CC BY
36Решетневскуе чтения. 2017
УДК 62-238.9
МЕХАНИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО БАТАРЕИ СОЛНЕЧНОЙ ВЕЕРНОГО ТИПА
А. А. Герус, А. Д. Кузнецов, М. В. Волков
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
Е-mail: [email protected]
В современных космических аппаратах (КА) в связи с увеличением мощностей полезной нагрузки и электродвигательных установок возникает необходимость в повышении мощности систем электропитания. Мощность, обеспечиваемая солнечными батареями традиционной конструкции при условии обеспечения возможности выведения существующими носителями, достаточно мала по сравнению с мощностью, которую могут обеспечить перспективные БС с высокими удельными характеристиками. В связи с этим возникает потребность в создании БС, обладающей высокими удельными характеристиками.
Ключевые слова: система электропитания, батареи солнечные (БС), трансформируемые конструкции.
DESIGN OF A SOLAR ARRAY OF ROUND TYPE
A. A. Gerus, A. D. Kuznetsov, M. V. Volkov
JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation Е-mail: [email protected]
Currently, in the modern spacecraft, due to the increase in payload power it is necessary to increase the power of the power supply system. The power of conventional solar arrays that can be started by existing space vehicles is small in comparison with perspective solar arrays with high specific characteristics. For this reason it is required to develop a solar array with high specific characteristics.
Keywords: Power system, solar arrays, solar panel, transformable constructions.
В современных и перспективных КА для обеспечения качественного электропитания требуется увеличение мощности СЭП. Мощность СЭП напрямую зависит от площади входящих в ее состав батарей солнечных (БС) и их мощности соответственно. БС традиционной конструкции (планарные БС), которые могут быть выведены на орбиту в составе космических аппаратов (КА) с помощью существующих средств выведения (РН) позволяют обеспечить мощность КА в пределах 17 кВт при площадях в пределах 90 м2 и удельной мощности до 75 Вт/кг [1]. Увеличение мощности КА (при использовании БС традиционной конструкции) повлечет за собой увеличение объема БС в транспортировочном положении, и их массы. Данные изменения приведут к невозможности размещения планарных БС большей мощности в зоне полезной нагрузки под обтекателями существующих РН, вследствие чего было принято решение разработать БС нового типа с удельной мощностью не менее 150 Вт/кг и конструкцией обеспечивающей высокую компактность в транспортировочном положении. В ходе проведения патентных исследований, с учётом импортозамещения и возможностей производства на АО «ИСС» в качестве объекта разработки была выбрана батарея солнечная веерного типа (БСВ) [2].
Основными моментами, требующими отдельной проработки, при разработке механического устройства (МУ) БСВ являются:
- перевод подложек фотогенерирующей части (ФГЧ) из сложенного положения (плоскопараллельный пакет) в рабочее положение (плоский диск (без
учета прогиба спиц под действием внешних нагрузок) с минимальными линейными перемещениями относительно основной оси центрального шарнирного узла (ШУ);
- обеспечения целостности ФГЧ в сложенном положении при воздействии внешних нагрузок на участке выведения;
- обеспечение надежности соединения ФГЧ с подложкой малой жесткости (особо критично при проведении технологических операций в наземных условиях);
- технология изготовления крупногабаритных уг-лепластиковых деталей малой толщины.
Для перевода подложек в рабочее положение, а также для соединения и функционирования силовых элементов БС был разработан вариант центрального шарнирного узла, содержащего механизм синхронизации и сепаратор. Конструкция сепаратора представляет собой цепь из скоб, соединенных подобно звеньям приводной цепи. Общий вид центрального ШУ с сепаратором представлен на рис. 1. В процессе разработки, с помощью САПР были определены оптимальные межосевые расстояния для осей вращения элементов сепаратора, обеспечивающие минимальные линейные перемещения спиц относительно силовых панелей и между собой при переводе из транспортировочного в рабочее положение. Также для автономной проверки функционирования был изготовлен макет центрального ШУ представленный на рис. 2.
В связи с отсутствием высокоэффективных тонкопленочных фотопреобразователей (ФП) отечественного производства, разработка конструкции проводилась с учетом применения 3-х каскадных ваАБ ФП.
Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
Данные ФП могут быть повреждены под воздействием ударных нагрузок в процессе выведения КА, вследствие чего, в условиях плотной компоновки пакета подложек ФГЧ, для исключения их соударений требуется наличие элементов для обеспечения между ФП гарантированного зазора [3]. В качестве варианта элементов обеспечения зазора в конструкции предусмотрены композитные или полимерные упоры специального профиля.
Рис. 1. Общий вид центрального шарнирного узла
Рис. 2. Макет центрального шарнирного узла
2
5 5
Рис. 3. Батарея солнечная веерного типа. Общий вид: 1 - центральный ШУ; 2 - корневой ШУ; 5 - силовые панели;
4 - спицы; 5 - подложка ФГЧ
Для обеспечения надежного соединения ФГЧ с подложкой, возможны различные варианты: жесткое закрепление ФП для восприятия части внешних нагрузок ими непосредственно; закрепление ФП через прокладку из эластичного материала для обеспечения отсутствия нагрузок на ФП при деформации подложки. Для выбора решения по данному вопросу изготавливается макет, на данном этапе проведена экспериментальная отработка клеевых соединений различных материалов с углепластиками.
При изготовлении крупногабаритных углепласти-ковых деталей малой толщины (подложка ФГЧ), имеется ряд задач, для решения которых требуется проведение экспериментальной отработки, в частности определение схемы армирования и режимов полимеризации, для исключения деформаций деталей после их извлечения из оснастки под воздействием остаточных и температурных напряжений [4; 5].
Общий вид БСВ представлен на рис. 3.
В настоящий момент, для проверки правильности заложенных технических решений изготавливается действующий макет МУ БСВ.
Библиографические ссылки
1. Экспресс АМ4 [Электронный ресурс]. URL: https://ru.rn.wikipedia.org (дата обращения: 09.09.2017).
2. Современные трансформируемые конструкции в системах электропитания космических аппаратов / А. А. Герус, Д. М. Гиль, А. А. Байбородов и др. // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : материалы Х Всерос. науч.-практ. конф. В 2 т. Т. 1 Технические науки. Информационные технологии / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2016. С. 247-250.
3. Thin Film Photovoltaic Blanket & Array Tecnology Development Within NASA / Michael F. Piszczor, Steve White, Mark Douglas, Brian Spence // 1st International Energy Conversion Engineering Conference, Portsmouth, Virginia, 2003. August 17-21.
4. Бакулин В. Н., Гусев Е. Л., Марков В. Г. Методы оптимального проектирования и расчета композиционных конструкций. В 2 т. Т. 1. Оптимальное проектирование конструкций из композиционных и традиционных материалов. М. : Физматлит, 2008. 256 с.
5. Горшков А. Г., Старовойтов Э. И., Яровая А. В. Механика слоистых вязкоупругопластических элементов конструкций. М. : Физматлит, 2005. 576 с.
References
1. Ekspress AM4 [Elektronnyi resurs]. Available at: https://ru.rn.wikipedia.org (accessed: 09.09.2017).
2. Sovremennye transformiruemye konstruktsii v sis-temah elektropitaniya kosmicheskikh apparatov / A. A. Gerus, D. M. Gyl', A. A. Bajborodov et al. // Aktual'nye problem aviatsii I kosmonavtiki : Materialy X Vseros. Nauchno prakticheskoy konf. V 2 t. T. 1. Tekhnicheskie nauki. Informatsionnye tekhnologii ; Sib. gos. aerokosmich. un-t. Krasnojarsk, 2016. P. 247-250.
3. Thin Film Photovoltaic Blanket & Array Tecnology Development Within NASA / Michael F. Piszczor, Steve White, Mark Douglas, Brian Spence // 1st International Energy Conversion Engineering Conference, Portsmouth, Virginia, 2003. August 17-21.
4. Bakulin V. N., Gusev E. L., Markov V. G. Metody optimal'nogo proektirovaniya I rascheta kompozitsyon-nykh konstruktsiy. V 2 t. T. 1. Optimal'noe proektiro-vanie konstruktsiy iz kompozitsionnykh I traditsyonnykh materialov. M. : Fizmatlit, 2008. 256 р.
5. Gorshkov A. G., Starovoytov E. I., Yarovaya A. V. Mekhanika sloistykh vyazkouprugoplasticheskikh ele-mentov konstruktsii. M. : Fizmatlit, 2005. 576 р.
© Герус А. А., Кузнецов А. Д., Волков М. В., 2017
1
