СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ УСТАНОВЛЕННОЙ НА КОСМИЧЕСКОМ АППАРАТЕ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ С ДВУСТОРОННЕЙ СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ
METHOD FOR DETERMINING THE PERFORMANCE OF A SOLAR BATTERY WITH DOUBLE SIDE PHOTOSENSITIVITY INSTALLED ON A 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 текущей производительности СБ КА является контроль основных электрических характеристик СБ - выходного тока, напряжения 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 текущей производительности 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 данные измерений фактического выходного тока СБ, генерируемого фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) под воздействием солнечного излучения, при этом СБ выставляются таким образом, чтобы световой поток поступал 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), для чего разворачивают панели СБ в рабочее положение, соответствующее совмещению нормали к их освещенной рабочей поверхности с направлением на Солнце и контроль текущей производительности 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, измеренным на предыдущих этапах полета.
Выбор силы тока в качестве контролируемой выходной характеристики СБ вызван тем, что его сила является переменной величиной, напрямую зависящей от состояния СБ в целом, а напряжение является достаточно стабильной величиной и определяется в основном физическими свойствами используемых для изготовления СБ фотоэлектрических преобразователей, при этом режим работы ФЭП еще на стадии проектирования СБ задается таким образом, чтобы генерируемая мощность (как произведение силы тока и напряжения) была максимально возможной.
Данный способ обеспечивает контроль эффективности панели СБ в ходе полета КА. Меньшие значения фактических выходных токов СБ по отношению к заданным проектным или исходным значениям означают деградацию СБ. Недостатком способа является то, что он не предусматривает проведение замера тока СБ при одинаковых внешних полетных условиях, что необходимо для обоснованности дальнейшего сравнения результатов выполненных замеров.
S
Известен способ определения производительности установленной на КА СБ с положительной выходной мощностью тыльной поверхности (патент РФ №2653890 по заявке №2016132609, приоритет от 08.08.2016 -прототип), согласно которому измеряют вектор направления на Солнце в инерциальной системе координат, определяют значения угла между направлением на Солнце и нормалью к плоскости орбиты КА на моменты прохождения подсолнечной точки витков орбиты γ, определяют текущую величину изменения угла между направлением на Солнце и нормалью к плоскости орбиты за виток Δγ, поддерживают орбитальную ориентацию КА, при которой ось вращения СБ, совпадающая с осью раскрытия СБ, перпендикулярна плоскости орбиты, измеряют ток СБ на световом участке витка орбиты, на котором выполнено условие  и повторяют измерения тока на следующем световом участке, при этом последовательно разворачивают СБ в дискретные положения, в которых значение угла между нормалью к рабочей поверхности СБ и направлением на Солнце составляет величину менее фиксированного значения; и измеряют моменты времени переориентации СБ в данные дискретные положения, с учетом которых определяют текущие значения угла между нормалью к рабочей поверхности СБ и направлением на Солнце, определяют текущее значение расстояния от Земли до Солнца, в ходе полета повторяют вышеописанные действия и контроль производительности панели СБ выполняют по результатам сравнения полученных для упомянутых пар последовательных световых участков витков орбиты осредненных значений тока СБ, умноженных на квадрат определенного на моменты соответствующих измерений тока текущего значения расстояния от Земли до Солнца и отнесенных к квадрату среднего расстояния от Земли до Солнца и определенным на моменты соответствующих измерений тока текущим значениям косинуса угла между нормалью к рабочей поверхности СБ и направлением на Солнце.
Данный способ обеспечивает одинаковые условия замера тока от СБ при выполнении сеансов оценки эффективности СБ по результатам прямого замера электрического тока, генерируемого СБ на фоне полета КА в орбитальной ориентации.
Недостаток способа-прототипа связан с тем, что он не учитывает влияния на определяемую величину производительности СБ с двусторонней светочувствительностью эффекта подсветки СБ уходящим от Земли излучением, который вносит неопределенность в решение рассматриваемой задачи определения производительности СБ, при этом используемая методика определения производительности СБ также не учитывает возможного затенения ФЭП СБ элементами конструкции КА, что вносит дополнительную неопределенность в решение задачи определения производительности СБ, рассматриваемой как полная суммарная производительность всех ФЭП СБ.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание условий для высокоточного определения текущей производительности СБ в ходе полета КА.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в повышении точности определения производительности СБ.
Технический результат достигается тем, что в способе определения производительности установленной на космическом аппарате солнечной батареи с двусторонней светочувствительностью, включающем повороты солнечной батареи, определяемые из условия минимизации значения угла между нормалью к лицевой поверхности солнечной батареи и направлением на Солнце, измерение тока солнечной батареи и определение текущего значения светового потока от Солнца на орбите космического аппарата и углов его падения на плоскость поверхности солнечной батареи, дополнительно разворачивают космический аппарат до полной освещенности фотоэлектрических преобразователей солнечной батареи Солнцем и выполняют измерения яркости подстилающей земной поверхности в видимом спектральном диапазоне, выполняют измерения тока солнечной батареи на интервале, на котором точки пересечения линии видимого с космического аппарата горизонта Земли с плоскостью, в которой лежит солнечная батарея, находятся на теневой части поверхности Земли, а производительность солнечной батареи определяют величиной тока солнечной батареи при освещении лицевой поверхности солнечной батареи солнечным излучением эталонной яркости под прямым углом к плоскости поверхности солнечной батареи, при этом данную величину определяют по выполненным на упомянутом интервале измерениям тока солнечной батареи с учетом текущего значения светового потока от Солнца, углов его падения на плоскость поверхности солнечной батареи и полученных измерений яркости видимой с космического аппарата освещенной подстилающей поверхности.
В предлагаемом изобретении повышение точности определения производительности СБ достигается за счет использования для определения текущей производительности СБ результатов замера тока, генерируемого полным набором ФЭП СБ при устоявшемся температурном режиме с учетом влияния подсветки от Земли, выполняемом по измерениям яркости видимой с КА освещенной подстилающей поверхности.
Суть предлагаемого изобретения поясняется рисунком, на котором представлена возможная схема освещения СБ и введены обозначения:
N - нормаль в лицевой поверхности СБ;
S - направление на Солнце;
1 - теневая часть поверхности Земли;
2 - линия видимого с КА горизонта Земли;
3 - плоскость, в которой лежит СБ;
4 - точки пересечения линии видимого с КА горизонта Земли с плоскостью, в которой лежит СБ (данные точки находятся на теневой части поверхности Земли).
Поясним предложенные в способе действия.
На многих КА, например, на международной космической станции (МКС), система управления положением СБ предусматривает выставку СБ в заданные дискретные положения, фиксированные в связанной с КА системе координат, а поворот СБ между такими положениями выполняется с заданной угловой скоростью вращения СБ. При этом для выполнения различных полетных операций предусмотрены различные режимы управления ориентаций СБ, в том числе режим автоматического наведения (отслеживания) СБ на Солнце и режим выставки СБ в заданное положение (положение выбирается из перечня упомянутых заданных дискретных положений СБ, фиксированных в связанной с КА системе координат). При этом в режиме автоматического наведения (отслеживания) СБ на Солнце система управления автоматически выбирает момент начала поворота СБ для перевода СБ из текущего фиксированного положения СБ в последующее.
Таким образом в произвольный текущий момент времени СБ находится или в одном из фиксированных положений (в этом случае оно является текущим дискретным фиксированным положением СБ) или в процессе перехода между двумя дискретными фиксированными положениями. При этом в режиме автоматического наведения (отслеживания) СБ на Солнце моменты нахождения панели СБ в одном из дискретных положений определяются по измерениям текущей ориентации КА и измерениям положения Солнца путем определения моментов начала и окончания поворотов СБ с учетом логики автоматического управления СБ в данном режиме.
В предложенном техническом решении для решения поставленной задачи определяют текущее значение расстояния от Земли до Солнца и по определенному текущему расстоянию от Земли до Солнца определяют текущее значение светового потока (яркости) солнечного излучения на орбите КА.
Разворачивают КА до полной освещенности фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) СБ Солнцем - т.е. до исключения затенения ФЭП СБ элементами конструкции КА, а СБ ориентируют в положение, при котором точки пересечения линии видимого с КА горизонта Земли с плоскостью, в которой лежит СБ, находятся на теневой части поверхности Земли.
Выполняют измерения яркости подстилающей земной поверхности в видимом спектральном диапазоне. Съемка Земли в видимом спектральном диапазоне может быть осуществлена как непосредственно с рассматриваемого КА, так и со специализированного автоматического КА дистанционного зондирования Земли - например, с КА системы Meteosat, снабженного спектральной аппаратурой SEVIRJ, измеряющей энергетическую яркость подстилающей поверхности в том числе в видимом спектральном диапазоне (MSG Level 1.5 Image Data Format Description. EUMETSAT. 2013). При моделировании уходящего от Земли излучения может быть использована модель рассеянного / отраженного излучения системы «атмосфера - подстилающая поверхность», составленная из двух компонент - диффузной и зеркальной. Для расчета диффузной компоненты может быть применено Ламбертово приближение, для расчета зеркальной компоненты - закон Фонга (Д. Роджерс. Алгоритмические основы машинной графики = Procedural Elements for Computer Graphics. - Μ.: Мир, 1989; Bui Tuong Phong, Illumination of Computer-Generated Images, Department of Computer Science, University of Utah, UTEC-CSs-73-129, July 1973; Bui Tuong Phong, "Illumination for Computer Generated Pictures," Comm. ACM, Vol 18(6):311-317, June 1975).
Выполняют измерения тока СБ на интервале, на котором точки пересечения линии видимого с КА горизонта Земли с плоскостью, в которой лежит СБ, находятся на теневой части поверхности Земли.
Производительность СБ определяют (оценивают, характеризуют) величиной контрольного параметра, определяемого как ток СБ при освещении лицевой поверхности СБ солнечным излучением эталонной яркости по нормали к поверхности СБ.
Значение данного контрольного параметра определяют по измерениям тока СБ, выполненным на интервале, на котором точки пересечения линии видимого с КА горизонта Земли с плоскостью, в которой лежит СБ, находятся на теневой части поверхности Земли, с учетом текущего значения светового потока от Солнца, углов его падения на плоскость поверхности солнечной батареи и полученных измерений яркости видимой с космического аппарата освещенной подстилающей поверхности.
Ориентация СБ в положение, при котором точки пересечения линии видимого с КА горизонта Земли с плоскостью, в которой лежит СБ, находятся на теневой части поверхности Земли, обеспечивает то, что в данном положении у СБ освещена только лицевая поверхность, а тыльная поверхность СБ не освещена (на тыльную поверхность СБ не поступает никакой световой поток).
На указанном временном интервале при описанной ориентации СБ на лицевую поверхность СБ поступает как световой поток прямого солнечного излучения, так и световой поток, уходящий от освещенной Солнцем подстилающей земной поверхности, т.е. текущий измеренный ток СБ имеет две составляющих: составляющая тока СБ от поступающего на лицевую поверхность СБ прямого излучения Солнца и составляющая тока СБ от поступающего на лицевую поверхность СБ светового потока, уходящего от Земли (в предлагаемом способе величина данного светового потока определяется по полученным измерениям яркости видимой с КА освещенной подстилающей поверхности).
Например, значение данного контрольного параметра может быть определено выражением
ЭТАЛОН
EF(B) = KP
ТМИ
где Ρ - площадь лицевой поверхности ФЭП СБ; K - коэффициент генерации тока при освещении лицевой поверхности ФЭП СБ, определяемый из соответствия измеренных значений тока СБ I их модельным значениям, определяемым как сумма составляющих тока, генерируемых за счет освещения лицевой поверхности СБ прямым излучением Солнца и генерируемых за счет освещения лицевой поверхности СБ световым потоком, уходящим от Земли:
ТЕК
ЭТАЛОН
j
j
jk
jk
k
k
k
где В, В - текущее и эталонное значения интенсивности (яркости) солнечного излучения на орбите КА; P - освещенная Солнцем площадь лицевой поверхности j-го элемента ФЭП СБ; α - угол между направлением на Солнце и нормалью к лицевой поверхности j-го элемента ФЭП СБ; Ρ - освещенная излучением от k-ой ячейки подстилающей земной поверхности площадь лицевой поверхности j-го элемента ФЭП СБ; α - угол между направлением от КА на k-ую ячейку подстилающей земной поверхности и нормалью к лицевой поверхности j-го элемента ФЭП СБ; θ - телесный угол, под которым k-ая ячейка подстилающей земной поверхности видна с КА; h - угол высоты Солнца в k-ой ячейке подстилающей земной поверхности; d - коэффициент диффузного отражения k-ой ячейки подстилающей земной поверхности, равный значению двулучевой функции отражения BRF, определенному по полученным измерениям яркости видимой с КА освещенной подстилающей поверхности.
Указанное определение коэффициента генерации тока при освещении лицевой поверхности ФЭП СБ K с использованием соответствия (1) может быть выполнено с использованием известных математических методов, описанных, например, в книге Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 509 с.).
Таким образом, использование измерений тока СБ, выполненных при описанной ориентации СБ и на предложенном временном интервале, обоснованно обеспечивает максимально точный учет влияния подсветки от Земли на генерацию тока СБ с двусторонней светочувствительностью. В свою очередь, это минимизирует вызываемую данной подсветкой неопределенность в определяемое (рассчитываемое с учетом ТМИ тока СБ) значение предложенного контрольного параметра.
Далее определенные описанным способом значения контрольного параметра используются для контроля производительности СБ, который выполняют по результатам сравнения текущих и полученных на предыдущих этапах полета значений предложенного контрольного параметра.
Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.
При эксплуатации в открытом космосе СБ подвергаются воздействию факторов открытого космического пространства, что приводит к их постепенной деградации. Контроль производительности панели СБ, в частности, связан с получением текущих значений параметров производительности панели СБ и количественных оценок ее текущей эффективности.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение точности определения производительности СБ с двусторонней светочувствительностью за счет использования для определения производительности СБ результатов замера тока, генерируемого полным набором ФЭП СБ при устоявшемся температурном режиме с учетом влияния на генерацию тока подсветки СБ уходящим от Земли световым потоком, выполняемом непосредственно по измерениям яркости видимой с КА освещенной подстилающей поверхности - т.е. по фактической яркости подстилающей поверхности.
Непосредственное использование измерений яркости видимой с КА освещенной подстилающей поверхности позволяет выполнить максимально точный учет влияния на генерацию тока СБ уходящего от Земли светового потока, что обеспечивает максимальную возможность для высокоточного определения производительности СБ по результатам выполняемого замера тока СБ.
При этом текущее значение предложенного контрольного параметра, по которому осуществляется контроль производительности СБ, определяется по измерениям тока СБ, выполненным на всем описанном временном интервале, чем обеспечивается надежность определения искомого контрольного параметра в части наличия исходных данных ТМИ тока СБ для указанного определения (расчета) значения контрольного параметра.
Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить максимально одинаковые условия замера тока СБ, по измерениям которого осуществляется определение текущей производительности СБ, при этом реализуется использование измерений тока, генерируемого полным набором ФЭП СБ, что обеспечивает максимальную достоверность получаемых данных по производительности СБ.
Одинаковые условия замера тока СБ при выполнении сеансов оценки эффективности (производительности) СБ позволяют повысить точность последующего их использования, в том числе обеспечивают обоснованность сравнения характеристик эффективности (производительности) СБ, получаемых по результатам целевой обработки и анализа данных измеренного тока СБ, и обоснованность суждений об изменениях и текущей эффективности (производительности) СБ.
Знание текущих значений параметров эффективности (производительности) СБ необходимо для более точного моделирования функционирования СЭС КА в полете, например, для прогнозирования генерации тока СБ при решении различных задач управления полета КА. Таким образом, получаемый технический эффект повышает эффективность контроля производительности СЭС КА., в том числе повышает точность оценки текущей эффективности СБ в ходе штатного полета КА.
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.