CC BY
15УДК 629.78.064.52:621.319.4
использование Блоков суперконденсаторов в системе электроснабжения возвращаемого аппарата пилотируемого транспортного корабля
© 2020 г. хаванов Е.С., Бесчастный р.А., фатеев д.А.
Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва» (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: post@rsce.ru
Представлена схема размещения системы электроснабжения (СЭС) возвращаемого аппарата (ВА) пилотируемого транспортного корабля (ПТК) на основе одноразовых батарей и автономных одноразовых источников тока, специализированных для обеспечения электрических импульсных нагрузок ВА ПТК при спуске. Рассмотрены особенности данной схемы.
Представлен вариант схемы размещения СЭС В А ПТК c гибридными накопителями электрической энергии на основе литий-ионной аккумуляторной батареи и блоков суперконденсаторов (БСК) в едином корпусе.
Представлен вариант схемы размещения СЭС В А ПТК с литий-ионными аккумуляторными батареями для обеспечения бортовых стационарных нагрузок и кабель-вставками на основе суперконденсаторов для обеспечения импульсных нагрузок (инициация пиросредств двигателей мягкой посадки ВА ПТК).
Разработана принципиальная схема устройства кабель-вставки с блоком суперконденсаторов (БСК-кабель-вставка), согласно которой для уточнения ее электрических параметров с учетом максимальных требований по импульсной нагрузке ВА в MATLAB/Simulink была синтезирована имитационная математическая модель БСК-кабель-вставки, и проведена серия симуляций. Представлены результаты моделирования, сделаны выводы о целесообразности применения данного устройства.
Ключевые слова: возвращаемый аппарат, кабель-вставка, блок суперконденсаторов, литий-ионная аккумуляторная батарея, пилотируемый транспортный корабль, математическая модель.
DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2020-2-84-91
using super-capacitor units
IN THE power supply SYSTEM OF RE-ENTRY vEHICLE
of a crew transportation spacecraft
Khavanov E.S., Beschastny R.A., Fateev D.A.
S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str, Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:post@rsce.ru
The paper presents a configuration for the Power Supply System (PSS) of a Re-entry Vehicle (RV) of a Crew Transportation Spacecraft (CTS) based on expendable batteries and autonomous current sources specially designed to support electrical pulsed loads of CTS RV during descent. The paper reviews some special features of such a configuration.
It present a CTS RV PSS option which has hybrid energy storage devices based on Li-ion storage battery and Super-Capacitor Units (SCU) packaged in a single housing.
It present a CTS RV PSS option which has Li-ion storage batteries to support steady-state onboard loads and patch cables based on super-capacitors to support pulse loads (initiation of pyros of the CTS RV soft landing thrusters).
Schematics have been developed for the patch cable with a super-capacitor unit (SCU-patch cable), which were used to refine its electrical parameters to take into
использование блоков суперконденсаторов
account the highest pulsed load requirements for an RV by constructing a math model of the SCU-patch cable in MATLAB/Simulink and running a series of simulations. The paper presents simulation results drawing conclusions about the practicability of using such a device.
Key words: reentry vehicle, patch cable, super-capacitor unit, lithium-ion battery, crew transportation spacecraft, math model.
хлвлнов Е.С. БЕСчАСтный р.А. фАтЕЕв д.А.
ХАВАНОВ Егор Сергеевич — аспирант, инженер РКК «Энергия», e-mail: post2@rsce.ru KHAVANOV Egor Sergeevich — Postgraduate, Engineer at RSC Energia, e-mail: post2@rsce.ru
БЕСЧАСТНЫЙ Роман Александрович — инженер РКК «Энергия», e-mail: post2@rsce.ru BESCHASTNY Roman Aleksandrovich — Engineer at RSC Energia, e-mail: post2@rsce.ru
ФАТЕЕВ Дмитрий Андреевич — инженер РКК «Энергия», e-mail: post2@rsce.ru FATEEV Dmitry Andreevich — Engineer at RSC Energia, e-mail: post2@rsce.ru
Для электропитания бортовых систем возвращаемого аппарата (ВА) пилотируемого транспортного корабля (ПТК) используется система электроснабжения (СЭС), штатное функционирование которой является фактором, определяющим безаварийное завершение полета с гарантированным выполнением целевых задач ВА ПТК (далее по тексту В А) [1-5]. Основная задача, стоящая при создании СЭС ВА ПТК (далее по тексту СЭС) — обеспечение максимальной гарантии успешного выполнения миссии с доставкой экипажа на Землю с учетом ряда ограничений, к примеру, в отношении габаритных размеров, массы, сложностей компоновки и т. п.
Указанные ограничения приводят к необходимости поиска новых технических решений [1-5].
основные элементы и особенности СэС вА Птк. Постановка задачи
Основными элементами СЭС являются:
• накопители электрической энергии (НЭЭ);
• соединительные кабели к электрическим нагрузкам ВА [1].
Электрические нагрузки ВА можно разделить на два типа:
• стационарные (питание бортовых приборов и оборудования ВА);
• импульсные (питание пиронитей пиросредств ВА) [4, 5].
При спуске ВА с орбиты Земли имеется важная особенность: при посадке на фоне стационарной потребляемой мощности ~3 кВт накладывается импульсная мощность до 3 кВт.
В импульсном режиме средства НЭЭ СЭС, помимо питания стационарной нагрузки, обеспечивают срабатывание двигателей мягкой посадки (ДМП) ВА, в частности, для поджига пиронитей пиро-средств активации двигателей гашения горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ВА.
При этом величина энергии электрического импульса составляет единицы Втч, что более чем на два порядка меньше той, что требуется для питания стационарной нагрузки. При этом суммарная мощность, снимаемая с НЭЭ,
с учетом импульсной нагрузки может развиваться до 5-6 кВт и приводить к кратковременному снижению напряжения в СЭС, допустимое минимальное значение которого для электропитания стационарной нагрузки ВА составляет 23 В. Поэтому требуемая мощность должна обеспечиваться при напряжении не менее этого значения, что повышает требования к НЭЭ в части токов разряда.
При столь разнотипных нагрузках с использованием в основе СЭС первичных или вторичных НЭЭ не только снижается энергетическая эффективность СЭС, но и возникает необходимость в переразмеривании ее параметров в части:
• напряжения и токов разряда НЭЭ ВА, что ведет к увеличению энергоемкости НЭЭ выше требуемой и, как следствие, заметно повышает его массу и габаритные размеры;
• увеличения сечений силовых кабелей в СЭС и, соответственно, массы СЭС в целом.
Кроме того, повышение напряжения НЭЭ нецелесообразно по причине того, что максимальное напряжение аппаратуры регулирования и контроля двигательного отсека, от которой заряжается НЭЭ, составляет ~33 В, что близко к значению, максимально допустимому на пилотируемых космических аппаратах.
Повышение характеристик НЭЭ по току сопряжено с увеличением количества пар анод/катод в каждом элементе НЭЭ или с включением дополнительных параллельных цепей элементов. Этот метод по оценочным расчетам не отвечает требованиям минимизации массы и габаритов НЭЭ и СЭС в целом [4].
особенности решения, используемого для СэС вА Птк
В настоящее время в качестве НЭЭ ВА, с учетом максимальной удельной энергоемкости, выбраны одноразовые батареи (ОБ) [4] для обеспечения электропитания стационарных нагрузок ВА. Для обеспечения электропитания импульсной нагрузки, представляющей собой пиросредства в ДМП ВА, выбраны одноразовые источники тока (ИТ), гальванически развязанные от СЭС.
СЭС на основе ОБ с применением автономных ИТ имеет ряд важных особенностей:
• одноразовость ОБ и ИТ;
• отсутствие гальванической связи ОБ и ИТ;
• пассивация анодов ОБ и ИТ (нарастание оксидной пленки и необходимость проведения периодической депассивации (процесс удаления диэлектрической пленки с анода химического элемента посредством подключения большой нагрузки в импульсе);
• малый коэффициент полезного действия ОБ и ИТ (не более 0,8) и, как следствие, высокое тепловыделение;
• высокая токсичность составляющих ОБ и ИТ;
• необходимость введения диодной защиты для предотвращения заряда от шин СЭС (в части ОБ);
• СЭС гальванически развязана от импульсной нагрузки ВА.
Увеличение массы ВА с применением двух ИТ без учета массы кабелей составит не менее 12 кг.
На рис. 1 изображена схема размещения СЭС на основе ОБ и ИТ.
Питание от солнечных батарей
Рис. 1. Схема размещения СЭС на основе одноразовъх батарей и одноразовъх источников тока: 1 — команды управления из центральной вычислительной машины ВА (находится в блоке нагрузок ВА); 2 — пиросредства двигателей мягкой посадки (вертикальное гашение скорости); 3 — пиросредства двигателей мягкой посадки (горизонтальное гашение скорости); ВА — возвращаемый аппарат; КО — командный отсек; АО — агрегатный отсек; ДО — двигательный отсек; ЛБ1, 2, 3, 4 — литий-ионные батареи ДО; АРК — аппаратура регулирования и контроля ЛБ1, 2, 3, 4; ОБ1, 2 — одноразовые батареи ВА; ИТ1, 2 — одноразовые источники тока для активации пиросредств ДМП; БКПВ — блок коммутации питания ВА; БКПД — блок коммутации питания ДО; БУБК — блок управления бортовым комплексом; НВА — нагрузки ВА; НДО — нагрузки ДО
С учетом вышеупомянутых проблем, ставилась задача повышения эффективности СЭС для ВА с желательным снижением массы. Для решения данной задачи авторами была проработана идея построения СЭС с применением
использование блоков суперконденсаторов
гибридного накопителя электрической энергии (ГНЭЭ) на основе современных литий-ионных аккумуляторов и суперконденсаторов с исключением ОБ и ИТ. Эта работа подробно освещена в соответствующей статье авторов [5].
Особенности варианта построения СЭС на основе ГНЭЭ
Согласно работе [6], наилучшими НЭЭ для обеспечения их большой импульсной мощности являются суперконденсаторы.
Гибридный НЭЭ представляет собой управляемую связку блока суперконденсаторов (БСК) и блока литий-ионных аккумуляторных батарей (БЛИАБ). Все составляющие элементы ГНЭЭ многоразовые, что является его положительной особенностью. Коммутация шин БСК на внутренние силовые шины БЛИАБ выполняется по принципу «подхват» при превышении максимального тока разряда БЛИАБ. Предусмотрен также командный вариант активации режима «подхват» [5]. Применение ГНЭЭ в СЭС имеет следующие особенности:
• переразмеривание параметров БСК в составе ГНЭЭ в части емкости и максимальных токов разряда по причине необходимости, согласно схеме ГНЭЭ, обеспечения всего спектра нагрузок ВА на время импульса средствами БСК;
• большое количество управляющих элементов в ГНЭЭ, что повышает требования к надежности каждого из них для обеспечения вероятности безотказной работы ГНЭЭ не менее 0,999.
На рис. 2 представлена схема размещения СЭС на основе ГНЭЭ.
Пйтание от солнечных батарей
Рис. 2. Схема размещения СЭС на основе ГНЭЭ:
ГНЭЭ 1, 2 — гибридные накопители электрической энергии Примечание. См. обозначения к рис. 1.
БСК-кабель-вставка в СЭС
Учитывая особенности ГНЭЭ, авторы провели проработку реализации идеи децентрализованного расположения отдельных БСК. С учетом сложностей компоновки ВА эта идея потребовала нестандартного технического решения, такого как децентрализованное размещение БСК на кабелях СЭС в составе БСК-кабель-вставок.
Поскольку максимальная импульсная мощность затрачивается при активации двух блоков пиросредств ДМП, был предложен вариант построения СЭС, предусматривающий две БСК-кабель-вставки.
На рис. 3 для наглядности представлен вид компоновки СЭС на основе децентрализованных БСК-кабель-вставок.
Питание от солнечных батарей
Рис. 3. Схема размещения СЭС на основе децентрализованных БСК-кабель-вставок: ЛИАБ1,2 — литий-ионные аккумуляторные батареи; В — БСК-кабель-вставки Примечание. См. обозначения к рис. 1.
На рис. 4 представлен вариант внешнего вида БСК-кабель-вставки. Принципиальная схема БСК-кабель-вставки представлена на рис. 5.
Рис. 4. Внешний вид БСК-кабель-вставки: 1 — кабель входной; 2 — разъем для заряда БСК; 3 — кабель на телеметрию; 4 — кабель выходной
Математическое моделирование БСК-кабель-вставки при целевой нагрузке
Работоспособность принципиальной схемы, показанной на рис. 5, было решено проверить средствами математического моделирования. Для этого авторами была разработана экспериментальная циклограмма импульсной нагрузки ВА на этапе «Спуск» (рис. 6), являющаяся одним из главных детерминированных входных параметров. Для проведения математического моделирования в системе МАТЬАВ/Бтиипк, была создана имитационная математическая модель с детерминированными параметрами, подобранными авторами согласно предварительным расчетам [5].
С учетом работы [5] и рис. 6 в математическую модель вводились следующие предварительные входные параметры:
• модельное время;
• емкость БСК;
• расчетное напряжение БСК;
• эквивалентное сопротивление саморазряда БСК;
• напряжение на силовом кабеле «10» при обеспечении импульсной нагрузки;
• эквивалентное сопротивление импульсной нагрузки в СЭС;
• эквивалентное сопротивление кабелей.
Ставилась задача определить электрические параметры БСК-кабель-вставки для обеспечения циклограммы импульсных нагрузок ВА, поэтому в математическую модель не вводились параметры индуктивности и емкости пассивных элементов СЭС (кабели и переключатели), так как, по предварительной оценке, они приняты пренебрежимо малыми величинами.
Временные интервалы срабатывания ключей в математической модели также приняты пренебрежимо малыми величинами.
Требования к результатам моделирования:
• согласно особенностям блока пиро-средств возвращаемого аппарата, основной и резервный импульсы тока должны иметь амплитуды не менее 155 А, с учетом потерь на кабелях и на внутреннем сопротивлении БСК — не более 2 В;
• напряжение БСК в импульсе с учетом выполнения требований СЭС не должно падать ниже 28 В (напряжение АБ) для предотвращения электропитания импульсных нагрузок средствами АБ.
Результаты моделирования
Рис. 5. Принципиальная схема БСК-кабель-вставки: ДП — дистанционный переключатель; АБ — аккумуляторная батарея; БСК — блок суперконденсаторов; ДелНапр — делитель напряжения; Е1, Е2 — резисторы делителя напряжения; ПТ — полевой транзистор; ДБ — диодный блок; ППНОТ — повышающий преобразователь напряжения с ограничителем тока; ДН — датчик напряжения БСК; КН — компаратор напряжения БСК с генератором команд
При осуществлении серии тестов математического моделирования были определены оптимальные электрические параметры БСК, при которых требования к результатам моделирования полностью выполнялись.
На рис. 7-11 представлены результаты математического моделирования БСК-кабель-вставки согласно экспериментальной циклограмме на рис. 6.
На циклограмме рис. 6 интервалы заряда не были указаны, так как их необходимо было уточнить средствами математического моделирования с учетом выбранных оптимальных электрических параметров БСК-кабель-вставки.
использование блоков суперконденсаторов
Рис. 6. Экспериментальная циклограмма импульсной нагрузки на спуске ВА
3499,98 3500,02 3500,06 (,с
Рис. 7. Ток при подрыве группы двигателей мягкой посадки средствами БСК-кабель-вставки с учетом основного и резервного импульсов, согласно экспериментальной циклограмме (рис. 6)
Рис. 8. Напряжение на БСК-кабель-вставке при подрыве одной из групп двигателей мягкой посадки средствами БСК-кабель-вставки с учетом основного и резервного импульсов, согласно экспериментальной циклограмме (рис. 6)
На рис. 9, 10 представлены результаты симуляции заряда БСК током до 3 А, длительность которого с учетом параметров БСК составила 500 с.
В математической модели была учтена постепенная потеря емкости БСК, вызванная его саморазрядом, эквивалентное сопротивление которого было взято согласно усредненным данным по современным производственным образцам суперконденсаторов. С учетом результатов первых симуляций, проведенных в соответствии с циклограммой рис. 6, была подтверждена необходимость осуществления заряда БСК непосредственно перед использованием. Поэтому был введен дополнительный заряд БСК-кабель-вставки, длительность которого составила ~200 с. Зависимость по напряжению дополнительного заряда БСК-кабель-вставки представлена на рис. 11.
500 600 700 800 900 Г, с
Рис. 9. Заряд БСК-кабель-вставки. Зависимость по току
500
Рис. 10. Заряд напряжению
600 700 800 900 I, с
БСК-кабель-вставки. Зависимость
Примечание. Падение кривой напряжения является следствием саморазряда БСК, имитация которого была реализована в математической модели согласно данным по саморазряду производственных образцов суперконденсаторов.
Особенности применения БСК-кабель-вставки в СЭС ВА ПТК
Применение БСК-кабель-вставки в составе кабелей СЭС вызовет закономерное увеличение инертности соответствующих кабелей, ведущее к повышению механических нагрузок на них, в особенности при статических и квазистатических ускорениях, что требует проработки конструкционных решений, обеспечивающих надежное закрепление БСК-кабель-вставки и соответствующих кабелей. Вариантом с наибольшей надежностью, по мнению авторов, является крепление БСК-кабель-вставки к корпусу ВА в местах непосредственного прилегания к нему. Проработка этого варианта должна быть осуществлена при проведении вибропрочностных испытаний в составе изделия (ВА) на вибростенде.
В случае применения БСК-кабель-вставки в СЭС при выполнении соответствующей составной части опытно-конструкторской работы необходима проработка командных, телеметрических и электрических интерфейсов БСК-кабель-вставки.
В настоящее время совершенствование схемы (см. рис. 5) продолжается. Предполагается вариант по уменьшению массы БСК методом разрыва гальванической
связи БСК-АБ с расширением интервала рабочих напряжений БСК. Однако в таком варианте к БСК-кабель-вставке будут предъявлены более жесткие требования по отказоустойчивости, которые потребуют увеличения количества БСК в составе устройства. Тем не менее, такой вариант компоновки БСК-кабель-вставки, по мнению авторов, также является перспективным к разработке.
Заключение
Проработка решения проблемы оптимизации нагрузок в СЭС при спуске ВА и, в частности, рассмотрение вопроса применения в СЭС БСК по децентрализованной схеме, включала следующие этапы:
• проведен обзор вариантов СЭС с представлением их основных особенностей;
• разработана принципиальная схема БСК-кабель-вставки;
• разработан вариант внутренней компоновки БСК-кабель-вставки и ее внешний вид;
• разработан вариант размещения СЭС с двумя БСК-кабель-вставками;
• по принципиальной схеме БСК-кабель-вставки в системе MATLAB/Simulink синтезирована имитационная математическая модель;
• проведены симуляции подрыва пиросредств ДМП средствами БСК-кабель-вставки и заряда БСК-кабель-вставки малым током в полете;
• найдены и представлены выделенные авторами особенности применения БСК-кабель-вставки, которые должны быть учтены при дальнейших работах;
• подготовлен комплект документов, включающих описание и формулу полезной модели устройства электропитания импульсных нагрузок в СЭС постоянного тока (БСК-кабель-вставка), и направлен в патентный отдел ПАО «РКК «Энергия». Прототипом полезной модели стал ГНЭЭ.
С учетом наличия в СЭС такого дополнительного НЭЭ, как БСК-кабель-вставка, ожидается увеличение живучести ВА при посадке.
Для предварительных исследований возможностей изготовления БСК-кабель-вставки для СЭС найдены и могут быть привлечены отечественные фирмы, освоившие технологию производства суперконденсаторов.
использование блоков суперконденсаторов
Список литературы
1. Грузков С.А., Останин С.Ю., Сугробов А.М., Токарев А.Б., Тыричев П.А. Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов в 2-х т. М.: Изд-во МЭИ, 2005. Т. 1. С. 480-559.
2. Соустин Б.П., Иванчура В.И., Чернышев А.И., Исляев Ш.Н. Системы электропитания космических аппаратов. Новосибирск: ВО «Наука», 1994. С. 250-308.
3. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1964. С. 354-435.
4. Носкин Г.В., Харагезов Е.И., Ха-ванов Е.С., Бесчастный Р.А. Первичные химические источники тока в электроснабжении пилотируемых возвращаемых
космических аппаратов / / Космическая техника и технологии. 2020. № 1(28). С. 34-41. DOI 10.33950/ spacetech-2308-7625-2020-1-34-41.
5. Носкин Г.В., Хаванов Е.С., Бесчастный Р.А. Гибридный накопитель электрической энергии на основе литий-ионных аккумуляторов и блоков суперконденсаторов для систем электроснабжения возвращаемых космических аппаратов // Лесной вестник. 2019. Т. 23. № 4. С. 39-48. DO110.18698/2542-1468-2019-4-39-48.
6. Панкрашкин А.В. Ионисторы Panasonic: физика, принцип работы, параметры // Компоненты и технологии. 2006. № 9. С. 1-3.
Статья поступила в редакцию 21.08.2019 г. Окончательный вариант — 15.01.2020 г.
Reference
1. Gruzkov S.A., Ostanin S.Yu, Sugrobov A.M., Tokarev A.B., Tyrichev P.A. Elektrooborudovanie letatel'nykh apparatov: uchebnik dlya vuzov v 2-kh t. [Electric devices for aircrafts: Textbook for universities in 2 vol.]. Moscow, MEIpubl., 2005, vol. 1, pp. 480-559.
2. Soustin B.P., Ivanchura V.I., Chernyshev A.I., Islyaev Sh.N. Sistemy elektropitaniya kosmicheskikh apparatov [Spacecraft power supply systems]. Novosibirsk, VO Naukapubl., 1994, pp. 250-308.
3. Bessonov L.A. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki [Theoretical foundations of electrical engineering]. Moscow, Vysshaya shkola publ., 1964, pp. 354-435.
4. Noskin G.V., Kharagezov E.I., Khavanov E.S., Beschastnyi R.A. Pervichnye khimicheskie istochniki toka v elektrosnabzhenii pilotiruemykh vozvrashchaemykh kosmicheskikh apparatov [Primary chemical current sources in power supply systems of reentry vehicles]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2020, no. 1(28), pp. 34-41. DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2020-1-34-41.
5. Noskin G.V., Khavanov E.S., Beschastnyi R.A. Gibridnyi nakopitel' elektricheskoi energii na osnove litii-ionnykh akkumulyatorov i blokov superkondensatorov dlya sistem elektrosnabzheniya vozvrashchaemykh kosmicheskikh apparatov [Hybrid electric energy storage based on lithium-ion batteries and supercapacitor units for power supply systems of returning spacecraft]. Lesnoi vestnik, 2019, vol. 23, no. 4, pp. 39-48. DO110.18698/2542-1468-2019-4-39-48.
6. Pankrashkin A.V. Ionistory Panasonic: fizika, printsip raboty, parametry [Panasonic Ionistors: physics, principle of operation, parameters]. Komponenty i tekhnologii, 2006, no. 9, pp. 1-3.
