СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ ПАНЕЛИ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD FOR MONITORING PRESENT STATE OF SOLAR BATTERY PANEL OF SPACECRAFT

Изобретение относится к области космической техники, а именно, к системам электроснабжения (СЭС) космических аппаратов (КА) и может быть использовано при эксплуатации солнечных батарей (СБ) СЭС КА.
Одной из составляющей контроля текущего состояния СБ КА является контроль основных электрических характеристик СБ - выходного тока и мощности СБ. На стадии проектирования и изготовления СБ осуществляется теоретический расчет выходных параметров СБ, который может быть основан на методе перемещений вольт-амперной характеристики, учитывающем различные влияния окружающей среды и параметров нагрузки на характеристики СБ (Система электроснабжения КА. Техническое описание. 300ГК.20Ю.0000-АТО. РКК «Энергия», 1998; Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. Москва. Энергоатомиздат. 1983. Стр. 49, 54).
Недостаток указанного способа контроля текущего состояния СБ заключается в том, что используемые в расчетах модели факторов космического полета имеют ограниченную точность, что не позволяет получить достоверные данные о реальных характеристиках СБ в полете, учитывающих процесс «деградации» СБ.
Для контроля фактических характеристик СБ в полете используются измерения фактического выходного тока СБ под воздействием солнечного излучения, поступающего перпендикулярно рабочей поверхности СБ (Елисеев А.С. Техника космических полетов. Москва, «Машиностроение», 1983. стр. 190-194; Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. Москва, Энергоатомиздат, 1983. стр. 57; патент РФ №2353555 по заявке №2006131395/11, приоритет от 31.08.2006 - прототип), для чего разворачивают панели СБ в рабочее положение, соответствующее совмещению нормали к их освещенной рабочей поверхности с направлением на Солнце и контроль текущего состояния панели СБ осуществляют по результатам сравнения измеренных значений тока с задаваемыми значениями - текущая эффективность СБ оценивается по отношению измеренных фактических выходных параметров СБ к их номинальным значениям - проектным или некоторым исходным значениям, например, на момент начала функционирования КА.
Данный способ обеспечивает контроль суммарной эффективности панели СБ в ходе полета КА. Меньшие значения фактических выходных токов от СБ по отношению к заданным проектным или исходным значениям означают «деградацию» СБ, заключающуюся, в частности, в выходе фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей) панели СБ из строя, например в результате ударов частицами, движущимися в открытом космосе.
Способ-прототип имеет существенный недостаток - он не позволяет определять факт и/или степень работоспособности конкретных структурных групп фотоэлементов (так называемых «генераторов») - структурных составляющих единиц панели СБ, состоящих из отдельных фотоэлементов, подключенных по параллельно-последовательной схеме. Неопределенность в понимании, какие из генераторов, составляющих панель СБ, являются неработоспособными, а какие являются работоспособными и какова степень их работоспособности, ограничивает возможности прогнозирования генерации тока СБ (данная задача является одной из важнейших на этапе планирования полета). С другой стороны, данные о работоспособности и неработоспособности конкретных генераторов панели СБ необходимы для выработки рекомендаций по режимам управления СБ, учитывающим процесс их «деградации» в полете.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности контроля состояния СЭС КА.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в определении работоспособности структурных групп фотоэлементов панели СБ.
Технический результат достигается тем, что в способе контроля текущего состояния панели солнечной батареи космического аппарата, включающем разворот солнечной батареи относительно направления на Солнце, измерение значений тока от солнечной батареи, сравнение измеренных значений тока с задаваемыми значениями и контроль текущего состояния панели солнечной батареи по результатам сравнения, дополнительно для каждой структурной группы фотоэлементов панели солнечной батареи поворачивают солнечную батарею относительно космического аппарата в задаваемое исходное положение, строят задаваемую исходную ориентацию космического аппарата и выполняют его поворот вокруг задаваемого вектора поворота до прохождения положений, в разных из которых все фотоэлементы группы, соответственно, освещены Солнцем и затенены от Солнца корпусом космического аппарата, при этом в процессе поворота космического аппарата непрерывно измеряют ток от солнечной батареи и определяют параметры ориентации космического аппарата, после чего поворачивают солнечную батарею относительно космического аппарата в другое задаваемое исходное положение, строят другую задаваемую исходную ориентацию космического аппарата и выполняют его поворот вокруг другого задаваемого вектора поворота до прохождения положений, в разных из которых все фотоэлементы группы, соответственно, освещены Солнцем и затенены от Солнца корпусом космического аппарата, при этом в процессе поворота космического аппарата непрерывно измеряют ток от солнечной батареи и определяют параметры ориентации космического аппарата, после выполнения вышеописанных операций для всех структурных групп фотоэлементов панели солнечной батареи сравнивают измеренные значения токов от солнечной батареи с их расчетными значениями, полученными с учетом определенных значений параметров ориентации космического аппарата и углов поворота солнечной батареи, и по результатам сравнения определяют работоспособность групп фотоэлементов, при этом первые и вторые упомянутые исходные положения солнечной батареи, исходные ориентации и векторы поворота космического аппарата задают исходя из условия, что угол между касательными к границе тени на поверхности панели солнечной батареи в месте расположения группы фотоэлементов при первом и втором поворотах космического аппарата более или равен задаваемому значению, определяемому размерами и расположением группы фотоэлементов на панели солнечной батареи.
Суть предлагаемого изобретения поясняется на фиг. 1 и 2, на которых представлены схемы ориентации СБ и КА относительно Солнца при выполнении, соответственно, первого и второго поворотов КА.
На фиг. 1 и 2 введены обозначения:
S - вектор направления на Солнце;
N - вектор нормали к рабочей поверхности панели СБ;
F - центральная точка места расположения группы фотоэлементов (генератора) на панели СБ;
Х
У
Т, Т- касательные к границе тени на поверхности панели СБ в месте расположения группы фотоэлементов (генератора) при первом и втором поворотах КА, соответственно.
β - угол между касательными к границе тени на поверхности панели СБ в месте расположения группы фотоэлементов (генератора) при первом и втором поворотах КА.
Х
У
Ρ, Ρ - векторы первого и второго поворотов КА, соответственно;
Χ, Y - направления, лежащие в плоскости панели СБ и проходящие через группу фотоэлементов (генератор);
Х
У
R, R - направления от группы фотоэлементов (генератора) на точки выпуклой части видимой от группы фотоэлементов (генератора) границы корпуса КА;
X
У
К, К - касательные к видимой от группы фотоэлементов (генератора) границе корпуса КА;
ϕ - угол между линиями направлений X и Y;
X
У
Х
У
α, α - углы между нормалью к рабочей поверхности панели СБ и направлениями R и R, соответственно;
Х
Х
γ - угол между касательной к видимой от группы фотоэлементов (генератора) границе корпуса КА с плоскостью, образованной направлениями R и Х;
У
У
γ - угол между касательной к видимой от группы фотоэлементов (генератора) границе корпуса КА с плоскостью, образованной направлениями R и Y.
В предлагаемом техническом решении для каждой структурной группы фотоэлементов (генератора) панели СБ выполняют следующие операции:
- поворачивают СБ относительно КА в первое задаваемое исходное положение, строят первую задаваемую исходную ориентацию КА и выполняют поворот КА в инерциальном пространстве вокруг первого задаваемого вектора поворота до прохождения положений, в одном из которых все фотоэлементы группы (генератора) освещены Солнцем, а в другом из которых все фотоэлементы группы (генератора) затенены от Солнца корпусом КА, при этом в процессе поворота КА непрерывно измеряют ток от СБ и определяют параметры ориентации КА;
- поворачивают СБ относительно КА во второе задаваемое исходное положение, строят вторую задаваемую исходную ориентацию КА и выполняют поворот КА в инерциальном пространстве вокруг второго задаваемого вектора поворота до прохождения положений, в одном из которых все фотоэлементы группы (генератора) освещены Солнцем, а в другом из которых все фотоэлементы группы (генератора) затенены от Солнца корпусом КА, при этом в процессе поворота КА непрерывно измеряют ток от СБ и определяют параметры ориентации КА.
Первые и вторые упомянутые исходные положения СБ относительно КА, исходные ориентации КА и векторы поворота КА задают исходя из условия, что угол между касательными к границе тени на поверхности панели СБ в заданной точке места расположения данной группы фотоэлементов (например, в центральной точке места расположения группы фотоэлементов) при первом и втором поворотах КА более или равен задаваемому значению, определяемому размерами и расположением группы фотоэлементов на панели СБ.
Х
Например, первое исходное положение СБ относительно КА можно определить как положение, при котором нормаль к рабочей поверхности панели СБ составляет со связанным с КА направлением R от генератора (группы фотоэлементов) на точку выпуклой части видимой от генератора (группы фотоэлементов) границы корпуса КА угол менее или равный задаваемому значению, определяемому углом полураствора зоны чувствительности рабочей поверхности СБ:
Х
α≤ε,
где ε - угол полураствора зоны чувствительности рабочей поверхности панели СБ.
Х
Х
Х
Х
Первую исходную ориентацию КА можно определить как ориентацию, при которой направление на Солнце лежит в плоскости, образованной направлением R и связанным с СБ направлением X, лежащим в плоскости панели СБ и проходящим через данный генератор (группу фотоэлементов), при этом касательная к видимой от генератора (группу фотоэлементов) границе корпуса КА в ее вышеупомянутой точке составляет с плоскостью, образованной направлениями R и X, угол более или равный задаваемому значению (например, γ≥85°), определяемому конструкцией КА исходя из условия затенения генератора (группы фотоэлементов) при выполнении поворота КА вокруг оси, перпендикулярной направлениям R и X.
Х
X
X
X
Первый вектор поворота КА в инерциальном пространстве можно определить как вектор [R,Х] (векторное произведение векторов направлений R и X), при этом условие прохождения в процессе данного поворота положений, в одном из которых генератор (группа фотоэлементов) освещен Солнцем, а в другом из которых затенен от Солнца корпусом КА, определяется условием прохождения направлением R через направление на Солнце (через положение R=S).
У
Второе исходное положение СБ относительно КА можно определить как положение, при котором нормаль к рабочей поверхности панели СБ составляет со связанным с КА направлением R от генератора (группы фотоэлементов) на точку выпуклой части видимой от генератора (группы фотоэлементов) границы корпуса КА угол менее или равный задаваемого значения, определяемого углом полураствора зоны чувствительности рабочей поверхности СБ:
У
α≤ε.
У
У
У
У
Вторую исходную ориентацию КА можно определить как ориентацию, при которой направление на Солнце лежит в плоскости, образованной направлениями R и связанным с СБ направлением Y, лежащим в плоскости панели СБ, проходящим через данный генератор (группу фотоэлементов) и составляющим с линией, на которой лежит направление X, угол более или равный задаваемому значению, определяемому размерами и расположением генератора (группы фотоэлементов) на панели СБ (например, ϕ≥85°), при этом касательная к видимой от генератора (группы фотоэлементов) границе корпуса КА в ее последней упомянутой точке составляет с плоскостью, образованной направлениями R и Y, угол более или равный задаваемому значению (например, γ≥85°), определяемому конструкцией КА исходя из условия затенения генератора (группы фотоэлементов) при выполнении поворота КА вокруг оси, перпендикулярной направлениям R и У.
У
У
У
У
Второй вектор поворота КА в инерциальном пространстве можно определить как вектор [R, Y] (векторное произведение векторов направлений R и Y), при этом условие прохождения в процессе данного поворота положений, в одном из которых генератор (группа фотоэлементов) освещен Солнцем, а в другом из которых затенен от Солнца корпусом КА, определяется условием прохождения направлением R через направление на Солнце (через положение R=S).
X
X
У
У
Х
У
При этом достижение условия, чтобы значение угла β между касательными к границе тени на поверхности панели СБ в центральной точке месторасположения генератора (группы фотоэлементов) при первом и втором поворотах КА было более или равно задаваемому значению, определяемому размерами и расположением генератора (группы фотоэлементов) на панели СБ, обеспечивается подбором соответствующих значений угла ϕ между линиями направлений X и Υ, угла γ между касательной к видимой от генератора (группы фотоэлементов) границе корпуса КА с плоскостью, образованной направлениями R и X;, угла γмежду касательной к видимой от генератора (группы фотоэлементов) границе корпуса КА с плоскостью, образованной направлениями R и Y. Например, при значениях γ,γ≈90° значение угла β соответствует значению угла ϕ: при ϕ≈90° значение β≈90°.
После выполнения описанных операций для всех генераторов (групп фотоэлементов) панели СБ сравнивают измеренные значения токов от СБ с их расчетными значениями, полученными с учетом определенных значений параметров ориентации КА и углов поворота СБ, и по результатам сравнения определяют работоспособность генераторов (групп фотоэлементов) панели СБ.
Определение работоспособности генераторов (групп фотоэлементов) панели СБ по результатам сравнения измеренных значений токов от СБ с их расчетными значениями выполняют, например, следующим образом:
- выполняют модельный расчет значений тока, генерируемого СБ в процессе описанных поворотов КА, для всех прогнозируемых состояний работоспособности фотоэлементов панели СБ,
- сравнивают с измеренными значениям тока от СБ,
- в качестве фактического состояния работоспособности генераторов (групп фотоэлементов) панели СБ отбирают ту комбинацию состояний работоспособности генераторов (групп фотоэлементов) панели СБ, модельный расчет для которой соответствует измеренным значениям токов от СБ (совпадает с ними).
Данная методика основывается на том, что в процессе поворотов КА граница тени «перемещается» по панели СБ.
Если в процессе поворотов КА граница тени «перемещается» по панели СБ и последовательно затеняет фотоэлементы СБ, то в результате этого генераторы (группы фотоэлементов) должны «выключаться» из работы и должен уменьшаться ток от СБ. Если в процессе поворотов КА граница тени «перемещается» по панели СБ и последовательно «открывает» генераторы (группы фотоэлементов) панели СБ для освещения Солнцем, то в результате этого генераторы (группы фотоэлементов) должны «включаться» в работу и ток от СБ должен увеличиваться. Если ток от СБ в соответствующий момент не изменился (не уменьшился или не увеличился), то соответствующий генератор (группа фотоэлементов) не работоспособен.
Данная методика позволяет также определить и степень работоспособности генераторов (групп фотоэлементов). Степень работоспособности генераторов определяется по результатам сравнения измеренных значений тока от СБ с данными модельного расчета значений тока, генерируемого СБ в процессе описанных поворотов КА. Например, если ток от СБ в соответствующий момент изменился на величину, отличную от расчетной модельной величины, соответствующей некоторой текущей (номинальной) оценке степени работоспособности соответствующего генератора, то указанное отличие характеризует наличие изменения степени работоспособности рассматриваемого генератора относительно ее текущей оценки.
Два описанных поворота КА обеспечивают «перемещение» границы тени по панели СБ в двух направлениях (наиболее предпочтительным считаем случай, когда эти направления взаимно перпендикулярны). Необходимость двух направлений перемещения границы тени по панели СБ обосновывается следующим соображением. Могут возникать ситуации, когда на границе тени оказываются два и более неработоспособных генератора (группы фотоэлементов). В этом случае нельзя определить, какой именно из генераторов (групп фотоэлементов), который должен был «включиться» в работу, но не включился, или который должен был «выключиться» из работы, но не выключился, неработоспособен. Для этого выполняется второй поворот КА, при котором граница тени перемещается по панели СБ в другом направлении (например, перпендикулярном предыдущему направлению перемещения границы тени). Сравнение последовательности изменений тока от СБ при выполнении первого и второго поворотов КА позволяет однозначно определить, какие генераторы (группы фотоэлементов) «включались» в работу и «выключались» из работы при перемещении границы тени по панели СБ. Тем самым обеспечивается определение работоспособности всех генераторов (групп фотоэлементов), расположенных на панели СБ.
В соответствии с предлагаемой формулой изобретения описанные повороты КА выполняют для каждой структурной группы фотоэлементов (генератора) панели СБ. Естественно, что при выполнении поворотов КА для одной структурной группы фотоэлементов (генератора) панели СБ граница тени может перемещаться по всей панели СБ и может быть выполнено необходимое затенение и других структурных групп фотоэлементов (генераторов) панели СБ. Таким образом можно выбрать исходные ориентации СБ и КА и векторы поворотов КА так, чтобы совместить операции поворотов КА для разных (в том числе и для всех структурных групп фотоэлементов (генераторов) панели СБ. На практике это позволит ограничиться выполнением двух поворотов СБ для получения необходимых данных (измерений токов), охватывающих все структурные группы фотоэлементов (генераторы) панели СБ.
Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.
При эксплуатации в открытом космосе СБ со временем «деградируют» (уменьшается вырабатываемый СБ ток), что означает, в частности, что какая-то часть фотоэлементов «выключается» из работы, вследствие чего снижается сила тока генератора, а при повреждении хотя бы одной группы параллельно установленных фотоэлементов происходит выход из строя всего такого генератора. Прежде всего неработоспособность фотоэлементов СБ может вызываться ударами частиц, движущимися в открытом космосе, по панели СБ. В результате таких ударов может быть поврежден непосредственно сам фотоэлемент и/или его электрические связи.
Предлагаемое техническое решение позволяет повысить эффективность контроля состояния СЭС КА за счет обеспечения определения работоспособности конкретных структурных групп фотоэлементов панели СБ - определения распределения на панели СБ неработоспособных и работоспособных групп фотоэлементов и определения степени их работоспособности. Применение данного технического решения позволяет установить факт работоспособности и неработоспособности каждой структурной группы фотоэлементов панели СБ. Определенность в понимании, какие из групп фотоэлементов, составляющих панель СБ, являются работоспособными и какова степень их работоспособности, обеспечивает возможность точного прогнозирования генерации тока СБ при решении различных задач управления полета КА.
Наряду с этим, наличие информации о работоспособности и неработоспособности конкретных генераторов (групп фотоэлементов) панели СБ обеспечивает условия для выработки рекомендаций по режимам управления СБ, учитывающих текущее расположение работоспособных и неработоспособных генераторов (групп фотоэлементов) на панели СБ.
Указанный технический эффект достигается за счет построения предложенных исходных ориентаций СБ и КА, выполнения предложенных поворотов КА относительно инерциального пространства и СБ относительно КА, обеспечивающих предложенные условия освещения и затенения генераторов (групп фотоэлементов) панели СБ, измерения в предложенной ориентации предложенных параметров и последующего определения по ним и по предложенной методике фактической работоспособности генераторов (групп фотоэлементов) панели СБ.
В настоящее время технически все готово для реализации предложенного способа. Промышленное исполнение существенных признаков, характеризующих изобретение, не является сложным и может быть выполнено с использованием существующих технических средств.