Расчёт солнечных батарей космических аппаратов спутниковой системы связи на низкой круговой орбите

Список использованной литературы:

1. Лядова Е. Ф. Создание многопараметрической модели совокупной стоимости владения (ТСО) изделиями радиоэлектронной промышленности и IT // Сборник материалов международных научно-практических конференций. - М. : Центр научного развития «Большая книга», 2019. - С. 30-35.

2. Лядова Е. Ф. Методика оптимизации технико-экономических показателей при эволюционной модернизации систем связи и передачи данных // Высокие технологии и инновации в науке: сборник избранных статей Международной научной конференции (Санкт-Петербург, Сентябрь 2019). - СПб.: ГНИИ «Нацразвитие», 2019. - С. 148-153.

3. Лядова Е. Ф., Волков А. С. Моделирование ресурсных потребностей эволюционного развития и гибкой реконфигурации специализированной системы связи и передачи данных // Славянский форум: Материалы международной научно-практической конференции «Развитие инфокоммуникационных технологий. Теория и практика (г. Бургас, Болгария, 5 декабря 2019 года). - Бургас: ИГНЭИТ, 2019. - С. 59-68.

4. Лядова Е. Ф. Оптимизация систем связи при ограничениях на технические, эксплуатационные и стоимостные параметры // Славянский форум: Материалы международной научно-практической конференции «Геоинформационный сервис. Теория и практика (Москва, 12 марта 2020 года). - Бургас: ИГНЭИТ, 2020. - С. 284-293.

5. Кочкаров А. А. и др. Оценка непрерывности информационного взаимодействия и доведения информации в системах мониторинга с динамической структурой / Кочкаров А. А., Тимошенко А. В., Литвинов А. В., Лядова Е. Ф., Гайчук Ю. Н. // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2019. -№ 8. - С. 66-71.

© Грищенко С.А., Давыдов А.Б., Зайковский А.В., 2020

УДК 629.78

Дыбля А.Ю.

Конструктор НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС»

Кузина Т.А.

Инженер АО «НПК «ВТиСС» Самойлов В.В.

Ведущий специалист НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС»

г. Москва, РФ

РАСЧЁТ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ НА НИЗКОЙ КРУГОВОЙ ОРБИТЕ

Аннотация

Рассматриваются вопросы расчёта солнечных батарей космических аппаратов спутниковой системы связи. Описаны назначение фотопреобразователей, также температурных, радиационных условий функционирования, воздействия ультрафиолетового излучения на защитные покрытия ФП, воздействия солнечных и галактических космических лучей, и магнитосферной плазмы, также воздействие метеорного вещества на ФП.

Ключевые слова:

Спутниковая система связи, космический аппарат, солнечные батареи, фотопреобразователь, КА.

Солнечные батареи, используемые в составе рассматриваемых космических аппаратов (КА) спутниковой системы связи диапазона Ки на низкой круговой орбите, имеют следующее назначение:

1) обеспечение электропитания бортовой аппаратуры КА при летной эксплуатации;

2) восполнение емкости аккумуляторных батарей (АБ) на освещённых участках орбиты. В качестве вариантов применения рассмотрены трехкаскадные солнечные элементы из арсенида галлия на германиевых подложках производства АО «Сатурн» (Россия) с характеристиками фотопреобразователей (ФП), представленными в таблице 1.

Таблица 1

Характеристики фотопреобразователей АО «Сатурн» в условиях АМ0, T = 28°С, Eso = 1367 Вт/м2

Параметр, обозначение и размерность Значение

Коэффициент полезного действия Л, % 28,0

Напряжение холостого хода Uoc,MB 2669

Ток короткого замыкания Isc, мА 507

Напряжение в точке максимальной мощности Ump, мВ 2350

Ток в точке максимальной мощности Imp, мА 491,9

Температурные коэффициенты: - по напряжению холостого хода мВ KToc,^T -6,0

- по току короткого замыкания мА K-rs^ 0,32

- по напряжению в точке максимальной мощности мВ KTum,T^" -6,1

- по току в точке максимальной мощности мА KTim,T^" 0,28

Коэффициент поглощения лицевой поверхности ФП ai 0,86 - 0,91

Коэффициент излучения лицевой поверхности ФП Si > 0,84

Коэффициент поглощения тыльной поверхности ФП (текстолит) a2 0,44 - 0,51

Коэффициент излучения тыльной поверхности ФП (текстолит) S2 0,74 - 0,9

Площадь ФП S, см2 30,18

Коэффициенты деградации электрических характеристик ФП в зависимости от потока моноэнергетического пучка электронов с энергией 1 МэВ представлены в таблице 2.

Таблица 2

Коэффициенты деградации ФП АО «Сатурн»

Параметр 2,5-1014 частиц/см2 5-1014 частиц/см2 1015 частиц/см2

Напряжение холостого хода 0,96 0,95 0,93

Ток короткого замыкания 0,99 0,99 0,96

Напряжение в точке максимальной мощности 0,96 0,94 0,93

Ток в точке максимальной мощности 0,99 0,97 0,94

Мощность 0,95 0,92 0,88

При применении в качестве несущей подложки для фотоэлектрических преобразователей ультралегких каркасов солнечных батарей из углепластика производства ОНПП «Технология» температурные условия оцениваются как аналогичные применению струнных каркасов с силовой рамой из углепластика и по предварительным оценкам приведены в таблице 3.

Таблица 3

Температурные условия

Элемент конструкции Допустимый диапазон температур Расчетный диапазон температур

Tmin, °C Tmax, 0C Tmin, ОС Tmax, ОС

Углепластиковые элементы конструкции -150 90 -30 50

Шарнирные узлы каркасов -90 100 -30 33

Фотопреобразователи -170 100 -45 55

Температурная зависимость ФП учитывается следующими выражениями [1, с. 189-190]:

Ump(T) = Ump(To) + KTum(T - То);

Imp(T) = Imp(T0) + KTim(T - T0);

Pm(T) = Ump(T)-Imp(T).

Учитывая параметры, приведенные в таблицах, определены коэффициенты снижения мощности ФП из-за температурных условий функционирования (см. табл. 4).

Таблица 4

Учёт температурных условий функционирования для ФП

Параметр Значение

итр(То),мВ 2350

1тр(То),мА 491,9

КТит -6,1

КТт 0,28

Т-То 27

Коэффициент влияния рабочей температуры ФП на мощность, кт 0,944

ФП в открытом космосе подвергается воздействию частиц естественных радиационных поясов Земли, протонов СКЛ и ГКЛ, тяжелых заряженных частиц СКЛ и ГКЛ [2, с. 45-48]. Облучение оказывает отрицательное воздействие на ФП, разрушая их структуру и ухудшая энергетические характеристики.

Эквивалентный поток за 5 лет срока активного существования (САС) по предварительным оценкам составит величину около 1014 частиц/см2, для расчетов принимаем нижнюю границу коэффициентов деградации, приведенных в таблицах для ФП АО «Сатурн» ^ = 0,95.

Как показывают результаты испытаний, основная деградация оптических характеристик защитных покрытий ФП происходит в течение первых 500-600 часов воздействия УФ-излучения в условиях космического пространства. Потери за счет ухудшения прозрачности защитного покрытия прямо пропорциональны его толщине. При толщине стекла 0,12 мм, каучука 0,03 мм, - суммарное ухудшение прозрачности за счет воздействия ультрафиолета не превысит 2 %, соответственно коэффициент деградации по току за счет воздействия УФ излучения равен ^ = 0,98.

При эксплуатации КА подвергается воздействию солнечных и галактических космических лучей и магнитосферной плазмы. В результате этих воздействий наблюдается электростатическое накопление потенциалов на диэлектрических поверхностях КА. Электризация КА в основном обусловлена воздействием среднеэнергетических электронов с энергией от 5 до 100 КэВ. По зависимостям полученным в результате летных испытаний аналогичных ФП в условиях космического пространства за срок активного существования 5 лет потери по мощности kеl = 0,997.

ФП в процессе полёта будут подвергаться воздействию метеорного вещества в виде [3, с. 25-29]:

- спорадических метеорных частиц;

- частиц пылевой оболочки Земли;

- частиц космического мусора;

- частиц, принадлежащих сезонным метеорным потокам.

Повреждающее воздействие заключается в ухудшении прозрачности защитного стекла, но частичное повреждение площади ФП и наличие на нем даже нескольких трещин не приводит к существенному уменьшению тока. Деградация тока БФ за время эксплуатации от воздействия метеорного вещества не превысит 0,5 % и соответственно коэффициент потерь по току за счет воздействия kmm = 0,995.

Основными техническими ограничениями являются:

1) погрешности измерения тока и напряжения;

2) коэффициент точности ориентации батарей на Солнце;

3) коэффициент заполнения площади БС.

Погрешности измерения тока и напряжения при приемо-сдаточных испытаниях ФП ker = 0,97.

Коэффициент точности ориентации батарей на Солнце - учитывает конструктивные точности установки привода системы ориентации солнечных батарей относительно измерительной системы координат, точность привода, точность установки плоскостей относительно системы координат привода и точность допустимую СО БС. При суммарной погрешности 20 градусов kcos = 0,94.

Коэффициент заполнения площади БС - коэффициент, учитывающий конструктивные и технологические требования установки ФП на панели БС ks = 0,95.

Все вышеперечисленные коэффициенты, влияющие на площадь БС КА, представлены в таблице 5.

Таблица 5

Значения используемых коэффициентов

Коэффициент Значение

КПД = 28% КПД = 29,3%

kT 0,944 0,946

krp 0,95 0,94

kuv 0,98

kel 0,997

kmm 0,995

ker 0,97

kcos 0,94

ks 0,95

Список использованной литературы:

1. Разработка проектного облика космического аппарата спутниковой системы связи. Научно-технический отчёт. Шифр «МКА-Связь». - М. : НПО им. Лавочкина, 2014. - 371 с.

2. Грабин Б. В. Основы конструирования космических аппаратов: Учебное пособие. - М. : МАИ, 2007. -78 с.

3. Кирилин А. Н. др. Космическое аппаратостроение: Научно-технические исследования и практические разработки ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс»/ Под ред. д.т.н. А. Н. Кирилина. - Самара: Издательский дом «АГНИ», - 2011. - 280 с.

© Дыбля А.Ю., Кузина Т.А., Самойлов В.В., 2020

УДК 629.78

Дыбля Ю.В.

Главный специалист НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС»

Крылова О.С.

Аналитик НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС»

Яковлев К.В.

Начальник отдела РЭЗ радиоэлектронных средств НТЦ-2 АО «НПК «ВТиС»

г. Москва, РФ

РАСЧЁТ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ НА НИЗКОЙ КРУГОВОЙ ОРБИТЕ

Аннотация

Рассматриваются вопросы применения литий-ионных аккумуляторных батарей на космических аппаратах спутниковой системы связи на низкой круговой орбите.

Ключевые слова:

Спутниковая система связи, космический аппарат, низкая круговая орбита, аккумуляторная батарея, батарея, КА, ССС.

Работоспособность, штатное функционирование и срок активного существования космических аппаратов (КА) спутниковой системы связи (ССС) на низкой круговой орбите в значительной степени зависит от правильного расчёта и выбора аккумуляторных батарей [1, с.120-135], что, в свою очередь, существенно влияет на совокупную стоимость владения и эксплуатационные показатели как самой ССС, так и использующих её потребителей [2, с. 361-365; 3, с. 372-377].

Аккумуляторные батареи (АБ), входящие в состав КА, предназначены:

~ 31 ~