CC BY
195
УДК 629.78.001.5
Вестник СибГАУ Том 17, № 4. С. 983-988
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Ц. Г. Надараиа1, И. Я. Шестаков2, А. А. Фадеев2, К. Н. Виноградов2*, Д. Н. Михалев2
1ООО «Конструирование, внедрение образцов новой техники» Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 75 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: [email protected]
Актуальность проблем выработки и накопления энергии на борту космических аппаратов повышается очень быстро. При этом постоянно повышаются требования к космическим аппаратам: увеличение информационной пропускной способности и сроков активного существования, снижение времени разработки и изготовления, уменьшение стоимости спутников. Имеющиеся публикации по данной тематике носят обзорный характер или посвящены отдельным частным вопросам, таким как повышение эффективности солнечных батарей.
Система генерирования электроэнергии - одна из важнейших бортовых систем космических аппаратов. Конструкция и характеристики системы во многом определяют конструктивный облик, срок активного существования спутника на орбите, его функциональные возможности, надежность, массогабаритные и экономические показатели. Масса бортовой системы электропитания отечественных спутников составляет до 25 % от массы, объема и стоимости космического аппарата. Выход из строя данной системы влечет за собой выход из строя всего аппарата.
Представлен краткий обзор состояния современных систем электропитания космических аппаратов с позиции энергообеспечения и надежности. Рассмотрены факторы, влияющие на бесперебойное снабжение электроэнергией потребителей на борту аппарата.
Анализируется состояние разработок по литий-ионным аккумуляторам в части улучшения их удельных характеристик, а также увеличения циклов заряда-разряда.
Для повышения энерговооружённости космических аппаратов предложено устройство, включающее в себя химический и кинетический накопители энергии. Данный комбинированный накопитель совместно с системой электропитания спутника позволит поддержать необходимое электропитание бортовой аппаратуры и компенсировать пиковое потребление энергии на борту спутника.
Описан принцип работы данной установки в режиме накопления энергии и в режиме отдачи ее в систему потребителям. Кинетическая энергия вращающихся масс с помощью вентильного электродвигателя, работающего в режиме генератора, и блоков электроники преобразуется в электрическую энергию.
Ключевые слова: литий-ионный аккумулятор, накопитель энергии, перспективный космический аппарат, система электропитания, маховик, энерговооруженность.
Sibirskii Gosudarstvennyi Aerokosmicheskii Universitet imeni Akademika M. F. Reshetneva. Vestnik Vol. 17, No. 4, P. 983-988
IMPROVING ENERGY EFFICIENCY OF POWER SYSTEM SUPPLY OF THE PERSPECTIVE SPACE VEHICLES
C. G. Nadaraia1, I. Ja. Shestakov2, A. A. Fadeev2, K. N. Vinogradov2*, D. V. Mikhalev2
1LLC "Design, implementation of new equipment" 75, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: [email protected]
The importance of the problems of generation and energy storage on Board of space vehicles increases very quickly. In such a case, demands on spacecraft are constantly increasing: increasing information bandwidth and active lifetime, reducing development time and manufacturing, reducing the cost of satellites. Available publications on the subject are ofa survey nature, or dedicated to individual issues such as, improving the efficiency of solar panels.
The system of power generation is one of the most important on Board systems of the space vehicles. Design and characteristics of the system largely determine the appearance constructive, active lifetime in orbit, functionality, reliability, weight and size and economic performance. The mass of the onboard power supply system ofdomestic satellites is up to 25 % by weight, volume and cost of the space vehicle. The failure of the system entails failure ofthe space vehicle.
This article presents a brief review of modern power supply systems ofthe space vehicles from a position of power and reliability. The factors affecting the availability of energy consumers on Board of the spacecraft are considered.
Also the state ofdevelopment of lithium-ion batteries which can improve their specific characteristics, as well as the increase of cycles of charge-discharge is examined.
To increase the supply of space vehicles, the proposed device, including chemical and kinetic energy storage is offered. The combined storage together with the power supply system of the satellite allows maintaining the necessary supply ofonboard equipment and compensating peak consumpion on Board ofthe satellite.
The principle of operation of this storage in the mode of accumulation of energy in the mode of bestowal it into the system to consumers is described. The kinetic energy of the rotating masses with brushless motor operating in generator mode and oscillators is converted into electrical energy.
Keywords: rechargeable lithium-ion battery, energy storage device, perspecive space vehicle, the power supply system, the flywheel, power.
Введение. Малые космические аппараты (КА) являются одним из перспективных направлений космической деятельности. Они широко применяются для организации систем связи, навигации, телевидения, изучения погодных условий и природных ресурсов Земли, предоставления интернет-услуг, а также освоения и изучения дальнего космоса [1].
Любой космический аппарат представляет сложную автономную электротехническую систему, состоящую из модуля полезной нагрузки и модуля служебных систем. Полезная нагрузка - аппаратура или средства, непосредственно реализующие решение задачи, поставленной перед спутником. Модуль служебных систем обеспечивает функционирование КА в процессе полета (управление, контроль, электроснабжение, телеметрия, температурный режим и т. д.) [2; 3]. Каждая подсистема выполняет свою функцию и характеризуется параметрами, общими для всего аппарата. Это масса и габариты, потребление электроэнергии, тепловыделение и надежность [4].
Высокая конкуренция со стороны ведущих космических корпораций и их стремление к снижению затрат на разработку и эксплуатацию КА при одновременном увеличении качества и эффективности использования орбитальных спутниковых группировок выдвигают одно из главных условий, предъявляемых к современным аппаратам - снижение массы служебных систем. Это значительно повышает требования к системе электроснабжения аппарата в целом. Выход из строя системы электроснабжения влечет за собой выход из строя всего спутника [5].
Выбор энергоустановки зависит от потребляемой мощности на борту и времени службы аппарата [6].
Производство высоконадежных и конкурентоспособных на мировом рынке спутников различного назначения требует использования перспективных типов аккумуляторов, отвечающих всем требованиям систем электроснабжения КА и средств для их технической подготовки к запуску. Поэтому проблемы энерговооруженности космических аппаратов, особенно разработки новых источников электроэнергии, имеют первостепенное значение.
Целью работы является повышение эффективности снабжения электроэнергией различных потребителей на борту космических аппаратов путем совершенствования энергоустановки.
Система электропитания КА. Как правило, на большинстве современных КА реализуется следующая схема СЭП [2; 7; 8]:
- генератор или первичный источник энергии;
- вторичный источник энергии (аккумуляторные батареи, накапливающие энергию для сеансных нагрузок и коррекции орбиты);
- коммутирующие устройства для передачи энергии на нагрузку или на аккумуляторные батареи;
- преобразователи постоянного тока для обеспечения качества электропитания, преобразования напряжения, коммутации вторичного питания;
- электрические сети;
- бортовая кабельная сеть всей системы, высокая надежность которой сочетается с большой массой;
- комплекс автоматики, стабилизации и защиты.
В качестве генераторов используются:
- солнечные батареи (СБ);
- топливные элементы;
- радиоизотопные источники энергии;
- ядерные реакторы.
На рис. 1 представлена типовая система энергопитания КА. Система создается с помощью аккумуляторной батареи 2, подключенной через релейно-контакторный аппарат и соответствующую кабельную систему к солнечной батарее 1. Так как поступление энергии от солнечной батареи не является непрерывным, и по мере захода космического аппарата в тень Земли и выхода из нее процесс подзарядки то возникает, то исчезает, в системе электропитания установлен специальный автомат, исключающий возможность перезарядки батареи и тем самым вывода ее из строя или недозарядки, при которой можно лишиться необходимого количества энергии. Для космического аппарата система автомата зарядки и разрядки рассчитана на движение спутника по орбите с периодическим чередованием теневых и солнечных участков [9; 10].
Накопители электроэнергии. Важное место при решении задач энергосбережения, обеспечения необходимого качества и эффективного преобразования энергии для потребителей на борту КА занимают накопители энергии. Накопители энергии запасают энергию, получаемую из системы электроснабжения, хранят ее и выдают по мере необходимости обратно в энергосистему. Поэтому накопители энергии являются важным промежуточным звеном между генераторами и системами распределения и потребления электроэнергии.
Существующие накопители различаются [11]:
- по характеру протекания физических, химических и других процессов;
- принципу действия;
- конструктивному исполнению;
- технологии изготовления.
В таблице представлены характерные показатели накопителей энергии [11].
Из данных таблицы следует, что наилучшими удельными параметрами обладают химические и механические накопители, поэтому для повышения энерговооружённости КА предложено устройство, включающее в себя химический и кинетический накопители энергии [12; 13].
Комбинированный накопитель энергии. Данный комбинированный накопитель (рис. 2) в составе системы электропитания спутника позволит поддержать необходимое электропитание бортовой аппаратуры во время нерасчетных режимов работы КА для поддержания его «живучести», снятия телеметрии и выдачи команд радиоуправления в случаях возможных аварийных ситуаций генератора электроэнергии.
Рис. 1. Система энергопитания спутника: 1 - солнечная батарея; 2 - коммутирующее устройство; 3 - буферная батарея
Показатели накопителей энергии
Накопитель Удельная энергия, Дж/г Время вывода энергии, с
Химический 102-103 1-105
Со статической активной зоной Индуктивный 1-10 103-10
Емкостный 0,1-0,5 10-6-10-2
С динамической активной зоной Механический Электромеханический Электродинамический 10-103 1-10 0,05-1 1-103 10-2-10 10-3-10-2
Рис. 2. Комбинированный накопитель энергии
Один вентильный электродвигатель установлен по периферии устройства, а второй - в центре. Центральный вентильный электродвигатель, работая в режиме генератора, преобразует кинетическую энергию вращающихся масс в электрическую, пополняя запасы энергии в аккумуляторных батареях.
Устройство состоит из подвижной и неподвижной части 6. На неподвижной части закреплены обмотка статора 5 вентильного электродвигателя (ВД1 - внешний двигатель), блок электроники БЭ1 12 (рис. 3), магниты 2 ротора вентильного электродвигателя (ВД2 -внутренний двигатель) и кольца 8. Подвижная часть состоит из диска 3, на котором установлены литий-ионные аккумуляторные батареи АБ 1, блок электроники БЭ2 11 (рис. 4) и магнитные кольца 4 вентильного электродвигателя ВД2 [14]. Применяемые аккумуляторы ГУП «НИИ электроугольных изделий» имеют индекс ЛИА-8. Они призматической формы, размерами 105x45x25 мм, расположены вертикально. Каждый аккумулятор имеет емкость 8 Ач, рабочее напряжение 2,8 В, массу 0,27 кг [15].
Аккумуляторная батарея состоит из N последовательно соединенных аккумуляторных ячеек. Каждая ячейка содержит M литий-ионных аккумуляторов, соединенных параллельно:
K = N - M (1)
где K - общее число аккумуляторов, определяемое конструктивными особенностями диска 3.
В предлагаемом комбинированном накопителе энергии реализовано N = 4 ячейки, M = 11 аккумуляторов, K = 44 - общее число аккумуляторов.
В момент подключения БЭ1 к питающей сети запускается ВД1 и начинается раскрутка диска 3 до угловой скорости юзт. При этом кинетическая энергия вращающихся масс определяется по известной формуле
пп
Учитывая ю = — , а также пш 30
500 об/мин
Е = 1J .
^кин _ 2 Z
}ЗТ<
(2)
и пзт = 6500 об/мин, определим значение энергии EKин по крайнему правому выражению формулы (4): EKин = 0,6 ■ 106 Дж.
Кинетическая энергия маховика по отношению к энергии аккумуляторной батареи составит:
К
^ -100 % = 24
(5)
£АБ
где JZ - момент инерции вращающегося диска.
Количество извлекаемой энергии из аккумулятора без полного разряда:
EАБ = С■UAБ -0,7. (3)
Подставляя в (3) известные данные, получим ЕАБ = 56,5 кДж.
Тогда энергия всей аккумуляторной батареи Е^аб = 2,5 ■ 106 Дж.
Общая энергия ЕР системы с полностью зараженной аккумуляторной батареей и вращающимся маховиком равна
ЕР = К - С - Цаб - 0,7 + 2 Jz - {зт ~юш). (4)
По мере расходования энергии АБ, БЭ2, используя ВД2 в качестве генератора, заряжает аккумуляторную батарею и одновременно контролирует скорость вращения диска 3. При снижении скорости вращения диска 3 ниже критического значения юкя происходит запуск двигателя ВД2, и скорость вращения восстанавливается и поддерживается на уровне юзт.
В случае отключения питания устройства БЭ1 переключает ВД1 в режим генератора и преобразует полученное напряжение до необходимого значения, пригодного для питания потребителей, при этом происходит торможение диска 3.
БЭ2 (рис. 4) устанавливается на аккумуляторном диске и служит для управления двигателем ВД2, а также контроля заряда аккумуляторной батареи.
Блок электроники БЭ2 состоит из трехфазного инвертора, собранного на транзисторах МОБРЕТ ШРН7004, к которому подключается электродвигатель ВД2, драйверов управления затвором силовых транзисторов инвертора, датчика тока (ДТ), микроконтроллера БТМ32Р103 и трансивера РЫМ 12В. В режиме зарядки, когда диск приводится во вращение двигателем ВД1, микроконтроллер, измеряя напряжения на фазах А, В, С, генератора ВД2, а также ток с помощью ДТ, формирует последовательность коммутаций транзисторов инвертора в соответствии с алгоритмом синхронного выпрямления. Сдвиг фазы управляющего сигнала синхронного выпрямителя формирует пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД), сигнал обратной связи которого является значением тока ДТ, а управляющее воздействие формируется программой микроконтроллера на основе данных о напряжении на аккумуляторной батарее. Заряд аккумуляторной батареи проходит в 2 этапа. Первый этап - заряд постоянным током с до напряжения ис},:
(6)
!сЬ = м - ЬсЬ, ил = N - 4,2 В,
(7)
где 1ъсь - максимальный ток заряда аккумуляторного элемента.
После достижения напряжения ись на аккумуляторной батарее начинается второй этап заряда - заряд постоянным напряжением, равным ись. Процесс заряда завершается при снижении тока заряда 1сь меньше заданной величины /сшш.
В случае отключения электроснабжения БЭ1 дает команду переключения режима БЭ2 посредством радиопередатчика ЫР. Приняв команду переключения, БЭ2 останавливает процесс синхронного выпрямления и зарядки аккумуляторной батареи. Как только частота вращения диска снижается ниже юКи, микроконтроллер формирует управляющую последовательность управления инвертором для раскрутки диска до значения юзт, после чего питание двигателя ВД2 отключается и цикл повторяется.
Рис. 3. Блок электроники БЭ1
Рис. 4. Блок электроники БЭ2
БЭ1 устанавливается на неподвижную часть прибора. Его структурная схема практически идентична БЭ2, за исключением той разницы, что добавлен преобразователь, необходимый для формирования внутреннего питающего напряжения, а также для повышения напряжения, полученного с двигателя ВДь работающего в режиме генератора, до значения, необходимого потребителям, в частном случае - 220 В, 50 Гц.
Заключение. В статье представлено устройство для повышения энергетической эффективности системы электропитания перспективных КА. Описан принцип работы данной установки в режиме накапливания энергии и в режиме отдачи ее в систему потребителям. Ориентировочная оценка показала, что использование комбинированного накопителя позволит улучшить массогабаритные характеристики СЭП КА в пределах 24 %. При учёте влияния центробежных
сил, возникающих при вращении установки, на ионы в электролите аккумуляторных батарей, вышеуказанное значение возрастёт. Применение современных материалов для диска и аккумуляторных батарей позволит уменьшить массу накопителя при той же самой энергоёмкости.
Библиографические ссылки
1. Чеботарев В. Е. Проектирование космических аппаратов систем информационного обеспечения. В 2 кн. Кн. 2. Внутреннее проектирование космического аппарата / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2005. 168 с.
2. Конструкция и проектирование космических летательных аппаратов : учебник для средних специальных учебных заведений / Н. И. Паничкин [и др.]. М. : Машиностроение, 1986. 344 с.
3. Гущин В. Н. Основы устройства космических аппаратов : учебник для вузов. М. : Машиностроение, 2003. 272 с.
4. Хромов А. В. Разработка методического аппарата повышения эффективности использования электроракетных двигательных установок в системах коррекции орбиты малых низкоорбитальных космических аппаратов : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.09.03, 05.07.05. М., 2013. 24 с.
5. Энергетическая установка космического аппарата с вращающимися аккумуляторными батареями / К. Н. Виноградов [и др.] // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : тезисы IX Всерос. науч.-практ. конф. творческой молодежи (8-12 апр. 2013, г. Красноярск). В 2 т. Т. 1. Технические науки. Информационные технологии. Сообщения школьников / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2013. С. 175-177.
6. Теория и расчет энергосиловых установок космических летательных аппаратов / Л. А. Квасников [и др.] 2-е изд., перераб. и доп. М. : Изд-во МАИ, 2001. 480 с.
7. Туманов А. В., Зеленцов В. В., Щеглов Г. А. Основы компоновки бортового оборудования космических аппаратов : учеб. пособие. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. 344 с.
8. Чеботарев В. Е., Косенко В. Е. Основы проектирования космических аппаратов информационного обеспечения : учеб. пособие. Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2011. 488 с.
9. Бортовые энергосистемы космических аппаратов на основе солнечных и химических батарей : учеб. пособие / Н. В. Белан [и др.]. Харьков : ХАИ, 1992. Ч. 1. 191 с.
10. Космические аппараты / под общ. ред. К. П. Феоктистова. М. : Воениздат, 1983. 319 с.
11. Накопители энергии : учеб. пособие для вузов / под ред. Д. А. Бута. М. : Энергоатомиздат, 1991. 400 с.
12. Химико-кинетический накопитель энергии / Ц. Г. Надараиа [и др.] // Вестник СибГАУ. 2014. № 2(54). С. 56-61.
13. Особенности работы химико-кинетического накопителя энергии / К. Н. Виноградов [и др.] // Решетневские чтения : материалы XVIII Междунар. науч. конф., посвящ. 90-летию со дня рождения генер. конструктора ракет.-космич. систем акад. М. Ф. Решет-нева (11-14 нояб. 2014, г. Красноярск). В 3 ч. Ч. 1. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2014. С. 125-126.
14. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники : учеб. пособие. 2-е изд., испр. и доп. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2003. 664 с.
15. Химические источники тока : справочник / под ред. Н. В. Коровина и А. М. Скундина. М. : МЭИ. 2003. 740 с.
References
1. Chebotarev V. E. Proektirovanie kosmicheskikh ap-paratov sistem informatsionnogo obespecheniya: v 2 kn. Kn. 2. Vnutrennee proektirovanie kosmicheskogo apparata
[The design of space vehicles of information support systems: in 2 books. Book. 2. The internai design of the space vehicle]. Krasnoyarsk, SibSAU Pabl., 2005, 168 р.
2. Panichkin N. I., Slepushkin Yu. V., Shinkin V. P., Yatsynin N. A. Konstruktsiya i proektirovanie kosmicheskikh letatel'nykh apparatov [The design and engineering
of space vehicles]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1986, 344 p.
3. Gushchin V. N. Osnovy ustroystva kosmicheskikh apparatov [The basics of the device for space vehicles]. Moscow, Mashinovtroenie Publ., 2003, 272 p.
4. Khromov A. V. Razrabotka metodicheskogo apparata povysheniya effektivnosti ispol'zovaniya elektrorakenykh dvigatel'nykh ustanovok v sistemakh korrektsii orbity malykh nizkoorbital'nykh kosmicheskikh apparatov. Autoref. dis. k-ta tekhn. nauk [The development of the methodological apparatus of increasing efficiency in the use of electric rocket propulsion systems orbit correction of small low earth orbit satellites. Abstract of Cand. techn. sci. diss.]. Moscow, 2013, 24 p.
5. Vinogradov K. N., Vinogradova E. K., Fadeev A. A., Nadaraia Ts. G., Shestakov I. Ya. [Power plant of a space vehicle with rotating batteries]. Tezisy IX Vseros. nauch.-prakt. konf. tvorcheskoy molodezhi "Aktual'nye problemy aviatsii i kosmonavtiki" [Abstracts of IX National Scientific. Conf. "Actual problems of aviation and cosmonautics"]. Krasnoyarsk, 2013, Р. 175-177 (In Russ.).
6. Kvasnikov L. A., Latyshev L. A., Ponomarev-Stepnoy N. N., Sevruk D. D., Tikhonov V. B. Teoriya i raschet energosilovykh ustanovok kosmicheskMi letatel'nykh apparatov [Theory and design of power installations of space vehicles]. Moscow, MAI Publ., 2001, 480 р.
7. Tumanov A. V., Zelentsov V. V., Shcheglov G. A. Osnovy komponovki bortovogo oborudovaniya kosmiches-kikh apparatov [The basis of the layout of the onboard equipment of space vehicles]. Moscow, MGTU im. N. E. Baumana, 2010, 344 р.
8. Chebotarev V. E., Kosenko V. E. Osnovy proektiro-vaniya kosmicheskikh apparatov informatsionnogo obes-pecheniya [Fundamentals of space vehicles design information support]. Krasnoyarsk, SibSAU Publ., 2011, 488 р.
9. Belan N. V., Bezruchko K. V., Eliseev V. B., Kovalevskiy V. V., Letin V. A., Postanogov V. P., Fe-dorovskiy A. N. Bortovye energosistemy kosmicheskikh apparatov na osnove solnechnykh i khimicheskikh batarey. Ch. 1 [Onboard power systems of space vehicles based on solar and chemical batteries]. Khar'kov, KhAI Publ., 1992, 191 р.
10. Feoktistov K. P. Kosmicheskie apparaty [Spacecrafts]. Moscow, Voenizdat, 1983, 319 р.
11. But D. A., Alievskiy B. L., Mizyurin S. R., Vasyukevich P. V. et al. Nakopiteli energii [Energy storage]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1991, 400 р.
12. Nadaraia Ts. G., Babkina L. A., Shestakov I. Ya., Fadeev A. A. [Chemical-kinetic energy storage device]. VestnikSibGAU. 2014, No. 2(54), P. 56-61 (In Russ.).
13. Vinogradov K. N., Shestakov I. Ya., Fadeev A. A., Nadaraia Ts. G. [Work features of chemical-kinetic energy storage device]. MaterialyXVIIIMezhdunar. nauch. konf. "Reshetnevskie chteniya" [Proceedings of XVIII Intern. Scientific. Conf. "Reshetnev readings"]. Krasnoyarsk, 2014, Vol. 1, P. 125-126 (In Russ.).
14. Zinov'ev G. S. Osnovy silovoy elektroniki [Fundamentals of power electronics]. Novosibirsk, NGTU Publ., 2003, 664 р.
15. Korovin N. V., Skundin A. M. Khimicheskie is-tochnikitoka: spravochnik [Chemical current sources]. Moscow, MEI Publ., 2003, 740 р.
© Надараиа Ц. Г., Шестаков И. Я., Фадеев А. А., Виноградов К. Н., Михалев Д. Н., 2016
