СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНОЙ СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD OF CONTROLLING INDEPENDENT POWER SUPPLY SYSTEM OF SPACECRAFT

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам электроснабжения (СЭС) космических аппаратов (КА), с использованием в качестве первичных источников энергии солнечных батарей (СБ), а в качестве накопителей энергии - аккумуляторных батарей (АБ).
Известен способ управления автономной системой электроснабжения (патент РФ №2059988, H02J 7/35), содержащей солнечную батарею (СБ), стабилизатор напряжения, включенный между солнечной батареей и нагрузкой, «n» аккумуляторных батарей (n≥1) и по «n» (по числу АБ) зарядных и разрядных устройств, а также для каждой АБ - устройства контроля степени заряженности.
В известной СЭС осуществляется непрерывное управление стабилизатором напряжения, зарядными и разрядными устройствами в зависимости от входного (напряжение СБ) и выходного напряжений СЭС. При этом зарядные устройства обеспечивают заряд АБ, а стабилизатор напряжения и разрядное устройство обеспечивают питание потребителей.
Цепи непрерывного управления (обратной связи) зарядного устройства подключены к шине СБ и шине нагрузки, а цепи непрерывного управления стабилизатора напряжения и разрядного устройства подключены к шине нагрузки.
В зависимости от степени заряженности или разряженности АБ производится запрет или разрешение работы зарядного устройства и разрядного устройства.
Такое управление обеспечивает длительную автономную работу СЭС. Однако оно не обеспечивает сохранение работоспособности СЭС при нештатных или аварийных ситуациях на КА. В случае нештатного, незапланированного нарушения ориентации солнечных батарей КА на Солнце происходит нарушение энергобаланса в СЭС. Если потеря ориентации будет достаточно длительной, может произойти полный разряд всех АБ. Питание бортовых потребителей после этого прекратится.
Известен способ управления автономной системой электроснабжения (патент РФ №2168828, H01J 7/36), содержащей солнечную батарею и n аккумуляторных батарей, где n≥1, стабилизатор напряжения, включенный между солнечной батарей и нагрузкой и по n зарядных и разрядных устройств, заключающийся в управлении стабилизатором напряжения и зарядно-разрядными устройствами в зависимости от входного и выходного напряжения системы, контроле степени заряженности и разряженности аккумуляторных батарей, запрете на работу соответствующего зарядного устройства при достижении предельного уровня заряженности данной аккумуляторной батареи, снятии этого запрета при достижении определенного уровня разряженности данной аккумуляторной батареи, запрете на работу соответствующего разрядного устройства при достижении предельного уровня разряженности данной аккумуляторной батареи, снятии этого запрета при достижении определенного уровня заряженности данной аккумуляторной батареи, отличающийся тем, что в случае потери ориентации солнечных батарей на Солнце, аварийном разряде аккумуляторных батарей и отключении части разрядных устройств, когда мощности оставшихся в работе разрядных устройств недостаточно для питания нагрузки, запрещают работу всех разрядных устройств, а также прекращают управление разрядными устройствами по сигналам об уровне заряженности, после восстановления ориентации солнечных батарей на Солнце сначала производят заряд аккумуляторных батарей до некоторого значения емкости, а затем разрешают работу разрядных устройств и возобновляют управление разрядными устройствами по сигналам об уровне заряженности.
Этот способ принят за прототип заявляемому изобретению.
Известный способ решает задачу предотвращения выхода из строя аккумуляторов АБ, восстановления нормального функционирования СЭС после нештатной или аварийной ситуации. Однако известный способ предполагает полное снятие электропитания с нагрузки КА, что не гарантирует штатное отключение сеансной нагрузки.
Задачей заявляемого изобретения является обеспечение штатного отключения сеансной нагрузки при нештатной ситуации.
Поставленная задача решается тем, что в предложенном способе при управлении автономной системой электроснабжения космического аппарата, содержащей солнечную батарею и n аккумуляторных батарей, стабилизатор напряжения, включенный между солнечной батарей и нагрузкой и по n зарядных и разрядных устройств, заключающемся в управлении стабилизатором напряжения и зарядно-разрядными устройствами в зависимости от входного и выходного напряжения системы, контроле степени заряженности и разряженности аккумуляторных батарей, запрете на работу соответствующего зарядного устройства при достижении предельного уровня заряженности данной аккумуляторной батареи, снятии этого запрета при достижении определенного уровня разряженности данной аккумуляторной батареи, запрете на работу соответствующего разрядного устройства при достижении предельного уровня разряженности данной аккумуляторной батареи, снятии этого запрета при достижении определенного уровня заряженности данной аккумуляторной батареи, нагрузку делят на дежурную и сеансную составляющие и при достижении предельного уровня разряженности какой-либо аккумуляторной батареи проводят отключение сеансной части нагрузки, а запрет на работу соответствующего разрядного устройства устанавливают после отключения сеансной части нагрузки.
В процессе эксплуатации КА при разряде любой АБ до нижнего установленного уровня проводят отключение сеансной части нагрузки, а запрет на работу соответствующего разрядного устройства устанавливают после отключения сеансной части нагрузки.
После отключения соответствующего разрядного устройства питание нагрузки осуществляется оставшимися включенными разрядными устройствами от других АБ, еще не достигших установленного предельного уровня разряженности.
При этом электропотребление КА при отключенной сеансной части нагрузки будет значительно меньше, что дает время для (маневра) устранения причины нештатного глубокого разряда АБ.
В качестве примера, на фиг. 1, приведен вариант функциональной схемы автономной системы электропитания КА для реализации заявляемого способа.
1
n
1
n
1
n
1
n
Автономная система электропитания КА содержит: солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2, через преобразователь напряжения 3, аккумуляторные батареи 4-4, подключенные через зарядные преобразователи 5-5 к солнечной батарее 1, а через разрядные преобразователи 6-6 к входу выходного фильтра преобразователя напряжения 3. Кроме того, аккумуляторные батареи 4-4 содержат в своем составе байпасные разрядные цепи, состоящие из диодов, подключенных параллельно каждому аккумулятору в разрядном направлении.
При этом нагрузка 2 функционально разделена на дежурную 2-1 и сеансную 2-2 составляющие и в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию.
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
Параллельно аккумуляторным батареям 4-4 подключены устройства контроля аккумуляторных батарей 7-7, связанные входом с аккумуляторными батареями 4-4 для контроля напряжения, давления и температуры аккумуляторов, а выходом с нагрузкой 2. Кроме того, устройства контроля аккумуляторных батарей 7-7 содержат в своем составе разрядные сопротивления (на схеме не показано) для проведения профилактических разрядов аккумуляторных батарей 4-4.
1
n
В цепи заряда-разряда аккумуляторных батарей установлены измерительные шунты 8-8.
1
n
Зарядные преобразователи 5-5 состоят из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе 5-5, транзисторах 5-1 и 5-2 и выпрямителя на диодах 5-3 и 5-4.
1
n
Разрядные преобразователи 6-6 состоят из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.
Преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14, входного фильтра на конденсаторе 3-1 и выходного фильтра на диоде 3-2, дросселе 3-3 и конденсаторе 3-4.
1
n
1
n
1
n
1
n
Схемы управления: 10 зарядных преобразователей 5-5, 12 -разрядных преобразователей 6-6, 14 - преобразователя напряжения 3, выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схемы управления 10 зарядных преобразователей 5-5 дополнительно связаны с измерительными шунтами 8-8 и нагрузкой 2.
1
n
1
n
Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторные батареи 4-4 работают, в основном, в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядные преобразователи 5-5. Такой режим работы позволяет содержать их в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации КА на Солнце) или на прохождение штатных теневых участков орбиты.
Питание нагрузки 2 осуществляется при этом от солнечной батареи 1 через преобразователь напряжения 3.
1
n
1
n
При прохождении теневых участков орбиты, либо при нарушении ориентации КА на Солнце, нагрузка 2 питается от аккумуляторных батарей 4-4 через разрядные преобразователи 6-6.
1
n
1
n
Устройства контроля 7-7 контролируют напряжение, давление и температуру аккумуляторов аккумуляторных батарей 4-4 и передают информацию об их состоянии в нагрузку 2.
В процессе эксплуатации КА, по результатам анализа информации о состоянии АБ (в основном - напряжение аккумуляторов и АБ в целом), по аппаратной логике или по заранее заложенной в бортовую ЭВМ программе формируется команда на отключение сеансной части нагрузки 2-2, а после завершения процесса отключения формируется запрет на работу соответствующего разрядного устройства.
Необходимость завершения процесса отключения сеансной части нагрузки до блокировки разрядного устройства обусловлена тем, что штатное отключение сеансной части нагрузки производится по заданной циклограмме, является длительным во времени процессом, и может быть не обеспечено при блокировке всех разрядных устройств с одновременным пропаданием питания на выходных бортовых шинах СЭС. Данная ситуация возникнет, например, в случае нештатной потери ориентации солнечных батарей КА на Солнце.
После восстановления (частичного или полного) ориентации солнечных батарей на Солнце и оценки данных телеметрии запрет снимают по команде с Земли.
Таким образом, заявляемый способ управления автономной системой электроснабжения космического аппарата обеспечивает штатное отключение сеансной нагрузки при нештатной ситуации.