЭП) космических аппаратов - система космического аппарата, обеспечивающая электропитание других систем, является одной из важнейших систем. Выход из строя системы энергоснабжения ведет к отказу всего аппарата.

В состав системы энергопитания обычно входят: первичный и вторичный источник электроэнергии, преобразующие, зарядные устройства и автоматика управления.

Первичные источники энергии

В качестве первичных источников используются различные генераторы энергии:

солнечные батареи;

химические источники тока:

аккумуляторы;

гальванические элементы;

топливные элементы;

радиоизотопные источники энергии;

ядерные реакторы.

В состав первичного источника входит не только собственно генератор электроэнергии, но и обслуживающие его системы, например система ориентации солнечных батарей.

Часто источники энергии комбинируют, например, солнечную батарею с химическим аккумулятором.

Топливные элементы

Топливные элементы имеют высокие показатели по массогабаритным характеристикам и удельной мощности по сравнению с парой солнечные батареи и химический аккумулятор, устойчивы к перегрузкам, имеют стабильное напряжение, бесшумны. Однако они требуют запаса топлива, потому применяются на аппаратах со сроком нахождения в космосе от нескольких дней до 1-2 месяцев.

Используются в основном водород-кислородные топливные элементы, так как водород обеспечивает наивысшую калорийность, и, кроме того, образовавшаяся в результате реакции вода может быть использована на пилотируемых космических аппаратах. Для обеспечения нормальной работы топливных элементов необходимо обеспечить отвод образующихся в результате реакции воды и тепла. Ещё одним сдерживающим фактором является относительно высокая стоимость жидкого водорода и кислорода, сложность их хранения.

Радиоизотопные источники энергии

Радиоизотопные источники энергии используют в основном в следующих случаях:

высокая длительность полёта;

миссии во внешние области Солнечной системы, где поток солнечного излучения мал;

разведывательные спутники с радаром бокового обзора из-за низких орбит не могут использовать солнечные батареи, но испытывают высокую потребность в энергии.

Автоматика системы энергопитания

В нее входят устройства управления работой энергоустановки, а также контроля ее параметров. Типичными задачами являются:поддержание в заданных диапазонах параметров системы: напряжения, температуры, давления, переключения режимов работы, например, переход на резервный источник питания; распознавание отказов, аварийная защита источников питания в частности по току; выдача информации о состоянии системы для телеметрии и на пульт космонавтов. В некоторых случаях возможен переход с автоматического на ручное управление либо с пульта космонавтов, либо по командам из наземного центра управления.

.1 Солнечные батареи принцип действия и устройство

В основе устройства солнечной батареи лежат генераторы напряжения, составленные из ФЭП - устройств для непосредственного преобразования солнечной световой энергии в электрическую. Действие ФЭП основано на внутреннем фотоэффекте, т.е. на появлении ЭДС под действием солнечного света.

Полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) - это устройство, в котором осуществляется прямое преобразование энергии солнечного излучения в электрическую энергию. Принцип работы ФЭП основан на взаимодействии солнечного света с кристаллом полупроводника, в процессе которого фотоны освобождают в кристалле электроны - носители электрического заряда. Специально созданные под действием так называемого p-n-перехода области с сильным электрическим полем улавливают освободившиеся электроны и разделяют их таким образом, что в цепи нагрузки возникает ток и соответственно электрическая мощность.

Теперь рассмотрим несколько подробнее, хотя и со значительными упрощениями, этот процесс. Начнем с рассмотрения поглощения света в металлах и чистых полупроводниках. При попадании потока фотонов на поверхность металла часть фотонов отражается, а оставшаяся часть поглощается металлом. Энергия второй части фотонов увеличивает амплитуду колебаний решетки и скорость хаотического движения свободных электронов. Если энергия фотона довольно велика, то ее может оказаться достаточно, чтобы выбить из металла электрон, сообщив ему энергию, равную или большую, чемработа выхода данного металла. Это внешний фотоэффект. При меньшей энергии фотона его энергия в конечном счете целиком идет на нагрев металла.

Иная картина наблюдается при воздействии потока фотонов на полупроводники. В отличие от металлов кристаллические полупроводники в чистом виде (без примесей), если на них не воздействуют никакие внешние факторы (температура, электрическое поле, излучение света и т.д.), не имеют свободных электронов, оторванных от атомов кристаллической решетки полупроводника

Рис. 2.1 - Поглощение света в металлах и полупроводниках: 1 - заполненная (валентная) зона, 2 - запрещенная зона, 3 - зона проводимости, 4 - электрон

Однако, поскольку полупроводниковый материал всегда находится под воздействием какой-либо температуры (чаще всего комнатной), небольшая часть электронов может за счет тепловых колебаний приобрести энергию, достаточную для отрыва их от своих атомов. Такие электроны становятся свободными и могут принимать участие в переносе электричества.

Атом полупроводника, лишившийся электрона, приобретает положительный заряд, равный заряду электрона. Однако место атома, не занятое электроном, может быть занято электроном соседнего атома. При этом первый атом становится нейтральным, а соседний - положительно заряженным. Освободившееся в связи с образованием свободного электрона место в атоме равноценно положительно заряженной частице, называемой дыркой.

Энергия, которой обладает электрон в связанном с атомом состоянии, лежит в пределах заполненной (валентной) зоны. Энергия свободного электрона относительно велика и лежит в более высокой энергетической зоне - зоне проводимости. Между ними лежит запрещенная зона, т.е. зона таких значений энергий, которые электроны данного полупроводникового материала не могут иметь ни в связанном, ни в свободном состоянии. Ширина запрещенной зоны для большинства полупроводников лежит в пределах 0,1 - 1,5 эВ. При больших значениях запрещенной зоны, чем 2,0 эВ, мы имеем дело с диэлектриками.

Если энергия фотона равна или превышает ширину запрещенной зоны, то происходят отрыв одного из электронов от своего атома и переброска его из валентной зоны в зону проводимости.

Увеличение концентрации электронов и дырок приводит к возрастанию проводимости полупроводника. Возникающая под действием внешних факторов проводимость тока в чистом монокристаллическом полупроводнике называется собственной проводимостью. С исчезновением внешних воздействий свободные электронно-дырочные пары рекомбинируют друг с другом и собственная проводимость полупроводника стремится к нулю. Идеально чистых полупроводников, которые обладали бы одной лишь собственной проводимостью, не существует. Обычно полупроводник обладает электронной (n-тип) или дырочной (p-тип) проводимостью.

Тип проводимости определяется валентностью атомов полупроводника и валентностью атомов активной примеси, внедренной в его кристаллическую решетку. Например, для кремния (IV группа Периодической системы Менделеева) активными примесями являются бор, алюминий, галлий, индий, таллий (III группа) или фосфор, мышьяк, сурьма, висмут (V группа). Кристаллическая решетка кремния имеет такую форму, при которой каждый атом кремния, находящийся в узле решетки, связан с четырьмя другими ближайшими атомами кремния так называемыми ковалентными или парноэлектронными связями.

Элементы V группы (доноры), внедренные в узлы кристаллической решетки кремния, имеют ковалентные «связи четырех своих электронов с четырьмя электронами соседних атомов кремния, а пятый электрон может быть легко освобожден. Элементы III группы (акцепторы), внедренные в узлы кристаллической решетки кремния, для образования четырех ковалентных связей притягивают электрон от одного из соседних атомов кремния, образуя тем самым дырку. Этот атом в свою очередь может притянуть электрон от одного из соседних ему атомов кремния и т.д.

ФЭП - это полупроводниковый фотоэлемент с запорным (вентильным) слоем, работа которого основана на только что рассмотренном фотоэффекте. Итак, механизм работы ФЭП заключается в следующем (рисунок 2.2).

Кристалл ФЭП состоит из p- и n-областей, имеющих соответственно дырочную и электронную проводимости. Между этими областями образуется p-n-переход (запорный слой). Его толщина 10-4 - 10-6 см.

Так как по одну сторону от p-n-перехода больше электронов, а по другую дырок, то каждый из этих свободных носителей тока будет иметь тенденцию диффундировать в ту часть ФЭП, где их недостаточно. В результате на p-n-переходе в темноте устанавливается динамическое равновесие зарядов и образуется два слоя объемных зарядов, причем со стороны p-области образуются отрицательный, а со стороны n-области положительный заряды.

Установившийся потенциальный барьер (или контактная разность потенциалов) будет препятствовать дальнейшей самодиффузии электронов и дырок через p-n-переход. Контактная разность потенциалов Uк направлена от n-области к p-области. Переход электронов из n-области в p-область требует затраты работы Uк · e, переходящей в потенциальную энергию электронов.

По этой причине все энергетические уровни в p-области подняты относительно энергетических уровней n-области на величину потенциального барьера Uк · е. На рисунке движение вверх по оси ординат соответствует росту энергии электронов и уменьшению энергии дырок.

Рис. 2.2 - Принцип действия ФЭП (точками обозначены электроны, кружочками - дырки)

Таким образом, потенциальный барьер является препятствием для основных носителей (в прямом направлении), а для неосновных носителей (в обратном направлении) никакого сопротивления не представляет.

Под действием солнечного света (фотонов определенной энергии) атомы полупроводника возбудятся, и в кристалле как в p-, так и n-областях возникнут дополнительные (избыточные) пары электрон-дырка (рисунок 2.2, б). Наличие же потенциального барьера в p-n-переходе обусловливает разделение дополнительных неосновных носителей (зарядов) так, что в n-области будут накапливаться избыточные электроны, а в p-области - избыточные дырки, не успевшие рекомбинировать до их подхода к p-n-переходу. При этом будет происходить частичная компенсация объемного заряда у p - n-перехода и возрастать создаваемое ими электрическое поле, направленное против контактной разности потенциалов, что вместе взятое ведет к снижению потенциального барьера.

В результате между электродами установится разность потенциалов Uф, которая по существу представляет собой фото-ЭДС. Если в цепь ФЭП включить внешнюю электрическую нагрузку, то в ней потечет электрический ток - поток электронов от n-области к p-области, где они рекомбинируют с дырками. Вольт-амперная и вольт-мощностная характеристики ФЭП представлены на рисунке 2.3, из которого очевидно, что для снятия с ФЭП максимальной электрической мощности необходимо обеспечить его работу в достаточно узком диапазоне выходных напряжений (0,35 - 0,45 В).

Масса 1 м2СБ 6…10 кг, из них 40% приходится на массу ФЭП. Из фотоэлементов, размеры которых в среднем составляют не более 20 мм, путем последовательного их соединения набирают генераторы напряжения до требуемого значения напряжения, например на номинал 27 В.

Рис. 2.3 - Зависимость напряжения и удельной мощности от плотности тока ФЭП

Генераторы напряжения, имеющие габаритные размеры приблизительно 100 х 150 мм, крепятся на панелях СБ и соединяются последовательно для получения необходимой мощности на выходе СЭП.

Кроме кремниевых ФЭП, которые до настоящего времени используются в большинстве солнечных КЭУ, наибольший интерес представляют ФЭП на основе арсенида галлия и сульфида кадмия. Они обладают более высокой рабочей температурой, чем кремниевые ФЭП (причем ФЭП па основе арсенида галлия имеют более высокий теоретический и практически достигнутый КПД). Необходимо отметить, что по мере увеличения ширины запрещенной зоны полупроводника увеличивается напряжение холостого хода и теоретический КПД ФЭП на его основе. Однако при ширине запрещенной зоны более 1,5 эВ КПД ФЭП начинает уменьшаться, так как все большая часть фотонов не может образовать пару электрон-дырка. Таким образом, имеется оптимальная ширина запрещенной зоны (1,4 - 1,5 эВ), при которой КПД ФЭП достигает максимально возможной величины.

3. Электрохимические космические энергоустановки

Электрохимический источник тока (ЭХИТ) является основой любой электрохимической КЭУ. Он включает в себя электроды, являющиеся, как правило, активными веществами, электролит, сепаратор и внешнюю конструкцию (сосуд). В качестве электролита для ЭХИТ, применяемых на КА, обычно используется водный раствор щелочи КОН.

Рассмотрим упрощенную схему и конструкцию серебряно-цинкового ЭХИТ (рисунок 3.1). Положительный электрод представляет собой проволочную сетку-токоотвод, па которую напрессовано порошкообразное металлическое серебро, спеченное затем в печи при температуре примерно 400°С, что придает электроду необходимую прочность и пористость. Отрицательный электрод - это напрессованная также на сетку-токоотвод масса, состоящая из окиси цинка (70 - 75%) и цинковой пыли (25 - 30%).

На отрицательном электроде (Zn) происходит реакция окислителя активного вещества до гидроокиси цинка Zn(OH)2, а на положительном (AgO) - реакция восстановления активного вещества до чистого серебра. Во внешнюю цепь идет отдача электроэнергии в виде потока электронов. В электролите же электрическая цепь замыкается потоком ионов ОНˉ от положительного электрода к отрицательному. Сепаратор необходим прежде всего для предотвращения соприкосновения (и отсюда короткого замыкания) электродов. Кроме того, он уменьшает саморазряд ЭХИТ и обязателен для обеспечения его обратимой работы на протяжении многих циклов заряд-разряд.

Рис. 3.1 Принцип действия серебряно-цинкового ЭХИТ:

Положительный электрод (AgO), 2 - электрическая нагрузка,

Отрицательный электрод (Zn), 4 - сосуд, 5 - сепаратор

Последнее связано с тем, что при недостаточной сепарации коллоидные растворы окислов серебра, достигающие отрицательного электрода, катодно восстанавливаются в виде тончайших серебряных нитей, направленных к положительному электроду, а ионы цинка также восстанавливаются в виде нитей, растущих в направлении к аноду. Все это может привести к короткому замыканию электродов на первых же циклах работы.

Наиболее подходящим сепаратором (разделителем) для серебряно-цинковых ЭХИТ является пленка из гидратцеллюлозы (целлофан), которая, набухая в электролите, уплотняет сборку, что препятствует оплыванию цинковых электродов, а также прорастанию игольчатых кристаллов серебра и цинка (дендритов). Сосуд серебряно-цинкового ЭХИТ изготавливается, как правило, из пластмассы (полиамидная смола или полистирол) и имеет прямоугольную форму. Для других типов ЭХИТ сосуды могут быть изготовлены, например, из никелированною железа. При заряде ЭХИТ происходил восстановление цинка и окиси серебра на электродах.

Итак, разряд ЭХИТ - это процесс отдачи электроэнергии во внешнюю цепь, а заряд ЭХИТ - процесс сообщения ему электроэнергии извне с целью восстановления первоначальных веществ из продуктов реакции. По характеру работы ЭХИТ делятся на гальванические элементы (первичные источники тока), которые допускают лишь однократное использование активных веществ, и электрические аккумуляторы (вторичные источники тока), которые допускают многократное использование активных веществ в связи с возможностью их восстановления путем заряда от постороннего источника электроэнергии.

В КЭУ на основе ЭХИТ используются электрические аккумуляторы с одноразовым или многоразовым режимами разряда, а также водородно-кислородные топливные элементы.

3.1 Химические источники тока

Электродвижущей силой (ЭДС) химических источников называется разность его электродных потенциалов при разомкнутой внешней цепи:

где и - соответственно потенциалы положительного и отрицательного электродов.

Полное внутреннее сопротивление Rхимического источника (сопротивление постоянной силе тока) состоит из омического сопротивления и сопротивления поляризации :

где - ЭДС поляризации; - сила тока разряда.

Сопротивление поляризации обусловлено изменением электродных потенциалов и при протекании тока и зависит от степени заряженности, силы разрядного тока, состава электродов и чистоты электролита.

;

,

где и и

.

Разрядная емкость Q (А·ч) химического источника есть количество электричества, отдаваемое источником во время разряда при определенных температуре электролита, окружающем давлении, силе раз рядного тока и конечном разрядном напряжении:

,

и в общем случае при постоянной во время разряда силе тока

где - текущее значение силы тока разряда, А; - время разряда, ч.

,

где и

.

В качестве химических источников тока рассмотрены серебряноцинковые, кадмиево-никелевые и никель-водородные аккумуляторные батареи.

3.2 Серебряно-цинковые аккумуляторные батареи

Серебряно-цинковые аккумуляторы благодаря меньшей массе и объему при той же емкости и меньшему внутреннему сопротивлению при заданном напряжении получили распространение в космическом электрооборудовании. Активным веществом положительного электрода аккумулятора является окись серебра AgO, а отрицательной пластины - металлический цинк. В качестве электролита используется водный раствор щелочи КОН плотностью 1,46 г./см3.

Заряд и разряд аккумулятора происходит в две ступени. При разряде на обеих ступенях на отрицательном электроде протекает реакция окисления цинка

2OH ˉ разряд → ZnO + H2O + 2e.

На положительном электроде в-две ступени протекает реакция восстановления серебра. На первой ступени двухвалентная окись серебра восстанавливается до одновалентной:

2AgO + 2e + H2Oразряд → Ag2O + 2OH ˉ.

ЭДС аккумулятора при этом равна 1,82.. 1,86 В, На второй ступени, когда аккумулятор разрядится примерно на 30%, происходит восстановление одновалентной окиси серебра до металлического серебра:

2O + 2e + H2Oразряд → 2Ag + 2OH ˉ.

ЭДС аккумулятора в момент перехода от первой ступени разряда до второй снижается до 1,52.. 1,56 В. Вследствие этого кривая 2 изменения ЭДС при разряде номинальным током (рисунок 3.2) имеет характерный скачок. При дальнейшем разряде ЭДС аккумулятора остается постоянной, пока аккумулятор не разрядится полностью. При заряде реакции протекает в две ступени. Скачок напряжения и ЭДС возникает, когда аккумулятор зарядится примерно на 30% (кривая1), В этом состоянии поверхность электрода покрывается двухвалентной окисью серебра.

Рис. 3.2 - ЭДС аккумулятора при заряде (1) и разряде (2)

В конце заряда, когда прекращается окисление серебра из одновалентного в двухвалентное во всей толще электрода, начинается выделение кислорода по уравнению

OH ˉ разряд → 2H2O + 4e +O2

ЭДС аккумулятора при этом повышается на 0,2…0,3 В (см. рисунок 5.1, пунктирный участок на кривой 1). Выделяющийся при перезарядке кислород ускоряет процесс разрушения целлофановых параметров аккумулятора и возникновения внутренних коротких замыканий.

В процессе заряда вся окись цинка может быть восстановлена до металлического цинка. При перезаряде восстанавливается окись цинка электролита, находящегося в порах электрода, а затем и в сепараторах отрицательных пластин, роль которых выполняют несколько слоев целлофановой пленки. Цинк выделяется в виде кристаллов, которые растут в сторону положительного электрода, образуя цинковые дендрита. Такие кристаллы способны протыкать целлофановые пленки и вызывать короткие замыкания электродов. Цинковые дендриты не вступают в обратные реакции. Опасны поэтому даже кратковременные перезаряды.

3.3 Кадмиево-никелевые аккумуляторные батареи

Активным веществом отрицательного электрода в кадмиево-никелевом аккумуляторе является металлический кадмий. Электролитом в аккумуляторе служит водный раствор едкого калия КОН плотностью 1,18… 1,40 г./см3.

В кадмиево-никелевом аккумуляторе используется окислительно-восстановительная реакция между кадмием и гидратом окиси никеля:

2Ni(OH)3 → Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2

Упрощенно химическую реакцию на электродах можно записать следующим образом. На отрицательном электроде при разряде происходит окисление кадмия:

2e → Cd++

Ионы кадмия связываются с гидроксильными ионами щелочи, образуя гидрат кадмия:

2e + 2OH ˉ разряд → Cd(OH)2.

На положительном электроде при разряде восстанавливается никель с трехвалентного до двухвалентного:

2Ni(OH)3 + 2eразряд → 2Ni(OH)2 + 2OH ˉ.

Упрощение состоит в том, что состав гидроокиси не соответствует точно их формулам. Соли кадмия и никеля малорастворимы в воде, поэтому концентрация ионов Cd++, Ni++, Ni+++определяется концентрацией КОН, от которой в электролите косвенно зависит и величина ЭДС аккумулятора.

Электродвижущая сила только что заряженного аккумулятора равна 1,45 В.В течение нескольких суток после конца заряда происходит снижение ЭДС до 1,36 В.

3.4 Никель-водородные аккумуляторные батареи

Никель-водородные аккумуляторные батареи (НВАБ), обладая высокой надежностью, большими ресурсом и удельной энергией, отличными эксплуатационными показателями, найдут широкое применение в КА взамен никель-кадмиевых аккумуляторов.

Для работы НВАБ на низкой околоземной орбите (НОО) требуется ресурс порядка 30 тыс. циклов в течение пяти лет. Использование АБ на НОО с малой глубиной разряда (ГР) ведет к соответственному снижению гарантируемой удельной энергии (30 тыс. циклов может быть достигнуто при ГР 40%). Трехлетнее непрерывное циклирование в режиме НОО при ГР = 30% двенадцати стандартных НВАБ (RNH-30-1) емкостью 30 А · ч показали, что все НВАБ проработали стабильно 14 600 циклов.

Достигнутый уровень удельной энергии для НВАБ составляет в условиях околоземной орбиты 40 Вт · ч/кг при глубине разряда 100%, ресурс при ГР 30% составляет 30 тыс. циклов.

4/ Выбор параметров солнечных батарей и буферных накопителей

Исходные данные:

Предельная масса КА - Мп = до 15 кг;

Высота круговой орбиты - h = 450 км;

Масса целевой системы - не более 0,5 кг;

Передающая частота - 24 ГГц;

Потребляемое напряжение - 3.3 - 3.6 В;

Минимальная потребляемая мощность трансивера - 300 мВт;

Потребляемая мощность плазмено-ионного двигателя - 155 Вт;

Срок активного существования - 2-3 года.

4.1 Расчет параметров буферного накопителя

Расчет параметров буферного накопителя (БН) из аккумуляторных батарей и определение их состава ведется исходя из ограничений, накладываемых на аккумуляторы по силам зарядного и разрядного токов, интегральной емкости разряда, разовым глубинам разряда, надежности, температурных условий работы и т.д.

При расчете параметров никель-водородных аккумуляторов, воспользуемся следующими характеристиками и формулами [«Конструирование автоматических космических аппаратов» авторы: Д.И. Козлов, Г.Н. Аншаков, В.Ф. Агарков, Ю.Г. Антонов § 7.5], а также техническими характеристиками АБ HB-50 НИАИ Источник, информация о котором взята с сайта [#"justify">Электродвижущая сила только что заряженного аккумулятора равна 1,45 В.В течение нескольких суток после конца заряда происходит снижение ЭДС до 1,36 В.

·сила зарядного тока до 30 А;

·сила разрядного тока 12 - 50А в установившемся режиме и до 120 А в импульсном режиме до 1 минуты;

·максимальная глубина разряда до 54А·ч;

·при работе батарей (особенно в режимах циклирования большими силами тока заряда и разряда) необходимо обеспечить тепловой режим работы аккумуляторных батарей в диапазоне 10…30°С. С этой целью необходимо предусмотреть установку батарей в герметичном отсеке КА и обеспечить режим охлаждения каждого блока воздухом.

Используемые формулы для проведения расчетов параметров никель-кадмиевых аккумуляторов:

Напряжение химических источников электроэнергии отличается от ЭДС на значение падения напряжения во внутренней цепи, что определяется полным внутренним сопротивлением и протекающим током:

, (1)

, (2)

где и - разрядные и зарядные напряжения на источнике соответственно; и - сила токов разряда и заряда соответственно.

Для гальванических элементов одноразового применения напряжение определяется как разрядное.

Разрядная емкость Q (А·ч) химического источника есть количество электричества, отдаваемое источником во время разряда при определенных температуре электролита, окружающем давлении, силе разрядного тока и конечном разрядном напряжении:

, (3)

Номинальная емкость химического источника тока - это емкость, которую должен отдавать источник при оговоренных техническими условиями режимах работы. Для аккумуляторов КА за номинальную и силу тока разряда чаще всего принимают силу тока одно-двух или 10 часового режима разряда.

Саморазряд - бесполезная потеря емкости химическим источником при разомкнутой внешней цепи. Обычно саморазряд выражается в% за сутки хранения:

(4)

где и - емкости химического источника до и после хранения; Т - время хранения, сут.

Удельная энергия химического источника тока представляет собой отношение отдаваемой энергии к его массе:

(5)

Значение удельной энергии зависит не только от типа источника, но и от силы разрядного тока, т.е. от отбираемой мощности. Поэтому химический источник электроэнергии более полно характеризуется зависимостью удельной энергии от удельной мощности.

Расчет параметров:

Определим максимальное и минимальное время разряда из формулы :

Следовательно, максимальное время разряда:

;

минимальное время разряда:

.

Отсюда следует, что время разряда позволяет проектируемому спутнику использовать электрический ток в среднем в течении 167 мин или 2,8 часа, так как наша целевая установка использует 89 мА, время разряда будет не существенным, что положительно сказывается на обеспечение электрическим током других жизненно важных систем спутника.

Определим напряжение разряда и полное внутреннее сопротивление аккумулятора из формулы :

; (1)

(2)

.

Отсюда видно, что напряжение заряда в достаточной мере может обеспечиваться при помощи использования солнечных батарей, даже не большой площади.

Также можно определить саморазряд по формуле :

(4)

Возьмем за время работы аккумулятора Т = 0,923 ч, Q1 = 50 (А·ч) и Q2 = 6 (А·ч) за тридцать минут работы:

,

то есть при минимальном потреблении тока в 12 А, за 30 минут аккумуляторная батарея разредится на 95% при разомкнутой цепи.

Найдем удельную энергию химического источника по формуле :

,

то есть 1 кг химического источника может обеспечить 61,2 Вт в течении часа, что также подходит для нашей целевой установки, которая при работает при максимальной мощности 370 мВт.

4.2 Расчет параметров солнечных батарей

Для расчетов основных параметров СБ влияющих на конструкцию КА, его технических характеристик воспользуемся следующими формулами [«Конструирование автоматических космических аппаратов» авторы: Д.И. Козлов, Г.Н. Аншаков, В.Ф. Агарков, Ю.Г. Антонов § 7.5]:

Расчет параметров СБ сводится к определению ее площади и массы.

Расчет мощности СБ производится по формуле:

(6)

где - мощность СБ; Рн - среднесуточная мощность нагрузки (без учета собственных нужд СЭП); - время ориентации СБ на Солнце за виток; tT - время, в течение которого СБ не освещена; - КПД регулятора избытка мощности СБ, равный 0,85; - КПД регулятора разряда БН, равный 0,85; р.3 - КПД регулятора заряда БН, равный 0,9; - КПД аккумуляторных батарей БН, равный 0,8.

Площадь солнечной батареи рассчитывается по формуле:

(7)

где - удельная мощность СБ, принимаемая:

Вт/м2 при = 60°С и 85 Вт/м2 при = 110°С для материала ФЭП КСП;

Вт/м2 при = 60°С и 100 Вт/м2 при = 110°С для материала ФЭП;

Вт/м2 при = 60°С и 160 Вт/м2 при = 110°С для материала ФЭП Ga - As; - коэффициент запаса, учитывающий деградацию ФЭП из-за радиации, равный 1,2 для времени работы два-три года и 1,4 для времени работы пять лет;

Коэффициент заполнения, вычисляемый по формуле 1,12; - КПД СБ = 0,97.

Масса СБ определяется исходя из удельных параметров. В имеющихся в настоящее время конструкциях СБ удельная масса составляет = 2,77 кг/м2 для кремниевых и = 4,5 кг/м2 для арсенидгаллиевых ФЭП.

Масса СБ рассчитывается по формуле:

(8)

Для начала расчёта СЭП необходимо выбрать солнечные батареи. При рассмотрении различных СБ выбор пал на следующие: солнечные батареи организации ОАО «Сатурн» на основе GaAs фотопреобразователей со следующими характеристиками.

Основные параметры СБ

Параметр СБСБ на основе GaAs ФПСрок активного существования, лет15КПД при температуре 28°C, %28Удельная мощность, Вт/м2170Максимальная мощность, Вт/м2381Удельная масса, кг/м21.6Толщина ФЭП, мкм150 ± 20

Также для расчета понадобиться знать период обращения ИСЗ на низкой околоземной орбите, информация взята с сайта :

·в диапазоне от 160 км период обращения около 88 минут;

·до 2000 км период около 127 минут.

Для расчета возьмем усредненное значение - около 100 мин. При этом время освещенности солнечных панелей КА на орбите больше (около 60 мин), чем время нахождения их в тени около 40 мин.

Мощность нагрузки равна сумме требуемой мощности двигательной установки, целевой аппаратуры, мощности заряда и равна 220 Вт (значение взято с избытком 25 Вт).

Подставляя все известные значения в формулу , получаем:

,

.

Для определения площади панели СБ примем материал ФЭП Ga-Asпри рабочей температуре = 60°С, работе спутника 2-3 года и воспульзуемся формулой :

,

подставляя исходные данные, получим:

после проведения расчетов, получим

,

но с учетом не частого заряда аккумуляторной батареи, использования современных технологий в разработке других систем, а также с учетом того, что мощность нагрузки была взята с запасом около 25 Вт, возможно сократить площадь СБ до 3,6 м2

Хорошо видны 6 панелей солнечных батарей, жёстко закреплённых на корпусе. Для максимизации мощности такой установки необходима постоянная ориентация корпуса аппарата на Солнце, что потребовало разработки оригинальной системы управления ориентацией

Система энергоснабжения космического аппарата (система энергопитания , СЭП ) - система космического аппарата , обеспечивающая электропитание других систем, является одной из важнейших систем, во многом именно она определяет геометрию космических аппаратов, конструкцию, массу, срок активного существования. Выход из строя системы энергоснабжения ведёт к отказу всего аппарата.

В состав системы энергопитания обычно входят: первичный и вторичный источник электроэнергии, преобразующие, зарядные устройства и автоматика управления.

Параметры системы

Требуемая мощность энергетической установки аппарата непрерывно растёт по мере освоения новых задач. Так первый искусственный спутник Земли (1957 год) обладал энергоустановкой мощностью порядка 40 Вт , аппарат Молния-1+ (1967 год) обладал установкой мощностью 460 Вт , спутник связи Яхсат 1Б (2011 год) - 12 кВт .

Сегодня большинство бортовой аппаратуры космических аппаратов иностранного производства питается постоянным напряжением 50 или 100 вольт. При необходимости обеспечения потребителя переменным напряжением или постоянным нестандартной величины используются статические полупроводниковые преобразователи.

Первичные источники энергии

В качестве первичных источников используются различные генераторы энергии:

• , в частности:

В состав первичного источника входит не только собственно генератор электроэнергии, но и обслуживающие его системы, например система ориентации солнечных батарей .

Часто источники энергии комбинируют, например, солнечную батарею с химическим аккумулятором.

Солнечные батареи

На сегодняшний день солнечные батареи считаются одним из самых надёжных и достаточно хорошо отработанных вариантов обеспечения космического аппарата энергией.

Мощность излучения Солнца на орбите Земли составляет 1367 Вт/м² . Это позволяет получать примерно 130 Вт на 1 м² поверхности солнечных батарей (при КПД 8…13 %). Солнечные батареи располагают или на внешней поверхности аппарата или на раскрывающихся жёстких панелях. Для максимизации отдаваемой батареями энергии перпендикуляр к их поверхности должен быть направлен на Солнце с точностью 10…15˚. В случае жёстких панелей это достигается или ориентацией самого КА или специализированной автономной электромеханической системой ориентации солнечных батарей , при этом панели подвижны относительно корпуса аппарата. На некоторых спутниках применяют не ориентируемые батареи, располагая их на поверхности так, чтобы при любом положении аппарата обеспечивалась необходимая мощность.

Солнечные батареи со временем деградируют под действием следующих факторов:

• метеорная эрозия уменьшающая оптические свойства поверхности фотоэлектрических преобразователей;
• радиационное излучение понижающее фотоэдс, особенно при солнечных вспышках и при полёте в радиационном поясе Земли ;
• термические удары из-за глубокого охлаждения конструкции на затенённых участках орбиты, нагрева на освещённых и наоборот. Это явление разрушает крепление отдельных элементов батареи, соединения между ними.

Существует ряд мер по защите батарей от этих явлений. Время эффективной работы солнечных батарей составляет несколько лет, это один из лимитирующих факторов, определяющих время активного существования космического аппарата.

При затенении батарей в результате манёвров или входа в тень планеты выработка энергии фотоэлектрическими преобразователям прекращается, поэтому систему энергопитания дополняют химическими аккумуляторами (буферные химические батареи).

Аккумуляторные батареи

Самыми распространёнными в космической технике являются никель-кадмиевые аккумуляторы , так как они обеспечивают наибольшее количество циклов заряд-разряд и имеют лучшую стойкость к перезаряду. Эти факторы выходят на первый план при сроках службы аппарата более года. Другой важной характеристикой химического аккумулятора является удельная энергия, определяющая массо-габаритные характеристики батареи. Ещё одна важная характеристика - это надёжность , так как резервирование химических аккумуляторов крайне нежелательно из-за их высокой массы. Используемые в космической технике аккумуляторы, как правило, имеют герметичное исполнение; герметичность обычно достигается с помощью металло-керамических уплотнений . К батареям также предъявляются следующие требования:

• высокие удельные массогабаритные характеристики;
• высокие электрические характеристики;
• широкий диапазон рабочих температур;
• возможность зарядки низкими токами;
• низкие токи саморазряда .

Помимо основной функции аккумуляторная батарея может играть роль стабилизатора напряжения бортовой сети, так как в рабочем диапазоне температур её напряжение меняется мало при изменении тока нагрузки.

Топливные элементы

Впервые этот тип источника энергии был использован на космическом аппарате Джемини в 1966 году. Топливные элементы имеют высокие показатели по массо-габаритным характеристиками и удельной мощности по сравнению с парой солнечные батареи и химический аккумулятор, устойчивы к перегрузкам, имеют стабильное напряжение, бесшумны. Однако они требуют запаса топлива, потому применяются на аппаратах со сроком нахождения в космосе от нескольких дней до 1-2 месяцев.

Используются в основном водород-кислородные топливные элементы, так как водород обеспечивает наивысшую калорийность , и, кроме того, образовавшаяся в результате реакции вода может быть использована на пилотируемых космических аппаратах. Для обеспечения нормальной работы топливных элементов необходимо обеспечить отвод образующихся в результате реакции воды и тепла. Ещё одним сдерживающим фактором является относительно высокая стоимость жидкого водорода и кислорода , сложность их хранения.