CC BY
19
The article describes one of the possible ways to solve an urgent practical problem, which consists in improving the quality of reconnaissance surveys when choosing a site for placing optoelectronic devices and reducing the time requiredfor their conduct. An approach to assessing astroclimatic conditions when choosing a site for placing optoelectronic complexes is considered.
Key words: reconnaissance surveys, site area, astroclimatic conditions, construction, atmosphere.
Sitnikov Aleksej Vitalyevich, head of laboratory, vka-onr@mail.ru, Russia, Saint-Peterburg, Mozhaisky Military Aero Space Academy,
Sitkov Roman Aleksandrovich, candidate of technical sciences, head of group, vka-onr@,mail.ru, Russia, Saint-Peterburg, Mozhaisky Military Aero Space Academy,
Valeriy Nikolaevich Shchelnikov, candidate of technical sciences, senior researcher, vka-onr@mail.ru, Russia, Saint-Peterburg, Mozhaisky Military Aero Space Academy
УДК 620.17 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-124-130
КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА
М.В. Житный, П.С. Гончаров, И.С. Прохватова
Рассмотрена компьютерная модель функционирования системы электроснабжения космического аппарата в условиях кинетического воздействия малоразмерных твердых частиц космического мусора. Показаны результаты компьютерного моделирования функционирования системы электроснабжения космического аппарата в условиях ударного воздействия частиц космического мусора на солнечные элементы солнечных батарей.
Ключевые слова: космический мусор, компьютерное моделирование, космический аппарат, солнечный элемент, система электроснабжения.
Увеличение числа малоразмерных частиц космического мусора (МТЧ КМ), вызванное активной деятельностью различных государств в околоземном пространстве, повышает вероятность кинетического (ударного) воздействия этих частиц на элементы космического аппарата (КА). Так расчеты, проведенные с использованием модели пространственно-временного распределения плотности потоков техногенного вещества размером более 0,1 см на удалении от поверхности Земли от 200 до 2000 км в произвольный момент времени с 2000 по 2025 годы [1], показали, что за время срока активного существования для ряда КА, находящихся на низких круговых орбитах, прогнозируется их встреча с 3 МТЧ КМ размером 1 - 2,5 мм. Результат такого воздействия будет определяться функцией, зависящей от ряда факторов: скорости и угла встречи МТЧ КМ с поверхностью КА, материала МТЧ КМ и элемента КА, с которым происходит взаимодействие, формы МТЧ КМ и других. При этом очевидно, что вероятность столкновения МТЧ КМ с элементом КА будет определяться в первую очередь площадью поверхности данного элемента и его расположением на внешней поверхности КА. Анализ конструкции КА показывает, что такими элементами, имеющими большую площадь поверхности, по сравнению с другими элементами, являются панели солнечных батарей и антенные устройства радиотехнических и радиолокационных устройств.
124
Панели солнечных батарей структурно входят в состав системы электроснабжения (СЭС) КА, которая относится к обеспечивающим системам КА. Основной задачей СЭС КА является поддержание баланса между генерируемой и расходуемой электрической энергией. В рамках СЭС КА панели солнечных батарей представляют собой генераторы электрической энергии, которая вырабатывается за счет эффекта, возникающего в полупроводнике при падении на него солнечного излучения.
Анализ функционирования СБ КА в реальных условиях показывает, что СБ в силу особенности конструкции хотя и является достаточно уязвимым для кинетического воздействия МТЧ КМ объектом, но позволяет обеспечивать уровень генерируемой электрической энергии не ниже критического, даже при некоторой степени повреждения сборок ее солнечных элементов. Например, анализ опыта эксплуатации солнечных батарей служебного модуля МКС, показал, что в результате повреждения частицами космического мусора трех створок одного из генераторов СБ произошло снижение суммарного генерируемого тока на 5% [2].
Вместе с тем увеличение в процессе функционирования КА числа таких повреждений приводит к росту, соответствующему этим повреждениям, степени деградации панели СБ и снижению суммарной величины генерируемого ею тока. С целью оценивания баланса электрической энергии в СЭС КА в условиях кинетического воздействия МТЧ КМ, интенсивность которого задается значениями потока или флюенса частиц КМ, была разработана компьютерная модель функционирования СЭС КА в условиях воздействия космического мусора.
В качестве объекта моделирования принята система электроснабжения КА. Аспектом моделирования является совокупность свойств СЭС КА, влияющих на баланс между генерируемой и расходуемой электрической энергией, а именно величины тока, генерируемого СБ, степени заряда аккумуляторов, входящих в СЭС КА, и величины потребляемого тока.
В основу компьютерной модели положена математическая модель функционирования СЭС КА, которая с учетом требования, предъявляемого к функционированию рассматриваемой системы, может быть представлена в следующем виде:
|х — СБ () = |х ((нагр () + N зар.АБ () + —ШС () + —потери ( ^ ) + 1Ттуо ((нагр () + —потери (^ (1)
ЕАБ () = ЕАб + К з • 10з М зар.АБ (№ - К р • ]0р NразЛБ (К где хоуо, х туо - время нахождения КА на освещенном и теневом участке орбиты соответственно; Nсб (() - мощность, генерируемая СБ; —нагр (/) - мощность, потребляемая
нагрузкой КА; —щс () - мощность, рассеиваемая шунтовым стабилизатором; —потери (/) - мощность, расходуемая при потерях; Еаб (/) - электроэнергия, запасенная в АБ; еАб - начальное значение энергии, запасенной в АБ; —зар аб() - мощность, потребляемая при заряде аккумуляторной батареи; tз - продолжительность заряда на освещенном участке орбиты; —раз аб (/) - мощность, отдаваемая при разряде аккумуляторной батареи; /р - продолжительность разряда на освещенном и теневом участке
орбиты; К з, Кр — коэффициенты, определяемые электрохимическими процессами. ^ р
В качестве допущения принято, что воздействие МТЧ КМ на СЭС КА выражается в виде механических повреждений поверхности солнечных элементов СБ, которые приводят в выходу из строя сборки, в которую входит поврежденный солнечный эле-
мент, и снижению суммарной мощности, генерируемой СБ. Поэтому в системе уравнений (1), описывающей функционирование СЭС, в переменной величиной является только значение мощности, генерируемой СБ.
Общая мощность, генерируемая СБ, определяется следующим выражением:
к
NСБ ()= INПСБ| ,
I=1
где к - число панелей солнечной батареи; ^псб- _ мощность, генерируемая 1-й панелью СБ.
Расчет мощности, генерируемой 1-й панелью СБ, производится по следующей зависимости:
NПСБi = nПСБ| ' ^эфф 'крад ■ кТраб ■ кз ■ кповр, (2)
где №пт, - начальная мощность, генерируемая !-той панелью СБ; ПСБ1
дэфф - эффективная плотность потока солнечного излучения с учетом потемнения покрытия, расстояния до Солнца и неперпендикулярности падения солнечного излучения; крад - коэффициент, учитывающий радиационную деградацию электрических характеристик солнечного элемента; кт б - коэффициент, учитывающий уменьшение мощности с увеличением рабочей температуры; кз- коэффициент, учитывающий затенение СБ; кповр- коэффициент, учитывающий деградацию электрических характеристик СБ
вследствие повреждений, возникших в результате воздействия МТЧ КМ.
Анализ выражения (2), с учетом принятого допущения, позволяет заключить, что мощность, генерируемая 1-й панелью СБ в условиях кинетического воздействия МТЧ КМ, приводящего к нарушению целостности солнечных элементов, в общем случае будет определяться коэффициентом деградации кповр. Другие множители, входящие в зависимость (2), характеризуют влияние других факторов внешней среды на величину генерируемой СБ мощности.
Значение кповр определяется исходя из следующей зависимости:
к = ^СБ! , (3)
повр ЛГ0 (3) ^СБ!
где N0 - начальная мощность, генерируемая 1-й панелью СБ.
ПСБ|
Значение начальной мощности определяется из соотношения
ПСБ!
#ПсБ| = (7СЗ ■ ппр )■ (иСЭ ■ ппс " и), где ппр- число параллельно соединенных СЗ на панели СБ; ппс- число последовательно соединенных СЗ на панели СБ; /сэ- ток отдельного СЗ; исэ - напряжение отдельного СЗ; и - падение напряжения на диодах и соединительных проводах.
Анализ выражения (3) позволяет заключить, что коэффициент кповр представляет собой коэффициент деградации мощности СБ, значения которого могут быть получены в ходе проведения экспериментальных исследований [3]. Таким образом, окончательно значение мощности, генерируемой 1-й панелью СБ, в случае повреждения части входящих в нее сборок можно представить в виде
к 0 т 0
^СБ! = I N] + I N0 ■ кповр р , ]=1 р=1 126
где N0 | - начальная мощность не поврежденной (поврежденной) сборки СЭ; & п - коэффициент деградации сборки СЭ, поврежденной в результате кинетического воздействия МТЧ КА; к - количество неповрежденных сборок; т - количество поврежденных сборок.
В ходе компьютерного моделирования происходит сравнение мощности, генерируемой СБ и запасаемой в АКБ, с учетом коэффициента полезного действия этого процесса, с критериальным значением мощности, требуемой для полноценного функционирования КА.
Внешний вид главного окна компьютерной модели представлен на рис. 1.
i Математическая модель функционирования СЭС КА в условиях воздействия ВФ
Исходные данные Срок активного существования КА, лет Площадь СБ, кв.м Емкость АБ, А*ч Удельная мощность СБ, Вт/кв.м Напряжение СЭ в точке макс.мощности, В Ток СЭ в точке макс.мощности, А
Мак.угол откл.нормали к СБ от напраления на Солнце, град Продолжительность теневого участка орбиты, % Тобр Продолжительность освещенного участка орбиты, % Тобр Среднее электропотребление БА на [ УО, Вт Среднее электропотребление БА на ОУО, Вт
Параметры орбиты КА
Результаты моделирования Начальная мощность СБ, Вт Мощность СБ при повреждении, Вт Коэффициент деградации мощности СБ
Срок активного существования КА при повреждении СБ, лет
Значение потока МТЧ возд. на СБ, част./(кв.м*год)
Рис. 1. Вид главного окна компьютерной модели
В качестве исходных данных для моделирования процесса функционирования СЭС КА были приняты следующие характеристики: параметры орбиты КА; срок активного существования КА (САС); площадь солнечной батареи; емкость аккумуляторной батареи; удельная мощность солнечной батареи;
напряжение солнечного элемента в точке максимальной мощности; ток солнечного элемента в точке максимальной мощности;
максимальный угол отклонения нормали солнечной батареи от направления на
Солнце;
продолжительность теневого участка орбиты (ТУО) КА; продолжительность освещенного участка орбиты (ОУО) КА; среднее электропотребление бортовой аппаратуры на ТУО; среднее электропотребление бортовой аппаратуры на ОУО; значение потока МТЧ КМ, воздействующего на солнечную батарею. Результатом компьютерного моделирования является значение срока активного функционирования КА после повреждения СБ частицами космического мусора с заданным флюенсом. Значение флюенса МТЧ КМ определяется по ГОСТ Р 25645.1672005 для орбиты функционирования рассматриваемого КА.
В качестве примера применения разработанной компьютерной модели рассмотрим результаты моделирования функционирования СЭС КА при условиях, представленных в табл. 1.
Таблица 1
Исходные данные для моделирования__
№ Наименование характеристики Значение
1 Большая полуось орбиты, м 7171000
2 Эксцентриситет орбиты 0
3 Наклонение орбиты, градус 98
4 Срок активного существования КА, лет 5
5 Площадь солнечной батареи, м2 30
6 Емкость аккумуляторной батареи, Ач 60
7 Удельная мощность солнечной батареи, Вт/м2 180
8 Напряжение солнечного элемента в точке максимальной мощности, В 0,52
9 Ток солнечного элемента в точке максимальной мощности, А 0,12
10 Максимальный угол отклонения нормали солнечной батареи от направления на Солнце, градус 50
11 Продолжительность теневого участка орбиты КА, % Тобр 30
12 Продолжительность освещенного участка орбиты КА, % Тобр 70
13 Среднее электропотребление бортовой аппаратуры на теневом участке орбиты, Вт 700
14 Среднее электропотребление бортовой аппаратуры на освещенном участке орбиты, Вт 3000
15 Значение потока МТЧ КМ, воздействующего на солнечную батарею, част/(год-м2) 0,06 - 0,2
Значение потока МТЧ КМ, воздействующих на поверхность СБ, для заданной орбиты функционирования КА, варьируется от 0,06 част/(годм2) (минимальное значение, вычисленное в соответствии с [1]) до 0,2 част/(годм2).
Результаты, полученные в ходе компьютерного моделирования при различных значениях потока МТЧ КМ, представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты моделирования__
Значение потока
№ п/п Начальная мощность СБ, Вт МТЧ КМ, воздействующих на поверхность СБ, част/(год-м2) Мощность СБ при повреждении, Вт Коэффициент деградации мощности СБ САС КА при повреждении СБ, лет
1 0,06 5313 0,984 5
2 5400 0,1 5256 0,973 5
3 0,15 5184 0,960 5
4 0,2 5112 0,947 0,05
Программный модуль позволяет графически отображать зависимость баланса электроэнергии от времени функционирования КА, поддерживаемую СЭС на борту КА, в виде зависимости степени заряда АКБ от времени функционирования (0 - АКБ полностью разряжена, 1 - АКБ полностью заряжена). Динамика изменения степени заряда аккумуляторной батареи КА в результате повреждения СБ потоком МТЧ КМ, характеризуемым значением 0,2 част/(год-м2), полученная в ходе моделирования, показана на рис. 2.
Таким образом, представленная компьютерная модель функционирования системы электроснабжения космического аппарата позволяет осуществлять прогноз изменения срока активного существования КА, обусловленного ударным воздействием на панели солнечной батареи КА малоразмерных твердых частиц космического мусора, которое приводит к разрушению СЭ СБ и снижению общей эффективности функционирования СБ. Расчет проводится на основе значений коэффициента деградации СЭ СБ, которые определяются экспериментально.
<
¡0 0,95
I 0.9
® 0,85
0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
САС, сут
Рис. 2. Изменение степени заряда АКБ в результате повреждения СБ КА
На основе компьютерного моделирования возможно проведения обоснования критериального значение потока МТЧ КМ, характеризующего границу допустимого уровня повреждения панелей СБ в результате кинетического воздействия МТЧ КМ.
Список литературы
1. ГОСТ Р 25645.167-2005. Космическая среда (естественная и искусственная). Модель пространственно-временного распределения плотности потоков техногенного вещества в космическом пространстве. Введен в действие с 01.02.2005. -М.:Стандартинформ, 2005. - 45с.
2. Зернов А.С., Николаев В.Д. Опыт эксплуатации солнечных батарей служебного модуля международной космической станции // Космическая техника и технологии, 2016. Вып. 1(12). С.29-38.
3. Гончаров П.С. Результаты моделирования ударного воздействия малоразмерных частиц на солнечные элементы космического аппарата // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2020. Вып.5. С.83-93.
Житный Михаил Владимирович, канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник, vka@ mil.rH, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Гончаров Павел Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, начальник отдела, vka@mil.rH, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Прохватова Ирина Станиславовна, научный сотрудник, vka@mil.rH, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского
COMPUTER MODEL OF POWER SUPPLY SYSTEM FUNCTIONING UNDER THE
INFLUENCE OF SPACE DEBRIS
M.V. Zhitnyy, P.S. Goncharov, I.S. Prohvatova
A variant of modeling the functioning of the power supply system of the spacecraft under the conditions of the kinetic effect of small-sized solid particles of space debris is considered. The results of experimental studies of changes in the electrical characteristics of solar cells that occur when solar cells are damaged by small-sized particles of space debris are shown.
Key words: space debris, computer simulation, spacecraft, solar cell, power supply
system.
Zhitnyy Mikhail Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, senior researcher, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Goncharov Pavel Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, head of department, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Prohvatova Irina Stanislavovna, researcher, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy
УДК 654.078 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-130-139
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ УЗЛА СВЯЗИ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ, ФУНКЦИОНИРУЮЩЕГО В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ КОМПЛЕКСА ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ
А.В. Милашевский
Описана методика, разработанная на основе количественно обоснованных взаимосвязей между частными параметрами, полученных при моделировании узла связи специального назначения произвольной структуры и элементов, входящих в его состав. Алгоритм состоит в рекурсивном пересчете с помощью разработанных моделей показателей исследуемого свойства всех элементов, входящих в состав узла связи, для различных вариантов их представления. Осуществлены выбор и обоснование исходных данных, показателей и критериев, приняты основные ограничения и допущения, осуществлена корректная постановка задачи. Доведение разработанного алгоритма до программной реализации позволило существенно сократить время на проведение расчетов, анализ результатов которых позволил обоснованно сформулировать основные направления повышения показателей указанного свойства.
Ключевые слова: узел связи специального назначения, дестабилизирующие факторы, методика оценки, устойчивость функционирования, показатели роли вложенных элементов.
Стремительное развитие передовых информационно-телекоммуникационных технологий и повсеместное внедрение их во все сферы жизнедеятельности позволило качество предоставляемых узлами связи (УС) специального назначения (СН) услуг на качественно новый уровень. Вместе с тем анализ особенностей функционирования УС на фоне объективно существующих угроз и вызовов позволил обоснованно заключить, что в прогнозируемых условиях главенствующая роль принадлежит обеспечению его устойчивого функционирования [1, 2] в условиях воздействия целого комплекса рационально распределенных во времени дестабилизирующих факторов (ДФ) различной природы, изложенных в [3]. В этой связи актуализируется задача по созданию методики, позволяющей оценивать показатели устойчивости функционирования УС СН и в результате их анализа вырабатывать научно обоснованных направлений ее повышения.
Модели УС и его основных элементов [4], полученные с использованием [5], позволили установить количественно обоснованные взаимосвязи между частными параметрами и разработать методику, цель которой состоит в определении направлений обеспечения устойчивости УС СН, функционирующего в условиях воздействия комплекса ДФ, посредством оценки показателей указанного свойства и анализа полученных результатов.
