СПОСОБ НАЗЕМНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD OF GROUND ENVIRONMENT OF SPACECRAFT POWER SUPPLY SYSTEM ACCUMULATOR BATTERIES

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при проведении наземных испытаний космических аппаратов (КА) на заводе-изготовителе (ЗИ) КА или на техническом комплексе (ТК) в эксплуатирующей организации (ЭО).
Как известно (B.C. Багоцкий, A.M. Скундин. Химические источники тока, М., Энергоиздат, 1981), из-за значительного тепловыделения АБ в процессе разряда или заряда возникает необходимость их постоянного термостатирования. При штатном функционировании КА, как правило, эта задача решается путем применения термоплат с жидким теплоносителем (Кирилин А.Н., Ахметов Р.Н., Сторож А.Д., Аншаков Г.П. Космическое аппаратостроение, Государственный научно-производственный ракетно-космический центр «ЦСКБ-Прогресс», г.Самара, 2011 г., разд. 8). Однако использование подобного способа эксплуатации АБ при наземных испытаниях (НИ) системы электропитания (СЭП) в составе КА сопряжено с определенными техническими трудностями. Основной причиной этого является то, что в ходе наземной эксплуатации АБ при определенном соотношении значений температуры теплоносителя, с одной стороны, температуры окружающей среды и атмосферного давления, с другой стороны, возможно образование на внешней поверхности термоплат конденсата (влаги). Возникновение и дальнейшее развитие этого физического процесса недопустимо, поскольку в этом случае не гарантируется их безотказная работа из-за неизбежной коррозии металла. При этом не исключается вероятность коррозии и корпуса АБ.
При планировании НИ системы электропитания в составе КА необходимо учитывать тот экспериментально установленный факт, что при переходе от режима заряда или разряда в режим хранения электрохимические процессы в аккумуляторах не прекращаются и их интенсивность снижается только по истечении некоторого времени. К таким процессам, например, у никель-водородных аккумуляторных батарей (НВАБ), относятся рекомбинация выделяющегося частично в конечных фазах заряда и разряда кислорода с водородом и постоянно действующий процесс саморазряда аккумуляторов. Для других типов АБ могут быть характерны иные процессы. В конечном итоге все они способствуют локальному перегреву отдельных аккумуляторов, несмотря на то, что в это время они отключены от зарядно-разрядного цикла. Локальный перегрев аккумуляторов неизбежен и в случае их включения в зарядно-разрядный цикл без предварительного охлаждения. Этот вопрос особенно актуален, если температура окружающей среды значительно превышает номинальную рабочую температуру АБ, равную приблизительно 15°С (Кирилин А.Н., Ахметов Р.Н., Сторож А.Д., Аншаков Г.П. Космическое аппаратостроение, Государственный научно-производственный ракетно-космический центр «ЦСКБ-Прогресс», г.Самара, 2011 г., разд. 8).
При разработке мероприятий, направленных на поддержание на заданном уровне показателей ресурса и надежности эксплуатации штатных АБ, надо иметь в виду, что в случае эксплуатации аккумуляторных батарей при НИ в составе КА путем активного их охлаждения системой терморегулирования (СТР), когда процесс НИ организован как непрерывный процесс, происходит неоправданный расход ресурса АБ и СТР. А если имеют место перерывы в работе с выключением системы электропитания КА и СТР, то такой цикл испытаний, как было отмечено выше, чреват локальным перегревом аккумуляторов, приводящим в конечном итоге к снижению надежности эксплуатации аккумуляторных батарей.
Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи по патенту РФ №2329572 (аналог), заключающийся в проведении зарядов и разрядов с активным термостатированием и контролем температуры аккумуляторов и хранении в заряженном или разряженном состоянии без проведения активного термостатирования; продолжении ее термостатирования по окончании заряда или разряда аккумуляторной батареи перед хранением не менее 1,5 ч от окончания заряда либо разряда.
К числу недостатков аналога следует отнести то, что он не позволяет полностью исключить локальный перегрев аккумуляторов НВАБ, также имеется вероятность образования на корпусе аккумуляторных батарей конденсата. Указанные выше недостатки являются характерными применительно и к другим типам АБ, например к литий-ионным аккумуляторным батареям (ЛИАБ), перспективным для использования в составе СЭП современных КА с большим сроком активного существования.
Известен способ эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей системы электропитания космического аппарата по патенту RU №2399122 (прототип), заключающийся в том, что две или более аккумуляторные батареи (АБ) циклируют в режиме заряда-разряда, задаваемом бортовой автоматикой системы электропитания; степень заряда АБ ограничивают по уровню срабатывания сигнальных датчиков давления, размещенных в отдельных аккумуляторах каждой АБ; контролируют параметры каждой АБ, например текущую электрическую емкость, напряжение, температуру; периодически проводят формовочные циклы АБ путем глубокого их разряда; оценивают состояние АБ; периодически, например один раз в 6-9 месяцев, вводят запрет заряда для одной из АБ; в качестве разрядной нагрузки используют бортовую аппаратуру космического аппарата; критерием ограничения глубины разряда выбирают величину напряжения АБ, причем значение граничного уровня напряжения устанавливают в вольтах, равным числу n, либо (n+1) аккумуляторов в АБ, при достижении которого снимают запрет заряда АБ, включая тем самым ее в штатную работу; значения зарядной емкости срабатывания сигнального датчика давления и максимального напряжения АБ при заряде, определяемые в процессе завершения формовочного цикла, используют для оценки состояния аккумуляторной батареи и прогнозирования ее деградации; аналогичную последовательность операций повторяют для последующей АБ; при этом промежуток времени от завершения формовочного цикла одной АБ до начала формовочного цикла другой АБ выбирают, исходя из температурного режима отформованной АБ.
Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает повышение надежности эксплуатации и сохранение ресурсных характеристик АБ на этапе проведения НИ СЭП в составе КА на ЗИ КА или ТК в эксплуатирующей организации.
Задачей предлагаемого изобретения является сохранение ресурсных характеристик и повышение надежности эксплуатации различных типов аккумуляторных батарей СЭП КА на этапе проведения НИ СЭП на ЗИ КА или ТК в ЭО.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе наземной эксплуатации аккумуляторных батарей (АБ) системы электропитания (СЭП) космического аппарата (КА), заключающемся в циклировании двух или более аккумуляторных батарей в режиме заряда-разряда, задаваемом бортовой автоматикой системы электропитания, ограничении степени заряда АБ по уровню срабатывания сигнальных датчиков, контролировании параметров каждой АБ, например текущей электрической емкости, напряжения, температуры; периодически оценивании состояния АБ, штатные или технологические аккумуляторные батареи монтируют на технологические термоплаты, расположенные вне КА в замкнутом отсеке, причем используют отсек негерметичного исполнения; в качестве теплоносителя, циркулирующего в термоплатах, применяют охлаждаемую наземными средствами обеспечения теплового режима (НСОТР) воздушную массу; контур охлаждения аккумуляторных батарей, включающий в себя технологические термоплаты, трубопроводы и другие элементы НСОТР, выполняют разомкнутым, причем оконечную часть трубопровода контура охлаждения размешают внутри отсека с АБ; в случае, если имеют место перерывы в работе с выключением СЭП и НСОТР, при возобновлении испытаний после перерыва СЭП включают только через определенное время после включения НСОТР как минимум через 1 час.
На фиг. 1 показаны: составные части СЭП (комплекс автоматики и стабилизации (КАС), батарея фотоэлектрическая (БФ), бортовая кабельная сеть (БКС), технологическая кабельная сеть); схема размещения составных частей СЭП на КА в комплектации, необходимой для проведения НИ СЭП на ЗИ КА или на ТК в ЭО.
На фиг. 2 приведена принципиальная пневматическая схема для охлаждения аккумуляторных батарей АБ (АБ-1, …, АБ-N, N -количество аккумуляторных батарей в составе СЭП), применяемая в процессе выполнения НИ СЭП.
На фиг. 3 показана принципиальная электрическая схема подключения аккумуляторных батарей АБ (АБ-1, …, АБ-N), расположенных вне КА в замкнутом отсеке негерметичного исполнения, к КАС.
Составные элементы СЭП размещают на космическом аппарате (см. фиг. 1), состоящем из отсека целевой аппаратуры 1, герметичного приборного отсека 2 и негерметичного агрегатного отсека 3. Комплекс автоматики и стабилизации 4 устанавливают в приборном отсеке 2 и охлаждают газовым потоком. В орбитальном полете КА для термостатирования штатных АБ 5 используют штатные термоплаты (ТП) системы терморегулирования. Термопаты ТП (ТП-1, …, ТП-N) 6 соединяют между собой магистральными трубопроводами 7 для образования штатного контура термостатирования. На место штатных АБ во время проведения испытаний могут быть установлены макеты АБ 5, а при применении в составе СЭП технологических АБ вместо штатных АБ последние могут быть установлены на штатные термоплаты ТП (ТП-1, …, ТП-N) 6, но отключены от СЭП. Для подключения аккумуляторных батарей к КАС 4 применяют технологическую кабельную сеть (ТБКС) 8, кабели которой одним концом подключают к соединителям АБ, а другим концом - к соединителям штатной бортовой кабельной сети (БКС) 9, связывающей штатные АБ с КАС 4 при штатной эксплуатации СЭП. Батарею фотоэлектрическую 10 не используют, поэтому отключают ее на время наземных испытаний от СЭП, при этом функцию штатной БФ 10 выполняет имитатор БФ (на фиг. 1 имитатор БФ не показан). Электрическую стыковку имитатора БФ с КАС 4 осуществляют через штатные электрические соединители 11 БКС 9.
Для охлаждения аккумуляторных батарей в процессе НИ используют наземные средства обеспечения теплового режима (НСОТР) 12 (см. фиг. 2 и фиг. 3), расположенные в помещении 13. В процессе функционирования НСОТР 12 воздушная масса 14, являющаяся теплоносителем, охлаждается и поступает в технологические термоплаты ТТП (ТТП-1, …, ТТП-N) 15 под избыточным давлением и, проходя по магистральным технологическим трубопроводам 16 и каналам 17, образующим разомкнутый контур охлаждения, поступает через оконечное устройство 18 в свободное пространство замкнутого отсека 19 негерметичного исполнения.
В замкнутом отсеке 19 (см. фиг. 3), установленном вне КА, размещены аккумуляторные батареи АБ (АБ-1, …, АБ-N) 20 или вместо них - технологические аккумуляторные батареи, которые подключаются к другим составным частям СЭП с помощью наземной кабельной сети (НКС) 21, ТБКС 8 и БКС 9 (см. фиг. 1).
Наземную эксплуатацию АБ осуществляют следующим образом. Две или более аккумуляторные батареи циклируют в режиме заряда-разряда, задаваемом бортовой автоматикой системы электропитания. В качестве бортовой автоматики СЭП используют комплекс автоматики и стабилизации 4, который включает в себя N зарядно-разрядных устройств, соответствующих количеству АБ (на фиг. 1 зарядно-разрядные устройства в КАС не выделены). Степень заряда АБ ограничивают по уровню срабатывания сигнальных датчиков давления (для НВАБ) или сигнальных датчиков напряжения аккумуляторов (для ЛИАБ), а параметры каждой АБ, например текущую электрическую емкость, напряжение, температуру, контролируют, используя телеметрическую информацию (ТМИ). В процессе проведения испытаний периодически оценивают состояние аккумуляторных батарей. В случае применения в составе СЭП НВАБ, оценку состояния АБ проводят также в процессе проведения формовочных циклов, выполняемых для выравнивания параметров аккумуляторов формуемой АБ по емкости и напряжению.
При наличии перерывов, возникающих в ходе НИ, аккумуляторные батареи после перерыва включают как минимум через 1 час после включения НСОТР. Такая операция необходима и достаточна для охлаждения еще не функционирующих АБ до (15±5)°С и исключения или существенного ослабления местного перегрева отдельных аккумуляторов за счет эффективного дальнейшего термостатирования предварительно «охлажденных» АБ.
Аналогично и для этой же цели НСОТР выключают на перерыв, например через 1,5 часа после выключения аккумуляторных батарей от зарядно-разрядного цикла. Проведенные в АО «РКЦ «Прогресс» экспериментальные исследования полностью подтверждают эффективность таких мероприятий.
Повышение надежности эксплуатации АБ при проведении проведения НИ и сохранение ресурсных характеристик штатных АБ достигается за счет:
- установки штатных или технологических АБ на технологические термоплаты ТТП (ТТП-1, …, ТТП-N) 15, расположенные вне КА в негерметичном отсеке 19. В этом случае ресурс штатных АБ (если используются технологические АБ) и термоплат СТР не тратится в процессе НИ КА;
- использования воздушного теплоносителя 17, охлаждаемого и прокачиваемого под избыточным давлением с помощью НСОТР 12, и выполнения контура охлаждения разомкнутым. При этом исключается появление конденсата на корпусе термоплат ТТП (ТТП-1, …, ТТП-N) 15 и аккумуляторных батарей АБ (АБ-1, …, АБ-N) 20, поскольку происходит практически выравнивание температур поверхности технологических термоплат и окружающей среды в отсеке 19 с АБ (АБ-1, …, АБ-N) 20;
- выполнения отсека 19 негерметичным. В этом случае давление воздуха в отсеке не отличается от давления окружающей среды, следовательно, отсутствуют условия образования конденсата;
- отключения через заданное время (например, через 1 час) НСОТР 12 после завершения испытаний СЭП. При этом исключается локальный перегрев аккумуляторов.
Таким образом, применение данного способа позволяет в процессе наземной эксплуатации СЭП вместо штатных АБ использовать технологические аккумуляторные батареи, сохранить ресурсные характеристики и повысить надежность эксплуатации различных типов аккумуляторных батарей системы электропитания космических аппаратов на этапе проведения НИ СЭП на ЗИ КА или ТК в ЭО.