Napajanje za svemirske letjelice. Sustav napajanja za brodski kompleks svemirske letjelice (160,00 RUB) Odjel za svemirsko inženjerstvo i tehnologiju

M.A. PETROVIČEV, A. S. GURTOV SUSTAV OPSKRBA ENERGIJOM NA BRODU KOMPLEKS SVEMIRSKIH KOČIJA Odobreno od strane Uredničkog i izdavačkog vijeća Sveučilišta kao nastavno pomagalo. Izdavačka kuća SAMARA SSAU 2007. UDC 629.78.05 BBK 39.62 P306 K C I O N A L P R T E N A O R Y E C C I I Inovativni obrazovni program „Razvoj centra kompetencije i osposobljavanje stručnjaka svjetske klase u polje zrakoplovnih i geografskih informacijskih tehnologija” PR I Recenzenti: doktor tehničkih znanosti A.<...>Koptev, zamjenik. Voditelj odjela Državnog znanstveno-istraživačkog centra "TsSKB - Napredak" S. I. Minenko P306 Petrovičev M.A.<...>Sustav opskrba energijom na brodu kompleks svemirske letjelice: udžbenik. dodatak / M.A. Petrovičev, A.S. Gurtov.<...>Udžbenik je namijenjen studentima specijalnosti 160802 " Prostor uređaja i ubrzavajući blokovi."<...>UDK 629.78.05 BBK 39.62 ISBN 978-5-7883-0608-7 2 © Petrovichev M. A., Gurtov AS, 2007 © Samara State Aerospace University, 2007 Sustav napajanje kompleks svemirskih letjelica Od svih vrsta energije električna je najuniverzalnija.<...>. Sustav napajanje(SES) CA jedan je od najvažnijih sustava koji osiguravaju funkcionalnost CA. <...>Pouzdanost SES-a uvelike je određena redundancijom svih vrsta izvora, pretvarača, prebacivanje oprema i mreže.<...>Struktura sustava napajanje CA Osnovni, temeljni sustav napajanje CA je sustav istosmjerna struja.<...>Za suzbijanje vršnih opterećenja koristite pufer izvor. <...>Po prvi put na za višekratnu upotrebu CA Shuttle je koristio sustav napajanja bez međuspremnika.<...> 4 Sustav distribucija Converter Converter Network Consumer Primarni izvor Pufer izvor Riža.<...>Struktura uređaja svemirskog sustava napajanja Pufer izvor karakterizira činjenica da je ukupna energija koju proizvodi jednaka nuli.<...>Kako biste uskladili karakteristike baterije s primarnim izvorom i mrežom, koristite<...>

System_of_energy_supply_of_board_complex_of_spacecraft_.pdf

FEDERALNA AGENCIJA ZA OBRAZOVANJE DRŽAVNA OBRAZOVNA USTANOVA VISOKOG STRUČNOG OBRAZOVANJA „SAMARA STATE AEROSPACE UNIVERSITY nazvana po akademiku S.P. KRALJICA" M. A. PETROVICHEV, A. S. GURTOV SUSTAV NAPAJANJA NAPAJANJEM UBRDENOG KOMPLEKSA SVEMIRSKIH KOČIJA Odobreno od strane Uređivačkog i izdavačkog vijeća Sveučilišta kao nastavno pomagalo Izdavačka kuća S A M A R A SSAU 2007.

Stranica 1

UDK 629.78.05 BBK 39.62 P306 Inovativni obrazovni program “Razvoj centra kompetencije i obuka stručnjaka svjetske klase u području zrakoplovnih i geoinformacijskih tehnologija” Recenzenti: doktor tehničkih znanosti A. N. Koptev, zamjenik voditelja Odjela za državnu znanstvenu Istraživački centar RKTs TsSKB - Napredak" S. I. M i nenko Petrovichev M. A. P306 Sustav napajanja za on-board kompleks svemirske letjelice: udžbenik / M. A. Petrovichev, A. S. Gurtov. - Samara: Samara Publishing House State Aerospace University, 2007. - 88 str. : ilustr. ISBN 978-5-7883-0608-7 Razmatraju se uloga i značaj sustava napajanja za svemirsku letjelicu, sastavni dijelovi ovog sustava, posebna pažnja posvećena je razmatranju principa rada i uređaja napajanja potrošni materijal, značajke njihove upotrebe za svemirsku tehnologiju. Priručnik pruža prilično opsežan referentni materijal koji se može koristiti u izradi kolegija i diplomskog dizajna studentima neelektričkih specijalnosti. Udžbenik je namijenjen studentima specijalnosti 160802 "Svemirske letjelice i viši stupnjevi". Također može biti od koristi mladim stručnjacima u raketnoj i svemirskoj industriji. Priređeno na Zavodu za zrakoplove. UDC 629.78.05 BBK 39.62 ISBN 978-5-7883-0608-7 2 © Petrovichev M. A., Gurtov AS, 2007 © Samara State Aerospace University, 2007 PRIJE I T T K E T O N E N A N L A N Y P RE S

stranica 2

Sustav napajanja za kompleks svemirskih letjelica Od svih vrsta energije, električna je najuniverzalnija. U usporedbi s drugim vrstama energije ima niz prednosti: električna energija se lako pretvara u druge vrste energije, učinkovitost električnih instalacija puno je veća od učinkovitosti instalacija koje rade na druge vrste energije, električnu energiju je lako prenositi žicama do potrošača, električna energija se lako distribuira među potrošačima. Automatizacija procesa kontrole leta bilo koje svemirske letjelice (SC) nezamisliva je bez električne energije. Električna energija se koristi za pogon svih elemenata uređaja i opreme svemirskih letjelica (pogonska grupa, komande, komunikacijski sustavi, instrumentacija, grijanje itd.). Sustav napajanja (PSS) svemirske letjelice jedan je od najvažnijih sustava koji osiguravaju rad svemirske letjelice. Glavni zahtjevi za SES: potrebna opskrba energijom za dovršenje cijelog leta, pouzdan rad u uvjetima bestežinskog stanja, potrebna pouzdanost osigurana redundancijom (u smislu snage) glavnog izvora i međuspremnika, odsutnost emisija i potrošnje plinovi, mogućnost rada u bilo kojem položaju u prostoru, minimalna težina, minimalni trošak. Sva električna energija potrebna za provedbu programa leta (za normalan rad, kao i za neke nenormalne) mora biti u svemirskoj letjelici, budući da je njezina nadopuna moguća samo za stanice s posadom. Pouzdanost SES-a uvelike je određena 3

Vlasnici patenta RU 2598862:

Primjena: u području elektrotehnike za napajanje svemirskih letjelica iz primarnih izvora različite snage. Tehnički rezultat je povećana pouzdanost napajanja. Sustav napajanja svemirske letjelice sadrži: skupinu solarnih baterija izravne sunčeve svjetlosti (1), skupinu solarnih baterija reflektirane sunčeve svjetlosti (7), generatorski krug (8), stabilizator napona (2), punjač ( 3), uređaj za pražnjenje (4), bateriju (5), ispravljač (9), regulator napunjenosti baterije (10) i potrošače (6). Izmjenični napon iz generatorskog kruga (8) pretvara se u konstantni napon u bloku (9) i dovodi na prvi ulaz regulatora punjenja baterije (10). Konstantni napon iz solarnih panela reflektirane sunčeve svjetlosti (7) dovodi se na drugi ulaz regulatora punjenja baterije (10). Ukupni napon iz kruga generiranja i solarnih panela reflektirane sunčeve svjetlosti s prvog izlaza regulatora (10) ide na drugi ulaz baterije (5). Od drugog izlaza regulatora do prvog ulaza baterije (5) upravljački signali se primaju od prekidača (15-21) koji imaju kontakte 1-3 i prekidača (22-25) koji imaju kontakte 1-2. Broj upravljanih rasklopnih uređaja ovisi o broju baterija u bateriji. Za ponovno punjenje odabrane baterije (11-14) na odgovarajućim prekidačima, njihovi prvi kontakti se otvaraju trećim i zatvaraju drugim, na odgovarajućim prekidačima zatvaraju se prvi i drugi kontakt. Ovako spojena odgovarajuća baterija na drugi ulaz baterije puni se nazivnom strujom punjenja sve dok od upravljača (10) ne dobije naredbu za promjenu sljedeće baterije. Potrošač (6) dobiva napajanje iz preostalih baterija, zaobilazeći isključenu, s prvog akumulatorskog izlaza (5). 5 ilustr.

Izum se odnosi na svemirsku tehnologiju i može se koristiti kao dio svemirskih letjelica sa stabiliziranom rotacijom.

Poznat je sustav napajanja svemirske letjelice sa zajedničkim sabirnicama (analognim), koji sadrži solarne ploče (primarni izvor energije), bateriju i potrošače. Nedostatak ovog sustava je što je napon u ovom sustavu nestabiliziran. To dovodi do gubitaka energije u kabelskim mrežama iu ugrađenim individualnim stabilizatorima potrošača.

Poznat je sustav napajanja svemirske letjelice s odvojenim sabirnicama i paralelnim spojem stabilizatora napona (analognog), koji sadrži punjač, ​​uređaj za pražnjenje i bateriju. Nedostatak mu je nemogućnost korištenja ekstremnog regulatora snage za solarne ploče.

Najbliži u tehničkoj biti predloženom sustavu je sustav napajanja svemirske letjelice s odvojenim sabirnicama i sa serijsko-paralelnom vezom stabilizatora napona 2 (prototip), koji također sadrži solarne panele izravne sunčeve svjetlosti 1, punjač 3, pražnjenje uređaj 4, punjiva baterija 5 (slika 1). Nedostatak ovog sustava napajanja je nemogućnost primanja, pretvorbe i akumulacije električne energije iz izvora različite snage, kao što su energija magnetskog polja Zemlje i energija reflektirane sunčeve svjetlosti od površine Zemlje.

Svrha izuma je proširiti mogućnosti sustava napajanja svemirske letjelice za primanje, pretvorbu i akumulaciju električne energije iz različitih primarnih izvora različite snage, što omogućuje povećanje aktivnog vijeka i napajanja svemirske letjelice.

Na sl. Slika 2 prikazuje sustav napajanja svemirske letjelice sa stabiliziranom rotacijom; Sl. 3 - baterija koja sadrži sklopne uređaje kojima upravlja upravljač; na sl. Slika 4 je pogled na svemirsku letjelicu sa stabiliziranom rotacijom na SL. Slika 5. shematski prikazuje jednu od opcija gibanja svemirske letjelice sa stabiliziranom rotacijom u orbiti.

Sustav napajanja svemirske letjelice sa stabiliziranom rotacijom sadrži skupinu solarnih ploča 7, dizajniranih za pretvaranje sunčeve svjetlosti reflektirane od Zemlje u električnu energiju, generirajući krug 8, koji je skup vodiča (namota) smještenih duž tijela letjelice. svemirska letjelica, u kojoj se inducira elektromotorna sila za brojanje rotacije svemirske letjelice oko svoje osi u Zemljinom magnetskom polju, ispravljački uređaj 9, regulator punjenja baterije iz izvora napajanja različite snage 10, baterija 5 koja sadrži prekidač kontroliran kontrolerom uređaji 15-25 koji spajaju ili odspajaju pojedinačne baterije 11-14 na upravljački sklop 9 kako bi ih ponovno napunili slabom strujom (slika 2).

Sustav radi na sljedeći način. Tijekom procesa lansiranja letjelice u orbitu, ona se rotira na način da su os rotacije aparata i solarni paneli izravne sunčeve svjetlosti usmjereni prema Suncu (slika 4). Tijekom kretanja rotirajuće letjelice u orbiti, generatorski krug presreće indukcijske linije Zemljinog magnetskog polja pri brzini vrtnje letjelice oko svoje osi. Kao rezultat toga, prema zakonu elektromagnetske indukcije, elektromotorna sila se inducira u generatorskom krugu

gdje je µ o magnetska konstanta, H je jakost Zemljinog magnetskog polja, S in je područje generatorskog kruga, N c je broj zavoja u krugu, ω je kutna frekvencija rotacije.

Kada je proizvodni krug zatvoren za opterećenje, struja teče u strujnom krugu potrošača. Snaga generatorskog kruga ovisi o okretnom momentu letjelice oko svoje osi

gdje je J KA moment tromosti letjelice.

Dakle, generatorski krug je dodatni izvor električne energije na brodu.

Izmjenični napon iz generatorskog kruga 8 ispravlja se na bloku 9 i dovodi na prvi ulaz regulatora napunjenosti baterije 10. Izravni napon iz solarnih panela reflektirane sunčeve svjetlosti 7 dovodi se na drugi ulaz regulatora napunjenosti baterije 10. Ukupni napon s prvog izlaza regulatora 10 ide na drugi ulaz baterije 5. Od drugog izlaza regulatora do prvog ulaza baterije 5, upravljački signali se primaju od prekidača 15-21, koji imaju kontakte 1 -3, i prekidači 22-25, koji imaju kontakte 1-2. Broj upravljanih rasklopnih uređaja ovisi o broju baterija u bateriji. Za ponovno punjenje odabrane baterije (11-14) na odgovarajućim prekidačima, njihovi prvi kontakti se otvaraju trećim i zatvaraju drugim, na odgovarajućim prekidačima zatvaraju se prvi i drugi kontakt. Odgovarajuća baterija spojena na ovaj način na drugi ulaz baterije se ponovno puni slabom strujom sve dok se ne primi naredba od kontrolera 10 za promjenu sljedeće baterije. Potrošač dobiva napajanje iz preostalih baterija, zaobilazeći bateriju 5, koja je odvojena od prvog izlaza.

Kada je letjelica u orbiti na poziciji 1 (sl. 4, 5), solarni paneli reflektirane sunčeve svjetlosti usmjereni su prema Zemlji. U ovom trenutku, punjač 3 uključen u sustav napajanja svemirske letjelice prima električnu energiju iz solarnih panela direktne sunčeve svjetlosti 1, a regulator punjenja baterije 10 prima električnu energiju iz solarnih panela reflektirane sunčeve svjetlosti 7 i kruga generiranja 8. U položaju svemirske letjelice 2, solarni paneli izravne sunčeve svjetlosti Svjetla 1 ostaju usmjerena prema Suncu, dok su solarne ćelije reflektirane sunčeve svjetlosti djelomično zaklonjene. U ovom trenutku punjač 3 sustava napajanja svemirske letjelice nastavlja primati električnu energiju iz solarnih panela izravne sunčeve svjetlosti, a kontroler 10 gubi dio energije iz bloka 7, ali nastavlja primati energiju iz bloka 8 preko ispravljača 9. U položaju letjelice 3 sve skupine solarnih panela su zasjenjene, punjač 3 ne dobiva električnu energiju iz solarnih panela 1, a potrošači na brodu letjelice dobivaju električnu energiju iz baterije. Regulator punjenja baterije nastavlja primati energiju iz generatorskog kruga 8, ponovno puneći sljedeću bateriju. Na mjestu letjelice 4, solarni paneli izravne sunčeve svjetlosti 1 ponovno su osvijetljeni Suncem, dok su solarni paneli reflektirane sunčeve svjetlosti djelomično zaklonjeni. U ovom trenutku punjač 3 sustava napajanja svemirske letjelice nastavlja primati električnu energiju iz solarnih panela izravne sunčeve svjetlosti, a kontroler 10 gubi dio energije iz bloka 7, ali nastavlja primati energiju iz bloka 8 preko ispravljača 9.

Dakle, sustav napajanja svemirske letjelice sa stabiliziranom rotacijom može primati, pretvarati i akumulirati: a) energiju izravne i reflektirane sunčeve svjetlosti; b) kinetička energija rotacije letjelice u magnetskom polju Zemlje. Inače, funkcioniranje predloženog sustava je slično poznatom.

Tehnički rezultat - povećanje aktivnog vijeka trajanja i napajanja svemirske letjelice - postiže se upotrebom mikrokontrolerskog punjača kao dijela sustava napajanja svemirske letjelice, što omogućuje punjenje baterije iz izvora električne energije različitih snaga (odraženo sunčeva svjetlost i energija iz magnetskog polja Zemlje).

Praktična implementacija funkcionalnih jedinica ovog izuma može se izvesti na sljedeći način.

Kao generatorski krug može se koristiti trofazni dvoslojni namot s izoliranom bakrenom žicom, čime će se oblik krivulje elektromotorne sile približiti sinusoidi. Kao ispravljač može se koristiti premosni krug trofaznog ispravljača s diodama male snage tipa D2 i D9, što će smanjiti valovitost ispravljenog napona. Kao regulator napunjenosti baterije može se koristiti mikrokontroler MAX 17710. Može raditi s nestabilnim izvorima s rasponom izlazne snage od 1 μW do 100 mW. Uređaj ima ugrađen boost pretvarač za punjenje baterija iz izvora s tipičnim izlaznim naponom od 0,75 V i ugrađeni regulator za zaštitu baterija od prekomjernog punjenja. Litij-ionske baterije s podsustavom izjednačavanja napona baterije (sustav za balansiranje) mogu se koristiti kao baterija koja sadrži sklopne uređaje upravljane kontrolerom. Može se implementirati na temelju kontrolera MSP430F1232.

Dakle, karakteristične značajke predloženog uređaja doprinose postizanju ovog cilja.

Izvori informacija

1. Analogni svijet Maxim. Novi mikro krugovi / Symmetron Group of Companies // Izdanje br. 2, 2013. - 68 str.

2. Grilikhes V.A. Sunčeva energija i svemirski letovi / V.A. Griliches, P.P. Orlov, L.B. Popov - M.: Nauka, 1984. - 211 str.

3. Kargu D.L. Sustavi napajanja za svemirske letjelice / D.L. Kargu, G.B. Steganov [i drugi] - St. Petersburg: VKA im. A.F. Mozhaisky, 2013. - 116 str.

4. Katsman M.M. Električni strojevi / M.M. Katzman. - udžbenik priručnik za posebne učenike tehničke škole. - 2. izdanje, revidirano. i dodatni - M.: Viši. Shk., 1990. - 463 str.

5. Pryanishnikov V.A. Elektronika. Tijek predavanja / V.A. Pryanishnikov - St. Petersburg: Krona Print LLC, 1998. - 400 str.

6. Rykovanov A.N. Li-ion baterijski energetski sustavi / A.N. Rykovanov // Power Electronics. - 2009. - br.1.

7. Chilin Yu.N. Modeliranje i optimizacija u energetskim sustavima svemirskih letjelica / Yu.N. Chilin. - St. Petersburg: VIKA, 1995. - 277 str.

Sustav napajanja svemirske letjelice koji sadrži skupinu solarnih baterija izravne sunčeve svjetlosti, punjač koji prima električnu energiju iz solarnih baterija izravne sunčeve svjetlosti, uređaj za pražnjenje koji napaja potrošače iz baterije, stabilizator napona koji napaja potrošače iz solarne baterije izravne sunčeve svjetlosti. , karakteriziran time što dodatno sadrži skupinu solarnih panela dizajniranih za pretvaranje sunčeve svjetlosti reflektirane od Zemlje u električnu energiju, generirajući krug, koji je skup vodiča (namota) smještenih na tijelu letjelice, u kojima djeluje elektromotorna sila induciran rotacijom letjelice oko svoje osi u magnetskom polju Zemljino polje, uređaj za ispravljanje, a sadrži i regulator napunjenosti baterije iz izvora napajanja različite snage, bateriju, koja dodatno sadrži sklopne uređaje kojima upravlja upravljač koji spojite ili odspojite pojedinačne baterije na upravljač kako biste ih ponovno napunili.

Slični patenti:

Izum se odnosi na svemirsku tehnologiju i može se koristiti za napajanje svemirskih letjelica (SV) i stanica. Tehnički rezultat je korištenje sustava toplinske kontrole za dobivanje dodatne energije.

Izum se odnosi na područje elektrotehnike. Sustav autonomnog napajanja sastoji se od solarne baterije, uređaja za skladištenje električne energije, uređaja za punjenje i pražnjenje i opterećenja koje se sastoji od jednog ili više stabilizatora napona na čije izlaze su priključeni krajnji potrošači električne energije.

Izum se odnosi na elektroindustriju i može se koristiti u projektiranju autonomnih sustava napajanja za umjetne satelite Zemlje (AES). Tehnički rezultat je povećanje specifičnih energetskih karakteristika i pouzdanosti sustava autonomnog napajanja satelita. Predložena je metoda za napajanje opterećenja istosmjernom strujom u autonomnom sustavu napajanja umjetnog satelita Zemlje iz solarne baterije i skupa sekundarnih izvora električne energije - punjivih baterija koje sadrže Nacc baterije povezane u seriju, a sastoji se od stabilizacije napona na opterećenje, punjenje i pražnjenje baterija preko pojedinačnih punjača i pretvarača pražnjenja, dok su pretvarači pražnjenja izrađeni bez jedinica za povećanje napona, za koje se broj baterija Nacc u svakoj bateriji bira iz omjera: Nacc≥(Un+1) /Uacc.min, gdje je Nacc broj baterija u serijskom krugu svake baterije; Un - napon na izlazu autonomnog sustava napajanja, V; Uacc.min je minimalni napon pražnjenja jedne baterije, V, pretvarači punjenja su izrađeni bez jedinica za povećanje napona, za koje se napon na radnoj točki solarne baterije bira iz omjera: Urt>Uacc.max Nacc+1 , gdje je Urt napon u radnoj točki solarne baterije na kraju zajamčenog resursa njenog rada, B; Uacc.max je maksimalni napon punjenja jedne baterije, V, dok se izračunati broj baterija Nacc dodatno povećava na temelju omjera: Nacc≥(Un+1)/Uacc.min+Nfailure, gdje je Nfailure broj dopuštenih kvarova akumulatora, a stabilizacija napona po opterećenju i punjenje akumulatora provodi se pomoću ekstremne regulacije napona solarnog panela.

Izum se odnosi na područje elektrotehnike. Tehnički rezultat sastoji se u proširenju radnih mogućnosti sustava, povećanju njegove snage opterećenja i osiguravanju maksimalnog neprekidnog rada uz održavanje optimalnih radnih parametara baterije pri napajanju potrošača istosmjernom strujom.

Izum se odnosi na područje solarne energije, posebice na solarne instalacije koje kontinuirano prate Sunce, kako s koncentratorima sunčevog zračenja tako i s ravnim silicijskim modulima, namijenjenim za napajanje potrošača, primjerice, u područjima nepouzdanog i decentraliziranog napajanja.

Izum se odnosi na elektroindustriju i može se koristiti u projektiranju autonomnih sustava napajanja za umjetne satelite Zemlje (AES).

Izum se odnosi na sustave rotacije solarnih nizova (SPSB) svemirske letjelice (SC). Izum je namijenjen za smještaj SPSB elemenata za rotaciju solarne baterije velike snage i prijenos električne energije od solarne baterije do svemirske letjelice.

Izum se odnosi na područje pretvorbe sunčeve energije i njezin prijenos do zemaljskih potrošača. Svemirska elektrana sadrži solarni kolektor (1) lobastog tipa, kućište stanice (2) i snop (3) mikrovalnih antena. Kolektor (1) se sastoji od ploča (panela) fotoelektričnih pretvarača - glavnih i pomoćnih. Ploče imaju pravokutni i trokutasti oblik. Njihovi spojevi izrađeni su u obliku automatskih kuka i petlji, koje su, kada je kolektor raspoređen, spojene putem mehanizma s više listova. U sklopljenom stanju kolektor (1) ima oblik kocke. Zračne antene (3) fokusiraju mikrovalnu energiju na pojačalo, koje tu energiju prenosi zemaljskim elektranama. Tehnički rezultat izuma usmjeren je na povećanje učinkovitosti pretvorbe i prijenosa energije do potrošača na velikim područjima Zemlje. 16 ilustr.

Primjena: u području elektrotehnike za napajanje svemirskih letjelica iz primarnih izvora različite snage. Tehnički rezultat je povećana pouzdanost napajanja. Sustav napajanja svemirske letjelice sadrži: grupu solarnih baterija direktne sunčeve svjetlosti, grupu solarnih baterija reflektirane sunčeve svjetlosti, generatorski krug, stabilizator napona, punjač, ​​uređaj za pražnjenje, punjivu bateriju, ispravljački uređaj, regulator punjenja baterije i potrošača. Izmjenični napon iz generatorskog kruga pretvara se u konstantni napon u jedinici i dovodi na prvi ulaz regulatora punjenja baterije. Konstantni napon solarnih panela reflektirane sunčeve svjetlosti dovodi se na drugi ulaz regulatora punjenja baterije. Ukupni napon iz kruga generiranja i solarnih panela reflektirane sunčeve svjetlosti s prvog izlaza kontrolera ide na drugi ulaz baterije. Od drugog izlaza regulatora do prvog ulaza baterije, upravljački signali se primaju od prekidača koji imaju kontakte 1-3 i prekidača koji imaju kontakte 1-2. Broj upravljanih rasklopnih uređaja ovisi o broju baterija u bateriji. Za ponovno punjenje odabrane baterije, na odgovarajućim prekidačima njihovi prvi kontakti se otvaraju trećim i zatvaraju drugim, na odgovarajućim prekidačima prvi i drugi kontakt se zatvaraju. Ovako spojena odgovarajuća baterija na drugi ulaz baterije puni se nazivnom strujom punjenja sve dok od upravljača ne dobije naredbu za promjenu sljedeće baterije. Potrošač dobiva napajanje iz preostalih baterija, zaobilazeći odspojenu, s prvog izlaza baterije. 5 ilustr.

Razvoj konkurentne svemirske tehnologije zahtijeva prijelaz na nove vrste baterija koje zadovoljavaju zahtjeve sustava napajanja perspektivnih svemirskih letjelica.

Danas se svemirske letjelice koriste za organiziranje komunikacijskih sustava, navigacije, televizije, proučavanje vremenskih uvjeta i prirodnih resursa Zemlje te istraživanje dubokog svemira.

Jedan od glavnih uvjeta za takve uređaje je točna orijentacija u prostoru i korekcija parametara kretanja. To značajno povećava zahtjeve za sustav napajanja uređaja. Problemi opskrbe svemirskih letjelica energijom, a prije svega razvoj pronalaženja novih izvora električne energije, od iznimne su važnosti na globalnoj razini.

Trenutno su glavni izvori električne energije za svemirske letjelice solarne i punjive baterije.

Solarni paneli dosegnuli su svoje fizičke granice u pogledu izvedbe. Njihovo daljnje poboljšanje moguće je korištenjem novih materijala, posebice galijevog arsenida. To će vam omogućiti povećanje snage solarne baterije za 2-3 puta ili smanjenje njezine veličine.

Među punjivim baterijama za svemirske letjelice danas se naširoko koriste nikal-vodikove baterije. Međutim, energetsko-masene karakteristike ovih baterija su dosegle svoj maksimum (70-80 Wh/kg). Njihovo daljnje poboljšanje je vrlo ograničeno, a uz to zahtijeva velike financijske troškove.

U tom smislu, trenutno postoji aktivno uvođenje litij-ionskih baterija (LIB) na tržište svemirske tehnologije.

Karakteristike litij-ionskih baterija znatno su veće u odnosu na druge vrste baterija sa sličnim vijekom trajanja i brojem ciklusa punjenja i pražnjenja. Specifična energija litij-ionskih baterija može doseći 130 Wh/kg ili više, a energetska učinkovitost je 95%.

Važna činjenica je da LIB-ovi iste standardne veličine mogu sigurno raditi kada su paralelno spojeni u grupe, tako da nije teško formirati litij-ionske baterije različitih kapaciteta.

Jedna od glavnih razlika između LIB i nikal-vodikovih baterija je prisutnost elektroničkih automatiziranih jedinica koje nadziru i upravljaju procesom punjenja i pražnjenja. Oni su također odgovorni za izravnavanje neravnoteže napona pojedinih LIB-ova, te osiguravaju prikupljanje i pripremu telemetrijskih informacija o glavnim parametrima baterije.

Ipak, glavnom prednošću litij-ionskih baterija smatra se smanjenje težine u usporedbi s tradicionalnim baterijama. Prema procjenama stručnjaka, korištenje litij-ionskih baterija na telekomunikacijskim satelitima snage 15-20 kW smanjit će težinu baterija za 300 kg. S obzirom da je trošak izbacivanja 1 kg korisne mase u orbitu oko 30 tisuća dolara, to će značajno smanjiti financijske troškove.

Jedan od vodećih ruskih razvijača takvih baterija za svemirske letjelice je OJSC Aviation Electronics and Communication Systems (AVEX), dio KRET-a. Tehnološki proces proizvodnje litij-ionskih baterija u poduzeću osigurava visoku pouzdanost i smanjene troškove.

IZVORI ELEKTRIČNE ENERGIJE ZA SVEMIRSKE LETJELIJE
prof. Lukjanenko Mihail Vasiljevič
glava Odsjek za sustave automatskog upravljanja Sibirskog državnog zrakoplovnog sveučilišta nazvan po akademiku M.F. Reshetnyova

Proučavanje i istraživanje svemira zahtijeva razvoj i stvaranje svemirskih letjelica za različite namjene. Trenutno se automatske bespilotne letjelice najčešće koriste za formiranje globalnog sustava komunikacija, televizije, navigacije i geodezije, prijenos informacija, proučavanje vremenskih uvjeta i prirodnih resursa Zemlje, kao i istraživanje dubokog svemira. Za njihovu izradu potrebno je osigurati vrlo stroge zahtjeve za točnost orijentacije uređaja u prostoru i korekciju orbitalnih parametara, a to zahtijeva povećanje napajanja svemirskih letjelica.
Jedan od najvažnijih sustava na brodu svake svemirske letjelice, koji prvenstveno određuje njegove radne karakteristike, pouzdanost, vijek trajanja i ekonomsku učinkovitost, je sustav napajanja. Stoga su problemi razvoja, istraživanja i stvaranja sustava napajanja za svemirske letjelice od najveće važnosti, a njihovo će rješenje omogućiti postizanje svjetske razine u pogledu specifičnih pokazatelja mase i aktivnog života.
Tijekom posljednjeg desetljeća vodeće svjetske tvrtke pogurale su povećanje napajanja svemirskih letjelica, što omogućuje, uz ista ograničenja mase uređaja koja nameću postojeći nosači, kontinuirano povećanje snage korisnog tereta. Takva su postignuća omogućena zahvaljujući naporima koje su uložili programeri svih komponenti sustava napajanja na vozilu, a prije svega izvora energije.
Glavni izvori električne energije za svemirske letjelice trenutno su solarne i punjive baterije.
Solarne baterije sa silicijskim monokristalnim fotonaponskim pretvaračima dosegle su svoj fizički limit u smislu karakteristika specifičnih za masu. Daljnji napredak u razvoju solarnih ćelija moguć je korištenjem fotonaponskih pretvarača na bazi novih materijala, posebice galijevog arsenida. Trostupanjski fotonaponski pretvarači od galijevog arsenida već se koriste na američkoj platformi HS-702, na europskoj Spasebus-400 itd., čime je snaga solarne baterije više nego udvostručena. Unatoč višoj cijeni fotonaponskih pretvarača izrađenih od galijevog arsenida, njihova će uporaba omogućiti povećanje snage solarne baterije za 2-3 puta ili, pri istoj snazi, odgovarajuće smanjenje površine solarne baterije u usporedbi s na silicijske fotonaponske pretvarače.
U uvjetima geostacionarne orbite korištenjem fotoelektričnih pretvarača na bazi galijevog arsenida moguće je osigurati specifičnu snagu solarne baterije od 302 W/m2 na početku rada i 230 W/m2 na kraju njezinog aktivnog vijeka (10 -15 godina).
Razvoj četverostupanjskih fotonaponskih pretvarača iz galijevog arsenida s učinkovitošću od oko 40 % omogućit će gustoću snage solarnih ćelija do 460 W/m2 na početku rada i 370 W/m2 na kraju rada. svoj aktivan život. U skoroj budućnosti treba očekivati ​​značajno poboljšanje masovno specifičnih karakteristika solarnih baterija.
Trenutno se baterije koje se temelje na elektrokemijskom sustavu nikal-vodik naširoko koriste na svemirskim letjelicama; međutim, energetsko-masene karakteristike ovih baterija dosegle su svoju granicu (70-80 Wh/kg). Mogućnost daljnjeg poboljšanja specifičnih karakteristika nikal-vodikovih baterija vrlo je ograničena i zahtijeva velike financijske troškove.
Da bi se stvorila konkurentna svemirska tehnologija, bilo je potrebno prijeći na nove vrste elektrokemijskih izvora energije prikladne za korištenje kao dio sustava napajanja za perspektivne svemirske letjelice.
Tržište svemirske tehnologije trenutno aktivno uvodi litij-ionske baterije. To je zato što litij-ionske baterije imaju veću gustoću energije u usporedbi s nikal-vodikovim baterijama.
Glavna prednost litij-ionske baterije je smanjenje težine zbog većeg omjera energije i težine. Omjer energije i težine litij-ionskih baterija veći je (125 Wh/kg) u usporedbi s maksimumom postignutim za nikal-vodikove baterije (80 Wh/kg).
Glavne prednosti litij-ionskih baterija su:
- smanjenje težine baterije zbog većeg omjera energije i težine (smanjenje težine baterije je ~40%);
- nisko stvaranje topline i visoka energetska učinkovitost (ciklus punjenja-pražnjenja) s vrlo niskim samopražnjenjem, što osigurava najjednostavniju kontrolu tijekom lansiranja, prijenosne orbite i normalnog rada;
- tehnološki napredniji proizvodni proces za litij-ionske baterije u odnosu na nikal-vodikove baterije, koji omogućuje dobru ponovljivost karakteristika, visoku pouzdanost i smanjene troškove.
Prema stručnjacima iz SAFT-a (Francuska), korištenje litij-ionskih baterija na telekomunikacijskim satelitima snage 15-20 kW smanjit će masu baterija za 300 kg (trošak izbacivanja 1 kg korisne mase u orbitu je ~ 30 000 dolara).
Glavne karakteristike litij-ionske baterije VES140 (razvijene od strane SAFT): garantirani kapacitet 39 A*h, prosječni napon 3,6 V, napon na kraju punjenja 4,1 V, energija 140 Wh, specifična energija 126 Wh/kg, težina 1,11 kg , visine 250 mm i promjera 54 mm. Baterija VES140 je kvalificirana za svemirske primjene.
U Rusiji je danas OJSC Saturn (Krasnodar) razvio i proizveo litij-ionsku bateriju LIGP-120. Glavne karakteristike baterije LIGP-120: nazivni kapacitet 120 Ah, prosječni napon 3,64 V, specifična energija 160 Wh/kg, težina 2,95 kg, visina 260 mm, širina 104,6 mm i dubina 44,1 mm. Baterija je prizmatičnog oblika, što daje značajne prednosti u pogledu specifične volumetrijske energije baterije u odnosu na SAFT baterije. Mijenjanjem geometrijskih dimenzija elektrode možete dobiti bateriju različitih kapaciteta. Ovaj dizajn osigurava karakteristike najvišeg specifičnog volumena baterije i omogućuje konfiguraciju baterije, osiguravajući optimalne toplinske uvjete.
Suvremeni sustavi napajanja za svemirske letjelice složeni su kompleks izvora energije, pretvaračkih i distribucijskih uređaja, integriranih u sustav automatskog upravljanja i dizajniranih za napajanje tereta na brodu. Sekundarni izvori napajanja su kompleks za pretvorbu energije koji se sastoji od određenog broja identičnih pretvarača impulsnog napona koji rade za zajedničko opterećenje. U tradicionalnoj izvedbi kao pretvarači impulsnog napona koriste se klasični pretvarači s pravokutnim oblikom struje i napona ključnog elementa i upravljanjem putem modulacije širine impulsa.
Za poboljšanje tehničkih i ekonomskih pokazatelja sustava napajanja svemirske letjelice, kao što su gustoća snage, učinkovitost, brzina i elektromagnetska kompatibilnost, predložili smo upotrebu kvazirezonantnih pretvarača napona. Provedena su istraživanja o načinima rada dvaju paralelno spojenih kvazi-rezonantnih pretvarača napona serijskog tipa s prebacivanjem elektroničke sklopke pri nultim vrijednostima struje i impulsno-frekvencijskim zakonom. Na temelju rezultata modeliranja i proučavanja karakteristika prototipova kvazirezonantnih pretvarača napona potvrđene su prednosti ove vrste pretvarača.
Dobiveni rezultati omogućuju nam zaključiti da će predloženi kvazirezonantni pretvarači napona naći široku primjenu u sustavima napajanja digitalnih i telekomunikacijskih sustava, instrumentacije, procesne opreme, sustava automatizacije i telemehanike, sigurnosnih sustava itd.
Aktualni problemi su proučavanje značajki funkcioniranja svemirskih izvora energije, razvoj njihovih matematičkih modela te proučavanje energetskih i dinamičkih režima.
Za te potrebe razvili smo i proizveli jedinstvenu opremu za proučavanje sustava napajanja svemirskih letjelica, koja omogućuje automatizirano testiranje izvora napajanja na brodu (solarne i punjive baterije) i sustava napajanja općenito.
Osim toga, razvijena je i proizvedena automatizirana radna stanica za proučavanje energetsko-toplinskih uvjeta litij-ionskih baterija i baterijskih modula te hardverski kompleks za proučavanje energetskih i dinamičkih karakteristika solarnih ćelija galijevog arsenida.
Važan aspekt rada je i stvaranje i istraživanje alternativnih izvora električne energije za svemirske letjelice. Proveli smo istraživanje o uređaju za pohranu energije zamašnjaka, koji je super zamašnjak u kombinaciji s električnim strojem. Zamašnjak koji rotira u vakuumu na magnetskim nosačima ima učinkovitost od 100%. Uređaj za pohranjivanje energije zamašnjaka s dva rotora ima svojstvo koje omogućuje ostvarivanje troosne kutne orijentacije. U ovom slučaju, energetski žiroskop (gyrodine), kao samostalni zasebni podsustav, može se isključiti, tj. Uređaj za pohranu energije na zamašnjaku kombinira funkcije uređaja za pohranu energije i žiroskopa snage.
Provedena su istraživanja o elektrodinamičkim sustavima veza kao izvoru električne energije za svemirske letjelice. Do danas je razvijen matematički model elektrodinamičkog kabelskog sustava za izračun maksimalne snage; utvrđene su ovisnosti energetskih karakteristika o orbitalnim parametrima i duljini remena; izrađena je metodologija za određivanje parametara kabelskog sustava koji osigurava proizvodnju zadane snage; određuju se orbitalni parametri (visina i inklinacija) pri kojima se postiže najučinkovitije korištenje sustava za vezivanje u načinu proizvodnje energije; Ispitane su mogućnosti kabelskog sustava pri radu u vučnom režimu.

EURAZIJSKO NACIONALNO SVEUČILIŠTE

Ih. L.N. Gumiljov

Fizičko-tehnološki fakultet

Zavod za svemirsko inženjerstvo i tehnologiju

IZVJEŠĆE

PO PROIZVODNJI

PRAKSA

ASTANA 2016

Uvod…………………………………………………………………………………...........3

1 Opće informacije o napajanju svemirskih letjelica……………....4

1.1 Primarni izvori električne energije……………………………4

1.2 Automatizacija sustava napajanja .............................................. ......... ….5

2 Sunčeve svemirske elektrane…………..…………………..…......6

2.1 Princip rada i dizajn solarnih baterija………….….....6

3 Elektrokemijske svemirske elektrane…………………………..12

3.1 Kemijski izvori struje……………………………………...13

3.2 Srebrno-cink baterije…………………....15

3.3 Nikal-kadmijeve baterije………………………16

3.4 Nikal-vodikove baterije……………………..17

4 Odabir parametara solarnih panela i međuspremnika.........18

4.1 Izračun parametara međuspremnika…………………………18

4.2 Izračun parametara solarnih panela……………………………..20

Zaključak…………………………………………………………………………………….23

Popis korištenih izvora…………………………………………………………...24

Specifikacije……………………………………………………………………………………25

UVOD

Jedan od najvažnijih sustava na brodu svake svemirske letjelice, koji prvenstveno određuje njegove radne karakteristike, pouzdanost, vijek trajanja i ekonomsku učinkovitost, je sustav napajanja. Stoga su problemi razvoja, istraživanja i stvaranja sustava napajanja svemirskih letjelica od najveće važnosti.

Automatizacija procesa kontrole leta bilo koje svemirske letjelice (SC) nezamisliva je bez električne energije. Električna energija se koristi za pogon svih elemenata uređaja i opreme svemirskih letjelica (pogonska grupa, komande, komunikacijski sustavi, instrumentacija, grijanje itd.).

Općenito, sustav napajanja stvara energiju, pretvara je i regulira, pohranjuje je za razdoblja vršne potražnje ili rada u sjeni i distribuira je kroz svemirsku letjelicu. Podsustav napajanja također može pretvarati i regulirati napon ili osigurati niz razina napona. Često uključuje i isključuje opremu i, radi poboljšanja pouzdanosti, štiti od kratkih spojeva i izolira kvarove. Na dizajn podsustava utječe kozmičko zračenje koje uzrokuje degradaciju solarnih panela. Životni vijek kemijske baterije često ograničava životni vijek svemirske letjelice.

Aktualni problemi su proučavanje značajki funkcioniranja svemirskih izvora energije. Proučavanje i istraživanje svemira zahtijeva razvoj i stvaranje svemirskih letjelica za različite namjene. Trenutno se automatske bespilotne letjelice najčešće koriste za formiranje globalnog sustava komunikacija, televizije, navigacije i geodezije, prijenos informacija, proučavanje vremenskih uvjeta i prirodnih resursa Zemlje, kao i istraživanje dubokog svemira. Za njihovu izradu potrebno je osigurati vrlo stroge zahtjeve za točnost orijentacije uređaja u prostoru i korekciju orbitalnih parametara, a to zahtijeva povećanje napajanja svemirskih letjelica.

Opće informacije o napajanju svemirskih letjelica.

Geometrija svemirskih letjelica, dizajn, masa i aktivni život uvelike su određeni sustavom napajanja svemirskih letjelica. Sustav napajanja ili se drugačije naziva sustav napajanja (PSS) svemirska letjelica - sustav svemirske letjelice koji osigurava napajanje drugim sustavima jedan je od najvažnijih sustava. Kvar sustava napajanja dovodi do kvara cijelog uređaja.

Sustav napajanja obično uključuje: primarni i sekundarni izvor električne energije, pretvarače, punjače i upravljačku automatiku.

1.1 Primarni izvori energije

Kao primarni izvori koriste se različiti generatori energije:

Solarni paneli;

Kemijski izvori struje:

baterije;

Galvanske ćelije;

Gorive ćelije;

Radioizotopni izvori energije;

Nuklearni reaktori.

Primarni izvor uključuje ne samo sam generator električne energije, već i sustave koji ga opslužuju, na primjer, sustav orijentacije solarnih panela.

Često se izvori energije kombiniraju, na primjer, solarna baterija s kemijskom baterijom.

Gorive ćelije

Gorivne ćelije imaju visoke karakteristike težine i veličine te gustoće snage u usporedbi s parom solarnih baterija i kemijskom baterijom, otporne su na preopterećenja, imaju stabilan napon i tihe su. Međutim, oni zahtijevaju opskrbu gorivom, pa se koriste na uređajima s vremenom boravka u svemiru od nekoliko dana do 1-2 mjeseca.

Uglavnom se koriste vodikovo-kisikove gorivne ćelije, budući da vodik daje najveću kaloričnu vrijednost, a osim toga, voda koja nastaje kao rezultat reakcije može se koristiti na svemirskim letjelicama s posadom. Kako bi se osigurao normalan rad gorivih ćelija, potrebno je osigurati odvod vode i topline nastale kao rezultat reakcije. Još jedan ograničavajući čimbenik je relativno visoka cijena tekućeg vodika i kisika i teškoća njihovog skladištenja.

Radioizotopski izvori energije

Radioizotopski izvori energije koriste se uglavnom u sljedećim slučajevima:

Visoko trajanje leta;

Misije u vanjska područja Sunčevog sustava, gdje je tok sunčevog zračenja nizak;

Izviđački sateliti s radarom za bočno skeniranje ne mogu koristiti solarne panele zbog niskih orbita, ali imaju velike energetske potrebe.

1.2 Automatizacija sustava napajanja

Uključuje uređaje za upravljanje radom elektrane, kao i praćenje njezinih parametara. Tipični zadaci su: održavanje parametara sustava u određenim rasponima: napon, temperatura, tlak, prebacivanje načina rada, na primjer, prebacivanje na rezervni izvor napajanja; prepoznavanje kvara, hitna zaštita napajanja, posebno strujom; dostava informacija o stanju sustava za telemetriju i na konzolu astronauta. U nekim slučajevima moguće je prebaciti s automatskog na ručno upravljanje bilo s konzole astronauta ili naredbama iz zemaljskog kontrolnog centra.

Povezane informacije.