Захранване за космически кораби. Система за захранване на бордовия комплекс на космически кораб (160,00 рубли) Катедра по космическа техника и технологии

М.А. ПЕТРОВИЧЕВ, А. С. СИСТЕМА ГУРТОВ ЕНЕРГИЙНО СНАБДЯВАНЕ НА БОРДА КОМПЛЕКСНА КОСМИЧЕСКИ КАРЕТИ Одобрено от Редакционно-издателския съвет на университета като учебно помагало САМАРА Издателство SSAU 2007 UDC 629.78.05 BBK 39.62 P306 C C I O N A L P R T E N A O R Y E C C I O N Иновативна образователна програма „Развитие на център за компетентност и обучение на специалисти от световна класа в областта на аерокосмическите и географските информационни технологии” PR I Рецензенти: д-р на техническите науки А.<...>Коптев, зам. Ръководител на отдела на Държавния научен център "ЦСКБ - Прогрес" С. И. Миненко P306 ПетровичевМ.А.<...>Система енергоснабдяванена борда комплекскосмически кораб: учебник. надбавка / М.А. Петровичев, КАТО. Гъртов.<...>Учебникът е предназначен за студенти от специалност 160802 " пространство устройстваи ускоряващи блокове."<...>УДК 629.78.05 BBK 39.62 ISBN 978-5-7883-0608-7 2 © Петровичев М. А., Гуртов А. С., 2007 © Самарски държавен аерокосмически университет, 2007 Система захранванекомплекс на бордовия космически кораб От всички видове енергия електрическата е най-универсалната.<...>. Система захранване(SES) CAе една от най-важните системи, осигуряващи функционалността CA. <...>Надеждността на SES до голяма степен се определя от 3 резервирането на всички видове източници, преобразуватели, превключване оборудванеи мрежи.<...>Структура системи захранване CAОсновен система захранване CAе системапостоянен ток.<...>За противодействие на пиковите натоварвания използвайте буфер източник. <...>За първи път на за многократна употреба CAСовалката използва безбуферна система за захранване.<...> 4 Система разпространениеКонвертор Конвертор Мрежов потребител Първичен източник Буфер източникОриз.<...>Устройство на апарата на системата за космическо захранване Буфер източникхарактеризиращ се с факта, че общата енергия, която произвежда, е нула.<...>За да съпоставите характеристиките на батерията с първичния източник и мрежата, използвайте<...>

Система_за_енергоснабдяване_на_бордовия_комплекс_на_космическия кораб_.pdf

ФЕДЕРАЛНА АГЕНЦИЯ ПО ОБРАЗОВАНИЕТО ДЪРЖАВНА ОБРАЗОВАТЕЛНА ИНСТИТУЦИЯ ЗА ВИСШЕ ПРОФЕСИОНАЛНО ОБРАЗОВАНИЕ „САМАРСКИ ДЪРЖАВЕН Аерокосмически университет на името на академик S.P. ЦАРИЦА" М. А. ПЕТРОВИЧЕВ, А. С. ГУРТОВ СИСТЕМА ЗА ЕЛЕКТРОЗАХРАНВАНЕ НА БОРДНИЯ КОМПЛЕКС НА КОСМИЧЕСКИТЕ КАРЕТИ Одобрено от Редакционно-издателския съвет на университета като учебно помагало САМАР А Издателство ССАУ 2007 г.

Страница 1

UDC 629.78.05 BBK 39.62 P306 Иновативна образователна програма „Развитие на център за компетентност и обучение на специалисти от световна класа в областта на аерокосмическите и геоинформационните технологии“ Рецензенти: доктор на техническите науки А. Н. Коптев, заместник-началник на отдела на Държавната научна Изследователски център РКЦ ЦСКБ - Прогрес" С. И. Миненко Петровичев М. А. П306 Система за захранване на бордовия комплекс на космическия кораб: учебник / М. А. Петровичев, А. С. Гуртов. - Самара: Самарско издателство Държавен аерокосмически университет, 2007. - 88 с. : илюстрация ISBN 978-5-7883-0608-7 Разглеждат се ролята и значението на системата за захранване на космически кораб, компонентите на тази система, специално внимание се обръща на разглеждането на принципите на работа и устройствата за захранване консумативи, особености на тяхното използване за космическа техника Ръководството предоставя доста обширен справочен материал, който може да се използва в курсова работа и дипломен дизайн от студенти от неелектрически специалности Учебникът е предназначен за студенти от специалност 160802 "Космически кораби и горни етапи". Може да бъде полезно и за млади специалисти в ракетно-космическата индустрия. Подготвена в катедра „Летателна техника“. UDC 629.78.05 BBK 39.62 ISBN 978-5-7883-0608-7 2 © Петровичев М. А., Гуртов А. С., 2007 © Самарски държавен аерокосмически университет, 2007 ПРЕДИ И Т КЕТО Н Е Н А Т И О Н Л Н И П Р Е С

Страница 2

Система за захранване на комплекса на бордовия космически кораб От всички видове енергия електрическата е най-универсалната. В сравнение с други видове енергия, той има редица предимства: електрическата енергия лесно се преобразува в други видове енергия, ефективността на електрическите инсталации е много по-висока от ефективността на инсталациите, работещи с други видове енергия, електрическата енергия е лесна за предава по кабели към потребителя, електрическата енергия се разпределя лесно между потребителите. Автоматизирането на процесите на управление на полета на всеки космически кораб (КА) е немислимо без електрическа енергия. Електрическата енергия се използва за задвижване на всички елементи на устройствата и оборудването на космическия кораб (задвижваща група, управление, комуникационни системи, измервателна апаратура, отопление и др.). Системата за електрозахранване (PSS) на космически кораб е една от най-важните системи, осигуряващи работата на космическия кораб. Основните изисквания за SES: необходимата доставка на енергия за завършване на целия полет, надеждна работа в условия на безтегловност, необходимата надеждност, осигурена чрез резервиране (по отношение на мощността) на основния източник и буфер, липса на емисии и потребление на газове, възможност за работа във всяка позиция в пространството, минимално тегло, минимална цена. Цялата електрическа енергия, необходима за изпълнение на полетната програма (за нормална работа, както и за някои необичайни), трябва да бъде на борда на космическия кораб, тъй като нейното попълване е възможно само за пилотирани станции. Надеждността на SES до голяма степен се определя от 3

Собственици на патент RU 2598862:

Употреба: в областта на електротехниката за захранване на космически кораби от първични източници с различна мощност. Техническият резултат е повишена надеждност на захранването. Системата за захранване на космическия кораб съдържа: група слънчеви батерии на пряка слънчева светлина (1), група слънчеви батерии на отразена слънчева светлина (7), генераторна верига (8), стабилизатор на напрежение (2), зарядно устройство ( 3), разрядно устройство (4), батерия (5), токоизправително устройство (9), контролер за зареждане на батерията (10) и консуматори (6). Променливото напрежение от генераторната верига (8) се преобразува в постоянно напрежение в блока (9) и се подава към първия вход на контролера за зареждане на батерията (10). На втория вход на контролера за зареждане на батерията (10) се подава постоянно напрежение от слънчеви панели на отразена слънчева светлина (7). Общото напрежение от веригата за генериране и слънчевите панели на отразената слънчева светлина от първия изход на контролера (10) отива към втория вход на батерията (5). От втория изход на контролера към първия вход на батерията (5) се получават управляващи сигнали от превключватели (15-21) с контакти 1-3 и превключватели (22-25) с контакти 1-2. Броят на управляваните превключващи устройства зависи от броя на батериите в батерията. За презареждане на избраната батерия (11-14) на съответните превключватели, първите им контакти се отварят с третия и се затварят с втория, на съответните превключватели първият и вторият контакт се затварят. Съответният акумулатор, свързан по този начин към втория вход на акумулатора, се презарежда с номиналния заряден ток до получаване на команда от контролера (10) за смяна на следващия акумулатор. Консуматорът (6) получава захранване от останалите батерии, заобикаляйки изключената, от първия акумулаторен изход (5). 5 болен.

Изобретението се отнася до космическите технологии и може да се използва като част от космически кораби със стабилизирано въртене.

Известна е система за захранване на космически кораб с общи шини (аналог), която съдържа слънчеви панели (основен източник на енергия), батерия и потребители. Недостатъкът на тази система е, че напрежението в тази система е нестабилизирано. Това води до загуби на енергия в кабелните мрежи и във вградените индивидуални консуматорски стабилизатори.

Известна е система за захранване на космически кораб с разделени шини и паралелно свързване на стабилизатор на напрежение (аналогов), който съдържа зарядно устройство, разрядно устройство и батерия. Недостатъкът му е невъзможността за използване на екстремен регулатор на мощността за слънчеви панели.

Най-близка по техническа същност до предложената система е система за захранване на космически кораб с разделени шини и с последователно-паралелно свързване на стабилизатор на напрежение 2 (прототип), който също така съдържа слънчеви панели за пряка слънчева светлина 1, зарядно устройство 3, разрядник устройство 4, акумулаторна батерия 5 (фиг. 1). Недостатъкът на тази система за захранване е невъзможността за приемане, преобразуване и акумулиране на електрическа енергия от източници с различна мощност, като енергията на магнитното поле на Земята и енергията на отразената слънчева светлина от земната повърхност.

Целта на изобретението е да разшири възможностите на системата за захранване на космическия кораб да получава, преобразува и акумулира електроенергия от различни първични източници с различна мощност, което позволява увеличаване на активния живот и захранване на космически кораби.

На фиг. 2 показва системата за захранване на космически кораб със стабилизирано въртене; Фиг. 3 - батерия, съдържаща комутационни устройства, управлявани от контролера; на фиг. 4 е изглед на стабилизирания от въртене космически кораб от ФИГ. Фигура 5 схематично показва един от вариантите за движение на стабилизиран от въртене космически кораб в орбита.

Системата за захранване на стабилизиран с въртене космически кораб съдържа група слънчеви панели 7, предназначени да преобразуват слънчевата светлина, отразена от Земята, в електрическа енергия, генерирайки верига 8, която е набор от проводници (намотки), разположени по протежение на тялото на космически кораб, в който се индуцира електродвижеща сила за отчитане на въртенето на космическия кораб около оста му в магнитното поле на Земята, токоизправително устройство 9, контролер за зареждане на батерията от източници на захранване с различна мощност 10, батерия 5, съдържаща контролирано от контролера превключване устройства 15-25, които свързват или изключват отделни батерии 11-14 към контролера 9, за да ги презаредят с нисък ток (фиг. 2).

Системата работи по следния начин. По време на процеса на извеждане на космическия кораб в орбита, той се завърта по такъв начин, че оста на въртене на апарата и слънчевите панели на пряка слънчева светлина са ориентирани към Слънцето (фиг. 4). По време на движението на въртящ се космически кораб в орбита, генериращата верига прихваща индукционните линии на магнитното поле на Земята със скоростта на въртене на космическия кораб около оста си. В резултат на това, съгласно закона за електромагнитната индукция, в генериращата верига се индуцира електродвижеща сила

където µ o е магнитната константа, H е силата на магнитното поле на Земята, S in е площта на генериращата верига, N c е броят на завоите във веригата, ω е ъгловата честота на въртене.

Когато веригата за генериране е затворена за товара, токът протича във веригата за генериране на потребителя. Мощността на генераторната верига зависи от въртящия момент на космическия кораб около неговата ос

където J KA е инерционният момент на космическия кораб.

Така генераторната верига е допълнителен източник на електроенергия на борда на космическия кораб.

Променливото напрежение от генериращата верига 8 се коригира в блок 9 и се подава към първия вход на контролера за зареждане на батерията 10. Директното напрежение от слънчевите панели на отразената слънчева светлина 7 се подава към втория вход на контролера за зареждане на батерията 10. Общото напрежение от първия изход на контролера 10 преминава към втория вход на батерията 5. От втория изход на контролера до първия вход на батерията 5 се получават управляващи сигнали от превключватели 15-21, имащи контакти 1 -3 и превключватели 22-25 с контакти 1-2. Броят на управляваните превключващи устройства зависи от броя на батериите в батерията. За презареждане на избраната батерия (11-14) на съответните превключватели, първите им контакти се отварят с третия и се затварят с втория, на съответните превключватели първият и вторият контакт се затварят. Съответната батерия, свързана по този начин към втория вход на батерията, се презарежда с слаб ток, докато се получи команда от контролера 10 за смяна на следващата батерия. Консуматорът получава захранване от останалите батерии, заобикаляйки батерия 5, която е изключена от първия изход.

Когато космическият кораб е в орбита в позиция 1 (фиг. 4, 5), слънчевите панели на отразената слънчева светлина са ориентирани към Земята. В този момент зарядното устройство 3, включено в захранващата система на космическия кораб, получава електричество от слънчеви панели на пряка слънчева светлина 1, а контролерът за зареждане на батерията 10 получава електричество от слънчеви панели на отразена слънчева светлина 7 и веригата за генериране 8. В позиция на космически кораб 2, слънчеви панели от пряка слънчева светлина Светлините 1 остават насочени към Слънцето, докато слънчевите клетки на отразената слънчева светлина са частично затъмнени. В този момент зарядното устройство 3 на системата за захранване на космическия кораб продължава да получава електричество от слънчеви панели на пряка слънчева светлина, а контролерът 10 губи част от енергията от блок 7, но продължава да получава енергия от блок 8 през токоизправителя 9. В позицията на космическия кораб 3 всички групи слънчеви панели са засенчени, зарядното устройство 3 не получава електричество от слънчеви панели 1, а бордовите потребители на космическия кораб получават електричество от батерията. Контролерът за зареждане на батерията продължава да получава енергия от веригата за генериране 8, презареждайки следващата батерия. В позицията на космическия кораб 4 слънчевите панели на пряката слънчева светлина 1 отново са осветени от Слънцето, докато слънчевите панели на отразената слънчева светлина са частично затъмнени. В този момент зарядното устройство 3 на системата за захранване на космическия кораб продължава да получава електричество от слънчеви панели на пряка слънчева светлина, а контролерът 10 губи част от енергията от блок 7, но продължава да получава енергия от блок 8 през токоизправителя 9.

По този начин системата за захранване на стабилизиран от въртене космически кораб е способна да приема, преобразува и акумулира: а) енергия на пряка и отразена от слънчевата светлина; б) кинетична енергия на въртене на космическия кораб в магнитното поле на Земята. В противен случай функционирането на предложената система е подобно на познатата.

Техническият резултат - увеличаване на активния живот и захранването на космическия кораб - се постига чрез използването на микроконтролерно зарядно устройство като част от системата за захранване на космическия кораб, което дава възможност за зареждане на батерията от източници на електрическа енергия с различна мощност (отразено слънчева светлина и енергия от магнитното поле на Земята).

Практическата реализация на функционалните единици от настоящото изобретение може да се извърши както следва.

Като генераторна верига може да се използва трифазна двуслойна намотка с изолирана медна жица, която ще доближи формата на кривата на електродвижещата сила до синусоида. Като токоизправител може да се използва мостова схема на трифазен токоизправител с диоди с ниска мощност от тип D2 и D9, което ще намали пулсациите на изправеното напрежение. Като контролер за зареждане на батерията може да се използва микроконтролерът MAX 17710. Може да работи с нестабилни източници с диапазон на изходна мощност от 1 μW до 100 mW. Устройството има вграден усилващ преобразувател за зареждане на батерии от източници с типично изходно напрежение 0,75 V и вграден регулатор за защита на батериите от презареждане. Литиево-йонните батерии с подсистема за изравняване на напрежението на батерията (система за балансиране) могат да се използват като батерия, съдържаща комутационни устройства, управлявани от контролера. Може да се реализира на базата на контролера MSP430F1232.

По този начин отличителните характеристики на предложеното устройство допринасят за постигането на тази цел.

Източници на информация

1. Аналогов свят Максим. Нови микросхеми / Symmetron Group of Companies // Брой № 2, 2013. - 68 с.

2. Грилихес В.А. Слънчева енергия и космически полети / V.A. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов - М.: Наука, 1984. - 211 с.

3. Каргу Д.Л. Системи за захранване на космически кораби / D.L. Каргу, Г.Б. Стеганов [и др.] - СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайски, 2013. - 116 с.

4. Кацман М.М. Електрически машини / М.М. Кацман. - учебник наръчник за специални ученици технически училища. - 2-ро изд., преработено. и допълнителни - М.: Висше. шк., 1990. - 463 с.

5. Прянишников V.A. електроника. Курс на лекции / V.A. Прянишников - Санкт Петербург: Krona Print LLC, 1998. - 400 с.

6. Рикованов A.N. Системи за захранване с литиево-йонни батерии / A.N. Рикованов // Силова електроника. - 2009. - № 1.

7. Чилин Ю.Н. Моделиране и оптимизация в енергийните системи на космически кораби / Ю.Н. Чилин. - Санкт Петербург: VIKA, 1995. - 277 с.

Система за захранване на космически кораб, съдържаща група слънчеви батерии на пряка слънчева светлина, зарядно устройство, което получава електричество от слънчеви батерии на пряка слънчева светлина, устройство за разреждане, което захранва консуматори от батерия, стабилизатор на напрежение, който захранва консуматори от слънчева батерия на пряка слънчева светлина , характеризиращ се с това, че допълнително съдържа група от слънчеви панели, предназначени да преобразуват слънчевата светлина, отразена от Земята, в електрическа енергия, генерираща верига, която е набор от проводници (намотки), разположени върху тялото на космическия кораб, в които е електродвижеща сила предизвикано от въртенето на космическия кораб около оста му в магнитно поле земното поле, токоизправително устройство, а също така съдържа контролер за зареждане на батерията от източници на захранване с различна мощност, батерия, която допълнително съдържа превключващи устройства, управлявани от контролера, който свържете или изключете отделни батерии към контролера, за да ги презаредите.

Подобни патенти:

Изобретението се отнася до космическата техника и може да се използва за захранване на космически кораби (КА) и станции. Техническият резултат е използването на система за термичен контрол за получаване на допълнителна енергия.

Изобретението се отнася до областта на електротехниката. Системата за автономно захранване съдържа слънчева батерия, устройство за съхранение на електроенергия, зарядно-разрядно устройство и товар, състоящ се от един или повече стабилизатори на напрежение с крайни потребители на електроенергия, свързани към техните изходи.

Изобретението се отнася до електротехническата индустрия и може да се използва при проектирането на автономни системи за захранване на изкуствени спътници на Земята (AES). Техническият резултат е повишаване на специфичните енергийни характеристики и надеждността на системата за автономно захранване на спътника. Предложен е метод за захранване на товар с постоянен ток в автономна система за захранване на изкуствен спътник на Земята от слънчева батерия и набор от вторични източници на електроенергия - акумулаторни батерии, съдържащи Nacc батерии, свързани последователно, който се състои в стабилизиране на напрежението върху натоварването, зареждането и разреждането на батериите чрез отделни зарядни устройства и преобразуватели за разреждане, докато преобразувателите за разреждане са направени без усилватели на напрежението, за които броят на батериите Nacc във всяка батерия се избира от съотношението: Nacc≥(Un+1) /Uacc.min, където Nacc е броят на батериите в серийната верига на всяка батерия; Un - напрежение на изхода на автономната система за захранване, V; Uacc.min е минималното разрядно напрежение на една батерия, V, преобразувателите за зареждане са направени без усилватели на напрежението, за които напрежението в работната точка на слънчевата батерия се избира от съотношението: Urt>Uacc.max Nacc+1 , където Urt е напрежението в работната точка на слънчевата батерия в края на гарантирания ресурс на нейната работа, B; Uacc.max е максималното напрежение на зареждане на една батерия, V, докато изчисленият брой батерии Nacc се увеличава допълнително въз основа на съотношението: Nacc≥(Un+1)/Uacc.min+Nfailure, където Nfailure е броят на допустимите повреди на батерията и стабилизирането на напрежението чрез натоварване и зареждането на батерията се извършва чрез екстремно регулиране на напрежението на слънчевия панел.

Изобретението се отнася до областта на електротехниката. Техническият резултат се състои в разширяване на експлоатационните възможности на системата, увеличаване на нейната мощност на натоварване и осигуряване на максимална непрекъсната работа при поддържане на оптимални параметри на работа на батерията при захранване на консуматори с постоянен ток.

Изобретението се отнася до областта на слънчевата енергия, по-специално до слънчеви инсталации, които непрекъснато наблюдават Слънцето, както с концентратори на слънчева радиация, така и с плоски силициеви модули, предназначени за захранване на консуматори, например в райони с ненадеждно и децентрализирано захранване.

Изобретението се отнася до електротехническата индустрия и може да се използва при проектирането на автономни системи за захранване на изкуствени спътници на Земята (AES).

Изобретението се отнася до системи за въртене на слънчеви решетки (SPSB) на космически кораб (SC). Изобретението е предназначено да побере SPSB елементи за въртене на слънчева батерия с висока мощност и предаване на електричество от слънчевата батерия към космическия кораб.

Изобретението се отнася до областта на преобразуването на слънчевата енергия и предаването й на наземни потребители. Космическата електроцентрала съдържа слънчев колектор (1) от лобов тип, корпус на станцията (2) и пакет (3) от микровълнови антени. Колекторът (1) е изграден от пластини (панели) на фотоелектрически преобразуватели - основни и спомагателни. Плочите са с правоъгълна и триъгълна форма. Техните връзки са направени под формата на автоматични куки и бримки, които при разгръщане на колектора се свързват чрез многолистов механизъм. В сгънато състояние колекторът (1) има форма на куб. Лъчевите антени (3) фокусират микровълновата енергия върху усилвател, който предава тази енергия към наземни електроцентрали. Техническият резултат от изобретението е насочен към повишаване на ефективността на преобразуването и предаването на енергия на потребителите в обширни райони на Земята. 16 болен.

Употреба: в областта на електротехниката за захранване на космически кораби от първични източници с различна мощност. Техническият резултат е повишена надеждност на захранването. Системата за захранване на космическия кораб съдържа: група слънчеви батерии на пряка слънчева светлина, група слънчеви батерии на отразена слънчева светлина, генераторна верига, стабилизатор на напрежение, зарядно устройство, разрядно устройство, акумулаторна батерия, токоизправително устройство, контролер за зареждане на батерията и консуматори. Променливото напрежение от генераторната верига се преобразува в постоянно напрежение в блока и се подава към първия вход на контролера за зареждане на батерията. Постоянното напрежение от слънчевите панели на отразената слънчева светлина се подава към втория вход на контролера за зареждане на батерията. Общото напрежение от веригата за генериране и слънчевите панели на отразената слънчева светлина от първия изход на контролера отива към втория вход на батерията. От втория изход на контролера до първия вход на батерията се получават управляващи сигнали от превключватели с контакти 1-3 и превключватели с контакти 1-2. Броят на управляваните превключващи устройства зависи от броя на батериите в батерията. За да презаредите избраната батерия, на съответните превключватели първите им контакти се отварят с третия и се затварят с втория, на съответните превключватели първият и вторият контакт се затварят. Съответният акумулатор, свързан по този начин към втория вход на акумулатора, се презарежда с номиналния заряден ток до получаване на команда от контролера за смяна на следващия акумулатор. Консуматорът получава захранване от останалите батерии, заобикаляйки изключената, от първия изход на батерията. 5 болен.

Развитието на конкурентната космическа технология изисква преход към нови видове батерии, които отговарят на изискванията на системите за захранване на обещаващи космически кораби.

Днес космическите кораби се използват за организиране на комуникационни системи, навигация, телевизия, изучаване на метеорологичните условия и природните ресурси на Земята и изследване на дълбокия космос.

Едно от основните условия за такива устройства е точната ориентация в пространството и коригиране на параметрите на движение. Това значително увеличава изискванията към системата за захранване на устройството. Проблемите на електрозахранването на космически кораби и на първо място разработките за идентифициране на нови източници на електроенергия са от първостепенно значение на световно ниво.

В момента основните източници на електричество за космически кораби са слънчевите и презареждащите се батерии.

Слънчевите панели са достигнали своите физически граници по отношение на тяхната производителност. По-нататъшното им подобряване е възможно с помощта на нови материали, по-специално галиев арсенид. Това ще ви позволи да увеличите мощността на слънчевата батерия 2-3 пъти или да намалите нейния размер.

Сред акумулаторните батерии за космически кораби днес широко се използват никел-водородни батерии. Въпреки това енергийно-масовите характеристики на тези батерии са достигнали своя максимум (70-80 Wh/kg). По-нататъшното им подобряване е много ограничено и освен това изисква големи финансови разходи.

В тази връзка в момента има активно въвеждане на литиево-йонни батерии (LIB) на пазара на космически технологии.

Характеристиките на литиево-йонните батерии са много по-високи в сравнение с други видове батерии с подобен експлоатационен живот и брой цикли на зареждане-разреждане. Специфичната енергия на литиево-йонните батерии може да достигне 130 Wh/kg или повече, а енергийната ефективност е 95%.

Важен факт е, че LIB с еднакъв стандартен размер могат да работят безопасно, когато са свързани паралелно в групи, така че не е трудно да се формират литиево-йонни батерии с различен капацитет.

Една от основните разлики между LIB и никел-водородните батерии е наличието на електронни блокове за автоматизация, които наблюдават и управляват процеса на зареждане-разреждане. Те също така отговарят за изравняването на дисбаланса на напрежението на отделните LIB и осигуряват събирането и подготовката на телеметрична информация за основните параметри на батерията.

Но все пак основното предимство на литиево-йонните батерии се счита за намаляване на теглото в сравнение с традиционните батерии. Според експерти използването на литиево-йонни батерии на телекомуникационни спътници с мощност 15-20 kW ще намали теглото на батериите с 300 кг. Като се има предвид, че цената на извеждането на 1 кг полезна маса в орбита е около 30 хиляди долара, това значително ще намали финансовите разходи.

Един от водещите руски производители на такива батерии за космически кораби е ОАО "Авиационна електроника и комуникационни системи" (AVEX), част от KRET. Технологичният процес на производство на литиево-йонни батерии в предприятието осигурява висока надеждност и намалени разходи.

ИЗТОЧНИЦИ НА ЕЛЕКТРИЧЕСКА ЕНЕРГИЯ ЗА КОСМИЧЕСКИ АВТОМОБИЛИ
проф. Лукяненко Михаил Василиевич
глава Катедрата по системи за автоматично управление на Сибирския държавен аерокосмически университет на името на академик M.F. Решетньова

Проучването и изследването на космическото пространство изисква разработването и създаването на космически кораби за различни цели. В момента автоматичните безпилотни космически кораби са най-широко използвани за формиране на глобална система за комуникация, телевизия, навигация и геодезия, пренос на информация, изучаване на метеорологичните условия и природните ресурси на Земята, както и изследване на дълбокия космос. За създаването им е необходимо да се осигурят много строги изисквания за точността на ориентацията на апарата в космоса и корекцията на орбиталните параметри, а това изисква увеличаване на захранването на космическите кораби.
Една от най-важните бордови системи на всеки космически кораб, която определя преди всичко неговите експлоатационни характеристики, надеждност, експлоатационен живот и икономическа ефективност, е системата за захранване. Ето защо проблемите на разработването, изследването и създаването на системи за електрозахранване на космически кораби са от първостепенно значение и тяхното решение ще позволи достигане на световно ниво по отношение на специфични масови показатели и активен живот.
През последното десетилетие водещите световни компании направиха тласък за увеличаване на захранването на космически кораби, което позволява, със същите ограничения върху масата на устройствата, наложени от съществуващите носители, непрекъснато да увеличава мощността на полезния товар. Подобни постижения станаха възможни благодарение на усилията, положени от разработчиците на всички компоненти на бордовите системи за захранване и преди всичко на източници на енергия.
Основните източници на електричество за космически кораби в момента са слънчеви и акумулаторни батерии.
Слънчевите батерии със силициеви монокристални фотоволтаични преобразуватели са достигнали своя физически предел по отношение на специфичните за масата характеристики. По-нататъшен напредък в развитието на слънчевите клетки е възможен с използването на фотоволтаични преобразуватели, базирани на нови материали, по-специално галиев арсенид. Тристепенни фотоволтаични преобразуватели, изработени от галиев арсенид, вече се използват на американската платформа HS-702, на европейската Spasebus-400 и др., което е увеличило повече от два пъти мощността на слънчевата батерия. Въпреки по-високата цена на фотоволтаичните преобразуватели, направени от галиев арсенид, тяхното използване ще позволи да се увеличи мощността на слънчевата батерия 2-3 пъти или, при същата мощност, съответно да се намали площта на слънчевата батерия в сравнение с към силициеви фотоволтаични преобразуватели.
В условията на геостационарна орбита използването на фотоелектрически преобразуватели на базата на галиев арсенид позволява да се осигури специфична мощност на слънчева батерия от 302 W/m2 в началото на експлоатацията и 230 W/m2 в края на нейния активен живот (10 -15 години).
Разработването на четиристепенни фотоволтаични преобразуватели от галиев арсенид с ефективност около 40% ще позволи плътността на мощността на слънчевите клетки до 460 W/m2 в началото на работа и 370 W/m2 в края на активния си живот. В близко бъдеще трябва да очакваме значително подобрение на специфичните за масата характеристики на слънчевите батерии.
Понастоящем батериите, базирани на електрохимичната система никел-водород, се използват широко в космическите кораби, но енергийно-масовите характеристики на тези батерии са достигнали своя предел (70-80 Wh/kg). Възможността за по-нататъшно подобряване на специфичните характеристики на никел-водородните батерии е много ограничена и изисква големи финансови разходи.
За да се създаде конкурентна космическа технология, беше необходимо да се премине към нови видове електрохимични източници на енергия, подходящи за използване като част от системата за захранване на обещаващи космически кораби.
В момента пазарът на космически технологии активно въвежда литиево-йонни батерии. Това е така, защото литиево-йонните батерии имат по-висока енергийна плътност в сравнение с никел-водородните батерии.
Основното предимство на литиево-йонната батерия е намаляването на теглото поради по-високото съотношение енергия/тегло. Съотношението енергия-тегло на литиево-йонните батерии е по-високо (125 Wh/kg) в сравнение с максимално постигнатото за никел-водородни батерии (80 Wh/kg).
Основните предимства на литиево-йонните батерии са:
- намаляване на теглото на батерията поради по-високо съотношение енергия/тегло (намаляването на теглото на батерията е ~40%);
- ниско генериране на топлина и висока енергийна ефективност (цикъл на зареждане-разреждане) с много нисък саморазряд, което осигурява най-прост контрол по време на изстрелване, трансферна орбита и нормална работа;
- по-технологично усъвършенстван производствен процес за литиево-йонни батерии в сравнение с никел-водородни батерии, който позволява добра повторяемост на характеристиките, висока надеждност и намалени разходи.
Според експерти от SAFT (Франция) използването на литиево-йонни батерии на телекомуникационни спътници с мощност 15-20 kW ще намали масата на батериите с 300 kg (цената за извеждане на 1 kg полезна маса в орбита е ~ $30 000).
Основни характеристики на литиево-йонната батерия VES140 (разработена от SAFT): гарантиран капацитет 39 A*h, средно напрежение 3,6 V, напрежение в края на заряда 4,1 V, енергия 140 Wh, специфична енергия 126 Wh/kg, тегло 1,11 kg , височина 250 мм и диаметър 54 мм. Батерията VES140 е квалифицирана за космически приложения.
В Русия днес OJSC Saturn (Краснодар) разработи и произведе литиево-йонна батерия LIGP-120. Основни характеристики на батерията LIGP-120: номинален капацитет 120 Ah, средно напрежение 3,64 V, специфична енергия 160 Wh/kg, тегло 2,95 kg, височина 260 mm, ширина 104,6 mm и дълбочина 44,1 mm. Батерията е с призматична форма, което осигурява значителни предимства по отношение на специфичната обемна енергия на батерията спрямо батериите SAFT. Чрез промяна на геометричните размери на електрода можете да получите батерия с различен капацитет. Този дизайн осигурява най-високите специфични обемни характеристики на батерията и позволява батерията да бъде конфигурирана, осигурявайки оптимални топлинни условия.
Съвременните системи за електрозахранване на космически кораби са сложен комплекс от източници на енергия, преобразуващи и разпределителни устройства, интегрирани в автоматична система за управление и предназначени за захранване на бордови товари. Вторичните източници на захранване са комплекс за преобразуване на енергия, състоящ се от определен брой идентични импулсни преобразуватели на напрежение, работещи за общ товар. В традиционната версия като преобразуватели на импулсно напрежение се използват класически преобразуватели с правоъгълна форма на тока и напрежението на ключовия елемент и управление чрез широчинно-импулсна модулация.
За подобряване на техническите и икономически показатели на системата за захранване на космическия кораб, като плътност на мощността, ефективност, скорост и електромагнитна съвместимост, ние предложихме използването на квазирезонансни преобразуватели на напрежение. Проведени са изследвания върху режимите на работа на два паралелно свързани квазирезонансни преобразуватели на напрежение от сериен тип с превключване на електронен ключ при нулеви стойности на тока и импулсно-честотен закон за управление. Въз основа на резултатите от моделирането и изследването на характеристиките на прототипи на квазирезонансни преобразуватели на напрежение бяха потвърдени предимствата на този тип преобразуватели.
Получените резултати ни позволяват да заключим, че предложените квазирезонансни преобразуватели на напрежение ще намерят широко приложение в системите за захранване на цифрови и телекомуникационни системи, измервателна апаратура, технологично оборудване, системи за автоматизация и телемеханика, системи за сигурност и др.
Актуални проблеми са изследването на характеристиките на функционирането на космическите източници на енергия, разработването на техните математически модели и изследването на енергийни и динамични режими.
За тези цели разработихме и произведохме уникално оборудване за изследване на системите за захранване на космически кораби, което позволява автоматизирано тестване на бордови източници на енергия (слънчеви и акумулаторни батерии) и системи за захранване като цяло.
Освен това бяха разработени и произведени автоматизирана работна станция за изследване на енергийно-топлинните условия на литиево-йонни батерии и акумулаторни модули и апаратен комплекс за изследване на енергийните и динамични характеристики на слънчеви клетки от галиев арсенид.
Важен аспект на работата е и създаването и изследването на алтернативни източници на електроенергия за космически кораби. Проведохме изследване на устройство за съхранение на енергия с маховик, което е супер маховик, комбиниран с електрическа машина. Маховик, въртящ се във вакуум върху магнитни опори, има КПД 100%. Устройството за съхранение на енергия с маховик с два ротора има свойство, което прави възможно реализирането на триаксиална ъглова ориентация. В този случай силовият жироскоп (гиродин), като самостоятелна отделна подсистема, може да бъде изключен, т.е. Устройството за съхранение на енергия с маховик съчетава функциите на устройство за съхранение на енергия и енергиен жироскоп.
Проведени са изследвания върху електродинамични системи за връзване като източник на електричество за космически кораб. Към днешна дата е разработен математически модел на електродинамична кабелна система за изчисляване на максимална мощност; определени са зависимостите на енергийните характеристики от параметрите на орбитата и дължината на връзката; разработена е методика за определяне на параметрите на кабелна система, която осигурява генерирането на дадена мощност; определят се орбиталните параметри (височина и наклон), при които се постига най-ефективно използване на тетерните системи в режим на генериране на енергия; Изследвани са възможностите на кабелната система при работа в тягов режим.

ЕВРАЗИЙСКИ НАЦИОНАЛЕН УНИВЕРСИТЕТ

тях. Л.Н. Гумильов

Физико-технологичен факултет

Катедра "Космическа техника и технологии".

ДОКЛАД

ПО ПРОИЗВОДСТВО

ПРАКТИКА

АСТАНА 2016

Въведение…………………………………………………………………………………...........3

1 Общи сведения за електрозахранването на космически кораби.……………....4

1.1 Първични източници на електроенергия……………………………4

1.2 Автоматизация на електрозахранващата система..................................... ......... ….5

2 Слънчеви космически електроцентрали…………..…………………..…..6

2.1 Принцип на работа и дизайн на слънчевите батерии………….….....6

3 Електрохимични космически електроцентрали…………………………..12

3.1 Химически източници на ток……………………………………...13

3.2 Сребърно-цинкови батерии…………………....15

3.3 Никел-кадмиеви батерии………………………16

3.4 Никел-водородни батерии……………………..17

4 Избор на параметри на слънчеви панели и буферно съхранение.........18

4.1 Изчисляване на параметрите на буферното съхранение…………………………18

4.2 Изчисляване на параметрите на слънчеви панели……………………………..20

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

Списък на използваните източници………………………………………………………...24

Спецификации…………………………………………………………………………………25

ВЪВЕДЕНИЕ

Една от най-важните бордови системи на всеки космически кораб, която определя преди всичко неговите експлоатационни характеристики, надеждност, експлоатационен живот и икономическа ефективност, е системата за захранване. Ето защо проблемите на разработването, изследването и създаването на системи за захранване на космически кораби са от първостепенно значение.

Автоматизирането на процесите на управление на полета на всеки космически кораб (КА) е немислимо без електрическа енергия. Електрическата енергия се използва за задвижване на всички елементи на устройствата и оборудването на космическия кораб (задвижваща група, управление, комуникационни системи, измервателна апаратура, отопление и др.).

Като цяло системата за захранване генерира енергия, преобразува я и я регулира, съхранява я за периоди на пиково търсене или работа в сянка и я разпределя в космическия кораб. Подсистемата за захранване може също така да преобразува и регулира напрежението или да осигурява диапазон от нива на напрежение. Той често включва и изключва оборудването и, за да подобри надеждността, предпазва от късо съединение и изолира повредите. Дизайнът на подсистемата е повлиян от космическата радиация, която причинява деградация на слънчевите панели. Животът на химическата батерия често ограничава живота на космически кораб.

Актуални проблеми са изследването на функционалните характеристики на космическите източници на енергия. Проучването и изследването на космическото пространство изисква разработването и създаването на космически кораби за различни цели. В момента автоматичните безпилотни космически кораби са най-широко използвани за формиране на глобална система за комуникация, телевизия, навигация и геодезия, пренос на информация, изучаване на метеорологичните условия и природните ресурси на Земята, както и изследване на дълбокия космос. За създаването им е необходимо да се осигурят много строги изисквания за точността на ориентацията на апарата в космоса и корекцията на орбиталните параметри, а това изисква увеличаване на захранването на космическите кораби.

Общи сведения за захранването на космически кораби.

Геометрията на космическия кораб, дизайнът, масата и активният живот до голяма степен се определят от системата за захранване на космическия кораб. Система за захранванеили наричан по друг начин система за захранване (PSS) космически кораб - системата на космическия кораб, която осигурява захранване на други системи, е една от най-важните системи. Отказът на захранващата система води до отказ на цялото устройство.

Системата за захранване обикновено включва: първичен и вторичен източник на електроенергия, преобразуватели, зарядни устройства и автоматика за управление.

1.1 Първични енергийни източници

Като първични източници се използват различни генератори на енергия:

Слънчеви панели;

Химически източници на ток:

Батерии;

Галванични клетки;

горивни клетки;

Радиоизотопни източници на енергия;

Ядрени реактори.

Първичният източник включва не само самия генератор на електроенергия, но и системите, които го обслужват, например системата за ориентиране на слънчевия панел.

Често източниците на енергия се комбинират, например слънчева батерия с химическа батерия.

Горивни клетки

Горивните клетки имат високи характеристики на тегло и размери и плътност на мощността в сравнение с двойка слънчеви батерии и химическа батерия, устойчиви са на претоварване, имат стабилно напрежение и са безшумни. Те обаче изискват запас от гориво, така че се използват на устройства с период на престой в космоса от няколко дни до 1-2 месеца.

Основно се използват водородно-кислородни горивни клетки, тъй като водородът осигурява най-високата калоричност и освен това водата, образувана в резултат на реакцията, може да се използва в пилотирани космически кораби. За да се осигури нормална работа на горивните клетки, е необходимо да се осигури отстраняването на водата и топлината, генерирани в резултат на реакцията. Друг ограничаващ фактор е относително високата цена на течния водород и кислород и трудността при тяхното съхранение.

Радиоизотопни източници на енергия

Радиоизотопните източници на енергия се използват главно в следните случаи:

Голяма продължителност на полета;

Мисии до външните региони на Слънчевата система, където потокът от слънчева радиация е нисък;

Разузнавателните сателити с радар за странично сканиране не могат да използват слънчеви панели поради ниски орбити, но имат високи енергийни изисквания.

1.2 Автоматизация на електроснабдителната система

Той включва устройства за управление на работата на електроцентралата, както и наблюдение на нейните параметри. Типични задачи са: поддържане на параметрите на системата в зададени граници: напрежение, температура, налягане, превключване на режимите на работа, например превключване към резервен източник на захранване; разпознаване на повреда, аварийна защита на захранвания, по-специално по ток; доставка на информация за състоянието на системата за телеметрия и до пулта на космонавта. В някои случаи е възможно да се премине от автоматично към ръчно управление или от конзолата на астронавта, или чрез команди от наземния контролен център.

Свързана информация.