Космические аппараты. Системы питания и распределения мощности - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Производство и ресурсы

180
Космические аппараты. Системы питания и распределения мощности

Основными потребителями электроэнергии КА являются системы терморегуляции, насосы, системы жизнеобеспечения и оборудование связи. Что касается источников то их два – Солнце и радиоактивные изотопы. Однако, получив энергию ее необходимо преобразовать к необходимому уровню, а чаще всего, к нескольким уровням, а потом должным образом раздать системам и полезным нагрузкам КА. Какие на этом пути имеются проблемы и как они решаются?

 

Особенности системы электропитания КА и ее раздачи

 

1. Проблемы питания от солнечных панелей

Солнечные панели – это весьма специфические источники энергии, которые требуют особого обращения. Они из цепочек последовательных фотоэлементов полупроводниковых устройств, преобразующих солнечную энергию напрямую в электрический ток, объединенных в группы. Процесс преобразования энергии солнца в электрической ток, называется фотоэлектрическим эффектом. Данное явление открыл французский физик Александр Эдмон Беккерель в середине XIX века. Первый же действующий фотоэлемент создал российский ученый Александр Столетов.

Полупроводниковый фотоэлемент состоит из двух слоев с разной проводимостью. В качестве катода используется n-слой, а в качестве анода – p-слой. Лишние электроны из n-слоя могут покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Именно лучи света «выбивают» электроны из атомов n-слоя, после чего они летят в p-слой занимать пустующие места. Таким способом электроны бегут по кругу, выходя из p-слоя, проходя через нагрузку, и возвращаются в n-слой (рис.1).

Однако проблема использования солнечного фотоэлемента в то, что он имеют особую вольтамперную характеристику, показанную на рис.2, где интенсивность J1 > J2 > J3. И на ней точки, в зависимости от освещенности панели, образуют так называемую кривую максимальной мощности, которую должна поддерживать система регулирования.

Кроме того, есть еще ряд условий, так, например, панели международной космический станции (МКС), кроме кремниевых фотоэлектрических элементов, содержат гибкие печатные схемы и байпасные диоды, а каждая элементарная ячейка на солнечной стороне покрыта тонким защитным стеклом. Обходные диоды для того чтобы минимизировать снижение производительности в результате повреждения ячеек и устранить потенциальное повреждение ячейки из-за ее разогрева с обратным смещением во время частичного затенения массива, размещены параллельно с каждыми ячейками.

Еще одна проблема панелей – это старение, связанное с деградацией. Так панели МКС имели начальную номинальную эффективность 14.5%, которая постепенно снизилась в течение их 15-летнего срока службы и это одна из основных проблем этой системы энергоснабжения. Сейчас панели станции обеспечивают 80 кВт электроэнергии (первоначально было 124 кВт) при напряжении примерно 160 В (при соответствующем освещении). И в завершение – панели должны иметь систему, обеспечивающую их ориентирование на Солнце.

Как можно видеть из сказанного – взять и просто так использовать напряжение для питания КА здесь не получится. Для поддержки питания станции от своих восьми сдвоенных солнечных батарей на МКС, как это обычно принято, используется буферные аккумуляторные батареи. Канал электропитания МКС представлен на рис.3, а на рис.4 показан коммутационный блок главной шины электропитания. Это устройство когда-то неправильно функционировало, что привело к проблемам на МКС, так что тем более необходимо, чтобы разработчики извлекли из этого соответствующие уроки и направили свои усилия на совершенствование и повышению отказоустойчивости таких систем в космосе.

За ориентацию солнечных панелей для оптимального получения энергии отвечает, естественно, электроника, а также два поворотных узла – вращающиеся структурные соединения. Небольшие вращающиеся структурные соединения, расположенные у основания солнечных панелей (обозначаемые BGA) обеспечивают одну ось вращения для их наведения на Солнце. Вращающиеся структурные соединения большего размера (обозначаемые SARJ) обеспечивают еще одну ось вращения и соединяют силовые модули с основной структурой станции. Каждое из этих вращающихся соединений, когда панель проворачивается, передает электроэнергию через набор роликовых колец, которые обеспечивают непрерывное скользящее контактное электрическое соединение.

Система электропитания МКС состоит из множества аппаратных составляющих, которые называются Orbital Replacement Units (ORU – блок, заменяемый на орбите). Каждый отдельный ORU считается подсистемой, и астронавты могут заменить его в случае сбоя. Компоненты совместно обеспечивают выработку, распределение и накопление энергии для МКС. Энергия, которая собирается от Солнца солнечными панелями и обеспечивает МКС напряжением питания, первоначально в некоторой степени кондиционируется последовательным шунтирующим блоком (SSU).

Последовательный шунтирующий блок (SSU) предназначен для грубого регулирования солнечной энергии, собираемой в периоды инсоляции, когда массивы собирают энергию в периоды наведения на солнце. От солнечной батареи к SSU подключения восемьдесят две отдельные последовательные сборки солнечных элементов. Шунтируя или контролируя, выход каждой строки блок SSU регулирует количество передаваемой мощности. Регулируемое заданное значение напряжения контролируется компьютером, расположенным в опорных сегментах МКС, и обычно составляет около 140 В, но может быть в диапазоне 138…173 В. SSU имеет функцию защиты от перенапряжения для поддержания выходного напряжения ниже 200 В для всех условий эксплуатации. SSU очень важный узел, так как от него зависит работа панели. В 2014 г. такой узел вышел из строя и для его замены потребовался выход в космос.

Затем частично кондиционированное напряжение поступает SSU через блок коммутации DCSU в блок зарядки / разрядки аккумулятора BCDU и используется для заряда буферных аккумуляторах. Пример реальных выдаваемых тока и напряжения для каждого блока солнечных панелей МКС, показан на рис.5.

В зарядно/разрядном устройстве BCDU используется преобразователь Вайнберга. Традиционная топология Вайнберга (Weinberg converter), с помощью которой создается двунаправленная топология с добавлением переключающего устройства и диода. Эта схема имеет два режима работы: повышения напряжения (оно создается топологией Вайнберга) и понижения (преобразователь работает в обычном режиме). Такое решение позволяет реализовать устройство меньшего размера с более высокой плотностью энергии и небольшим весом. Топология двунаправленного DC/DC-преобразователя Вайнберга представлена на рис.6.

Далее за дело принимаются DC/DC-преобразователи, которые снабжают вторичную систему питания стабилизированным напряжением главной шины 124.5 В, что позволяет системы формирования первичной шины отслеживать точку пиковой мощности солнечных батарей. Это напряжения напряжение используется в американском сегменте. Напряжение может опускаться и в дальнейшем при использовании в других международных модулях, к примеру, некоторое японское оборудование требует 124 В, некоторое 28 В, некоторое 50 В. Для российского сегмента напряжение опускают до 28 В. В первоначальной сборке станции, когда использовались солнечные батареи российского модуля (сейчас они свернуты), напряжение их главной шины 28 В поднималось до необходимых для использования в американском модуле 120 В.

 

2. Аккумуляторные батареи и их роль в системе питания КА

У спутников или других КА с питанием от солнечных панелей будут орбиты, на которых может блокироваться Солнце. Например, КА проходит в тени Земли, другой планеты или Луны, или попал в пыльную бурю на Марсе. Именно по этой причине марсоход Opportunity (рис.7) прекратил связь с Землей, когда сильная пыльная буря на Марсе накрыла его местоположение в июне 2018. Но, к чести его создателей, этот КА, который был изначально рассчитан на эксплуатацию в течение 90 марсианских дней, превысил этот срок в 60 раз и вместо 1000 метров проехал по поверхности Марса 45 км.

По указанной причине такие КА, как спутники и космические корабли, для поддержания непрерывности их энергопитания нуждаются в перезаряжаемых вторичных источниках – аккумуляторных батареях. Кроме того, заряженные перед запуском батареи могут быть единственным источником питания, доступным сразу после отделения пусковой установки и до тех пор, пока солнечные панели не будут развернуты и должным образом ориентированы на Солнце. Для таких космических приложений была предложена, показанная на рис.8, двунаправленная топология DC/DC-преобразователей обеспечивающая бесперебойную подачу мощности в нагрузку.

Однако аккумуляторы – это вес, причем не малый и источник повышенной опасности, кроме того, их также не обходит стороной деградация. Так что здесь требуется либо смириться, либо проводить регламентные работы. Так, например, на МКС начиная с 2016 года никель-водородные аккумуляторные батареи заменялись литий-ионными (Li-ion) аккумуляторами. Каждая литий-ионная батарея весит около 195 кг плюс каждая переходная плата-адаптер весит еще около 28.5 кг, но по сравнению со старыми никель-водородными батареями это позволило сэкономить более 90.72 кг.

 

3. Кондиционирование электропитания

Кондиционирование электропитания в системе КА является одной из наиболее важных задач оптимального управления электропитанием. Оно направлено на то, чтобы обеспечить эффективный обмен энергией между солнечными панелями, их буферными батареями или РИТЭГ и их нагрузками. Задача кондиционирования заключается в том, чтобы электропитание, подаваемое на нагрузки, оставалось в пределах того диапазона напряжений, при которых эти нагрузки могут функционировать должным образом. Особенно это важно для систем питания от солнечных панелей, так как их отдача зависит от освещенности, которая в ходе полета может часто меняться.

Основной целью должен быть правильный выбор мощности РИТЭГ или размера солнечной панели и емкости батареи, которую необходимо будет заряжать для бесперебойного обеспечения энергией оборудования КА. Разработчики должны убедиться, что аккумулятор не будет испытывать перезаряд, связанный с чрезмерными током или напряжением. Также решающее значение для безопасности космического корабля имеет возможность отключения некоторых несущественных функций космического корабля. Это необходимо для того, чтобы избежать полного разряда батареи, сохраняя возможность КА к пробуждению, когда его солнечные панели снова начнут выработку энергии.

 

4. Энергосеть MicroGrid

Одно решение для КА c питанием от солнечных панелей – это MicroGrid. MicroGrid, буквально, микросетка – это локализованная группа источников электричества и нагрузок, которая обычно работает, подключенная к синхронной сети с традиционной сетью (macrogrid или макросетка) и синхронная с ней, но также может отключаться от «островного режима» и функционировать автономно в зависимости от физических или иных условий, например, экономии энергии. Это решение ориентировано на четыре параметра, которые собственно и характеризуют MicroGrid на основе преобразования солнечной энергии:

- напряжение батареи;

- максимальная мощность фотоэлектрического элемента (PV);

- напряжение фотоэлектрического элемента, соответствующее точке максимальной мощности солнечного элемента (Maximum Power Point Tracker, MPPT);

- количество последовательных элементов в строке панели.

В конечном итоге окончательный показатель оптимизации представлял собой отношение среднесуточной доставляемой мощности к общей массе системы Вт/кг.

Для этой системы был исследован ряд различных миниатюрных DC/DC-преобразователей, в том числе понижающие, повышающие, понижающе-повышающие и неинвертирующие понижающе-повышающие. Именно последняя топология оказалась для данного применения наилучшим кандидатом. На рис.9 показан прототип 400-Вт неинвертирующего понижающе-повышающего (Non-Inverting Buck Boost, NIBB) DC/DC-преобразователя с функцией слежения за максимальной точкой мощности MPPT.

 

5. Преобразователь промежуточный шины архитектуры систем распределенного питания

Преобразователь промежуточный шины обычно является первым этапом преобразования после РИТЭГ или панели солнечных элементов. Он может быть, как со стабилизацией выходного напряжения, так и без неё. Он, как правило, представляет собой DC/DC-преобразователь с типичным входным напряжением шины питания космического корабля 28 В постоянного тока. Разработчик должен определить, достаточно ли хорошо стабилизирована входная шина такого преобразователю и, при необходимости, также проверить его работу во всем диапазоне входного напряжения.

 

6. Архитектура распределенного питания

Архитектура распределенного питания (англ. Distributed Power Architecture, DPA) может помочь повысить эффективность (в широком смысле) системы энергоснабжения КА, а также, в значительной мере, решить проблему динамического отклика и негативных эффектов паразитных импедансов. Все это крайне важно для питания современных высокоскоростных цифровых процессоров и вентильных матриц, программируемых пользователем (field programmable gate array, FPGA) а также специализированных интегральных схем. Преобразователь промежуточной шины (Intermediate Bus Converter, IBC) с хорошей переходной характеристикой, за которым установлены стабилизаторы по технологии PoL, сможет, при постоянно растущих потребностях в величине тока, создать архитектуру стабильного электропитания при различных колебаниях нагрузки.

 

Заключение

Космос всегда был своеобразной ареной битвы новых технологий и, часто заполизированной демонстрацией своих явных и приукрашенных достижений, а побеждает здесь тот, кто более амбициозный и целеустремленный.

Примером успешного космического бизнеса является компания SpaceX, основанная всего лишь в мае 2002 года и уже имеющая на сегодня не только регулярно запускаемые носители семейства Falcon с многократно используемой первой ступенью (одна и них летала уже четыре раза), но и единственный на сегодня возвращаемый, также многократного использования, грузовой корабль Dragon. Компания вошла в число игроков и пилотируемой космонавтики, создав многоразовый пилотируемый космический корабль Dragon 2 (рис.10, слева), который летом 2020 г. слетал на МКС и доставил туда двух астронавтов.

А на подходе еще и частично многоразовый пилотируемый транспортный космический корабль компании Boeing типа CST-100 Starliner, который в декабре 2019 года, пусть и частично успешно, но прошел тестирование (рис.10, справа).

В то же время, по факту Российская Федерация потеряла первенство по запускам (в 2019 года план выполнен всего лишь на 45%) и не имеет ни одного действующего космического аппарата в дальнем космосе.

 

Литература:

1. Рентюк Владимир. Космические аппараты и системы питания. Общие принципы. // Электрик. – 2020. – №9. – С.28.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus