CC BY
37Космическое и специальное электронное приборостроение
УДК 621.311.6
АППАРАТУРА РЕГУЛИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПЕРСПЕКТИВНОГО ПИЛОТИРУЕМОГО ТРАНСПОРТНОГО КОРАБЛЯ
В. В. Савенков, А. К. Тищенко, В. Н. Волокитин ЗАО «Орбита»
Российская Федерация, 394038, г. Воронеж, ул. Пеше-Стрелецкая, 88 E-mail: v.savenkov@orbitaenvo.ru
Рассмотрен пример построения аппаратуры регулирования и контроля системы электропитания перспективного пилотируемого транспортного корабля (АРК ППТК) нового поколения. Представлены анализ и пути реализации технических требований к АРК ППТК, а также способы решения проблем проектирования.
Ключевые слова: перспективный транспортный корабль, аппаратура регулирования и контроля, система электропитания.
CONTROL AND REGULATION EQUIPMENT FOR POWER SUPPLY SYSTEM OF THE PERSPECTIVE MANNED TRANSPORT SPACECRAFT
V. V. Savenkov, A. K. Tishchenko, V. N. Volokitin CJSC "Orbita"
88, Peshe-Streletskaya Str., Voronezh, 394038, Russian Federation E-mail: v.savenkov@orbitaenvo.ru
The paper considers the design example of the control and regulation equipment for power supply system of the new generation perspective manned transport spacecraft (CRE PMTS). Analysis and technical requirements implementation for CRE PMTS as well as ways to solve design problems are shown in this article.
Keywords: perspective transport spacecraft, control and regulation equipment, power supply system.
Аппаратура регулирования и контроля является основным звеном системы электропитания (СЭП) перспективного многоразового пилотируемого транспортного космического корабля, который должен прийти на смену пилотируемым кораблям серии «Союз» и автоматическим грузовым кораблям серии «Прогресс».
Совместно с аккумуляторными батареями (АБ), солнечными батареями (СБ), бортовой кабельной сетью система должна обеспечивать:
- совместную работу СБ и АБ на общую нагрузку;
- электропитание бортовой аппаратуры ППТК постоянным напряжением требуемого качества;
- автономный заряд каждой АБ зарядным током величиной, соответствующей уровням уставок тока заряда, формируемым по командам бортовых вычислительных систем (БВС) ППТК,
- выравнивание токов разряда на общую нагрузку параллельно работающих АБ, с ограничением уровней тока разряда;
- обмен информацией с БВС в части приема и обработки команд и передачи телеметрической информации по магистральному последовательному интерфейсу (МПИ) ГОСТ Р 52070;
- обмен информацией по САМ-интерфейсу с модулем контроля АБ в части приема команд включения/отключения заряда АБ и передачи телеметрической информации от АБ в АРК.
Срок активного существования ППТК находится в переделах 1-1,5 года, при этом ресурс ППТК дол-
жен предусматривать эксплуатацию его как на околоземной орбите, так и в составе окололунной инфраструктуры.
В связи с этим, особенности эксплуатации ППТК обусловливают достаточно жесткие технические требования к подсистемам ППТК, в том числе к АРК:
- по массогабаритным показателям;
- надежности;
- радиационной стойкости;
- эффективности;
- энергетической плотности.
Как правило, для реализации высоких технических требований к АРК, разработчику аппаратуры приходится решать множество противоречивых задач. Например, увеличение надежности АРК путем снижения коэффициента загрузки ЭРИ и резервирования узлов приводит к увеличению массы, а повышение эффективности и радиационной стойкости снижает энергетическую плотность и, как следствие, ухудшает мас-согабаритные показатели АРК.
Электропитание бортовой аппаратуры в ППТК должно обеспечиваться низковольтной СЭП с напряжением в диапазоне от 28 В до 32,5 В и суммарной мощностью до 4000 Вт.
Отличительными особенностями АРК ППТК являются: блочно-модульный способ построения, резервирование силовых элементов и узлов, микроконтроллеров, цифровой логики, а также использование радиационно-стойкой элементной базы отечественного производства.
Решетневскуе чтения. 2018
Для обеспечения высоких требований энергетической эффективности в качестве первичного источника энергии применена арсенид-галлиевая солнечная батарея с основными характеристиками: мощность одной СБ в начале полета - 1 800 Вт, напряжение холостого хода - 100 В, ток короткого замыкания - 37 А.
Для регулирования тока солнечной батареи применен регулятор параллельного типа, при этом, поскольку особенностью выбранного типа солнечной батареи по сравнению с батареями на основе кремния является повышенная электрическая емкость (до 1 мкФ), в силовом ключе применены токоограни-чивающие цепи, обеспечивающие плавную траекторию нарастания тока.
Конструктивно регуляторы объединены по 2 шт. в 2-х силовых модулях мощностью по 1800 Вт каждый, при этом все модули имеют резервное включение. Удельная мощность каждого модуля составляет 703 Вт/кг. В каждом модуле содержится регулятор, способный коммутировать энергию СБ на две независимые шины электропитания.
Мощность, отдаваемая в нагрузку каждым регулятором тока СБ составляет 900 Вт.
В подсистеме хранения энергии применена литий-ионная аккумуляторная батарея, имеющая параметры: диапазон рабочих напряжений - (16,2...29,5) В; максимальный разрядный ток - 45 А; ток заряда ступенчатый, снижаемый в процессе заряда, шесть уровней (20,0; 10,0; 5,0; 2,5; 1,0; 0 А).
Регулятор тока АБ представляет собой зарядно-разрядное устройство на основе непосредственных преобразователей повышающего и понижающего типов с ШИМ-регулированием. Конструкция содержит 4 шт. зарядно-разрядных силовых модуля, по 2 шт. зарядно-разрядных устройств в каждом. Модуль обеспечивает мощность 700 Вт, при этом в каждом модуле одно устройство является резервным. Удельная мощность каждого модуля составляет 284 Вт/кг.
Управление силовыми преобразователями тока СБ и АБ осуществляется автоматически в зависимости от баланса энергии на борту ППТК.
Для увеличения надежности СЭП ППТК в АРК предусмотрены две независимые шины электропитания. При отказе одной шины (например, в результате короткого замыкания), вторая шина остается работоспособной, обеспечивая электропитание бортовых критичных нагрузок мощностью до 2 800 Вт, при этом часть мощности солнечной батареи, питавшей отказавшую шину, коммутируется одним из регуляторов тока на исправную шину.
Высокая надежность АРК ППТК обеспечивается также применением быстродействующих электронных средств защиты от коротких замыканий (КЗ), которые могут возникнуть в силовых шинах питания. При возникновении КЗ в шине срабатывание защиты происходит за время менее 10 мкс. При этом защита остается активной до полного устранения причины, вызвавшей КЗ.
Использование цифрового канала передачи информации на базе CAN и МПИ - протоколов для передачи телеметрической и управляющей информации значительно уменьшило количество электрических
связей между АРК и БВС с одной стороны, и АРК и модулем управления АБ - с другой.
Для увеличения энергетической плотности в АРК реализована оптимальная компоновка силовых ЭРИ на основе печатных плат с металлическим основанием и применены ЭРИ, в том числе силовые, для поверхностного монтажа.
Примененная современная электронная компонентная база, разработанные конструктивные и схемотехнические решения обеспечили оптимальные эксплуатационные, энергетические и массогабаритные характеристики АРК. Масса АРК составляет 25 кг.
В результате, для выполнения требований технического задания на разработку, опираясь на многолетний опыт по созданию аппаратуры регулирования и контроля СЭП космических аппаратов различного назначения, была разработана конструкция АРК ППТК, отличающаяся уникальными схемотехническими и конструктивными решениями, позволившими существенно улучшить массогабаритные характеристики аппаратуры, повысить энергетическую плотность и эффективность силовых преобразователей, обеспечить хороший отвод тепла одновременно с обеспечением высокой надежности.
Разработка и применение инновационных решений при построении структуры АРК ППТК, позволили обеспечить заданные требования в полном объеме.
Библиографические ссылки
1. ЗАО «Орбита». Научно-технический отчёт о составной части ОКР «Разработка предложений по конструкции и реализации технических требований для аппаратуры регулирования и контроля (АРК) СЭС ППТС».
2. База данных по радиационной стойкости электронных компонентов зарубежного производства (РСЭК). РНИИ «Электростандарт».
3. Патент РФ № 2165669. Зарядно-разрядное устройство. Савенков В. В., Тищенко А. К., Лившин Г. Д.
4. Пилотируемый транспортный корабль нового поколения [Электронный ресурс]. URL: http://kosmo-lenta.com/index.php/new-tech/ptknp (дата обращения: 10.06.2018).
References
1. Orbita, CJSC. Scientific and technical report on the part of R & D "Development of proposals for the design and implementation of technical requirements for control and regulation equipment of the power supply system of PPTS".
2. Database on radiation resistance of electronic components of foreign production. RNII "Electrostan-dart".
3. V. V. Savenkov, А. K. Tishchenko, G. D. Livshin. Charging-discharge device. Patent № 2165669.
4. New generation perspective manned transport spacecraft. Available at: http://kosmolenta.com/index. php/new-tech/ptknp (accessed: 10.06.2018).
Савенков В. В., Тищенко А. К., Волокитин В. Н., 2018
