Napajanje svemirskih vozila. Sistem napajanja brodskog kompleksa svemirskog broda (160,00 rubalja) Dizajn sistema napajanja svemirskog broda




Pronalazak se odnosi na oblast svemirske energije, posebno na sisteme za napajanje svemirskih letelica (SC). Prema izumu, sistem za napajanje svemirske letjelice sastoji se od solarne baterije, stabilizatora napona, baterije, regulatora ekstremne snage, te stabilizatora napona solarne baterije i uređaja za pražnjenje baterije izrađeni su u obliku mosnih pretvarača sa zajedničkim transformatora, dok je ulaz punjača povezan sa izlaznim namotom transformatora, ostali izlazni namotaji transformatora su povezani na uređaje za napajanje sa sopstvenim AC ili DC izlaznim naponom, a jedan od uređaja za napajanje opterećenja je povezan na stabilizator solarne baterije i uređaj za pražnjenje baterije. Tehnički rezultat je proširenje mogućnosti sistema napajanja svemirske letjelice, poboljšanje kvaliteta izlaznog napona, smanjenje troškova razvoja i proizvodnje i smanjenje vremena razvoja sistema. 1 ill.

Crteži prema RF patentu 2396666

Ovaj pronalazak se odnosi na oblast svemirske energije, tačnije na sisteme za napajanje na brodu (PSS) svemirskih vozila (SC).

Široko su poznati sistemi napajanja svemirskih letjelica, koji se sastoje od solarne baterije, baterije za skladištenje, kao i kompleksa elektronske opreme koja osigurava zajednički rad ovih izvora za opterećenje svemirske letjelice, konverziju i stabilizaciju napona.

Karakteristike performansi SEP-a, a za svemirsku tehnologiju najvažnija od njih je specifična snaga, tj. odnos snage koju generiše sistem napajanja i njegove mase (Psp = Rsep / Msep), zavisi prvenstveno od maseno specifičnih karakteristika izvora struje koji se koriste, ali i u velikoj meri od prihvaćenog strukturnog dijagrama PSS-a. , formiran od kompleksa elektronske opreme PDS, koji određuje režime rada izvora i efikasnost korišćenja njihovog potencijala.

Poznati sistemi napajanja svemirskih letelica sa blok dijagramima koji obezbeđuju: stabilizaciju konstantnog napona na opterećenju (sa tačnošću od 0,5-1,0% nominalne vrednosti), stabilizaciju napona na solarnoj bateriji, koja obezbeđuje odvođenje struje iz nje u blizini strujno-naponsku karakteristiku optimalne radne tačke (CVC), kao i implementaciju optimalnih algoritama za upravljanje režimima rada baterija, koji omogućavaju obezbeđivanje maksimalno mogućih kapacitivnih parametara tokom dugotrajnog cikliranja baterija u orbiti. Kao primer ovakvih sistema napajanja predstavljamo projekat EPS za geostacionarnu komunikacionu letelicu u članku NAPAJANJE ZA TELEKOMUNIKACIONI SATELIT. L.Croci, P.Galantini, C.Marana (Zbornik radova sa Evropske konferencije o svemirskoj energiji održane u Gracu, Austrija, 23-27. avgusta 1993. (ESA WPP-054, avgust 1993.). Predloženi PDS snage 5 kW, sa napon od 42 V Efikasnost korišćenja snage solarne baterije je 97%, efikasnost korišćenja kapaciteta baterije je 80% (na kraju 15-godišnjeg veka trajanja letelice).

U strukturnom dijagramu SPS-a, solarna baterija je podijeljena na 16 sekcija, od kojih je svaka regulirana vlastitim regulatorom napona šanta, a izlazi sekcija su povezani na zajedničku stabilizovanu magistralu preko razvodnih dioda, koja podržava 42 V. ± 1%. Shunt stabilizatori održavaju napon od 42 V na sekcijama solarne baterije, a projektiranje solarne baterije se izvodi tako da na kraju 15 godina optimalna radna tačka CVC odgovara ovom naponu.

Velika većina sistema za napajanje stranih i brojnih domaćih svemirskih letjelica, kao što su, na primjer, HS-702, A-2100 (SAD), Spacebus-3000, 4000 (Zapadna Evropa), Sesat, Express-AM, " Yamal (Rusija) itd.

U članku „Kompleks instrumenata satelitskih sistema napajanja sa ekstremnom kontrolom snage solarne baterije“, autori V.S. Kudryashov, M.V. Nesterishin, A.V. Zhikharev, V.O. Elman, A.S. 47, april 2004., br. 4) opis konstrukcije dat je dijagram PSS-a sa regulatorom snage ekstremne solarne baterije, prikazan je efekat takve regulacije na geostacionarni komunikacioni satelit Express-A, koji je prema rezultatima letnih mjerenja iznosio 5% povećanja izlazne snage baterije. Po shemi sa ekstremnim solarnim regulatorom baterija napravljeni su EPS mnogih domaćih letjelica, poput geostacionarnih letjelica Hals, Express, visokoorbitalni Glonass-M, niskoorbitalni Gonets itd.

Uz postignute visoke performanse EPS-a savremenih svemirskih letelica, oni imaju zajednički nedostatak - nisu univerzalni, što ograničava obim njihove upotrebe.

Poznato je da je za napajanje različite opreme određene svemirske letjelice potrebno više stupnjeva napona napajanja, od jedinica do desetina i stotina volti, dok se u implementiranom PDS-u formira jedna sabirnica jednosmjernog napona sa jednom naponom, npr. 27 V, ili 40 V, ili 70V, ili 100V.

Prilikom prelaska sa jedne klase napona napajanja opreme na drugu, potrebno je razviti novi sistem napajanja sa radikalnom obradom izvora struje - solarnih i akumulatorskih baterija i sa odgovarajućim vremenskim i finansijskim troškovima.

Posebno, ovaj nedostatak utiče na stvaranje novih modifikacija letelice na bazi osnovne verzije, što je glavni pravac u savremenom inženjerstvu svemirskih letelica.

Još jedan nedostatak sistema je niska otpornost na buku potrošača električne energije na brodu. To je zbog prisutnosti galvanske veze između električnih sabirnica opreme i izvora struje. Stoga, kod oštrih kolebanja opterećenja, na primjer, kada se pojedini potrošači uključuju ili isključuju, dolazi do fluktuacija napona na zajedničkoj izlaznoj sabirnici sistema napajanja, tzv. tranzijenti uzrokovani udarima napona na unutrašnjem otporu izvora struje.

Predlaže se sistem napajanja sa novom blok dijagramom, koji omogućava otklanjanje gore navedenih nedostataka poznatih sistema napajanja svemirskih letelica.

Najbliže tehničko rješenje predloženom je autonomni sistem napajanja svemirske letjelice prema RF patentu 2297706, izabran kao prototip.

Prototip ima iste nedostatke kao i gore navedeni.

Cilj pronalaska je proširenje mogućnosti sistema napajanja svemirske letjelice, poboljšanje kvaliteta izlaznog napona, smanjenje troškova razvoja i proizvodnje i smanjenje vremena razvoja sistema.

Suština izuma za koji se traži zaštita je ilustrovana crtežom.

Sistem za napajanje se sastoji od solarne baterije 1, baterije 2, stabilizatora napona solarne baterije 3, punjača baterije 4, punjača baterija 5, ekstremnog regulatora snage solarne baterije 6, povezanih svojim ulazima na pražnjenje 4 i punjač 5 uređaja i na senzor struje solarne baterije 7, a izlaz - sa stabilizatorom napona solarne baterije 3.

Stabilizator 3 i uređaj za pražnjenje 4 izrađeni su u obliku mosnih invertera. Opisi ovakvih mosnih pretvarača dati su, na primjer, u člancima: „Visokofrekventni naponski pretvarači sa rezonantnim prebacivanjem“, autora A.V. Lukin (j. NAPAJANJE, naučno-tehnički zbornik broj 1, priredio Yu. , M., 1993.), Serija Connected Buck Boost Regulator za visokoefikasnu regulaciju istosmjernog napona, autora Arthura G. Birchenougha (NASA Technical Memorandum 2003-212514, NASA Lewis Research Center, Cleveland, ON), kao i u članku DIJAGRAM I DIJAGRAM STRUKTURA I DIJAGRAMA STRUKTURA KOMPLEKSA AUTOMATIZACIJE I STABILIZACIJE SEP NEHERMETIČKOG GEOSTACIONALNOG SV SA GALVANSKOM izolacijom brodske opreme OD SOLARA I BATERIJA autori Polyakov S.A., Chernyshev A.I., Elmanyas V.O., vidi sisteme Elchanya V.O., Elchanya, B.E. naučni radovi SPC "Polyus". - Tomsk: IGP "RASKO" pod izdavačkom kućom "Radio i veze", 2001, 568 str.

Izlazni namotaji 9, 10 stabilizatora i uređaja za pražnjenje povezani su na zajednički transformator 8 kao njegovi primarni namoti. Solarna baterija 1 je preko pozitivnih i negativnih guma povezana sa stabilizatorom 3, a u jednu od guma je ugrađen pomenuti senzor struje 7. Akumulatorska baterija 2 je preko pozitivnih i negativnih guma povezana sa uređajem za pražnjenje. Punjač 5 je svojim ulazom povezan sa sekundarnim namotom 11 transformatora 8, a izlaz je spojen na pozitivne i negativne gume baterije 2.

Sekundarni namotaji 12 transformatora 8 su povezani sa energetskim uređajima 13, opterećenja 14 sa svojim AC izlaznim naponom, a sekundarni namotaji 15 transformatora 8 su povezani sa energetskim uređajima 16 opterećenja 17 DC sa sopstvenim nazivnim naponom, jednom od kao glavno je izabrano opterećenje 19 energetskih uređaja 19 DC ili AC, spojeno na sekundarni namotaj 20 transformatora 8, koji služi za stabilizaciju napona na sekundarnom namotu 20 transformatora 8. U tu svrhu, uređaj 18 je povezan povratnom spregom na stabilizator 3 i uređaj za pražnjenje 4.

Formiranje naizmjeničnog napona na izlaznom namotu 9 stabilizatora 3 osigurava njegov upravljački krug 21, koji, prema određenom zakonu, otvara tranzistore 22, 23 i 24, 25 u parovima.

Slično, na izlaznom namotu 10 bitnog uređaja 4 se formira naizmjenični napon pomoću njegovog upravljačkog kola 26 tranzistori 27, 28 i 29, 30, redom.

Regulator ekstremne snage 6, uzimajući u obzir očitanja strujnog senzora 7 i napona na solarnoj bateriji 1, generiše signal korekcije za promjenu zakona otvaranja tranzistora stabilizatora 3 tako da napon na solarnoj bateriji postavljen je jednak optimalnom naponu strujno-naponske karakteristike (CVC) solarne baterije.

Sistem napajanja radi u sljedećim glavnim režimima.

1. Opterećenje koje napajaju solarni paneli.

Kada snaga solarne baterije premaši ukupnu snagu koju troše opterećenja, stabilizator mosta 3, koristeći povratnu spregu uređaja 18 i stabilizatora 3, na sekundarnom namotu 20 transformatora 8 održava stabilan napon na nivou koji osigurava potrebnu stabilnost napona na opterećenju 19. Istovremeno, na sekundarnim namotajima 11, 12, 15 transformatora također je podržan stabilan naizmjenični napon, uzimajući u obzir omjere transformacije namotaja. Baterija 2 je potpuno napunjena. Uređaji za punjenje 5 i pražnjenje 4 su isključeni, ekstremni regulator 6 je isključen.

2. Punjenje baterije.

Kada je potrebno napuniti bateriju, punjač 5 generiše signal za uključivanje punjenja i obezbeđuje ga pretvaranjem naizmenične struje iz sekundarnog namotaja 11 transformatora 8 u jednosmernu struju punjenja baterije. Signal za uključivanje punjača 5 šalje se i na ulaz ekstremnog kontrolera 6, koji pretvara stabilizator 3 u režim ekstremne regulacije snage solarne baterije. Veličina struje punjenja baterije određena je razlikom između snage solarne baterije u optimalnoj radnoj tački njene strujno-naponske karakteristike i ukupne snage opterećenja. Discharger disabled.

3. Učitajte napajanje iz baterije.

Ovaj režim se formira kada letelica uđe u senku Zemlje, Meseca, u slučaju mogućih anomalnih situacija sa gubitkom orijentacije solarnih panela, kada se letelica izbaci u orbitu kada se solarni paneli preklope. Snaga solarnog polja je nula, a opterećenje se napaja pražnjenjem baterije. U ovom režimu stabilizaciju napona na sekundarnom namotu 20 transformatora 8 obezbeđuje uređaj za pražnjenje slično prvom režimu, koristeći povratnu spregu uređaja 18 sa uređajem za pražnjenje. Stabilizator 3, ekstremni regulator 6, punjač 5 su onemogućeni.

4. Zajedničko opterećenje solarnog panela i akumulatorske baterije.

Režim se formira kada nedostaje solarna baterija za napajanje svih priključenih potrošača, na primjer, kada su uključena vršna opterećenja, tokom manevara letjelice radi korekcije orbite, kada letjelica ulazi i izlazi iz sjenčanih dijelova orbite, itd.

U ovom načinu rada, stabilizator 3 aktivira se ekstremnim regulatorom 6 na signal uređaja za pražnjenje 4 u režim ekstremne kontrole snage solarne baterije 1, a snaga koja nedostaje za napajanje opterećenja dodaje se pražnjenjem baterije 2. Stabilizaciju napona na sekundarnom namotaju 20 transformatora 8 obezbeđuje uređaj za pražnjenje 4 pomoću povratne veze uređaja 18 sa bit uređajem 4.

Sistem napajanja radi potpuno automatski.

Predloženi sistem napajanja svemirske letjelice ima sljedeće prednosti u odnosu na poznate sisteme:

obezbeđuje na izlazu stabilne naponske vrednosti jednosmerne ili naizmenične struje neophodne za napajanje različitih opterećenja letelice, čime se proširuju njene mogućnosti upotrebe na letelicama različitih klasa ili pri nadogradnji postojećih uređaja;

veći kvalitet napona napajanja zbog smanjenja buke, tk. sabirnice za napajanje su galvanski (preko transformatora) izolovane od sabirnica izvora struje;

pruža visok stepen unifikacije sistema i mogućnost njegovog prilagođavanja promenljivim uslovima upotrebe na različitim tipovima letelica ili njihovim modifikacijama uz minimalne modifikacije u smislu snage uređaja, bez uticaja na osnovne komponente sistema (solarne i akumulacione). baterije, stabilizatori, uređaji za punjenje i pražnjenje),

omogućena je mogućnost samostalnog projektovanja i optimizacije izvora struje u smislu napona, izbor standardnih veličina baterija, jednostrukih solarnih akumulatorskih generatora itd.;

smanjuje vrijeme i troškove za razvoj i proizvodnju sistema napajanja.

Trenutno, JSC "ISS" im. M.F. Reshetnev, zajedno sa nizom povezanih preduzeća, razvija se predloženi sistem napajanja, proizvode se pojedinačne laboratorijske jedinice uređaja. Na prvim uzorcima mosnog pretvarača dobijena je efikasnost od 95-96,5%.

Od patentno-informacionih materijala poznatih podnosiocu prijave, nije pronađen nijedan skup karakteristika sličan skupu karakteristika predmetnog predmeta.

TVRDITI

Sistem za napajanje svemirske letjelice, koji se sastoji od solarne baterije povezane svojim plus i minus sabirnicama na stabilizator napona, baterije povezane svojim plus i minus sabirnicama na ulaz pražnjenja i izlaza punjača, ekstremnog regulatora snage solarne baterije spojen svojim ulazima na strujni senzor, instaliran u jednoj od sabirnica između solarne baterije i stabilizatora napona, pražnjenja i punjača baterija, a izlaz je sa stabilizatorom napona solarne baterije, karakteriziran time što stabilizator napona solarne baterije i uređaj za pražnjenje akumulatora izrađen je u obliku mosnih invertera sa zajedničkim transformatorom, pri čemu je ulaz punjača povezan sa izlaznim namotom transformatora, dok su ostali izlazni namotaji transformatora povezani na uređaje za napajanje opterećenja. sa sopstvenim ocenama izlaznog napona naizmenične ili jednosmerne struje, i jedan i 3 uređaja za napajanje su spojena na stabilizator solarne baterije i uređaj za pražnjenje baterije.

Autorsko pravo na sliku SPL

Svemirske misije koje traju nekoliko decenija - ili čak i duže - zahtevaće novu generaciju izvora napajanja. Pregledač je odlučio da otkrije koje opcije imaju dizajneri.

Sistem napajanja je vitalna komponenta svemirskog broda. Ovi sistemi moraju biti izuzetno pouzdani i dizajnirani za rad u teškim uslovima.

Moderni složeni uređaji zahtijevaju sve više energije - kakva je budućnost njihovih izvora napajanja?

Prosječan moderni pametni telefon jedva može izdržati jedan dan sa jednim punjenjem. A sonda Voyager, lansirana prije 38 godina, još uvijek emituje signale na Zemlju, pošto je već napustila Sunčev sistem.

Računari Voyager su sposobni za 81.000 operacija u sekundi - ali je procesor pametnog telefona sedam hiljada puta brži.

  • Ostali BBC Future članci na ruskom

Prilikom dizajniranja telefona, naravno, pretpostavlja se da će se redovno puniti i da je malo vjerovatno da će biti nekoliko miliona kilometara od najbliže utičnice.

Neće uspjeti napuniti bateriju svemirske letjelice, koja bi, prema planu, trebala biti sto miliona kilometara od izvora struje - potrebno je ili da može nositi baterije dovoljnog kapaciteta na brodu da bi radila decenijama, ili samostalno proizvodi električnu energiju.

Riješiti takav problem dizajna, pokazalo se, prilično je teško.

Neki uređaji na vozilu trebaju struju samo povremeno, ali drugi moraju stalno raditi.

Prijemnici i odašiljači moraju uvijek biti uključeni, a u letu s ljudskom posadom ili na svemirskoj stanici s posadom i sistemi za održavanje života i rasvjete.

Autorsko pravo na sliku NASA Naslov slike Motori Voyagera nisu najmoderniji, ali uspješno služe 38 godina.

Dr. Rao Surampudi vodi program energetske tehnologije u Laboratoriji za mlazni pogon na Kalifornijskom institutu za tehnologiju u Sjedinjenim Državama. Više od 30 godina razvija sisteme napajanja za razna NASA vozila.

Prema njegovim rečima, energetski sistem obično čini oko 30 odsto ukupne mase letelice. Rješava tri glavna zadatka:

  • proizvodnja energije
  • skladište električne energije
  • distribucija električne energije

Svi ovi dijelovi sistema su od vitalnog značaja za rad aparata. Trebali bi biti lagani, izdržljivi i imati visoku "energetsku gustinu" - to jest, generirati puno energije s prilično malom zapreminom.

Osim toga, moraju biti pouzdani, jer je vrlo nepraktično poslati osobu u svemir da popravi kvarove.

Sistem ne samo da mora da generiše dovoljno snage za sve potrebe, već i da to radi tokom čitavog leta – a može trajati decenijama, a u budućnosti, možda i vekovima.

"Procijenjeni vijek trajanja bi trebao biti dug - ako se nešto pokvari, neće imati ko da to popravi", kaže Surampudi. ispod 30 godina.

Autorsko pravo na sliku NASA Naslov slike NASA-ina misija skretanja asteroida koristit će novu vrstu solarne energije koja je efikasnija i izdržljivija od svojih prethodnika

Sistemi za napajanje svemirskih letjelica su u vrlo specifičnim uslovima - moraju ostati u funkciji u odsustvu gravitacije, u vakuumu, pod uticajem veoma intenzivnog zračenja (koje bi onesposobilo većinu konvencionalnih elektronskih uređaja) i ekstremnih temperatura.

"Ako sletite na Veneru, tada će biti 460 stepeni iznad palube", kaže stručnjak. "A kada sletite na Jupiter, temperatura će biti minus 150."

Vozila koja se kreću ka centru solarnog sistema nemaju nedostatak energije koju sakupljaju njihovi fotonaponski paneli.

Ovi paneli se izgledom ne razlikuju mnogo od solarnih panela koji se postavljaju na krovove stambenih zgrada, ali u isto vrijeme rade s mnogo većom efikasnošću.

U blizini Sunca je veoma vruće i fotonaponski paneli se mogu pregrijati. Da bi se to izbeglo, paneli su okrenuti od Sunca.

U planetarnoj orbiti, fotonaponski paneli su manje efikasni: generišu manje energije, jer su s vremena na vrijeme ograđeni od Sunca od strane same planete. U takvim situacijama potreban je pouzdan sistem za skladištenje energije.

Atomsko rješenje

Takav sistem se može izgraditi na bazi nikl-vodonikovih baterija koje mogu izdržati više od 50.000 ciklusa punjenja i raditi više od 15 godina.

Za razliku od konvencionalnih baterija, koje ne rade u svemiru, ove baterije su zapečaćene i mogu normalno funkcionirati u vakuumu.

Kako se udaljavate od Sunca, nivo sunčevog zračenja se prirodno smanjuje: za Zemlju je 1374 vata po kvadratnom metru, za Jupiter 50, a za Pluton samo jedan vat po kvadratnom metru.

Stoga, ako uređaj leti izvan orbite Jupitera, tada se na njemu koriste sistemi atomske energije.

Najčešći od njih je radioizotopni termoelektrični generator (RTG) koji se koristi na sondama Voyager i Cassini i na roveru Curiosity.

Autorsko pravo na sliku NASA Naslov slike Poboljšani Stirlingov generator radioizotopa se razmatra kao jedan od mogućih izvora energije za duge misije.

U ovim izvorima napajanja nema pokretnih dijelova. Oni stvaraju energiju raspadom radioaktivnih izotopa kao što je plutonijum. Njihov vijek trajanja prelazi 30 godina.

Ako se RTG ne može koristiti (na primjer, ako je potreban štit previše masivan za let za zaštitu posade od zračenja), a fotonaponski paneli nisu prikladni zbog prevelike udaljenosti od Sunca, tada se mogu koristiti gorivne ćelije.

Vodik-kiseoničke gorive ćelije su korištene u američkim svemirskim programima Gemini i Apollo. Takve ćelije se ne mogu napuniti, ali oslobađaju mnogo energije, a nusproizvod ovog procesa je voda koju posada može popiti.

NASA i Laboratorija za mlazni pogon rade na stvaranju snažnijih, energetski intenzivnijih i kompaktnijih sistema sa visokim radnim resursom.

Ali nove svemirske letjelice trebaju sve više i više energije: njihovi sistemi na brodu stalno postaju složeniji i troše mnogo električne energije.

Za duge letove može se koristiti nuklearno-električni pogon

Ovo posebno vrijedi za brodove koji koriste električni pogon - na primjer, jonski pogon, prvi put korišten na sondi Deep Space 1 1998. godine i od tada je postao široko prihvaćen.

Elektromotori obično rade električnim izbacivanjem pogonskog goriva velikom brzinom, ali postoje i oni koji ubrzavaju vozilo kroz elektrodinamičku interakciju sa magnetnim poljima planeta.

Većina zemaljskih energetskih sistema nije sposobna za rad u svemiru. Stoga, svako novo kolo prije nego što se instalira na svemirsku letjelicu prolazi kroz niz ozbiljnih testova.

NASA laboratorije ponovo stvaraju teške uslove u kojima će novi uređaj morati da funkcioniše: ozračen je zračenjem i podvrgnut ekstremnim temperaturnim promenama.

Do novih granica

Moguće je da će se poboljšani Stirlingovi generatori radioizotopa koristiti u budućim letovima. Oni rade na principu sličnom RTG-ovima, ali su mnogo efikasniji.

Osim toga, mogu se napraviti vrlo malim - iako to dodatno komplicira dizajn.

Također se prave nove baterije za NASA-in planirani let za Evropu, jedan od Jupiterovih mjeseca. Moći će da rade na temperaturama od -80 do -100 stepeni.

A nove litijum-jonske baterije na kojima dizajneri trenutno rade imaće duplo veći kapacitet od sadašnjih. Uz njihovu pomoć, astronauti mogu, na primjer, provesti dvostruko više vremena na površini Mjeseca prije nego što se vrate na brod da se napune.

Autorsko pravo na sliku SPL Naslov slike Za snabdijevanje energijom ovakvih naselja, najvjerovatnije će biti potrebne nove vrste goriva.

Dizajniraju se i novi solarni paneli koji bi mogli efikasno prikupljati energiju pri slabom svjetlu i niskim temperaturama – to će omogućiti uređajima na fotonaponskim panelima da lete dalje od Sunca.

U nekoj fazi, NASA namjerava uspostaviti stalnu bazu na Marsu - a možda i na udaljenijim planetama.

Energetski sistemi ovakvih naselja moraju biti mnogo moćniji od onih koji se danas koriste u svemiru i projektovani za mnogo duži rad.

Na Mjesecu ima puno helijuma-3 - ovaj izotop je rijedak na Zemlji i idealno je gorivo za termonuklearne elektrane. Međutim, još uvijek nije bilo moguće postići dovoljnu stabilnost termonuklearne fuzije da bi se ovaj izvor energije koristio u svemirskim letjelicama.

Osim toga, termonuklearni reaktori koji danas postoje zauzimaju prostor hangara za avione i u ovom obliku ih je nemoguće koristiti za svemirske letove.

Je li moguće koristiti konvencionalne nuklearne reaktore - posebno u vozilima s električnim pogonom i u planiranim misijama na Mjesec i Mars?

U tom slučaju kolonija neće morati održavati poseban izvor električne energije - brodski reaktor može imati ulogu.

Za duge letove može se koristiti nuklearno-električni pogon.

"Vozilo Asteroid Deflection Mission treba velike solarne ploče da ima dovoljno električne energije za manevrisanje oko asteroida", kaže Surampudi.

Međutim, malo je vjerovatno da ćemo uskoro vidjeti svemirske letjelice na nuklearni pogon.

"Ova tehnologija još nije dobro razvijena. Moramo biti potpuno sigurni u njenu sigurnost prije nego što lansiramo takav uređaj u svemir", objašnjava stručnjak.

Potrebna su dalja rigorozna ispitivanja kako bi se osiguralo da reaktor može izdržati teške svemirske letove.

Svi ovi energetski sistemi koji obećavaju omogućit će svemirskim letjelicama da traju duže i lete dalje - ali su još uvijek u ranoj fazi razvoja.

Kada se testovi uspješno završe, takvi sistemi će postati obavezna komponenta letova na Mars - i dalje.

  • Možete ga pročitati na web stranici.

Uvod

napajanje solarne baterije prostor

Trenutno je jedan od prioriteta strateškog razvoja naučno-tehničkog potencijala republike stvaranje svemirske industrije. U tom cilju u Kazahstanu je 2007. godine osnovana Nacionalna svemirska agencija (Kazkosmos), čije su aktivnosti prvenstveno usmjerene na razvoj i implementaciju ciljanih svemirskih tehnologija i razvoj svemirske nauke u interesu društveno-ekonomskog razvoja zemlje.

Naučna istraživanja svemira u Kazkosmosu se sprovode uglavnom u JSC "Nacionalnom centru za svemirska istraživanja i tehnologiju" (JSC "NCKIT"), koji uključuje četiri istraživačka instituta: Astrofizički institut. V.G. Fesenkov, Institut za jonosferu, Institut za svemirska istraživanja, Institut za svemirsko inženjerstvo i tehnologiju. AD "NTsKIT" ima veliku eksperimentalnu bazu: flotu savremene merne opreme, poligone, opservatorije, istraživačke centre za fundamentalna i primenjena naučna istraživanja u oblasti svemirske delatnosti prema odobrenim prioritetima.

Akcionarsko društvo „Nacionalni centar za svemirska istraživanja i tehnologije“ AD „NTSKIT“ organizovano je reorganizacijom Republičkog državnog preduzeća na pravu privrednog upravljanja „Centar za astrofizička istraživanja“ i njegovih zavisnih preduzeća na osnovu Uredbe Vlade Republike Srbije. Republike Kazahstan br. 38 od 22.01.2008.

Osnovni predmet delatnosti AD je sprovođenje istraživačkih, razvojnih i proizvodno-privrednih delatnosti u oblasti svemirskih istraživanja i tehnologije.

Jedan od najvažnijih sistema na brodu svake letjelice, koji prvenstveno određuje njegove karakteristike performansi, pouzdanost, vijek trajanja i ekonomsku efikasnost, je sistem napajanja. Stoga su problemi razvoja, istraživanja i stvaranja sistema 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, komunikacioni sistemi, instrumentalni kompleks, grijanje itd.).

Generalno, sistem za napajanje generiše energiju, transformiše je i reguliše, skladišti je za periode najveće potražnje ili rada u hladu, a takođe je distribuira po svemirskoj letelici. Podsistem napajanja takođe može da konvertuje i reguliše napon, ili da obezbedi niz nivoa napona. Često uključuje i isključuje opremu i, radi veće pouzdanosti, štiti od kratkih spojeva i izoluje kvarove. Dizajn podsistema zavisi od kosmičkog zračenja, koje uzrokuje degradaciju solarnih panela. Vijek trajanja kemijske baterije često ograničava vijek trajanja svemirske letjelice.

Aktualni problemi su proučavanje karakteristika funkcionisanja izvora električne energije za svemirske svrhe. Proučavanje i istraživanje svemira zahtijeva razvoj i stvaranje svemirskih letjelica za različite namjene. Bespilotna svemirska vozila trenutno se najviše koriste za formiranje globalnog komunikacionog sistema, televizije, navigacije i geodezije, prenos informacija, proučavanje vremenskih uslova i prirodnih resursa Zemlje, kao i istraživanje dubokog svemira. Za njihovu izradu potrebno je ispuniti vrlo stroge zahtjeve za tačnost orijentacije aparata u prostoru i korekciju orbitalnih parametara, a to zahtijeva povećanje napajanja svemirskih letjelica.

1. Opšte informacije o AD "NCKIT"

Izvođenje istraživačko-razvojnih radova na izradi hardvera i softvera za sisteme za korekciju diferencijala i potrošačku navigacionu opremu.

Objektno orijentirano modeliranje i razvoj softvera i hardvera za veliki sistem 3D modeliranja korištenjem tehnologija satelitske navigacije i laserskog rangiranja.

Razvoj inženjerskih modela kompleksa naučne opreme za merenja na brodu i akumulacija ciljanih naučnih informacija i softvera za njihov rad.

Kreiranje naučne, metodološke i softverske podrške za rešavanje problema kompleksne analize i predviđanja razvoja svemirske tehnologije u Republici Kazahstan.

Izrada softverske i matematičke podrške i simulacijskih modela svemirskih vozila i podsistema.

Izrada eksperimentalnih uzoraka uređaja, opreme, čvorova i podsistema mikrosatelita.

Stvaranje naučne i metodološke podrške i regulatorno-tehničke baze za rješavanje problema tehničke regulative.

Uređenje zahtjeva za razvoj, projektovanje, kreiranje, rad svemirske tehnologije, osiguranje njene sigurnosti, ocjenjivanje i potvrđivanje usklađenosti.

Prema Vladinoj Uredbi br. 38 od 22. januara 2008. „O reorganizaciji Republičkog državnog preduzeća „Centar za astrofizička istraživanja“ Nacionalne svemirske agencije Republike Kazahstan i njenih podružnica, Republičkog državnog preduzeća „Centar za astrofizička istraživanja Istraživanje" i njegove podružnice "Institut za jonosferu", "Astrofizički institut. V.G. Fesenkov“, „Institut za svemirska istraživanja“ reorganizovani su spajanjem i transformacijom u akcionarsko društvo „Nacionalni centar za svemirska istraživanja i tehnologiju“ sa učešćem države u potpunom vlasništvu u osnovnom kapitalu.

Potvrda o državnoj registraciji JSC "NCKIT" - br. 93168-1910-AO, identifikacioni broj 080740009161, od 16. jula 2008. godine, registrovana u Odeljenju za pravosuđe Almati Ministarstva pravde Republike Kazahstan

.2 Opće karakteristike organizacije

Akcionarsko društvo "Nacionalni centar za svemirska istraživanja i tehnologiju" registrovano je 16.07.2008.

U periodu od 2004. do 15.07.2008. JSC NCKIT je pravno bilo Republičko državno preduzeće "Centar za astrofizička istraživanja" (na pravu ekonomskog upravljanja), koje je osnovano u skladu sa Uredbom Vlade Republike Kazahstan od marta 5, 2004. br. 280 „Pitanja o nekim republičkim državnim preduzećima Ministarstva obrazovanja i nauke Republike Kazahstan“. RSE je nastala na osnovu reorganizacije i spajanja republičkih državnih preduzeća „Institut za svemirska istraživanja“, „Institut za jonosferu“ i „Astrofizički institut po imenu V.G. Fesenkov, koji je dobio pravni status podružnica državnih preduzeća.

Uredbom Vlade Republike Kazahstan od 29. maja 2007. br. 438 “Pitanja Nacionalne svemirske agencije”, RSE “Centar za astrofizička istraživanja” (o pravu ekonomskog upravljanja) prebačen je u nadležnost Nacionalnog Svemirska agencija Republike Kazahstan.

Institut za svemirska istraživanja Akademije nauka Kazahstanske SSR organizovan je u skladu sa Uredbom Kabineta ministara Kazahstanske SSR br. 470 od 12. avgusta 1991. godine. Osnivač i prvi direktor Instituta - laureat Državne nagrade SSSR-a, nosilac ordena Lenjina, Crvene zastave rada, "Parasat", akademik Nacionalne akademije nauka Republike Kazahstan Sultangazin Umirzak Makhmutovich (1936 - 2005). U januaru 2011. Institut je dobio ime po akademiku U.M. Sultangazin.

Predmet rada Instituta bilo je izvođenje fundamentalnih i primijenjenih istraživanja u okviru državnih, industrijskih, međunarodnih programa i projekata, kao i izvođenje radova na grantovima domaćih i stranih fondova u oblasti daljinskog otkrivanja Zemlje. (ERS), praćenje svemira, geoinformacijsko modeliranje, nauka o svemirskim materijalima.

Institut za svemirska istraživanja, kao matična organizacija, koordinirao je istraživanja instituta Nacionalne akademije nauka Republike Kazahstan i drugih resornih organizacija u razvoju i implementaciji sva četiri kazahstanska programa naučnih istraživanja i eksperimenata na brodu Mir orbitalni kompleks uz učešće kosmonauta Aubakirova T.O. (1991) i uz učešće kosmonauta Musabajeva T.A. - (1994, 1998), na brodu Međunarodne svemirske stanice - uz učešće kosmonauta Musabayeva T.A. (2001).

Institut za svemirska istraživanja nazvan po akademiku U.M. Sultangazina je bila dio NCKIT dd kao posebno pravno lice u statusu supsidijarnog društva sa ograničenom odgovornošću.

Od 2014Institut i administrativni aparat AD „NCKIT“ spojeni su u jedinstvenu strukturu uz očuvanje kadrova i oblasti istraživanja.

1.3 Aktivnosti NCKIT dd

Koordinacija, podrška i realizacija istraživačkih aktivnosti. Fundamentalna i primijenjena svemirska istraživanja

Formiranje glavnih pravaca i planova naučnog istraživanja, dostavljanje završenih naučnih istraživanja Nacionalnoj svemirskoj agenciji Republike Kazahstan;

Dostavljanje Nacionalnoj svemirskoj agenciji Republike Kazahstan zaključaka i preporuka na osnovu godišnjih izvještaja naučnih organizacija o naučnim i naučnim i tehničkim aktivnostima;

Podrška i realizacija eksperimentalnih projektantskih i proizvodno-privrednih aktivnosti

Kreiranje geografskih informacionih sistema zasnovanih na metodama vazdušnog istraživanja;

Prijem, obrada, distribucija, ekvivalentna razmjena i prodaja podataka daljinske detekcije zemlje iz svemira;

Razvoj i rad svemirskih objekata različite namjene, svemirskih komunikacionih sistema, navigacije i daljinske detekcije;

Pružanje inženjerskih i konsultantskih usluga

Provođenje marketing istraživanja

Implementacija inovativnih aktivnosti

Informisanje o aktivnostima Nacionalne svemirske agencije - Republika Kazahstan i promocija dostignuća nauke

Sprovođenje propagande dostignuća nauke i svemirskih tehnologija, organizacija. Održavanje međunarodnih i republičkih kongresa, sesija, konferencija, seminara, sastanaka, izložbi; objavljivanje naučnih časopisa, radova i informisanje o aktivnostima Nacionalne svemirske agencije Republike Kazahstan

Obuka visokokvalifikovanog naučnog kadra. Zaštita intelektualne svojine

Izrada pravne dokumentacije

Sastav osoblja

Ukupno - 450 kvalifikovanih stručnjaka i naučnika.

Među njima - 27 doktora nauka, 73 kandidata nauka, 2 akademika, 2 dopisna člana i 3 doktora nauka.

Struktura centra

Odjel za daljinsko ispitivanje Zemlje

Glavna područja istraživanja:

Razvoj tehnologija za prijem, arhiviranje, obradu i prikaz podataka daljinske detekcije. Sprovođenje fundamentalnih i primenjenih naučnih istraživanja u oblasti proučavanja spektralnih karakteristika objekata na zemljinoj površini, prostornog monitoringa poljoprivrednog zemljišta i životne sredine, vanrednih situacija (poplave, poplave, požari), tematske interpretacije satelitskih podataka različitih spektralnih, prostornih i vremenske rezolucije zasnovane na analizi dugoročnih serija podataka Daljinska detekcija i stanje zemljine površine.

Sprovođenje pod-satelitskog istraživanja. Stvaranje sektorskih i regionalnih situacionih centara za prostorno praćenje vanrednih situacija.

Katedra za geoinformaciono modeliranje

Razvoj numeričkih modela za prenos kratkotalasnog i toplotnog zračenja u atmosferi za korekciju satelitskih snimaka i proračune fizičkih parametara atmosfere na osnovu satelitskih informacija.

Izrada geoinformacionih modela „analize rizika“ za određivanje stepena uticaja prirodnih i veštačkih faktora na razvoj vanrednih situacija na magistralnim cjevovodima.

Kreiranje automatizovanih metoda i tehnologija za digitalnu fotogrametriju, metoda i računskih algoritama za interferometrijsku analizu podataka daljinske detekcije.

Katedra za nauku o svemirskim materijalima i inženjerstvo instrumenata

Kreiranje tehnologija za proizvodnju konstrukcijskih i funkcionalnih materijala za vazduhoplovnu namjenu, kao i proizvoda od njih.

Razvoj kvalitativnih, analitičkih i numeričkih metoda za proučavanje nestacionarnih problema dinamike vještačkih i prirodnih nebeskih tijela.

Razvoj novih matematičkih modela i metoda za osiguranje programskog kretanja svemirskih letjelica.

Odeljenje za informativnu i obrazovnu podršku (Astana)

Organizacija usavršavanja i prekvalifikacije stručnjaka za svemirsku industriju u Kazahstanu.

Centar za prijem informacija o svemiru (Almaty) i Naučno-obrazovni centar za praćenje svemira kolektivne upotrebe (Astana)

Redovni prijem, arhiviranje i obrada podataka svemirskih snimaka sa svemirskih letjelica Aqua/MODIS, Terra/MODIS, SuomiNPP (SAD).

Postoji međunarodni certifikat.

DTOO "II" (Institut za jonosferu)

Predmet aktivnostiDTOO „Institut za jonosferu“ sprovodi fundamentalna, istraživačka i primenjena istraživanja u oblasti solarno-terestričke fizike i geodinamike: jonosfere i geomagnetnog polja, svemirskog vremena, radijacijskog monitoringa svemira blizu Zemlje, geodinamičke i geofizičke geodinamike zemaljskog prostora. praćenje zemljine kore Kazahstana, stvaranje sistema prognoze mineralnih naslaga, geodezija i kartografija.

DTOO "AFIF" (Astrofizički institut po Fesenkovu)

DTOO "IKTT" (Institut za svemirsku tehniku ​​i tehnologiju)

Supsidijarno društvo sa ograničenom odgovornošću "Institut za svemirsko inženjerstvo i tehnologiju"(u daljem tekstu - DTOO "Institut za svemirsko inženjerstvo i tehnologiju") osnovan je naredbom Nacionalne svemirske agencije Republike Kazahstan br. 65 / OD od 17. avgusta 2009. godine.

DTOO "Institut za svemirsku tehniku ​​i tehnologiju" registrovan je 23.12.2009. Jedini osnivač LTOO "Institut za svemirsko inženjerstvo i tehnologiju" je Akcionarsko društvo "Nacionalni centar za svemirska istraživanja i tehnologiju".

2. Opšte informacije o napajanju svemirskih letjelica

Geometrija, dizajn, masa i aktivni životni vijek svemirske letjelice u velikoj mjeri su određeni sistemom napajanja svemirske letjelice. Sistem napajanja, ili na drugi način nazvan sistem napajanja (PSS) svemirskih letelica - sistem letelice koji obezbeđuje napajanje drugim sistemima, jedan je od najvažnijih sistema. Kvar sistema napajanja dovodi do kvara čitavog aparata.

Sistem napajanja obično uključuje: primarni i sekundarni izvor električne energije, pretvarače, punjače i automatizaciju upravljanja.

Primarni izvori energije

Kao primarni izvori koriste se različiti generatori energije:

solarni paneli;

hemijski izvori struje:

akumulatori;

galvanski elementi;

gorivne ćelije;

radioizotopni izvori energije;

nuklearnih reaktora.

Sastav primarnog izvora uključuje ne samo stvarni generator električne energije, već i sisteme koji ga opslužuju, na primjer, sistem za orijentaciju solarnog niza.

Izvori energije često kombinuju, na primer, solarnu bateriju sa hemijskom baterijom.

gorivne ćelije

Gorivne ćelije imaju velike karakteristike težine i veličine i gustinu snage u poređenju sa parom solarnih baterija i hemijskom baterijom, otporne su na preopterećenja, imaju stabilan napon i nečujne su. Međutim, zahtijevaju opskrbu gorivom, pa se koriste na vozilima s periodom boravka u svemiru od nekoliko dana do 1-2 mjeseca.

Uglavnom se koriste vodoničko-kiseoničke gorivne ćelije, jer vodik daje najveću kalorijsku vrijednost, a osim toga, voda nastala kao rezultat reakcije može se koristiti na svemirskim letjelicama s ljudskom posadom. Da bi se osigurao normalan rad gorivih ćelija, potrebno je osigurati uklanjanje vode i topline nastale kao rezultat reakcije. Drugi ograničavajući faktor je relativno visoka cijena tekućeg vodika i kisika, složenost njihovog skladištenja.

Radioizotopski izvori energije

Radioizotopski izvori energije se uglavnom koriste u sljedećim slučajevima:

veliko trajanje leta;

misije u vanjske regije Sunčevog sistema, gdje je fluks sunčevog zračenja nizak;

izviđački sateliti sa radarom bočnog skeniranja zbog niskih orbita ne mogu koristiti solarne panele, ali imaju veliku potražnju za energijom.

Automatizacija sistema napajanja

Uključuje uređaje za kontrolu rada elektrane, kao i praćenje njenih parametara. Tipični zadaci su: održavanje unutar navedenih raspona parametara sistema: napon, temperatura, pritisak, prebacivanje načina rada, na primjer, prelazak na rezervni izvor napajanja; prepoznavanje kvarova, hitna zaštita izvora napajanja posebno strujom; izdavanje informacija o stanju sistema za telemetriju i na kosmonautsku konzolu. U nekim slučajevima moguće je prebaciti sa automatske na ručnu kontrolu bilo sa kosmonautske konzole ili komandama iz zemaljskog kontrolnog centra.

.1 Princip rada i uređaj solarnih baterija

Uređaj solarne baterije baziran je na generatorima napona sačinjenim od solarnih ćelija - uređaja za direktnu konverziju sunčeve svjetlosne energije u električnu energiju. Rad solarne ćelije zasniva se na unutrašnjem fotoelektričnom efektu, tj. na pojavu EMF-a pod dejstvom sunčeve svetlosti.

Poluprovodnički fotonaponski pretvarač (PVC) je uređaj koji direktno pretvara energiju sunčevog zračenja u električnu energiju. Princip rada solarnih ćelija zasniva se na interakciji sunčeve svjetlosti sa poluvodičkim kristalom, pri čemu fotoni oslobađaju elektrone u kristalu - nosioce električnog naboja. Područja s jakim električnim poljem posebno stvorenim djelovanjem takozvanog p-n spoja zarobljavaju oslobođene elektrone i razdvajaju ih na način da se u strujnom krugu pojave struja i, prema tome, električna energija.

Pogledajmo sada ovaj proces detaljnije, iako uz značajna pojednostavljenja. Počinjemo razmatranjem apsorpcije svjetlosti u metalima i čistim poluvodičima. Kada tok fotona udari u metalnu površinu, dio fotona se reflektira, a ostatak apsorbira metal. Energija drugog dijela fotona povećava amplitudu oscilacija rešetke i brzinu haotičnog kretanja slobodnih elektrona. Ako je energija fotona prilično velika, tada može biti dovoljno da se elektron izbije iz metala, dajući mu energiju jednaku ili veću od radne funkcije datog metala. Ovo je vanjski fotoelektrični efekat. Pri nižoj energiji fotona, njegova energija na kraju ide u potpunosti za zagrijavanje metala.

Drugačija slika se uočava kada tok fotona djeluje na poluvodiče. Za razliku od metala, kristalni poluprovodnici u svom čistom obliku (bez nečistoća), ako na njih ne utiču nikakvi spoljni faktori (temperatura, električno polje, svetlosno zračenje, itd.), nemaju slobodne elektrone odvojene od atoma kristalne rešetke poluvodiča.

Rice. 2.1 - Apsorpcija svjetlosti u metalima i poluprovodnicima: 1 - popunjena (valentna) zona, 2 - pojas, 3 - pojas provodljivosti, 4 - elektron

Međutim, budući da je poluvodički materijal uvijek na određenoj temperaturi (obično sobnoj temperaturi), mali dio elektrona može steći dovoljno energije kroz termalne vibracije da ih odvoji od njihovih atoma. Takvi elektroni postaju slobodni i mogu sudjelovati u prijenosu električne energije.

Atom poluvodiča koji je izgubio elektron dobija pozitivan naboj jednak naboju elektrona. Međutim, mjesto atoma koje nije zauzeto elektronom može biti zauzeto elektronom susjednog atoma. U tom slučaju, prvi atom postaje neutralan, a susjedni postaje pozitivno nabijen. Mjesto oslobođeno u vezi s formiranjem slobodnog elektrona u atomu je ekvivalentno pozitivno nabijenoj čestici koja se naziva rupa.

Energija koju posjeduje elektron u stanju vezanom za atom nalazi se unutar ispunjenog (valentnog) pojasa. Energija slobodnog elektrona je relativno visoka i nalazi se u višoj energetskoj zoni - provodnoj zoni. Između njih postoji praznina, tj. zona takvih energetskih vrijednosti koje elektroni datog poluvodičkog materijala ne mogu imati ni u vezanom ni u slobodnom stanju. Zapon pojasa za većinu poluprovodnika je u rasponu od 0,1 - 1,5 eV. Za pojaseve veće od 2,0 eV imamo posla sa dielektricima.

Ako je energija fotona jednaka ili prelazi pojas pojasa, tada se jedan od elektrona odvaja od svog atoma i prenosi iz valentnog pojasa u pojas provodljivosti.

Povećanje koncentracije elektrona i rupa dovodi do povećanja vodljivosti poluvodiča. Provodljivost struje koja nastaje pod uticajem spoljašnjih faktora u čistom monokristalnom poluprovodniku naziva se unutrašnja provodljivost. Sa nestankom vanjskih utjecaja, slobodni parovi elektron-rupa se rekombinuju jedni s drugima i intrinzična provodljivost poluvodiča teži nuli. Ne postoje idealno čisti poluprovodnici koji bi posjedovali samo intrinzičnu provodljivost. Tipično, poluvodič ima elektronsku (n-tip) ili otvor (p-tip) provodljivost.

Vrsta provodljivosti određena je valentnošću atoma poluvodiča i valentnošću atoma aktivne nečistoće ugrađenih u njegovu kristalnu rešetku. Na primjer, za silicijum (Grupa IV periodnog sistema Mendeljejeva), aktivne nečistoće su bor, aluminijum, galijum, indijum, talijum (grupa III) ili fosfor, arsen, antimon, bizmut (grupa V). Kristalna rešetka silicija ima oblik u kojem je svaki atom silicija koji se nalazi na mjestu rešetke povezan s četiri druga najbliža atoma silicija takozvanim kovalentnim vezama ili vezama par elektrona.

Elementi grupe V (donori) ugrađeni u mjesta kristalne rešetke silicija imaju kovalentne veze četiri svoja elektrona sa četiri elektrona susjednih atoma silicija, a peti elektron se može lako osloboditi. Elementi III grupe (akceptori) ugrađeni u silicijumske kristalne rešetke privlače elektron iz jednog od susednih atoma silicijuma da formiraju četiri kovalentne veze, formirajući tako rupu. Ovaj atom, zauzvrat, može privući elektron iz jednog od svojih susjednih atoma silicija, i tako dalje.

FEP je poluvodička fotoćelija sa slojem barijere (ventila), čiji se rad zasniva na upravo razmatranom fotoelektričnom efektu. Dakle, mehanizam FEP je sljedeći (slika 2.2).

FEP kristal se sastoji od p- i n-oblasti sa provodljivošću rupa i elektrona, respektivno. Između ovih područja formira se p-n spoj (barijerni sloj). Debljina mu je 10-4 - 10-6 cm.

Budući da na jednoj strani p-n spoja ima više elektrona, a na drugoj više rupa, svaki od ovih slobodnih nosilaca struje će težiti da difundira u onaj dio solarne ćelije gdje ih nema dovoljno. Kao rezultat, uspostavlja se dinamička ravnoteža naboja na p-n spoju u mraku i formiraju se dva sloja prostornih naboja, pri čemu se negativni naboji formiraju na strani p-područja i pozitivni na strani n-područja. .

Uspostavljena potencijalna barijera (ili kontaktna razlika potencijala) će spriječiti dalju samodifuziju elektrona i rupa kroz p-n spoj. Kontaktna razlika potencijala Uk usmjerena je iz n-područja u p-područje. Prijelaz elektrona iz n-područja u p-područje zahtijeva utrošak rada Uk · e, koji se pretvara u potencijalnu energiju elektrona.

Iz tog razloga, svi nivoi energije u p-području su podignuti u odnosu na energetske nivoe n-područja za vrijednost potencijalne barijere Uk · e. Na slici, kretanje nagore duž ordinatne ose odgovara porastu u energiji elektrona i smanjenju energije rupa.

Rice. 2.2 - Princip rada solarne ćelije (tačke označavaju elektrone, krugovi - rupe)

Dakle, potencijalna barijera je prepreka za većinske nosioce (u smjeru naprijed), a za manjinske nosioce (u obrnutom smjeru) ne predstavlja nikakav otpor.

Pod dejstvom sunčeve svetlosti (fotoni određene energije) atomi poluprovodnika će se pobuditi, a u kristalu će se pojaviti dodatni (višak) parovi elektron-rupa i u p- i n-području (slika 2.2, b ). Prisutnost potencijalne barijere u p-n spoju uzrokuje odvajanje dodatnih manjinskih nosilaca (naboja) tako da će se višak elektrona akumulirati u n-području, a višak rupa će se akumulirati u p-području, koji nije imao vremena da se rekombinuje prije nego što su se približili p-n spoju. U ovom slučaju doći će do djelomične kompenzacije prostornog naboja na p - n-spoju i povećanja električnog polja koje oni stvaraju, usmjerenog protiv kontaktne potencijalne razlike, što zajedno dovodi do smanjenja potencijalne barijere.

Kao rezultat, između elektroda će se uspostaviti razlika potencijala U f , što je u suštini foto-emf. Ako je vanjsko električno opterećenje uključeno u FEP krug, tada će u njemu teći električna struja - tok elektrona iz n-područja u p-područje, gdje se rekombiniraju s rupama. Volt-amper i volt-snaga karakteristike solarne ćelije prikazane su na slici 2.3, iz koje je očito da je za uklanjanje maksimalne električne energije iz solarne ćelije potrebno osigurati njen rad u prilično uskom rasponu izlaznih napona (0,35 - 0,45 V).

Težina 1 m 2SB 6 ... 10 kg, od čega 40% otpada na masu solarne ćelije. Od fotoćelija, čija prosječna veličina nije veća od 20 mm, serijskim povezivanjem prikupljaju se generatori napona do potrebne vrijednosti napona, na primjer, pri nazivnoj vrijednosti od 27 V.

Rice. 2.3 - Ovisnost napona i specifične snage o gustoći struje solarne ćelije

Generatori napona, ukupne dimenzije približno 100 x 150 mm, montiraju se na SB panele i spajaju u seriju da bi se dobila potrebna snaga na PDS izlazu.

Pored silicijumskih solarnih ćelija, koje se i dalje koriste u većini solarnih CEU-a, najveći interes su solarne ćelije na bazi galij arsenida i kadmijum sulfida. Imaju višu radnu temperaturu od silicijumskih solarnih ćelija (štaviše, solarne ćelije na bazi galijum arsenida imaju veću teoretsku i praktično postignutu efikasnost). Treba napomenuti da kako se širi pojas poluprovodnika povećava napon otvorenog kola i teorijska efikasnost solarne ćelije zasnovane na njemu. Međutim, s pojasom pojasa većim od 1,5 eV, efikasnost solarne ćelije počinje opadati, jer sve veći broj fotona ne može formirati par elektron-rupa. Dakle, postoji optimalni pojas (1,4 - 1,5 eV), pri kojem efikasnost solarne ćelije dostiže maksimalnu moguću vrijednost.

3. Elektrohemijske svemirske elektrane

Elektrohemijski izvor struje (ECS) je osnova svakog elektrohemijskog CEU. Uključuje elektrode, koje su obično aktivne tvari, elektrolit, separator i vanjsku strukturu (posudu). Vodeni rastvor KOH alkalija se obično koristi kao elektrolit za ECHIT koji se koristi na svemirskim letelicama.

Razmotrimo pojednostavljenu shemu i dizajn srebrno-cink EKhIT (slika 3.1). Pozitivna elektroda je žičano mrežasti strujni kolektor, na koji se presuje metalno srebro u prahu, a zatim sinteruje u peći na temperaturi od oko 400°C, što elektrodi daje potrebnu čvrstoću i poroznost. Negativna elektroda je takođe masa pritisnuta na mrežu kolektora struje, koja se sastoji od cink oksida (70 - 75%) i cinkove prašine (25 - 30%).

Na negativnoj elektrodi (Zn), oksidacijsko sredstvo aktivne tvari reagira na cink hidroksid Zn(OH) 2, a na pozitivnom (AgO) - reakcija redukcije aktivne tvari u čisto srebro. Električna energija se prenosi u vanjsko kolo u obliku struje elektrona. U elektrolitu se električni krug zatvara protokom jona OHˉ s pozitivne elektrode na negativnu. Separator je prije svega neophodan kako bi se spriječio kontakt (a time i kratki spoj) elektroda. Osim toga, smanjuje samopražnjenje EHIT-a i od suštinskog je značaja za osiguranje njegovog reverzibilnog rada tokom mnogih ciklusa punjenja-pražnjenja.

Rice. 3.1 Princip rada srebrno-cink ECHIT:

Pozitivna elektroda (AgO), 2 - električno opterećenje,

Negativna elektroda (Zn), 4 - posuda, 5 - separator

Potonje je zbog činjenice da se pri nedovoljnom odvajanju koloidne otopine srebrnih oksida koje dospijevaju do negativne elektrode katodno redukuju u obliku najtanjih srebrnih niti usmjerenih prema pozitivnoj elektrodi, a ioni cinka se također redukuju u obliku niti koje rastu. prema anodi. Sve to može dovesti do kratkog spoja elektroda već u prvim ciklusima rada.

Najprikladniji separator (separator) za srebro-cink ECHIT je film od hidratizirane celuloze (celofana), koji bubrenjem u elektrolitu zgušnjava sklop, čime se sprječava potonuće cink elektroda, kao i klijanje srebra i cinka. igličasti kristali (dendriti). Srebrno-cink EHIT posuda je obično napravljena od plastike (poliamidna smola ili polistiren) i ima pravokutni oblik. Za druge vrste EHIT-a, posude se mogu napraviti, na primjer, od niklovanog željeza. Prilikom punjenja ECHIT-a, cink i srebrni oksid su smanjeni na elektrodama.

Dakle, pražnjenje ECHIT-a je proces davanja električne energije vanjskom kolu, a punjenje ECHIT-a je proces prenošenja električne energije na njega izvana kako bi se obnovile izvorne tvari iz produkta reakcije. Prema prirodi posla, EHIT se dijele na galvanske ćelije (primarni izvori struje), koji omogućavaju samo jednokratnu upotrebu aktivnih tvari, i električne baterije (sekundarni izvori struje), koje omogućavaju višekratnu upotrebu aktivnih tvari zbog mogućnost njihovog oporavka punjenjem iz vanjskog izvora električne energije.

U CEU baziranom na ECHIT-u koriste se električne baterije sa načinima pražnjenja za jednokratnu ili višekratnu upotrebu, kao i vodonik-kiseoničke gorivne ćelije.

3.1 Hemijski izvori struje

Elektromotorna sila (EMF) hemijskih izvora je razlika njegovih elektrodnih potencijala s otvorenim vanjskim krugom:

Gdje I - potencijali pozitivne i negativne elektrode.

Ukupni unutrašnji otpor R hemijskog izvora (otpor konstantnoj struji) sastoji se od omskog otpora i polarizacioni otpor :

Gdje - EMF polarizacije; - struja pražnjenja.

Polarizacijski otpor zbog promjena u elektrodnim potencijalima I tokom protoka struje i zavisi od stepena naelektrisanja, jačine struje pražnjenja, sastava elektroda i čistoće elektrolita.


;

,

Gdje I I

.

Kapacitet pražnjenja Q (A h) hemijskog izvora je količina električne energije koju izvor daje tokom pražnjenja pri određenoj temperaturi elektrolita, ambijentalnom pritisku, jačini struje pražnjenja i konačnom naponu pražnjenja:

,

iu opštem slučaju, pri konstantnoj struji tokom pražnjenja

Gdje - trenutna vrijednost struje pražnjenja, A; - vrijeme pražnjenja, h


,

Gdje I


.

Srebro-cink, kadmijum-nikl i nikl-vodonik akumulatori se smatraju hemijskim izvorima struje.

3.2 Srebrno-cink baterije

Srebrno-cink baterije, zbog svoje manje mase i zapremine sa istim kapacitetom i manjim unutrašnjim otporom pri datom naponu, postale su rasprostranjene u svemirskoj elektroopremi. Aktivna tvar pozitivne elektrode baterije je srebrni oksid AgO, a negativna ploča je metalni cink. Kao elektrolit koristi se vodeni rastvor KOH alkalije gustine 1,46 g/cm. 3.

Baterija se puni i prazni u dva koraka. Za vrijeme pražnjenja u oba stupnja, reakcija oksidacije cinka se odvija na negativnoj elektrodi

2OHˉ pražnjenje → ZnO + H 2O+2e.

Na pozitivnoj elektrodi, reakcija redukcije srebra se odvija u dva koraka. U prvoj fazi, dvovalentni srebrni oksid se redukuje u monovalentni:

2AgO + 2e + H 2O pražnjenje → Ag 2O + 2OH ˉ.

U ovom slučaju, emf baterije je jednak 1,82 .. 1,86 V. U drugoj fazi, kada se baterija isprazni za oko 30%, monovalentni srebrni oksid se redukuje u metalno srebro:

2O+2e+H 2O pražnjenje → 2Ag + 2OH ˉ.

EMF baterije u trenutku prelaska iz prve faze pražnjenja u drugu opada na 1,52 .. 1,56 V. Kao rezultat, krivulja 2 promjene EMF-a tokom pražnjenja sa nazivnom strujom (slika 3.2). ) ima karakterističan skok. Daljnjim pražnjenjem, EMF baterije ostaje konstantan sve dok se baterija potpuno ne isprazni. Kada se napuni, reakcija se odvija u dva koraka. Do porasta napona i emf dolazi kada je baterija približno 30% napunjena (kriva 1).U ovom stanju, površina elektrode je obložena dvovalentnim srebrnim oksidom.

Rice. 3.2 - EMF baterije tokom punjenja (1) i pražnjenja (2)

Na kraju punjenja, kada se oksidacija srebra iz monovalentnog u dvovalentno zaustavi u cijeloj debljini elektrode, počinje razvijanje kisika prema jednadžbi

OHˉ pražnjenje → 2H 2O+4e+O 2

U ovom slučaju, emf baterije se povećava za 0,2 ... 0,3 V (vidi sliku 5.1, tačkasti dio na krivulji 1). Kiseonik koji se oslobađa prilikom punjenja ubrzava proces uništavanja celofanskih parametara baterije i nastanak unutrašnjih kratkih spojeva.

Tokom procesa punjenja, sav cink oksid se može reducirati u metalni cink. Prilikom ponovnog punjenja obnavlja se cink oksid elektrolita, koji se nalazi u porama elektrode, a zatim u separatorima negativnih ploča, čiju ulogu ima nekoliko slojeva celofanskog filma. Cink se oslobađa u obliku kristala koji rastu prema pozitivnoj elektrodi, formirajući cink dendrit. Takvi kristali mogu probiti celofanske filmove i uzrokovati kratke spojeve elektroda. Cinkovi dendriti ne ulaze u obrnute reakcije. Stoga su čak i kratkotrajna punjenja opasna.

3.3 Nikl-kadmijum baterije

Aktivna tvar negativne elektrode u kadmijum-nikl bateriji je metalni kadmijum. Elektrolit u bateriji je vodena otopina kaustičnog kalija KOH gustine 1,18 ... 1,40 g / cm 3.

Nikl-kadmijum baterija koristi redoks reakciju između kadmijuma i nikl hidroksida:

2Ni(OH) 3→ Cd(OH) 2+ 2Ni(OH) 2

Pojednostavljeno, hemijska reakcija na elektrodama može se napisati na sledeći način. Na negativnoj elektrodi tokom pražnjenja, kadmijum se oksidira:

2e→cd ++

Kadmijum joni se vežu sa jonima alkalnog hidroksida da bi formirali kadmijum hidrat:

2e + 2OH pražnjenje → Cd(OH) 2.

Na pozitivnoj elektrodi, tokom pražnjenja, nikal se redukuje iz trovalentnog u dvovalentni:

2Ni(OH) 3+ 2e pražnjenje → 2Ni(OH)2 + 2OH.

Pojednostavljenje je da sastav hidroksida ne odgovara tačno njihovim formulama. Soli kadmijuma i nikla su slabo rastvorljive u vodi, pa je koncentracija Cd jona ++, Ni ++, Ni +++je određena koncentracijom KOH, o kojoj indirektno ovisi veličina EMF baterije u elektrolitu.

Elektromotorna sila svježe napunjene baterije je 1,45 V. U roku od nekoliko dana nakon završetka punjenja, EMF se smanjuje na 1,36 V.

3.4 Nikl-vodonik baterije

Nikl-vodonik akumulatorske baterije (HNAB), visoke pouzdanosti, dugog vijeka trajanja i gustine energije, odličnih performansi, imat će široku primjenu u svemirskim letjelicama umjesto nikl-kadmijumskih baterija.

Rad NVAB-a u niskoj Zemljinoj orbiti (LEO) zahtijeva resurs od oko 30 hiljada ciklusa za pet godina. Upotreba baterija u LEO sa malom dubinom pražnjenja (DD) dovodi do odgovarajućeg smanjenja zagarantovane specifične energije (30 hiljada ciklusa se može postići sa DD od 40%). Trogodišnji kontinuirani ciklus u LEO režimu pri GR = 30% od dvanaest standardnih NVAB-a (RNH-30-1) kapaciteta 30 Ah pokazao je da su svi NVAB-i radili stabilno tokom 14.600 ciklusa.

Postignuti nivo specifične energije za NVAB je 40 W h/kg u uslovima orbite oko Zemlje pri dubini pražnjenja od 100%, resurs pri GR od 30% je 30 hiljada ciklusa.

4/ Odabir parametara za solarne nizove i bafer skladište

Početni podaci:

Maksimalna masa svemirskog broda - Mn = do 15 kg;

Visina kružne orbite - h = 450 km;

Težina ciljnog sistema - ne više od 0,5 kg;

Frekvencija odašiljanja - 24 GHz;

Potrošeni napon - 3,3 - 3,6 V;

Minimalna potrošnja energije primopredajnika je 300 mW;

Potrošnja energije plazma-jonskog motora - 155 W;

Trajanje aktivnog postojanja je 2-3 godine.

4.1 Proračun parametara spremnika

Proračun parametara međuspremnika (BN) iz baterija i određivanje njihovog sastava vrši se na osnovu ograničenja nametnutih baterijama u pogledu struja punjenja i pražnjenja, integralnog kapaciteta pražnjenja, jednokratnih dubina pražnjenja. , pouzdanost, temperaturni radni uslovi itd.

Prilikom proračuna parametara nikl-vodikovih baterija koristit ćemo sljedeće karakteristike i formule [Autori „Projektovanje automatske svemirske letjelice“: D.I. Kozlov, G.N. Anshakov, V.F. Agarkov, Yu.G. Antonov § 7.5], kao i tehničke karakteristike AB HB-50 NIAI do 1,36 V.

· struja punjenja do 30 A;

· jačina struje pražnjenja 12 - 50 A u stacionarnom stanju i do 120 A u pulsnom režimu do 1 minute;

· maksimalna dubina pražnjenja do 54 Ah;

· tijekom rada baterije (posebno u ciklusima s visokim strujama punjenja i pražnjenja), potrebno je osigurati termički rad baterija u rasponu od 10 ... 30 ° C. U tu svrhu potrebno je predvidjeti ugradnju baterija u zatvoreni prostor letjelice i osigurati način hlađenja svakog bloka zrakom.

Formule koje se koriste za izračunavanje parametara nikl-kadmijum baterija:

Napon hemijskih izvora napajanja razlikuje se od EMF-a po vrijednosti pada napona u unutrašnjem kolu, koji je određen ukupnim unutrašnjim otporom i strujom koja teče:

, (1)

, (2)

Gdje I - napona pražnjenja i punjenja na izvoru; I - jačina struje pražnjenja i punjenja, respektivno.

Za galvanske ćelije za jednokratnu upotrebu, napon je definiran kao pražnjenje .

Kapacitet pražnjenja Q (A h) hemijskog izvora je količina električne energije koju izvor daje tokom pražnjenja pri određenoj temperaturi elektrolita, ambijentalnom pritisku, jačini struje pražnjenja i konačnom naponu pražnjenja:

, (3)

Nazivna kapacitivnost izvora hemijske struje je kapacitet koji izvor mora dati u režimima rada određenim tehničkim uslovima. Za KA baterije nazivna i struja pražnjenja najčešće se uzimaju kao struja jedno-dva ili 10-satnog načina pražnjenja.

Samopražnjenje - beskorisni gubitak kapaciteta od strane hemijskog izvora s otvorenim vanjskim krugom. Obično se samopražnjenje izražava u % po danu skladištenja:

(4)

Gdje I - posude sa hemijskim izvorom pre i posle skladištenja; T - vrijeme skladištenja, dani.

Specifična energija hemijskog izvora struje je omjer izlazne energije i njegove mase:

(5)

Vrijednost specifične energije ne zavisi samo od vrste izvora, već i od jačine struje pražnjenja, tj. od preuzete snage. Dakle, hemijski izvor električne energije potpunije karakteriše zavisnost specifične energije od specifične snage.

Proračun parametara:

Odredimo maksimalno i minimalno vrijeme pražnjenja iz formule:

Stoga je maksimalno vrijeme pražnjenja:

;

minimalno vrijeme pražnjenja:

.

Iz toga proizilazi da vrijeme pražnjenja omogućava projektovanom satelitu da koristi električnu struju u prosjeku 167 minuta ili 2,8 sati, budući da naša ciljna instalacija koristi 89 mA, vrijeme pražnjenja neće biti značajno, što pozitivno utiče na snabdijevanje električnom strujom drugih. satelit vitalnih sistema.

Određujemo napon pražnjenja i ukupni unutrašnji otpor baterije iz formule:

; (1)

(2)

.

Iz ovoga se vidi da se napon punjenja može dovoljno osigurati korištenjem solarnih panela, čak i ako nisu velike površine.

Također možete odrediti samopražnjenje po formuli:

(4)

Uzmite za vrijeme rada baterije T = 0,923 h, Q 1= 50 (A h) i Q 2 = 6 (A h) za trideset minuta rada:

,

odnosno uz minimalnu potrošnju struje od 12 A, za 30 minuta baterija će se isprazniti za 95% s otvorenim krugom.

Nađimo specifičnu energiju hemijskog izvora koristeći formulu:

,

odnosno 1 kg hemijskog izvora može da obezbedi 61,2 vata za sat vremena, što je pogodno i za našu ciljnu instalaciju koja radi na maksimalnoj snazi ​​od 370 mW.

4.2 Proračun parametara solarnih panela

Da bismo izračunali glavne parametre SB koji utiču na dizajn letelice, njene tehničke karakteristike, koristićemo sledeće formule [Autori „Projektovanje automatske letelice“: D.I. Kozlov, G.N. Anshakov, V.F. Agarkov, Yu.G. Antonov § 7.5]:

Proračun parametara SB svodi se na određivanje njegove površine i mase.

Izračun snage SB vrši se prema formuli:

(6)

Gdje - SB snaga; R n - prosečna dnevna snaga opterećenja (bez uzimanja u obzir sopstvenih potreba EPS-a); - vrijeme orijentacije SB prema Suncu po obrtaju; t T - vrijeme tokom kojeg SB nije osvijetljen; - Efikasnost regulatora viška snage SB, jednaka 0,85; - Efikasnost regulatora pražnjenja BN jednaka 0,85; R .3- Efikasnost regulatora punjenja BN jednaka 0,9; - Efikasnost baterija BN, jednaka 0,8.

Površina solarne baterije izračunava se po formuli:

(7)

Gdje - Primljena specifična snaga SB:

W/m 2at = 60°S i 85 W/m 2at = 110°C za FEP KSP materijal;

W/m 2at = 60°S i 100 W/m 2at = 110°S za FEP materijal;

W/m 2at = 60°S i 160 W/m 2at = 110°C za FEP materijal Ga - As; - faktor sigurnosti koji uzima u obzir degradaciju solarnih ćelija uslijed zračenja, jednak 1,2 za vrijeme rada od dvije do tri godine i 1,4 za vrijeme rada od pet godina;

Faktor popunjavanja izračunat po formuli 1,12; - Efikasnost SB = 0,97.

Masa SB se određuje na osnovu specifičnih parametara. U trenutno dostupnim SB dizajnima, specifična težina je = 2,77 kg/m 2za silicijum i = 4,5 kg/m 2za solarne ćelije galijum arsenida.

Masa SB izračunava se po formuli:

(8)

Da biste počeli računati SEP, morate odabrati solarne panele. Prilikom razmatranja različitih SB, izbor je pao na sledeće: solarne baterije organizacije Saturn OJSC na bazi GaAs fotokonvertera sa sledećim karakteristikama.

Osnovni SB parametri

Parametar SBSB na bazi GaAs Aktivni vijek trajanja, godine15Efikasnost na 28°C, %28Specifična snaga, W/m 2170Maksimalna snaga, W/m 2381Specifična težina, kg/m 21.6 Debljina FEP-a, µm 150 ± 20

Također, za proračun morate znati orbitalni period satelita u niskoj Zemljinoj orbiti, podaci su preuzeti sa stranice:

· u rasponu od 160 km, period okretanja je oko 88 minuta;

· do 2000 km period je oko 127 minuta.

Za proračun uzimamo prosječnu vrijednost - oko 100 min. Istovremeno, vrijeme osvjetljenja solarnih panela letjelice u orbiti je duže (oko 60 min) od vremena kada su u sjeni od oko 40 min.

Snaga opterećenja jednaka je zbiru potrebne snage pogonskog sistema, ciljne opreme, snage punjenja i jednaka je 220 W (vrijednost se uzima sa viškom od 25 W).

Zamjenom svih poznatih vrijednosti u formulu, dobijamo:

,

.

Da bismo odredili površinu SB panela, uzet ćemo Ga-As FEP materijal na radnoj temperaturi = 60°S, satelitski rad traje 2-3 godine i koristimo formulu:

,

zamjenom početnih podataka dobijamo:

nakon proračuna dobijamo

,

ali uzimajući u obzir rijetko punjenje baterije, korištenje modernih tehnologija u razvoju drugih sistema, a također uzimajući u obzir činjenicu da je snaga opterećenja uzeta sa marginom od oko 25 W, moguće je smanjiti SB površine do 3,6 m2


Vlasnici patenta RU 2598862:

Upotreba: u oblasti elektrotehnike za napajanje svemirskih letelica iz primarnih izvora različitog kapaciteta. Efekat: povećana pouzdanost napajanja. Sistem za napajanje svemirske letelice sadrži: grupu solarnih baterija direktne sunčeve svetlosti (1), grupu solarnih baterija reflektovane sunčeve svetlosti (7), generatorsko kolo (8), stabilizator napona (2), punjač (3) , uređaj za pražnjenje (4), bateriju (5), ispravljač (9), kontroler punjenja baterije (10) i potrošače (6). Izmjenični napon iz kruga za generiranje (8) pretvara se u konstantu u bloku (9) i dovodi na prvi ulaz kontrolera punjenja baterije (10). DC napon sa solarnih panela reflektirane sunčeve svjetlosti (7) dovodi se na drugi ulaz kontrolera punjenja baterije (10). Ukupni napon iz kruga za generiranje i solarnih panela reflektirane sunčeve svjetlosti sa prvog izlaza kontrolera (10) ulazi na drugi ulaz akumulatorske baterije (5). Od drugog izlaza kontrolera do prvog ulaza akumulatorske baterije (5) primaju se upravljački signali za prekidače (15-21) koji imaju kontakte 1-3 i prekidače (22-25) sa kontaktima 1-2. Broj kontroliranih sklopnih uređaja ovisi o broju baterija u bateriji. Za punjenje odabrane baterije (11-14) na odgovarajućim prekidačima, njihovi prvi kontakti se otvaraju sa trećim i zatvaraju sa drugim, na odgovarajućim prekidačima, prvi i drugi kontakt su zatvoreni. Ovako spojena na drugi ulaz baterije, odgovarajuća baterija se puni nazivnom strujom punjenja sve dok se od kontrolera (10) ne primi naredba za promjenu sljedeće baterije. Potrošač (6) se napaja iz preostalih baterija, zaobilazeći isključenu, sa prvog izlaza baterije (5). 5 ill.

Pronalazak se odnosi na svemirsku tehnologiju i može se koristiti kao dio svemirskih letjelica stabiliziranih rotacijom.

Poznati sistem napajanja svemirskog broda sa uobičajenim gumama (slično), koji sadrži solarne panele (primarni izvor energije), bateriju, potrošače. Nedostatak ovog sistema je što je napon u ovom sistemu nestabilizovan. To dovodi do gubitaka energije u kablovskim mrežama iu ugrađenim individualnim potrošačkim stabilizatorima.

Poznat je sistem napajanja svemirskih letjelica sa odvojenim sabirnicama i paralelnim stabilizatorom napona (analogni), koji sadrži punjač, ​​uređaj za pražnjenje, bateriju. Njegov nedostatak je nemogućnost korištenja ekstremnog regulatora solarne energije u njemu.

Najbliži u tehničkoj suštini predloženom sistemu je sistem napajanja svemirske letelice sa podeljenim gumama i serijski paralelnim priključkom stabilizatora napona 2 (prototip), koji takođe sadrži solarne panele za direktnu sunčevu svetlost 1, punjač 3, uređaj za pražnjenje 4, baterija 5 (slika 1). Nedostatak ovog sistema napajanja je nemogućnost primanja, pretvaranja i skladištenja električne energije iz izvora različite snage, kao što su energija Zemljinog magnetnog polja i energija reflektovane sunčeve svjetlosti sa površine Zemlje.

Svrha pronalaska je proširenje mogućnosti sistema napajanja svemirskih letjelica za prijem, pretvaranje i skladištenje električne energije iz različitih primarnih izvora različitog kapaciteta, što omogućava povećanje aktivnog vijeka trajanja i odnosa snage i težine svemirskih letjelica.

Na SI. 2 prikazuje sistem napajanja svemirske letjelice stabilizovane spinom, sl. 3 - akumulatorska baterija koja sadrži sklopne uređaje kojima upravlja kontroler; na sl. 4 je vanjski pogled na svemirski brod, stabiliziran rotacijom, na Sl. 5 shematski je prikazana jedna od opcija za kretanje svemirske letjelice, stabilizovane rotacijom, u orbiti.

Sistem za napajanje svemirske letelice, stabilizovan rotacijom, sadrži grupu solarnih baterija 7 dizajniranih da pretvaraju sunčevu svetlost reflektovanu od Zemlje u električnu energiju, generišući kolo 8, koji je skup provodnika (namota) smeštenih duž tela letelice, u kojima elektromotorna sila se inducira iza proračuna rotacije letjelice oko njene ose u magnetskom polju Zemlje, pomoću ispravljača 9, kontrolera punjenja baterije iz izvora napajanja različite snage 10, baterije 5 koja sadrži sklopne uređaje 15-25 kojima upravlja kontroler, spajanje ili odspajanje pojedinih baterija 11-14 na kontroler 9 radi njihovog dopunjavanja malom strujom (slika 2).

Sistem funkcionira na sljedeći način. U procesu lansiranja letjelice u orbitu, ona se uvija na način da su os rotacije letjelice i solarni paneli direktne sunčeve svjetlosti orijentisani prema Suncu (slika 4). Tokom kretanja rotirajuće letjelice u orbiti, generatorski krug prekida linije indukcije Zemljinog magnetskog polja brzinom rotacije letjelice oko svoje ose. Kao rezultat toga, prema zakonu elektromagnetne indukcije, elektromotorna sila se inducira u krugu generiranja

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

Kada je strujni krug zatvoren za opterećenje, struja teče u krugu koji proizvodi potrošač. Snaga generatorskog kruga ovisi o momentu letjelice oko svoje ose

gdje je J KA moment inercije svemirske letjelice.

Stoga je krug za generiranje dodatni izvor električne energije na brodu.

Izmjenični napon iz kruga za generiranje 8 se ispravlja u bloku 9 i dovodi na prvi ulaz kontrolera punjenja baterije 10. DC napon sa solarnih panela reflektirane sunčeve svjetlosti 7 se dovodi na drugi ulaz kontrolera punjenja baterije. 10. Ukupni napon sa prvog izlaza kontrolera 10 ulazi na drugi ulaz baterije 5. Od drugog izlaza kontrolera do prvog ulaza baterije 5, primaju se upravljački signali za prekidače 15-21 koji imaju kontakte 1-3 i prekidači 22-25 sa kontaktima 1-2. Broj kontroliranih sklopnih uređaja ovisi o broju baterija u bateriji. Za punjenje odabrane baterije (11-14) na odgovarajućim prekidačima, njihovi prvi kontakti se otvaraju sa trećim i zatvaraju sa drugim, na odgovarajućim prekidačima, prvi i drugi kontakt su zatvoreni. Ovako spojena na drugi ulaz baterije, odgovarajuća baterija se puni malom strujom sve dok se od kontrolera 10 ne primi naredba za promjenu sljedeće baterije. Potrošač prima napajanje iz preostalih baterija, zaobilazeći bateriju 5 koja je isključena iz prvog izlaza.

Kada je letelica u orbiti u poziciji 1 (sl. 4, 5), solarni paneli reflektovane sunčeve svetlosti su orijentisani prema Zemlji. U ovom trenutku punjač 3 uključen u sistem napajanja letjelice prima električnu energiju od solarnih panela direktne sunčeve svjetlosti 1, a kontroler punjenja baterije 10 prima električnu energiju od solarnih panela reflektirane sunčeve svjetlosti 7 i generirajućeg kola 8. U položaju svemirska letjelica 2, solarni paneli direktne sunčeve svjetlosti 1 ostaju usmjereni prema suncu, dok su solarni nizovi reflektirane sunčeve svjetlosti djelimično zaklonjeni. U ovom trenutku punjač 3 sistema za napajanje svemirske letelice nastavlja da prima električnu energiju od solarnih panela direktne sunčeve svetlosti, a kontroler 10 gubi deo energije iz bloka 7, ali nastavlja da prima energiju iz bloka 8 preko ispravljač 9. U položaju letjelice 3 svi solarni nizovi su zasjenjeni, punjač 3 ne prima električnu energiju od solarnih panela 1, a potrošači u letjelici dobijaju električnu energiju iz akumulatorske baterije. Kontrolor punjenja baterije nastavlja primati energiju iz kruga za generiranje 8, dopunjavajući sljedeću bateriju. Na poziciji letjelice 4, solarni nizovi direktne sunčeve svjetlosti 1 su ponovo osvijetljeni Suncem, dok su solarni nizovi reflektirane sunčeve svjetlosti djelimično zaklonjeni. U ovom trenutku punjač 3 sistema za napajanje svemirske letjelice nastavlja da prima električnu energiju od solarnih panela direktne sunčeve svjetlosti, a kontroler 10 gubi dio energije iz bloka 7, ali nastavlja da prima energiju iz bloka 8 preko ispravljača 9.

Dakle, sistem napajanja svemirske letelice stabilizovan rotacijom je sposoban da prima, pretvara i akumulira: a) energiju direktne i reflektovane od sunčeve svetlosti; b) kinetička energija rotacije letjelice u Zemljinom magnetnom polju. Inače, funkcionisanje predloženog sistema je slično poznatom.

Tehnički rezultat - povećanje perioda aktivnog postojanja i napajanja letjelice, postiže se upotrebom mikrokontrolerskog punjača kao dijela sistema za napajanje svemirskog broda, koji omogućava punjenje baterije iz izvora električne energije različiti kapaciteti (reflektovana sunčeva svetlost i energija Zemljinog magnetnog polja).

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

Kao generatorski krug može se koristiti trofazni dvoslojni namotaj s izoliranom bakrenom žicom, što će omogućiti približavanje oblika krivulje elektromotorne sile sinusoidi. Kao ispravljač može se koristiti premosni krug trofaznog ispravljača s diodama male snage tipa D2 i D9, koji će smanjiti valovitost ispravljenog napona. Kao regulator punjenja baterije može se koristiti mikrokontroler MAX 17710. Može raditi sa nestabilnim izvorima sa rasponom izlazne snage od 1 μW do 100 mW. Uređaj ima ugrađeni boost konvertor za punjenje baterija iz izvora sa tipičnim izlaznim naponom od 0,75 V i ugrađeni regulator za zaštitu baterija od prepunjavanja. Litijum-jonske baterije sa podsistemom za izjednačavanje napona baterije (sistemi za balansiranje) mogu se koristiti kao akumulatorska baterija koja sadrži sklopne uređaje kojima upravlja kontroler. Može se bazirati na MSP430F1232 kontroleru.

Dakle, karakteristične karakteristike predloženog uređaja doprinose postizanju cilja.

Izvori informacija

1. Analogni svijet Maksima. Nova mikro kola / Grupa kompanija Symmetron // Broj 2, 2013. - 68 str.

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

3. Kargu D.L. Sistemi napajanja svemirskih letjelica / D.L. Kargu, G.B. Steganov [i drugi] - Sankt Peterburg: VKA im. A.F. Mozhaisky, 2013. - 116 str.

4. Katsman M.M. Električne mašine / M.M. Katzman. - studije. dodatak za studente spec. tehničke škole. - 2. izd., revidirano. i dodatne - M.: Više. Shk., 1990. - 463 str.

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

6. Rykovanov A.N. Sistemi napajanja za Li-ion baterije / A.N. Rykovanov // Energetska elektronika. - 2009. - br. 1.

7. Chilin Yu.N. Modeliranje i optimizacija energetskih sistema svemirskih letelica / Yu.N. Chilin. - Sankt Peterburg: VIKA, 1995. - 277 str.

Sistem za napajanje svemirske letjelice, koji sadrži grupu solarnih panela za direktnu sunčevu svjetlost, punjač koji prima električnu energiju iz solarnih panela direktne sunčeve svjetlosti, uređaj za pražnjenje koji napaja potrošače iz baterije, stabilizator napona koji napaja potrošače iz solarne baterije za direktnu sunčevu svjetlost, karakterizirana po tome što dodatno sadrži grupu solarnih baterija dizajniranih za pretvaranje sunčeve svjetlosti reflektirane od Zemlje u električnu energiju, generirajući kolo koje je skup provodnika (namota) smještenih na tijelu letjelice, u kojem se inducira elektromotorna sila zbog za rotaciju svemirske letjelice oko svoje ose u magnetskom polju Zemlje, ispravljač, a sadrži i kontroler punjenja baterije iz izvora napajanja različitog kapaciteta, bateriju koja dodatno sadrži komutacije kojima upravlja kontroler Ovi uređaji koji povezuju ili odspajaju pojedinačne baterije sa kontrolerom kako bi ih napunili.

Slični patenti:

Pronalazak se odnosi na svemirsku tehnologiju i može se koristiti za napajanje svemirskih letjelica (SC) i stanica. Tehnički rezultat je korištenje sistema termičke kontrole za dobivanje dodatne energije.

Pronalazak se odnosi na oblast elektrotehnike. Sistem autonomnog napajanja sadrži solarnu bateriju, uređaj za skladištenje energije, uređaj za punjenje i pražnjenje i opterećenje koje se sastoji od jednog ili više naponskih stabilizatora na čije izlaze su priključeni krajnji potrošači električne energije.

Pronalazak se odnosi na elektroindustriju i može se koristiti u projektovanju sistema autonomnog napajanja za veštačke Zemljine satelite (AES). Tehnički rezultat je povećanje specifičnih energetskih karakteristika i pouzdanosti sistema autonomnog napajanja satelita. Predložena je metoda za napajanje opterećenja jednosmjernom strujom u autonomnom sistemu za napajanje umjetnog satelita Zemlje iz solarne baterije i seta sekundarnih izvora električne energije - baterija koje sadrže Nac baterije povezane u seriju, a koji se sastoji u stabilizaciji napona na punjenje, punjenje i pražnjenje baterija preko pojedinačnih punjača i pretvarača pražnjenja, dok se pretvarači pražnjenja izrađuju bez booster jedinica, 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 iz sistema autonomnog napajanja, V; Uacc.min - minimalni napon pražnjenja jedne baterije, V, pretvarači punjenja se izrađuju bez pojačivača, za koje se napon na radnoj tački solarne baterije bira iz omjera: Urt>Uacc.max Nacc+1, gdje je Urt je napon na radnoj tački solarne baterije na kraju zagarantovanog resursa njenog rada, B; Uacc.max je maksimalni napon punjenja jedne baterije, V, dok se izračunati broj baterija Nacc dodatno povećava na osnovu omjera: Nacc≥(Un+1)/Uacc.min+Nfailure, gdje je Nfailure broj prihvatljivih kvarovi akumulatora, te stabilizacija napona opterećenjem i punjenjem baterija izvode se korištenjem ekstremne regulacije napona solarne baterije.

Pronalazak se odnosi na oblast elektrotehnike. Tehnički rezultat se sastoji u proširenju operativnih mogućnosti sistema, povećanju njegovog nosivosti i obezbeđivanju maksimalnog neprekidnog rada uz održavanje optimalnih radnih parametara baterije kada se potrošači napajaju jednosmernom strujom.

Pronalazak se odnosi na oblast solarne energije, posebno na solarne instalacije koje kontinuirano prate Sunce, kako sa koncentratorima sunčevog zračenja tako i sa ravnim silikonskim modulima, dizajniranim za napajanje potrošača, na primer, u područjima nepouzdanog i decentralizovanog napajanja.

Pronalazak se odnosi na elektroindustriju i može se koristiti u projektovanju sistema autonomnog napajanja za veštačke Zemljine satelite (AES).

Pronalazak se odnosi na sistem rotacije solarnih nizova (SPSB) svemirske letelice (SC). Pronalazak je namenjen postavljanju SPSB elemenata za rotaciju solarne baterije velike snage i prenos energije sa solarne baterije na letelicu.

Pronalazak se odnosi na oblast konverzije solarne energije i njenog prenosa do zemaljskih potrošača. Svemirska elektrana sadrži solarni kolektor (1) tipa latica, tijelo stanice (2) i snop (3) mikrotalasnih antena. Kolektor (1) je napravljen od ploča (panela) fotoelektričnih pretvarača - kako glavnih tako i pomoćnih. Ploče su pravokutnog i trokutastog oblika. Njihove veze su izvedene u obliku automatskih kukica i petlji, koje se, kada se kolektor aktivira, povezuju pomoću višekrilnog mehanizma. U presavijenom stanju kolektor (1) ima oblik kocke. Beam antene (3) fokusiraju mikrovalnu energiju na pojačalo koje ovu energiju prenosi zemaljskim elektranama. Tehnički rezultat pronalaska je usmjeren na poboljšanje efikasnosti konverzije i prijenosa energije do potrošača u ogromnim područjima Zemlje. 16 ill.

Upotreba: u oblasti elektrotehnike za napajanje svemirskih letelica iz primarnih izvora različitog kapaciteta. Efekat: povećana pouzdanost napajanja. Sistem za napajanje svemirske letelice sadrži: grupu solarnih panela direktne sunčeve svetlosti, grupu solarnih panela reflektovane sunčeve svetlosti, generatorski krug, stabilizator napona, punjač, ​​uređaj za pražnjenje, bateriju, ispravljač, kontroler punjenja baterije i potrošači. Izmjenični napon iz kruga za generiranje pretvara se u konstantu u jedinici i dovodi na prvi ulaz kontrolera punjenja baterije. DC napon iz solarnih panela reflektirane sunčeve svjetlosti dovodi se na drugi ulaz kontrolera punjenja baterije. Ukupni napon iz kruga za generiranje i solarnih panela reflektirane sunčeve svjetlosti sa prvog izlaza kontrolera ulazi na drugi ulaz akumulatorske baterije. Od drugog izlaza kontrolera do prvog ulaza baterije primaju se upravljački signali za prekidače koji imaju kontakte 1-3 i prekidače koji imaju kontakte 1-2. Broj kontroliranih sklopnih uređaja ovisi o broju baterija u bateriji. Za 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 na drugi ulaz baterije, odgovarajuća baterija se puni nazivnom strujom punjenja sve dok se od kontrolera ne primi naredba za promjenu sljedeće baterije. Potrošač dobiva napajanje iz preostalih baterija, zaobilazeći isključenu, iz prvog izlaza baterije. 5 ill.

M.A. PETROVICHEV, A. S. GURTOV SISTEM NABAVKA ENERGIJE UKRCAN KOMPLEKS SVEMISKIH VOZILA Odobreno od strane Uredničko-izdavačkog vijeća Univerziteta kao udžbenik Izdavačka kuća SAMARA SSAU 2007 UDK 629.78.05 BBC 39.62 P306 geoinformacione tehnologije” PR I Recenzenti: doktor tehničkih nauka A.<...>K o p t e v, zamjenik. Šef odjeljenja SNP RCC "TSSKB - Progres" S. I. Minenko P306 Petrovichev M.A.<...>Sistem snabdijevanje energijom u vazduhu kompleks svemirska letjelica: udžbenik. dodatak / M.A. Petrovichev, A.S. Gurtov.<...>Udžbenik je namijenjen studentima specijalnosti 160802" Prostor uređaja i booster blokovi.<...>UDC 629.78.05 BBC 39.62 ISBN 978-5-7883-0608-7 2 © Petrovichev M. A., Gurtov AS, 2007 © Samara State Aerospace University, 2007 Sistem snabdijevanje električnom energijom Ugrađeni kompleks svemirskih vozila Od svih vrsta energije, električna je najsvestranija.<...>. Sistem snabdijevanje električnom energijom(SES) KA je jedan od najvažnijih sistema koji osiguravaju performanse KA. <...>Pouzdanost SES-a je u velikoj mjeri određena redundantnošću svih vrsta izvora, pretvarača, prebacivanje oprema i mreže.<...>Struktura sistemima snabdijevanje električnom energijom KA Basic sistem snabdijevanje električnom energijom KA je sistem jednosmerna struja.<...>Za pariranje vrhova opterećenja koristite tampon izvor. <...>Prvi put uključen višekratnu upotrebu KAŠatl je koristio sistem napajanja bez bafera.<...> 4 Sistem distribucija Inverter Inverter Network Sink Primarni izvor Buffer izvor Rice.<...>Struktura aparata svemirskog sistema napajanja Buffer izvor karakterizira činjenica da je ukupna energija koju proizvodi nula.<...>Da biste uskladili karakteristike baterije sa primarnim izvorom i mrežom, koristite<...>

System_of_energy_supply_on_board_complex_of_spacecraft.pdf

FEDERALNA AGENCIJA ZA OBRAZOVANJE DRŽAVNA OBRAZOVNA USTANOVA VISOKOG STRUČNOG OBRAZOVANJA „SAMARSKI DRŽAVNI VAZDUHOPLOVNI UNIVERZITET po imenu akademika S.P. QUEEN» M. A. PETROVICHEV, A. S. GURTOV SISTEM NAPAJANJA ELEKTRIČNOM OBJEKTOM KOMPLEKSA KOSMIČKIH VOZILA Odobreno od strane Uredničkog i izdavačkog vijeća Univerziteta kao udžbenik S A M A R A Izdavačka kuća SSAU 2007.

Stranica 1

UDK 629.78.05 LBC 39.62 P306 Inovativni obrazovni program "Razvoj centra kompetencija i obuka stručnjaka svetske klase u oblasti vazduhoplovnih i geoinformacionih tehnologija" Recenzenti: doktor tehničkih nauka A.N. - Napredak "S.I.Minenko o Petrovičevu M.A. Sistem napajanja brodskog kompleksa svemirskih letelica: udžbenik / M. A. Petrovichev, A. S. Gurtov. - Samara: Samar Publishing House State Aerospace University, 2007. - 88 str.: ISBN 978-5-7883-0608-7 Uloga i značaj sistema za napajanje svemirskog broda, razmatraju se sastavni elementi ovog sistema, posebna pažnja je posvećena razmatranju principa rada i uređaja izvora napajanja, posebnosti njihovog korišćenja za svemirsku tehniku. ali studenti specijalnosti 160802 "Svemirski brodovi i viši stepen". Može biti korisno i za mlade stručnjake u raketnoj i svemirskoj industriji. Pripremljeno na Katedri za vazduhoplovstvo. UDC 629.78.05 BBC 39.62 ISBN 978-5-7883-0608-7 2 © Petrovichev M. A., Gurtov AS, 2007 © Samara State Aerospace University, 2007 N A Z I O A N L E P R E S

Stranica 2

Sistem napajanja brodskog kompleksa svemirskih letjelica Od svih vrsta energije, električni je najsvestraniji. U poređenju sa drugim vrstama energije, ima niz prednosti: električna energija se lako pretvara u druge vrste energije, efikasnost električnih instalacija je mnogo veća od efikasnosti instalacija koje rade na druge vrste energije, električnu energiju je lako prenosa žicom 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 pokretanje svih elemenata uređaja i opreme svemirskih letjelica (pogonska grupa, komande, komunikacioni sistemi, instrumentalni kompleks, grijanje itd.). Sistem napajanja (PSS) letjelice jedan je od najvažnijih sistema koji osiguravaju rad letjelice. Glavni zahtjevi za SES: potrebna rezerva energije za cijeli let, pouzdan rad u nultoj gravitaciji, potrebna pouzdanost koju osigurava redundantnost (u smislu snage) glavnog izvora i pufera, odsustvo emisija i potrošnje plinova, sposobnost rada u bilo kojoj poziciji u prostoru, minimalna masa, minimalni troškovi. Sva električna energija potrebna za izvođenje programa leta (za normalan način rada, kao i za neke nenormalne) mora biti na brodu, jer je njena dopuna moguća samo za stanice s posadom. Pouzdanost solarnih elektrana je u velikoj mjeri određena 3