СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В СОСТАВЕ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НЕГЕРМЕТИЧНОГО ИСПОЛНЕНИЯ С РАДИАЦИОННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ И КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF OPERATING NICKEL-HYDROGEN STORAGE BATTERY INCORPORATED WITH UNTIGHT SPACECRAFT WITH RADIATION COOLING AND SPACECRAFT TO THIS EFFECT

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при проектировании космических аппаратов (КА) преимущественно с трехосной ориентацией для геостационарной орбиты.
Космический аппарат представляет собой (см. Космические аппараты. Под общей редакцией К.П.Феоктистова, М., Воениздат, 1993, [1]) техническое устройство, состоящее из целевой аппаратуры и обеспечивающих систем. В качестве целевой аппаратуры используется преимущественно связная аппаратура. В число обеспечивающих систем входят: система электропитания, система ориентации КА, бортовой комплекс управления, система терморегулирования и другие системы в зависимости от типа и назначения КА.
К числу систем современных КА, по сути определяющих срок активного существования КА, относится в первую очередь система электропитания, у которой наиболее критичным звеном являются аккумуляторные батареи (АБ).
Для обеспечения длительного срока службы (ресурса) АБ очень важно обеспечивать, в процессе их эксплуатации, комфортные температурные режимы, при этом особенно важно поддерживать температуру в сравнительно узком диапазоне. Оптимальный диапазон рабочих температур для никель-водородных АБ, предназначенных для установки на связных КА и характеризующихся сравнительно высокими токами заряда и разряда, составляет (5-15)°С (см. S.W.Donley and D.C.Verrier. Study of Nickel - Hydrogen Battery discharge Performance after charge and stand at warm temperatyre. TRW Space and Technology Groyp. Proc. 27-th Intersoc. Energy Convers. Eng. Conf. "Technol.Energy. Effic. 21-st Century", San Diego, Calif., aug. 3-7, 1992. (С.В.Донли, Д.С.Верьер. Исследование разрядных характеристик никель-водородной батареи после заряда и выдержки при повышенной температуре, [2]).
Известен КА (патент №2227108, B64G 1/10, B64G 1/50, 2003), содержащий устройства и приборы, установленные на обшивках сотовых панелей со встроенным жидкостным коллектором и имеющие входы и выходы, соединенные между собой трубопроводами.
Недостатком известного КА является то, что в нем термостатирование обеспечивается одним жидкостным контуром с усредненным для всей аппаратуры КА значением температуры, что не позволяет существенно регулировать теплосъем с какой-либо конкретной аппаратуры, например с аккумуляторной батареи.
Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе КА (патент №2164881, B64G 1/00, B64G 1/22, B64G 1/42, 2001), содержащий отсек с целевой аппаратурой, герметичный приборный отсек, агрегатный отсек с комплексной двигательной установкой, систему терморегулирования с гидравлическими контурами и приборами для отбора, подвода и сброса тепла, в том числе выполненными в виде термоплат со штатными и технологическими гидравлическими каналами, систему электропитания, состоящую из солнечной батареи, установленного в приборном отсеке комплекса автоматики и стабилизации напряжения, размещенных в агрегатном отсеке никель-водородных аккумуляторных батарей, установленных внутри каждой батареи датчиков давления, чувствительных к изменению текущей электрической емкости батарей, а также бортовой комплекс управления с бортовой вычислительной машиной, причем, указанные датчики давления через устройства преобразования сигнала включены в канал обмена информацией между указанными комплексом автоматики и стабилизации напряжения и бортовой вычислительной машиной, которая снабжена программой, корректирующей режим работы аппарата в зависимости от глубины разряда аккумуляторных батарей и определяющей суммарную глубину разряда.
Недостатком известного способа и КА является то, что в нем не учитывается текущее тепловыделение аккумуляторных батарей, а теплосъем с них не регулируется, что приводит к расширению температурного диапазона эксплуатации и соответственно не обеспечивается эффективное использование аккумуляторных батарей.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе геостационарного искусственного спутника Земли (заявка №2005132149 от 17.10.2005 г., публикация 27.04.2007 г.), заключающийся в контроле установившегося тока саморазряда и степени заряженности аккумуляторной батареи по аналоговым датчикам давления, хранении в заряженном состоянии с проведением периодических дозарядов, для компенсации саморазряда, аккумуляторной батареи на солнечных орбитах и в проведении заряд-разрядных циклов на теневых орбитах и поддержании токов саморазряда в определенных диапазонах в зависимости от режима эксплуатации аккумуляторной батареи и температуры посадочного места. Этот способ принят за прототип.
Известный способ, базируясь на поддержании величины токов саморазряда аккумуляторов, позволяет ограничить их тепловыделение, а значит, и температуру. Однако, известный способ не рассматривает вопросы обеспечения температурного режима аккумуляторной батареи системой терморегулирования КА, что снижает его эффективность.
Наиболее близким по технической сущности заявляемому КА является КА (патент №2264954, B64G 1/10, B64G 1/50, 2003), принятый за прототип. Известный «КА с регулярной ориентацией относительно Солнца, содержащий корпус с выступающими элементами конструкции, состоящий из установленных вдоль продольной оси модулей, две противоположные грани каждого из которых, являющиеся радиаторами со встроенными тепловыми трубами, развернуты от направления на Солнце, при этом в модулях расположены n (n=1, 2, …) теплонагруженных узлов и приборов бортовой аппаратуры, двигательный блок с двигателями системы коррекции, ориентации и стабилизации, топливными баками и магистралями подачи рабочего тела, отличающийся тем, что к двигательному блоку прикреплены k (k=1, 2, …) теплонагруженных узлов и приборов бортовой аппаратуры, теплоизолированных экранно-вакуумной теплоизоляцией от n-х теплонагруженных узлов и приборов бортовой аппаратуры, причем указанные k-e узлы и приборы бортовой аппаратуры крепятся к двигательному блоку кронштейнами, устанавливаемыми на теплоизолирующие прокладки, а двигательный блок выполнен в виде трехслойной панели, состоящей из двух установочных плоскостей с сотовым наполнителем, внутри которой проложены тепловые трубы с нагревателями, каждый из k-x узлов и приборов бортовой аппаратуры охвачен аксиальной U-образной тепловой трубой, имеющей тепловой контакт с их корпусами, при этом каждая из аксиальных тепловых труб, в свою очередь, имеет тепловой контакт с испарителем контурной тепловой трубы, выход которого через паропровод соединен с входом радиатора-излучателя, а выход радиатора-излучателя через конденсатопровод контурной тепловой трубы соединен с входом испарителя этой тепловой трубы, при этом радиаторы-излучатели установлены в плоскостях, параллельных граням, развернутым от направления на Солнце, за границами зон затенения выступающими элементами конструкции открытого для радиаторов-излучателей космоса».
Эффективная хладопроизводительность системы терморегулирования в известном КА, получаемая за счет предлагаемого расположения радиаторов, позволяет обеспечивать сброс тепла от наиболее теплонапряженных n-х узлов и агрегатов. При этом площади указанных панелей могут быть разные, необходимые и достаточные для обеспечения теплового режима конкретного прибора или агрегата, а наличие нагревателей позволяет избежать снижения температуры ниже нижнего граничного уровня.
В то же время эффективность такой системы терморегулирования недостаточно высока, так как она отрабатывает свершившийся факт (достижение граничной температуры), а не его предупреждение.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности использования аккумуляторных батарей и улучшение ресурсных характеристик системы электропитания и КА в целом.
Поставленная задача достигается тем, что определяют текущее тепловыделение аккумуляторной батареи, а тепловыделение нагревателей регулируют исходя из соотношения:
Qнагр+Qаб-Qpo=const,
где Qнагр - текущее интегральное тепловыделение нагревателей;
Qaб - текущее тепловыделение аккумуляторной батареи;
Qpo - теплоотдача посредством радиационного охлаждения;
Const - установленное значение разницы расчетного тепловыделения и теплоотдачи;
при этом при запуске космического аппарата величина Const равна нулю, а в процессе эксплуатации космического аппарата (автоматически либо по командам с Земли) ее корректируют в большую или меньшую сторону исходя из условия нахождения температуры аккумуляторной батареи в пределах установленных граничных значений.
Космический аппарат для реализации заявляемого способа содержит приборный блок, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда, устройства и приборы, установленные на внутренних сторонах параллелепипеда приборного блока, в том числе система терморегулирования для подвода и сброса тепла, содержащая локальные нагреватели и радиаторы-излучатели, система электропитания, состоящая из солнечной батареи, стабилизированного преобразователя напряжения, никель-водородных аккумуляторных батарей, с установленными на аккумуляторах аналоговыми датчиками давления и температуры, устройства контроля аккумуляторных батарей, а также бортовой комплекс управления с бортовой вычислительной машиной. При этом указанные аналоговые датчики давления и температуры через устройство контроля аккумуляторных батарей включены в канал обмена информацией между указанными стабилизированным преобразователем напряжения, системой терморегулирования и бортовой вычислительной машиной, которая снабжена программой, корректирующей работу локальных нагревателей аккумуляторных батарей системы терморегулирования, в зависимости от степени заряженности и режима работы аккумуляторных батарей и их температуры.
Следует отметить, что в отличие от остальной бортовой аппаратуры КА, имеющей в основном фиксированные значения тепловыделения в каждом конкретном режиме работы, тепловыделение никель-водородных АБ зависит от режима работы (заряд, разряд, хранение в заряженном состоянии), величины токов заряда-разряда, степени заряженности и температуры. Так, например, заряд малыми токами никель-водородной батареи в состоянии низкого уровня заряженности носит эндотермический характер (Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов "Металл-водородные электрические системы", Ленинград, "Химия", Ленинградское отделение, 1989 г., гл.IV, стр.99-101 [2]), а в конечной фазе заряда интенсивность тепловыделения весьма существенна.
На фиг.1 показано предлагаемое устройство КА для работы на геостационарной орбите.
При этом введены нижеследующие обозначения:
1 - приборный блок КА;
2 - солнечные батареи КА;
3 - радиатор-излучатель.
Приборный блок КА 1 выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда, состоящего из "южной" и "северной" сотопанелей радиаторов и «восточной» и «западной», а также нижних и верхних торцевых панелей упрощенной конструкции.
Внутри приборного блока (на внутренней стороне сотопанелей и панелей упрощенной конструкции) установлены устройства и приборы КА, в том числе система терморегулирования для подвода и сброса тепла, выполненная в виде локальных нагревателей (локальные нагреватели могут устанавливаться непосредственно в какой-либо аппаратуре), и термоплат с тепловыми трубами и радиаторами-излучателями, система электропитания, состоящая из солнечной батареи, стабилизированного преобразователя напряжения, устройств контроля аккумуляторных батарей и никель-водородных аккумуляторных батарей, с установленными аналоговых датчиками давления и температуры аккумуляторов, а также бортовой комплекс управления с бортовой вычислительной машиной, при этом указанные аналоговые датчики давления и температуры через устройства контроля аккумуляторных батарей включены в канал обмена информацией между указанными стабилизированным преобразователем напряжения, никель-водородными аккумуляторными батареями, системой терморегулирования и бортовой вычислительной машиной, которая снабжена программой, корректирующей работу локальных нагревателей аккумуляторных батарей системы терморегулирования, в зависимости от степени заряженности и режима работы аккумуляторных батарей и их температуры.
Солнечные батареи 2 установлены вдоль продольной оси Z КА, перпендикулярной плоскости орбиты КА, со стороны "южной" и "северной" сотопанелей радиаторов.
Радиатор-излучатель 3 установлен в плоскости "северной" или "южной" сотопанели радиатора.
Основная тепловыделяющая аппаратура размещается на "северных" и "южных" сотопанелях. При этом тепловыделяющая аппаратура имеет, как правило, обогреватели для подвода тепла к отдельным узлам и агрегатам для исключения их переохлаждения.
Корпуса наиболее тепловыделяющей аппаратуры теплоизолированы от окружающих приборов и элементов конструкции при помощи многослойной экранно-вакуумной теплоизоляции. Это позволяет исключить взаимовлияние и повысить точность поддержания нужного температурного режима.
Выделение отдельных теплонагруженных узлов и приборов из всей аппаратуры КА и помещение их специальным образом, с теплоизоляцией от соседних приборов, позволяет создать для них "особые условия" работы, обеспечивающие повышенный теплоотвод, увеличить локально хладопроизводительность системы обеспечения теплового режима.
Заявляемое изобретение не касается конструкции теплоотводящих элементов (тепловых труб), поэтому пример конкретной реализации в этой части, подробно описанный в прототипе, в материалах настоящей заявки не рассматривается.
В заявляемом изобретении наибольший интерес представляет обеспечение теплового режима никель-водородных аккумуляторных батарей.
На фиг.2 приведен пример функциональной схемы электрических и интерфейсных связей для реализации конкретной задачи заявляемого изобретения.
При этом дополнительно введены нижеследующие обозначения:
4 - стабилизированный преобразователь напряжения;
5 - устройства и приборы КА;
6 - система терморегулирования;
7 - бортовой комплекс управления с бортовой вычислительной машиной;
8 - устройство контроля аккумуляторной батареи;
9 - никель-водородная аккумуляторная батарея;
10 - аккумуляторы;
11 - аналоговые датчики давления;
12 - аналоговые датчики температуры;
13 - локальный (встроенный) нагреватель.
Для управления КА и выполнения других функций служит бортовой комплекс управления с бортовой вычислительной машиной 7. В качестве аккумуляторной батареи 9 использованы никель-водородные АБ из последовательно соединенных аккумуляторов 10, которые оснащены датчиками давления 11 и температуры 12.
Датчики давления 11 и температуры 12 запитаны от устройства контроля аккумуляторной батареи 8, содержащего устройства контроля аккумуляторных батарей для передачи в бортовой комплекс управления с бортовой вычислительной машиной 7, в который поступает также информация о режиме работы аккумуляторной батареи 9 (заряд, разряд, хранение, величина токов заряда-разряда) из стабилизированного преобразователя напряжения 4. Бортовая вычислительная машина оснащена программой, формирующей управляющие команды в систему терморегулирования 6, и стабилизированный преобразователь напряжения 4.
Повышение эффективности использования аккумуляторных батарей и улучшение ресурсных характеристик СЭП и КА в целом при его штатной работе осуществляется следующим образом.
Бортовое программное обеспечение рассчитывает текущее тепловыделение аккумуляторной батареи 9 исходя из входных данных по режиму работы (заряд, разряд, хранение, величины токов заряда-разряда, степени заряженности и температуры и из расчетного соотношения: Qнагр+Qaб-Qpo=const, задает режим работы локальных нагревателей 13 аккумуляторных батарей 9 через систему терморегулирования 6.
В настоящее время, как на предприятиях изготовителях аккумуляторных батарей (ОАО «Сатурн», г.Краснодар), так и на предприятиях-разработчиках КА, в частности НПО ПМ им. академика М.Ф.Решетнева, разработаны математические модели конкретных аккумуляторных батарей, позволяющие с высокой точностью вычислять, в том числе и текущее тепловыделение аккумуляторных батарей. Расчетная зависимость тепловыделения от входных данных заносится в бортовую вычислительную машину.
В процессе эксплуатации КА величина Const (равная нулю, при запуске космического аппарата) может корректироваться (автоматически либо по командам с Земли) в ту или иную сторону из условия нахождения температуры АБ в пределах установленных граничных значений.
Таким образом, использование предлагаемого устройства космического аппарата позволяет повысить эффективность использования аккумуляторных батарей и улучшить ресурсные характеристики СЭП и КА в целом при его штатной эксплуатации.