Введение к работе
Актуальность темы.
Система электропитания (СЭП) автоматического космического
аппарата (КА) представляет собой совокупность источников энергии и
энергопреобразующей аппаратуры (ЭПА), обеспечивающей
стабилизацию напряжения выходной шины питания нагрузки и распределение потоков энергии в СЭП в соответствии с режимами работы системы и условиями эксплуатации КА.
Значительный вклад в создание научно-технического задела в
области разработки и создания систем электропитания
автоматических КА внесли коллективы ведущих головных
предприятий Российского космического агентства: АО
«Информационные спутниковые системы» им. акад. М.Ф. Решетнева (г. Железногорск), ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» (г. Химки), АО «РКЦ «Прогресс» (г. Самара), ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева» (г. Москва), РКК «Энергия» им. С.П. Королёва (г. Королев) и др. Ими решаются задачи по преодолению технологических барьеров и решению актуальных научно-технологических проблем, по разработке и внедрению новаций, наземной отработке СЭП, лётным испытаниям и сопровождению в процессе штатной эксплуатации КА. Многолетний творческий труд коллективов названных предприятий с участием коллективов – разработчиков составных частей СЭП других предприятий (АО «НПЦ «Полюс» (г. Томск), АО «НПП «Квант» (г. Москва), ПАО «Сатурн», АО «АФЭКС» (г. Москва), НИАИ «Источник» (г. Санкт-Петербург) и др.), а также ученых и специалистов ведущих университетов страны позволил добиться значительных успехов и обеспечил России место среди мировых лидеров - создателей космической техники.
Изначально напряжение выходной стабилизированной шины
питания нагрузки СЭП автоматических КА составляло 27-28 В.
Наибольшее распространение получила параллельно-
последовательная структура (ППС) СЭП КА, позволяющая обеспечивать максимально возможное использование солнечной батареи (БС) по мощности, т.е. реализовывать режим экстремального регулирования мощности (ЭРМ) БС.
С середины 90-х годов 20 века начали формироваться новые более жесткие требования к проектируемым СЭП и КА в целом. Возросло
количество решаемых КА задач и увеличилась их
энерговооруженность. Повысились требования к ЭПА СЭП КА,
связанные с увеличением энергетической эффективности,
минимизацией габаритно-массовых характеристик, увеличением уровня надежности и радиационной стойкости, уменьшением стоимости разработки и изготовления и т.д. В США, Европе и России четко обозначилась тенденция и целесообразным оказался переход к повышению выходного напряжения шины питания нагрузки до 100 В и к увеличению срока активного существования КА до 15 лет.
Применение оптимальной с точки зрения энергетических и габаритно-массовых характеристик ППС при проектировании высоковольтных СЭП оказалось невозможным ввиду достижения недопустимых уровней напряжений БС в моменты выхода КА из тени Земли (для кремниевых БС – до 275 В, для арсенид галлиевых БС – до 220 В), приводящих к появлению электростатических разрядов между цепочками фотодиодов и элементами токосъёма, возникновению аварийных ситуаций и снижению надежности СЭП. Появились проблемы связанные со сложностью согласования уровней напряжений БС, АБ и нагрузки с учетом недопущения достижения максимальных критичных уровней напряжений БС.
Разработчиками СЭП КА для работы на геостационарной орбите
была принята шунтовая структура СЭП, позволяющая
стабилизировать выходное напряжение на нагрузке с учетом ограничения напряжения на БС на уровне 100 В в течение всего срока эксплуатации КА. Примерами таких космических платформ СЭП КА являются: Экспресс-2000 (АО «ИСС» им. акад. М.Ф. Решетнева, г. Железногорск), Spacebus 4000 (Thales Alenia Space, Франция), Boeing 702HP (Boeing, США) и др.
Несмотря на значительный созданный научно-технический задел,
отработку результатов и успешную реализацию шунтовых СЭП
автоматических КА, не предоставляется возможным
непосредственное применение этих результатов при реализация высоковольтных СЭП КА других типов орбит, с резкопеременными графиками нагрузки и различными условиями эксплуатации из-за их низкой энергетической эффективности. Поэтому исследования и разработки, направленные на поиск новых технических решений и подходов при проектировании ЭПА высоковольтных СЭП КА с резкопеременными графиками нагрузки и изменяемыми условиями
эксплуатации (например, низкоорбитальных КА дистанционного
зондирования Земли), с повышенной энергетической
эффективностью, надежностью и простотой согласования уровней напряжений источников энергии и нагрузки являются актуальными.
Целью диссертационной работы является исследование и
разработка энергопреобразующей аппаратуры высоковольтных
(100 В) систем электропитания с повышенной энергетической эффективностью и надежностью для космических аппаратов длительного ресурса с резко переменными графиками нагрузки и изменяющимися условиями эксплуатации.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе потребовалось решить следующие задачи:
1. Провести обзор структурных схем СЭП автоматических КА и
их источников энергии. Разработать математическое описание
процессов распределения потоков энергии в СЭП КА. Выявить
тенденции в области разработки и создания энергопреобразующей
аппаратуры современных высоковольтных СЭП КА.
2. Разработать математическую модель солнечной батареи и
способ расчета параметров БС высоковольтных энергетически
эффективных СЭП КА в зависимости от условий ее эксплуатации и
графиков нагрузки КА.
3. Разработать методику расчета и выбора оптимального варианта
СЭП КА. Провести расчет и сопоставительный анализ
альтернативных вариантов структур высоковольтных СЭП КА в
соответствии с предъявляемыми к ним требованиями, условиями
эксплуатации и графиками нагрузок.
4. Провести анализ способов построения ЭПА в СЭП КА.
Определить требования к разработке энергетически эффективной
ЭПА перспективных высоковольтных СЭП КА с резкопеременными
графиками нагрузки и изменяемыми условиями эксплуатации и
разработать структуры СЭП КА на их основе.
5. Провести математическое моделирование процессов
распределения потоков энергии между БС, АБ и нагрузкой во вновь
разработанных высоковольтных СЭП КА и экспериментальные
исследования макетных образцов энергопреобразующей аппаратуры.
Объектом исследования является энергопреобразующая
аппаратура высоковольтных систем электропитания космических аппаратов.
Предметом исследования являются способы схемотехнической реализации ЭПА высоковольтных СЭП автоматических КА, их регулировочные характеристики и потоки энергии между БС, АБ и нагрузкой в СЭП.
Методы исследования:
В процессе выполнения работы использовались положения общей теории цепей, теории алгебраических уравнений, вычислительные методы и методы математического моделирования. Применялись программы для расчета и моделирования MathCad 14 и Microsoft Excel 2010, а так же методы экспериментальных исследований.
Достоверность результатов, полученных в диссертации, подтверждена системным характером исследований, совпадением результатов теоретических расчетов, математического моделирования и экспериментальных исследований учитывающих обоснованность принятых допущений, а так же полученными охранными документами на результаты интеллектуальной деятельности.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Разработана математическая модель солнечной батареи, основанная на использовании экспериментальных вольт-амперных характеристик, предоставляемых изготовителями БС, обеспечивающая простоту и точность расчета параметров солнечных батарей для любых заданных значений освещенности и температуры.
-
Разработана методика расчета и выбора оптимального варианта системы электропитания космического аппарата, основанная на расчете энергобаланса и применении поправочных коэффициентов, получаемых при расчете потоков энергии в СЭП в соответствии с заданными условиями эксплуатации и графиками нагрузок КА, обеспечивающая сокращения времени расчета параметров источников энергии, ЭПА и альтернативных вариантов СЭП за счет уменьшения числа итераций, определяемых количеством рассчитываемых поправочных коэффициентов.
3. Разработан способ расчета основных параметров солнечных
батарей для СЭП, основанный на использовании экспериментальных
вольт-амперных характеристик фотоэлектрических преобразователей
энергии любой единичной площади, учитывающий возможность
ограничения уровней напряжений и токов БС по максимальному либо
минимальному уровню, достигаемых при заданных значениях
освещенности, температуры, условиях эксплуатации и графиков нагрузки КА.
4. Разработаны варианты структур высоковольтных СЭП КА на
основе регулируемых инверторно-трансформаторных
преобразователей энергии с повышенной энергетической
эффективностью, надежностью и простым согласованием уровней напряжений солнечных и аккумуляторных батарей, и нагрузки.
Практическая ценность диссертационной работы.
Разработанные математическая модель БС, способ расчета
характеристик БС и методика расчета и выбора оптимального
варианта СЭП КА могут быть использованы разработчиками и
фирмами-производителями СЭП КА и ее составных частей, а так же
положены в основу создания программного обеспечения для
исследования и разработки СЭП КА разного целевого назначения, что
обеспечит сокращение сроков разработки СЭП за счет предъявления
требований к проектированию источников энергии и применяемой
ЭПА СЭП в соответствии с заданными техническими
характеристиками и требованиями.
Разработанные схемотехнические варианты реализации
энергетически эффективной ЭПА высоковольтных СЭП КА, обладающей большими функциональными и унифицированными возможностями, и варианты реализации СЭП КА на их основе позволят проектировать энергетически эффективные СЭП с БС и АБ любых типов.
Реализация результатов работы.
Полученные результаты диссертационной работы в области
разработки и исследования ЭПА высоковольтных СЭП КА
использованы в АО «ИСС» при разработке бортового
энергопреобразующего комплекса с цифровым резервированным
управлением для высоковольтных СЭП КА и представлены в
технических отчетах по ОКР «Разработка цифрового управляющего и
силовых модулей энергопреобразующего комплекса для
высоковольтных систем электропитания космических аппаратов», выполняемой ТУСУР, в рамках реализации ПП РФ № 218, х/д 18/15 от 29.07.2015. Результаты диссертационной работы так же внедрены при выполнении федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России 2009 – 2013» по Государственным контрактам: № 02.740.11.0524 (15.03.2010 -
01.10.2012), № П912 (2010-2012), № 16.740.11.0067 (2010 – 2012),
№14.B37.21.0420 (06.08.2012 -15.11.2013), № 14.B37.21.1493
(12.10.2012 - 15.11.2013) и были использованы при реализации работ по Программе стратегического развития ТУСУРа 2012-2016: подпроект 2.3.1.4 (01.01.2012 - 30.11.2013) и подпроект 2.3.1.2 (01.01.2014-25.12.2014).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Разработанная математическая модель солнечной батареи, основанная на использовании экспериментальных вольт-амперных характеристик, обеспечивает расчет параметров БС для любых заданных значений освещенности и температуры, отличается простотой и обеспечивает требуемую точность расчета характеристик (ВАХ и ВВХ) БС.
-
Разработанная методика расчета и выбора оптимального варианта системы электропитания космического аппарата обеспечивает возможность оптимизации режимов работы СЭП с целью уменьшения габаритно-массовых характеристик СЭП, сокращение времени расчета альтернативных вариантов СЭП КА за счет применения поправочных коэффициентов, а так же выбор оптимального варианта СЭП КА в зависимости от принятых критериев эффективности системы.
-
Разработанный способ расчета основных параметров солнечных батарей, основанный на использовании экспериментальных вольт-амперных характеристик фотоэлектрических преобразователей энергии любой единичной площади, позволяет предъявлять требования к их проектированию с учетом повышения надежности высоковольтных систем электропитания космических аппаратов с резкопеременными графиками нагрузки и изменяющимися условиями эксплуатации.
-
Построение высоковольтных систем электропитания космических аппаратов с резкопеременными графиками нагрузки и изменяющимися условиями эксплуатации на основе инверторно-трансформаторных преобразователей энергии обеспечивает согласование уровней напряжений БС, АБ и нагрузки, повышение энергетической эффективности СЭП за счет реализации режима экстремального регулирования мощности солнечной батареи и повышение надежности СЭП КА за счет смещения диапазона
регулирования напряжения БС, ограниченного максимальным допустимым уровнем напряжения холостого хода БС.
Теоретическая значимость работы заключается в создании
научно-технического задела в области разработки и создания ЭПА
высоковольтных СЭП КА, основу которого составляют разработанные
математическая модель и способ расчета параметров БС, методика
расчета и выбора оптимального варианта СЭП КА, результаты
теоретического расчета, математического моделирования,
экспериментальных исследований и анализа ЭПА СЭП на основе непосредственных и инверторно-трансформаторных преобразователей напряжения и разработанные инверторно-трансформаторные СЭП КА.
Апробация работы.
Основные научные положения и результаты диссертационной
работы докладывались и обсуждались на XX Всероссийской научно-
технической конференции с международным участием «Энергетика:
эффективность, надежность, безопасность» (г. Томск, 2014 г.), XI
Международной научно-технической конференции «Актуальные
проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2014) (г. Саратов,
2014 г.), IV Всероссийской научно-технической конференции
«Актуальные проблемы ракетно-космической техники» (IV
Козловские чтения) (г. Самара, 2015 г.), XVI Международной конференции молодых специалистов по микро/нанотехнологиям и электронным приборам (г. Эрлагол, 2015 г.), XIX Международной научной конференции «Решетневские чтения» (г. Красноярск, 2015 г.), XVII Международной конференции молодых специалистов по микро/нанотехнологиям и электронным приборам (г. Эрлагол, 2016 г.).
Публикации.
По результатам диссертационного исследования опубликовано 6 статей в изданиях, входящих в перечень ведущих периодических изданий ВАК, 6 статей в сборниках Всероссийских и Международных конференций, 5 из которых опубликованы в изданиях, индексируемых в Scopus, и получено 5 патентов РФ на изобретения, список которых приведен в конце автореферата.
Структура работы.
Диссертационная работа объемом 142 страницы основного текста состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений и списка
используемой литературы из 109 наименований и приложения, содержит 23 таблицы и 67 рисунков.