Энерговооруженность космических аппаратов и бортовые источники электроэнергии

8. Сливинский, В. И. Эффективность нанесения клея из расплава на торцы сотового заполнителя / В. И. Сливинский, Эрнандес Томайо Хорхе // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов : сб. науч. тр. Гос. аэрокосмич. ун-та «Харьк. авиац. ин-т». Харьков, 2000. Вып. 22(5). С. 146-150.

9. Гайдачук, В. Е. Методика проектирования трехслойных панелей с учетом профиля технологических несовершенств сотового заполнителя / В. Е. Гайдачук, А. Н. Ко-

лоскова // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов : сб. науч. тр. Гос. аэрокосмич. ун-та «Харьк. авиац. ин-т». Харьков, 2004. Вып. 38(3). С. 17-22.

10. Иерусалимский, К. М. Устойчивость трехслойных пластин и цилиндрических панелей из композиционных материалов при комбинированном нагружении / К. М. Иерусалимский, Е. Н. Синицын // Ученые записки ЦАГИ. 1973. №4. С. 65-72.

V. I. Slyvynskyy, G. V. Tkachenko, M. V. Slyvynskyy, V. E. Gajdachuk, A. V. Gajdachuk

NEW CONCEPT FOR WEIGHT OPTIMIZATION OF HONEYCOMB STRUCTURES USED IN SOLAR PANEL FRAMES AND UNPRESSURIZED PANELS OF SPACE VEHICLES

The paper sets forth general conceptual approach to weight optimization of honeycomb structures used in solar panel frames and unpressurized panels of space vehicles.

УЦК 629.783

М. В. Лукьяненко, В. С. Кудряшов

ЭНЕРГОВООРУЖЕННОСТЬ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И БОРТОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Проведен анализ современного состояния и перспектив развития систем электроснабжения космических аппаратов и бортовых источников электроэнергии.

За последние годы ведущими мировыми фирмами-разработчиками космических аппаратов (КА) сделан резкий скачок в повышении энерговооруженности космических платформ, что позволило при тех же самых ограничениях по массе спутников, накладываемых существующими носителями, непрерывно увеличивать мощность полезной нагрузки (табл. 1, 2).

Уровень разработок 1990-95 гг. раскрыт в табл. 1. Обобщенной характеристикой энерговооруженности КА является средний уровень мощности системы электроснабжения (СЭС) 3...5 кВт и отношение мощности к массе КА около 1...1,5 кВт/т. Источниками электроэнергии этих КА являются солнечные батареи на основе кремниевых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) и никель-во-дородные аккумуляторные батареи.

Возможности второго поколения платформ начала XXI в. показаны в табл. 2. Так, на платформе Alcatel Spasebus-4000 (первый пуск состоялся в 2001г.) мощность СЭС увеличена до 20 кВт по сравнению с 6 кВт для платформы Spasebus-3000, на платформе HS-702 фирмы Hughes (первый пуск состоялся в 1999 г.) - 13,5 кВт по сравнению с 6...8 кВт для платформы HS-601HP, аналогично для платформы А-2100АХХ фирмы Lockheed Martin 10 кВт вместо 3 кВт для платформы А-2100. Максимальная энерговооруженность и мощность СЭС реализованы на платформе 20.20 - 25 кВт.

Очевидно, что следующее поколение тяжелых платформ ведущих американских и европейских фирм будет

характеризоваться увеличением энерговооруженности как минимум в 2-3 раза при одновременном увеличении срока активного существования (САС) с 10-12 до 15-20 лет. Цостижение такого скачка оказалось возможным благодаря усилиям, предпринятым разработчиками всех компонентов бортовых СЭС и, прежде всего, источников электроэнергии - солнечных батарей (БС) и аккумуляторных батарей (АБ).

По мере развития бортовой энергетики время от времени предпринимаются попытки переосмысления приоритетов различных видов источников электроэнергии для космического применения. Так, в период бурного развития изотопных и ядерных энергоустановок шли оживленные дискуссии о преимуществе их перед БС или динамическими системами с тепловым преобразованием солнечной энергии.

Большой интерес представляют электродинамические тросовые системы, которые представляют собой систему космических объектов, соединенных между собой токопроводящим тросом. При пересечении силовых линий магнитного поля Земли токопроводящим тросом, развернутым с орбитальной станции вдоль местной вертикали, в нем наводится ЭЦС и при замыкании контура по тросу начинает течь ток.

Рассматривается возможность применения «супермаховиков» как накопителей энергии. Причем уровень технологии уже в 1980-х гг. прошлого века позволял получить №уд = 1400 Вт • ч/кг, что на порядок выше, чем у лучших электрохимических аккумуляторов.

Общее поле возможностей для создания бортовых СЭС представлено на рисунке.

К сожалению, за 50-летнюю историю космонавтики не предложено новых источников электроэнергии для КА. По-прежнему основными являются солнечные (фотоэлектрические) генераторы и электрохимические аккумуляторные накопители. Ядерные источники в виде изотопных генераторов и реакторов деления сегодня не мо-

гут конкурировать с БС по удельно-массовым характеристикам и будут применяться, очевидно, для задач дальнего космоса или специального военного использования.

На сегодняшний день для традиционных конструкций панелей БС с кремниевыми монокристаллическими ФЭП в условиях геостационарной орбиты в конце 10-15-летнего срока службы достигнуты следующие проектные характеристики: 110...130 Вт/м2, 50 Вт/кг (соответствует

Виды первичной энергии и способы преобразования их в электроэнергию

Таблица 1

Страна Россия СТА Европа

Производитель НПО ПМ Hughes Loral Bac, MMS AS, MBB

Платформа типа МСС-2500-ГСО платформа 2 поколения HS-601 Intelsat Eurostar- 2000 Spasebus- 3000

КА на ее основе Экспресс, Аркос Sesat, Экспресс-А, Экспресс-АМ Galaxy G V11, Astra 1C Intelsat 7, 7A Telecom-2, Unisat, Orion l--e - S x , t,

Годы начала эксплуатации КА 1992-1995 1999-2001 1992-1993 1992-1995 1992-1995 1990-1993

Стартовая масса КА, т 2,5 2,5 2,5...3,5 2,8...3,0 ,2 <N С. 2...2,5

Мощность системы электроснабжения, кВт 1,5...3,2 4, о 4, 5 4,5 ,5 О. 2, 2,5...3,5 3,0...6,0

Срок активного существования, годы 5...7 10 10 13...15 10 10...12

Таблица 2

Наименование платформы 20.20 HS-702 A-2100AXX Eurostar-3000 Spasebus-4000

Головной подрядчик SS/Loral Hughes Lockheed Martin Matra Marconi Alcatel

Первая компания-заказчик и ее спутник Telstar Galaxy-11 Goruda-1 EAST-1 Astra-1K1

Г од вступления в строй 2002 1999 1999 2001 2001

Срок активного существования, годы 15...20 15 18 15 15

Мощность системы электроснабжения, кВт 25 13,5 10 12 20

КПД ФЭП 15,5... 16,0 % и удельной массе панелей

2,3...2,7 кг/м3). До недавнего времени эти показатели не превышали соответственно 80...90 Вт/м2и 15...20 Вт/кг. Отечественные панели БС имели удельно-массовые характеристики в 2-3 раза ниже зарубежных. Однако, благодаря работам, выполненным НПО ПМ в кооперации с НПП «Квант» и ОАО «Сатурн» при создании БС для КА «Sesat», «Экспресс-А» удалось значительно сократить этот разрыв. Дальнейшие работы по усовершенствованию конструкции панелей, проводимые в рамках программы «ГЛОНАСС-М» и др., позволили превысить по этому показателю уровень лучших зарубежных образцов. С другой стороны, нужно признать, что указанные удельно-массовые характеристики панелей БС с кремниевыми монокристаллическими ФЭП достигли предела.

Дальнейший прогресс в БС возможен при использовании ФЭП на основе новых материалов, в частности, из ар-сенида галлия (GaAs). Трехкаскадные ФЭП GaAs уже применяются на платформах США Ж-702, на европейской Spasebus-4000 и др., что позволило более чем вдвое увеличить мощность БС. Несмотря на более высокую стоимость ФЭП GaAs, их применение позволит в 2-3 раза увеличить мощность БС или соответственно снизить площадь по сравнению с кремниевыми. Кроме того, в НПП «Квант» осваиваются новые ФЭП из аморфного кремния (а - 81), выращенного на фольговой стальной подложке. При меньшем начальном КПД (около 10 %) ФЭП из а - 81, благодаря малой удельной массе, низкой стоимости и потенциально большей стойкости к радиации и температуре, могут представлять интерес для практической космонавтики.

Сравнение ФЭП и возможные характеристики БС на их основе приведено в табл. 3.

Таким образом, серийно выпускаемые трехкаскадные ФЭП на основе GaAs (доступные для приобретения на европейском рынке) имеют средний КПД 26,5 %. Их удельно-массовые характеристики несколько хуже, чем у кремниевых из-за большей удельной массы материала и с учетом защитного стекла составляют 1,76...2,06 кг/м2, в то время как у кремниевых - от 1,07 до 1,33 кг/м2 [1]. Приме-

нение таких ФЭП на основе GaAs в условиях геостационарной орбиты позволяет обеспечить удельную мощность панелей БС 302Вт/м2в начале работы и около

220...230 Вт/м2в конце САС (10...15 лет). По прогнозам фирмы Boeing [1] в ближайшей перспективе эти характеристики будут доведены до 330 Вт/м2 (КПД 29 %) в начале работы и соответственно 240...250 Вт/м2 в конце САС. По этому показателю панели БС на основе арсенид-галлиевых ФЭП более чем вдвое превосходят панели с кремниевыми ФЭП, что позволяет при тех же габаритных ограничениях добиться в два с лишним раза большей выходной мощности СЭС.

Появление на рынке четырехкаскадных ФЭП из GaAs с КПД около 40 % даст возможность увеличить удельную мощность панелей БС до 460 Вт/м2 в начале работы и 370 Вт/м2 в конце САС. С учетом ограничений по предельной площади и возможностей увеличения КПД ФЭП на основе GaAs, реально достижение выходной мощности БС и, соответственно, мощности полезной нагрузки КА до уровней, приведенных в табл. 4. В более отдаленной перспективе можно ожидать существенного улучшения и удельно-массовых характеристик БС.

Масса фотогенерирующей части панели БС определяется, главным образом, массой защитного стекла, клея, коммутирующих элементов (шинки, провода, диоды, кабели и разъемы) и собственно ФЭП.

Необходимость применения защитного стекла обусловлена повышенной чувствительностью ФЭП к низкоэнергичным протонам естественных радиационных поясов Земли при более высокой стойкости к интегральному радиационному облучению. Радиационная защита обеспечивается минимальной толщиной стекла (не более 100 мкм).

Коммутирующая часть панели БС достаточно консервативна, ее масса зависит от токовых параметров батареи и вряд ли может быть существенно снижена.

В области электрохимических накопителей наметился явный переход от никель-водородных (НВ) батарей к литий-ионным (Li-ion). Литий-ионные аккумуляторы имеют ряд важных преимуществ перед широко используемыми в комической энергетике никель-водородными:

- более высокие удельно-массовые характеристики -

Таблица 3

Характеристики Тип фотоэлектрического преобразователя

Кремниевые Российский уровень (ОАО «Cатурн», НПП «Квант») На основе материаЛов из GaAs

Моно-Si a-Si GaAs/Ge Европейский уровень

КПД (%) 15,5...16 10 19 29 40

^д.БС нач (Вт/м ) 19S 120 230 3SS 490

^д.БС 15 Лет (Вт/м ) 13S 108 175 270 370

Mvд.БC (кг/м2) 2,1 0,8 2,1 2,1 2,1

Рта.БС (Вт/кг) 64 13S 83 128 176

Стоимость БС (удеЛьная) до ты Л./ с. м2 40...60 10 120 160 -

доЛЛ./Вт 200...300 80 500 450 -

ДХя БС мощностью 15 кВт в конце САС (15 Хет) на геостационарной орбите

ПЛощадь (м2) 111 140 86 56 40,5

Масса (кг) 230 112 180 120 85

около 120 Вт• ч/кг (у НВ аккумуляторов 70...80 Вт • ч/кг) с перспективой дальнейшего увеличения в новых модификациях аккумуляторов большей емкости. Удельные характеристики Li-ion батарей с учетом 15-летнего САС составляет 80...90 Вт • ч/кг (у НВ аккумуляторов 50...60 Вт • ч/кг);

- высокий энергетический КПД (около 95 вместо 70 % у НВА);

- чрезвычайно малый саморазряд при хранении в заряженном состоянии;

- более высокое напряжение (почти втрое превышает напряжение НВ аккумуляторов).

Эти преимущества дают ряд новых возможностей для разработчиков бортовых СЭС и КА в целом:

- упрощение тепловых проблем и бульшая свобода для компоновки батарей на КА;

- упрощение процедур подготовки батарей перед запуском и инфраструктуры стартового комплекса;

- широкое варьирование емкости батарей путем параллельной работы аккумуляторов, что недопустимо для НВ аккумуляторов;

- лучшая адаптация батарей к высоковольтным шинам питания (100 В и более).

Следует отметить, что реализация указанных преимуществ Li-ion батарей требует применения для контроля параметров и управления надежного комплекса автоматики, так как для аккумуляторов этого типа не допускается увеличение напряжения заряда выше 4,1В и уменьшение напряжения разряда ниже 2,7 В. Комплекс автоматики должен выполнять следующие функции:

- исключение из работы параллельной цепочки аккумуляторов в батарее обходом ее внешней силовой цепью в случае отказа любого аккумулятора в этой цепи;

- частичное шунтирование параллельной цепочки при разряде батареи с целью поддержания на ней напряжения не выше 4,1 В;

- периодическая балансировка аккумуляторов с целью выравнивания их емкости.

Поскольку комплекс автоматики имеет большое значение для обеспечения надежной работы АБ, он является неотъемлемой частью батареи или даже встраивается в нее в виде отдельного блока.

В имеющихся разработках комплекса силовой электроники и автоматики СЭС вся логика управления и защиты АБ осуществляется аппаратно, поэтому в массогабаритных показателях этот комплекс составляет существенную долю. По мере развития и повышения надежности бортовых компьютеров все большая часть этих функций передается централизованному компьютеру КА. Роль комплекса автоматики сводится к обеспечению живучести СЭС на случай сбоев в работе бортового компьютера, и ее влияние на массо-габаритные характеристики системы становится несущественным.

Энергомассовые характеристики основных узлов СЭС КА приведены в табл. 5.

Удельная масса составляющих частей СЭС определялась исходя из следующих условий:

- в состав БС включены панели с ФЭП и монтажом, приводы вращения панелей, механиз-мы зачековки и раскрытия;

- значения мощности указаны в конце САС;

- характеристики комплекса автоматики и стабилизации по результатам отечественных разработок 1998-2000 гг. (с аппаратной логикой управления АБ);

- характеристики комплекса электронного преобразования соответствуют данным фирмы Alcatel.

Значения выходной мощности СЭС КА от ее суммарной массы для некоторых вариантов комплектации (при условии, что масса СЭС не превышает 20-22 % от массы КА) приведены в табл. 6.

Таким образом, анализ современного состояния и тенденций развития бортовых источников электроэнергии и СЭС в целом показал следующее:

- на сегодняшний день при использовании доступных комплектующих элементов возможно создание бортовой СЭС с наиболее высокими характеристиками и выходной мощностью 15...20 кВт;

- реализация в промышленном производстве достигнутых в опытных образцах характеристик фотоэлектрических преобразователей и электрохимических аккумуляторов при существующих массогабаритных ограничениях позволит в перспективе довести выходную мощность СЭС до 30...35 кВт.

Таблица 4

Характеристики БС Значение характеристики

26,5 % 29 % 40 %

Мощность БС (кВт):

в начале работы 21,6 23,6 33,0

в конце САС (15 Хет) 17,3 18,9 26,8

Мощность полезной нагрузки (кВт):

в начаХе работы

17,8 19,5 27,6

в конце САС (15 Хет) 14,0 15,4 22,2

ПХощадь панеХей БС (м2) 72

Масса БС (кг) 240

в том чисХе:

фотогенерирующая часть БС 124

каркасы панеХей 58

допоХнитеХьные механизмы 58

УдеХьная масса (кг/м2):

панеХей 2,5

БС в цеХом 3,3

Библиографический список шов, В.В. Хартов // Электронные и электромеханичес-

кие системы и устройства : сб. науч. тр. НПЦ «Полюс». 1. Кудряшов, В. С. Современное состояние и перспек- Томск : МГП «РАСКО» при изд-ве «Радио и связь», 2001. тивы развития бортовых СЭП связных ИСЗ / В. С. Кудря- С. 17-27.

Таблица 5

ФотоэЛектрические преобразоватеЛи

Кремниевые ФЭП Tреxкаскадные УЛучшенные Четыреxкаскадные Тонкие

т В к/ арсенид-гаЛЛиевые ФЭП

кг of о с 29,6 18,2 18,2 10,5 8,1

AккумуЛяторы

а м НикеЛь-водородные Литий-ионные Литий-ионные пЛеночной конструкции

аян

<< 0> 28,2 16,8 7,3

д Подсистемы автоматики

КомпЛекс автоматики и стабиЛизации КомпЛекс эЛектронного преобразования

напряжения

15,4 4,5

Таблица 6

Варианты комплектации Кремниевые ФЭП, никеХь-водородная АБ, компХекс автоматики и стабилизации напряжения Трехкаскадные арсенид-гаХ-Хиевые ФЭП (КПД 26,5 %), никеХь-водо-родная АБ, компХекс эХектронного преобразования УХучшенные трехкаскадные арсенид-гаХХиевые ФЭП (КПД 29 %), Хитий-ионные аккумуХяторы (WyA = 120 Вт • ч/кг), компХекс эХектронного преобразования Четырехкаскадные ФЭП (КПД 40 %), Хитий-ионные аккумуХяторы (WyA = 120 Вт • ч/кг), компХекс эХектронного преобразования Тонкие четырехкаскадные ФЭП (КПД 40 %), Хитий-ионные аккумуХяторы (WyA = 300 Вт • ч/кг ), компХекс эХектронного преобразования

Мощность СЭС, кВт 9,0 13,0 18,0 20,0 34,0

M. V. Lukyanenko, V. S. Kudrjashov SPACE SHIP’S INSTALLED POWER AND SOURCES OF POWER

Current state and future trends for space ship s power-supply system and sources ofpower has been analysed.