Метод предварительного проектирования системы электропитания микроспутников

Иванов Руслан Николаевич; Шалай Виктор Владимирович; Ходорева Елена Викторовна; Захаров Станислав Евгеньевич; Кучеренко Максим Валерьевич

Р. Н. ИВАНОВ В. В. ШАЛАЙ Е. В. ХОДОРЕВА С. Е. ЗАХАРОВ М. В. КУЧЕРЕНКО

Омский государственный технический университет

МЕТОД ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ МИКРОСПУТНИКОВ

В представленной статье рассматривается выбор системы электропитания микроспутников на предварительном этапе проектирования с использованием метода аналитической иерархии.

Ключевые слова: система электропитания, метод аналитической иерархии.

УДК 629.7.064.5

Отсутствие возможности проектирования универсальной системы электропитания микроспутников вследствие слишком большого круга решаемых ими задач, а также многообразия оборудования, устанавливаемого на микроспутниках, делает проблему проектирования бортовых систем микроспутников на этапе предварительного проектирования особенно актуальной.

Процесс проектирования микроспутников — это путь компромиссных решений между разнохарактерными по решаемым задачам направлениями общего процесса проектирования при выполнении единой цели создания оптимального проекта.

Практика создания высокоэффективных систем электропитания микроспутников помимо использования новых принципов, новых материалов, новых физических эффектов и других новых решений, определяющих общую структуру создаваемой системы, включает выбор параметров системы. Одним из направлений, позволяющих реализовать эту сложною задачу синтеза и анализа, является метод аналитической иерархии[1 ].

Проектирование системы электропитания начинается с синтеза исходного варианта ее структуры. Для оценки этого варианта создается математическая модель. После выбора исходных значений параметров элементов выполняется анализ варианта, по результатам которого становится возможной его оценка, проводимая по проверке выполнения условий работоспособности, сформулированной в техническом задании (ТЗ). Если условия работоспособности

выполняются в должной мере, то полученное проектное решение принимается, система второго уровня описывается в принятой форме и формулируется ТЗ на проектирование элементов данного уровня, то есть систем следующего уровня. Если полученное проектное решение неудовлетворительно, выбирается один из возможных путей улучшения проекта [2].

Целью оценки технического уровня системы электропитания является выбор оптимального набора проектных решений при разработке микроспутника.

Исходными данными для проектирования системы электропитания являются:

1. Циклограмма потребляемой энергии бортовой аппаратурой (БА).

2. Время прохождения микроспутником освещенной и теневой частей орбиты.

3. Характеристики фотоэлектрических преобразователей и аккумуляторов.

4. Ограничения по проектным параметрам, указанным в техническом задании, либо накладываемых другими системами микроспутника.

Оценку технического уровня варианта системы электропитания целесообразно совмещать с параметрическим синтезом разрабатываемого варианта. Практика проектирования систем электропитания микроспутников показывает, что изменение проектных параметров при фиксированной общей структуре и компоновки могут существенно влиять на показатели эффективности.

На основе оценки технического уровня по проектным параметрам системы электропитания с ис-

Таблица1

Проектные параметры солнечной батареи

Проектные параметры, зависящие от А., и А.,, Характеристики, показатели качества фотоэлектрических преобразователей

— средний ток солнечной батареи для функционирования в полете в начале срока эксплуатации на орбите микроспутника, А 5К — суммарная площадь солнечной батареи, м2 Рк — мощность солнечной батареи, Вт СЕС — стоимость солнечной батареи, руб. тьг — масса солнечной батареи, кг КПД,%

Таблица 2

Проектные параметры аккумуляторной батареи

Проектные параметры, зависящие от А„ и Ат Характеристики, показатели качества аккумулятора

п^— количество аккумуляторов в аккумуляторной батареи иАСша — максимальное напряжение аккумуляторной батареи, В Сн — номинальная емкость аккумуляторной батареи, А • ч — необходимое количество циклов заряд/разряд для аккумуляторной батареи СЛе — стоимость аккумуляторной батареи, руб тлв — масса аккумуляторной батареи, кг Улс — занимаемый объем аккумуляторной батареи, см3 Температура эксплуатации, С0 Отдача по емкости, % Удельная энергия по массе, Вт ч/кг

Таблица 3

Парное сравнение важности проектных параметров солнечной батареи

Проектные параметры ^БСн С Рве СБС КПД

^БСн 1 а,2 °,3 а,5 а,в

1 /а,2 1 а23 аа ая

Рве 1/а,з 1 /аи 1 а* а35 ах

СБС 1/а« 1/а» 1 /ам 1 а« а«

¡"ее 1/0« 1/ая 1 /а* 1/а« 1

кпд 1/ам 1/а* 1 /ах 1/а« 1 /ая 1

пользованием метода аналитической иерархии решается задача выбора наилучшей альтернативы системы электропитания в соответствии с техническим заданием и существующими фотоэлектрическими преобразователями и аккумуляторами.

Выбор проектных параметров состоит в том, чтобы на основе анализа небольшой части вариантов исключить из дальнейшего рассмотрения многие заведомо не перспективные случаи и сосредоточить дальнейший поиск в подмножестве, содержащем лучший вариант.

Параметрический синтез системы электропитания, осуществляется на основании иерархической (рис. 1) и математической моделей.

Математическая модель выбора проектных параметров СЭП

> А0 + Ат - уравнение энергобаланса

: - условие прохождения

теневых участков орбиты

Проектные параметры системы электропитания в зависимости от потребляемой бортовой аппаратурой электроэнергии:

1. Количество энергии потребляемой бортовой аппаратурой на освещенном участке орбиты, Вт-ч

<=1

где Р, — мощность ¡-го прибора БА, Вт;

1, — время работы ¡-го прибора БА, Вт; п — количество работающих приборов.

2. Количество энергии, потребляемой бортовой аппаратурой на теневом участке орбиты, Вт-ч

Рис. 1. Иерархическая модель системы электропитания микроспутника

где Р) — мощность }-го прибора БА, Вт;

^ — время работы ]-го прибора БА, Вт;

т — количество работающих приборов.

На основе математической модели выбора проектных параметров системы электропитания, методики [3] и характеристик фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) и аккумуляторов (АК) рассчитываются следующие параметры системы электропитания (табл. 1,2).

Если полученная альтернатива системы электропитания по проектным параметрам не удовлетворяет накладываемым ограничениям, она исключается.

Полученный массив вариантов системы электропитания с различными исполнениями элементов ранжируется в соответствии с оценкой технического уровня полученной на основе метода аналитической иерархии.

Метод широко известен в настоящее время и состоит в декомпозиции проблемы на более простые составляющие части и дальнейшей обработке последовательности суждений лица, принимающего решение, с помощью матриц парных сравнений. В результате работы с матрицами рассчитываются относительные степени взаимодействия элементов в иерархии, и выбирается наилучшая с точки зрения цели альтернатива. Для выбора оптимальной альтернативы необходимо составить таблицы парных сравнений важности проектных параметров (табл. 3).

Коэффициенты весомости Wi проектных параметров и показателей качества ФЭП и АК определяются на основе опроса группы экспертов по оценкам ац из уравнения:

А1Г = ЦГ где А—матрица парных сравнений;

Ввод

1. Циклограммы потребляемой мощности

2. Время прохождения теневого и освещенного участка орбиты

3. Напряжения питания СЭП

Ввод на основе технического задания

1. Коэффициентов предпочтения среди параметров СБ

2. Коэффициентов предпочтения среди параметров АБ

Рассчитать коэффициенты весомостей проектных параметров СБ

Рассчитать коэффициенты весомостей проектных параметров АБ

Рассчитать коэффициенты предпочтения проектных параметров СБ Рассчитать коэффициенты предпочтения проектных параметров АБ

Г

Рассчитать коэффициенты весомостей альтернатив СБ Рассчитать коэффициенты весомостей альтернатив АБ

Проран жировать альтернативы СЭП

Рис. 2. Блок-схема определения наилучшей альтернативы системы электропитания

Щ С лгггмл элгстропитания |р

'-Исходные данные""

~Фотоэ явктрические греобразователи-^Ыккцмчляторные бггтареи~—~

1159 !ВЭ

¡1RQ ¡9

Время в теш, мнн Времй на солнхе, mw нагряжем«АБ,8

Длительность,»**

152 2

104

11152

Моно-кристаллический НПП Квант Аморфный НПП Квант

Никель-мет аллгшр на ные НМГ Никель-кадмиевый НКГЦ 1,8-2

Добавить «РЭП Удалить ФЭП Добавить БД Удалить БА

Свойства ФЭП-

Свойства БД"

Удельная масса, кг/мл2

Удельная стоимость, руб/м*2

Деградация рабочего тока за СДС, %

КПД,*

Стоимость одного аккумулятора, руб 1500 Масса одного аккумулятора, кг 0,9 Удельная энергия по мессе, Втч/кг 130 500

Срок службы, циклы

Расчет системы электропитания-Таблица предпочтений СБ Таблица предпочтений БД

Ограничения Выпо/млъ расчет

Моно-кристаллический НПП Квант Моно-кристаллический НПП Квант Моно-кристаллический НПП К ват Аморфный НПП Квант Нике Аморфный НПП Квант Нике Аморфный НПП Квакг Лиги GatnP2-Galrds-6e НПП Квант

GalnP2-G alnAs-G е НПП Квант

Наименование показателя

Интегральный показатель СБ

Значение Система с наи -

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Интегральный показатель АБ

Интегральный показатель СБ+АБ

Средний ток БС, А

Суммарная площадь БС, м"7

Мощность БС, Вт

Стоимость БС, руб

Масса БС, кг

КПД,*

Количество аккумуляторов в АБ, ил-

Максимальное напряжение ДБ, В

29.5500 2,3270 744,6000 69810 4,4210 30,0000 21,0000 25,2000

Рис. 3. Программа для расчета основных параметров системы электропитания

Амх— наибольшее собственное число матрица А.

Коэффициенты весомости V по проектным параметрам при сравнении альтернатив рассчитываются в зависимости от рассчитанных параметров альтернатив аналогично коэффициентов

Оценка технического уровня каждой альтернативы будет определяться по формуле:

/=1

Оптимальное проектирование систем электропитания микроспутников должно основываться на анализе и сравнении всех допустимых вариантов системы, что может быть проведено только с использованием САПР. По сравнению с традиционными методами проектирования такой подход позволяет увеличить объем исследований, сократить сроки проектирования, более обоснованно выбрать параметры системы электропитания микроспутника и улучшить массовые и стоимостные характеристики.

В связи с большим разнообразием исполнения элементов системы электропитания задачу определения наилучшей альтернативы системы электропитания целесообразно автоматизировать.

Разработанный авторами алгоритм определения наилучшей альтернативы системы электропитания (рис. 2) и его реализация в виде программы (рис. 3) позволяют на стадии предварительного проектирования определить наиболее перспективные варианты системы электропитания микроспутника.

На основе отобранных вариантов системы электропитания возможен дальнейший синтез альтернатив микроспутника на следующем уровне иерархии систем микроспутника.

Библиографический список

1. Саати, Т. Л. Принятие решений. Метод анализа иерархий / Т. Л. Саати. - М.: Радио и связь, 1989. - 316 с.

2. Бельков, В. Н. Ракетные комплексы: аспекты автоматизированного проектирования : учеб. пособие / В. Н. Бельков, В. Л. Ланшаков. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. - 120 с.

3. Разработка методов проектирования многоцелевых космических служебных платформ и средств их адаптации к ракетным средствам выведения при реализации групповых и попутных запусков в целях создания малых космических аппаратов для решения прикладных, научных и образовательных задач: Отчет о НИР (промежуточ.) / Омский государственный технический университет; рук. Шалай В. В.; отв. исполн. Блинов В. Н. — Омск, 2009. -Инв. №02740110492.

ИВАНОВ Руслан Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация». ШАЛАИ Виктор Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация», ректор.

ХОДОРЕВА Елена Викторовна, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация».

ЗАХАРОВ Станислав Евгеньевич, аспирант кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация», ассистент этой же кафедры. КУЧЕРЕНКО Максим Валерьевич, старший преподаватель кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация». Адрес для переписки: e-mail: [email protected]

Информация

Молодежная премия «Надежда России»

В соответствии с решением Президиума Координационного Совета Российского Союза научных и инженерных общественных организаций (РосСНИО) проводится конкурс на соискание молодежной премии «Надежда России» в области науки и техники по итогам 2011 года.

Премия присуждается гражданам Российской Федерации за большие достижения по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации:

— безопасность и противодействие терроризму

— машиностроение

— индустрия наносистем и материалов

— информационно-телекоммуникационные системы

—перспективные вооружения, военная и специальная техника

— рациональное природопользование

— транспортные, авиационные и космические системы

— энергетика и энергосбережение.

На соискание премии могут выдвигаться научные работники, научно-педагогические работники высших

учебных заведений, аспиранты и докторанты, специалисты организаций промышленности и науки, возраст

которых на момент выдвижения на соискание премии не превышает 33 лет.

Документы на соискание премии принимаются с начала сентября по 15 октября 2011 года.

Адрес: 119034, г. Москва, Курсовой переулок, дом 17

Телефоны: (495) 695-16-21,т/ф. (495) 695-16-36

Электронная почта: [email protected]

Положение о премии и требования к оформлению документов и материалов, представляемых на соискание

премии, размещены на сайте РосСНИО: http://www.rusea.info/tree/7id = 29

Источник: http://www.rsci.ru/grants/grant_news/284/229830.php (дата обращения: 15.06.11)

The method of preliminary design of power system of microsatellites

Текст научной работы на тему «Метод предварительного проектирования системы электропитания микроспутников»