CC BY
44
УДК 62-231.1
СОВРЕМЕННЫЕ ТРАНСФОРМИРУЕМЫЕ КОНСТРУКЦИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
А. А. Герус1, Д. М. Гиль1, А. А. Байбородов1, Н. А. Смирнов2
1АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»
Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: [email protected]
Стоимость выведения космического аппарата (КА), напрямую зависит от его массы. В современных КА, в том числе телекоммуникационных, для питания полезной нагрузки требуется мощная система электропитания (СЭП), в состав которой входят панели солнечных батарей (БС). Панели БС традиционной конструкции вносят значительный вклад в общую массу КА. В связи с этим возникает необходимость и потребность в создании БС обладающих высокими удельными характеристиками, обеспечивающих снижение стоимости выведения при повышении мощности СЭП в целом.
Ключевые слова: система электропитания, батареи солнечные, трансформируемые конструкции.
MODERN TRANSFORMABLE CONSTRUCTIONS IN THE POWER SYSTEMS
OF SPACECRAFT
A. A. Gerus1, D. M. GyP1, A. A. Bajborodov1, N. A. Smirnov2
1JSC "Academician M. F. Reshetnev "Information satellite systems" 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation
2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: [email protected]
The cost of launch of the spacecraft (SC), depends on its mass. For power the payload, modern satellite, including SC for telecommunications, required a powerful system of electric power sourse (EPS), which consists of a solar panels (SP). The SP of traditional design contribute significantly to the total weight of the SC. Therefore there is a need and requirement for creation of a SP with high specific characteristics, for providing cost reduction and at the same time increase power SEP as a whole.
Keywords: power system (EPS), solar panels (SP), transformable constructions.
Основными типами современных трансформируемых конструкций в составе СЭП КА являются механические устройства на основе жёстких рамных каркасов или сотопанелей. Использование таких конструкций обеспечивает жесткость пакета БС при выведении, необходимую для сохранения целостности достаточно хрупких ФП, а также обеспечения жёсткости КА в целом, требуемую для корректной работы системы ориентации и высокоточной целевой аппаратуры. Однако применение таких конструкций ограничивается ростом массы силовой конструкции, напрямую зависящей от увеличения общей площади БС. Кроме того, конструкции на основе сотопанелей негативно влияют на тепловой режим закреплённых на них ФП, так как нарушают сброс тепла с тыльной стороны ФП. Также в такой конструкции возможно появление температурных деформаций за счёт нагрева поверхности с закреплёнными ФП и низкой теплопроводностью сотовых конструкций, что чревато нарушением работоспособности ФП и БС в целом.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1
Для снижения общей массы конструкций СЭП, необходимо применять в составе БС альтернативные механические устройства и конструктивные элементы. Такими элементами могут быть гибкие шарнирные узлы (ШУ), тонкоплёночные фотопреобразователи (ФП из аморфного кремния), а также гибкие сетчатые материалы из высокомодульных волокон, позволяющие при проектировании отказаться от стандартных схем расположения и соединения элементов и создавать трансформируемые конструкции нового типа [1; 5].
Целью данной работы является поиск и анализ информации о современных конструкциях трансформируемых элементов СЭП для выявления и проработки наиболее перспективных направлений в области проектирования и конструирования БС.
В результате проделанной работы было выявлено два основных направления развития в области проектирования БС. На рис. 1 представлены два основных типа конструкций современных высокоэффективных БС обладающих высокими удельными характеристиками [2].
Рис. 1/ Перспективные конструкции солнечных батарей
В различных иностранных источниках описываются конструкции, способные обеспечить мощность до 300 кВт при сохранении массы КА в пределах обеспечивающих его выведение существующими ракетно-космическими комплексами [2].
Первый вариант конструкции представляет собой конструкцию, состоящую из двух жёстких панелей, набора подложек с закреплёнными на них ФП, спиц и ШУ. ШУ предназначен для соединения элементов конструкции БС и представляет собой механизм, состоящий из основания с закреплёнными на нём вилками совершающими вращательное движение, фрикционным тормозом, сепаратором и барабаном. Вилки предназначены для закрепления жёстких панелей на ШУ, которые поворачиваясь освобождают пакет подложек из транспортировочного положения. Сепаратор служит для укладки подложек в пакет параллельно, и обеспечивает возможность развёртывания пакета вокруг общей оси. Раскрытие БС происходит за счёт натяжения троса или ленты обёрнутой через барабан, соединённой одним концом с концом одной из жёстких панелей, а другим со шкивом привода установленного на конце другой панели. Фрикционный тормоз обеспечивает натяжение троса в процессе раскрытия [3]. Спицы служат для соединения подложек (из сетчатого материала) со скобами сепаратора. В транспортировочном положении БС имеет форму треугольника либо трапеции, и принимает форму круга в рабочем положении. Раскрытие БС происходит в плоскости расположенной нормально к оси основного ШУ подобно вееру. Данное техническое решение описывается патентом US2009126775A1 [4].
Второй вариант представляет собой гибкую БС оснащённую ФП из аморфного кремния или тонкоплёночными ФП [5]. В транспортировочном положении БС намотана на барабан, и разворачивается за счёт упругих элементов, таких как ленточные пружины. Схема развёртывания фрагмента БС представлена на рис. 2 [6].
сложенная конфигурация свернутся конфигурация
Рис. 2. Схема развёртывания гибкой БС
Проведённый анализ рассмотренных конструкций показал свойственные им преимущества и недостатки. Первый вариант конструкции при использовании высокоэффективных ФП позволяет снизить массу БС до 3х раз, при сохранении мощности, однако сложен в изготовлении [2]. Второй вариант конструкции не позволяет использовать высокоэффективные ФП, вследствие чего, для достижения необходимой мощности будет обладать большей площадью чем вариант 1, что негативно скажется на общей жёсткости КА. Кроме того, из-за увеличенных площадей БС варианта 2, могут быть не обеспечены необходимые жесткостные характеристики, предъявляемые к ряду КА.
На основе изложенного для дальнейшей проработки принимается конструкция 1 «Веерного типа». Для улучшения конструкции в части улучшения механических характеристик, предлагается в качестве подложек для закрепления фотопреобразователей использовать листы из высокомодульного материала, получаемые посредством технологии формования. При размещении в определённых узлах (между ФП) опорных элементов, обеспечивается гарантированный зазор, благодаря чему имеется возможность использования высокоэффективных трёхкаскадных ФП на основе ОаА8. Кроме того, для обеспечения равномерности натяжения подложек, предлагается внести изменения в конструкцию элемента «спица», что позволит создать фиксированное растягивающее усилие при развёртывании БС в рабочее положение.
Библиографические ссылки
1. Кузнецов В. В., Байбородов А. А. Гибкий шарнир // Решетневские чтения : материалы XVII Междунар. конф. Красноярск, 2013. С. 79-81.
2. Brophy J. R., et al., "300-kW Solar Electric Propulsion System Configuration for Human Exploration of Near-Earth Asteroids, AIAA-2011-5514, 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 31 July - 03 August 2011, San Diego, California.
3. Next Generation UltraFlex Solar Array for NASA's New Millennium Program Space Technology 8/Brian Spence, Steve White, Nick Wilder, Todd Gregory, et al. // 2005 IEEE Aerospace conference.
4. US Patent Application, Pub.No.: US 2009/0126775 A1 / Stephen. F. White., et. al. / May 21.2009.
5. 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, August 17-21, 2003.
6. FACT, Mega-ROSA, SOLAROSA [Электронный ресурс]. URL: http://www.techbriefs.com/ component/content/article/ntb/tech-briefs/manufacturing-and-prototyping/15070 (дата обращения: 03.03.2016).
© Герус А. А., Гиль Д. М., Байбородов А. А., Смирнов Н. А., 2016
