CC BY
18
8. Кузнецов М., Симдянов И. PHP. Практика создания Web-сайтов. 2-ое издание, БХВ-Петербург, 2009.
Сычугов Алексей Алексеевич, канд. техн. наук, доцент, директор института прикладной математики и компьютерных наук, xru2003@list.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
STRUCTURE OF THE INDUSTRIAL FACILITIES MONITORING SYSTEM
A.A. Sychugov
This article defines the composition and main properties of the information system for the rapid detection of hazardous conditions of industrial facilities, describes its structure and the scheme of information interaction between internal elements and external systems, which ensures prompt and reliable exchange of information. The constant direction of information transfer is the "bottom-up" transfer from the lower levels to the upper ones. To reduce traffic, the exchange of information "from top to bottom" is carried out at the request of a special exchange protocol. The structure of the software package is proposed, consisting of general and special software.
Key words: distributed information systems, monitoring systems, information interaction, software systems.
Sychugov Alexey Alexeevich, candidate of technical science, head of chair, xru2003@list.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 620.17
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-406-412
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ФАКТОРОВ
М.В. Житный, П.С. Гончаров, А.М. Денисов
Представлен подход к моделированию и математическая модель функционирования системы электроснабжения космического аппарата в условиях воздействия естественных и техногенных факторов космического пространства. В модели учтены результаты экспериментальных исследований изменения электрических характеристик солнечных элементов, возникающих при повреждении солнечных элементов малоразмерными твердыми частицами космического мусора.
Ключевые слова: космический мусор, компьютерное моделирование, космический аппарат, солнечный элемент, система электроснабжения, техногенный фактор.
В процессе функционирования космического аппарата (КА) на его системы и элементы происходит воздействие естественных и техногенных факторов космического пространства (потоков прямого и отраженного солнечного излучения, собственного теплового излучения Земли, космической радиации, метеорных потоков и частиц космического мусора, плазмы электрических ракетных двигателей и пр.), приводящее к соответствующему ухудшению технических параметров. К основным из таких факторов следует отнести кинетическое воздействие частиц космического мусора, а также воздействие плазменных струй электрических ракетных двигателей (ЭРД).
Увеличение числа малоразмерных твердых частиц космического мусора (МТЧ КМ), вызванное активной деятельностью различных государств в околоземном пространстве, повышает вероятность кинетического (ударного) воздействия этих частиц на элементы космического аппарата. 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 [1]. Анализ конструкции КА показывает, что такими элементами, имеющими большую площадь поверхности, по сравнению с другими элементами, являются солнечные батареи и антенные устройства радиотехнических и радиолокационных устройств.
Кроме того, загрязняющее воздействие плазменных струй ЭРД приводит к образованию на критичных поверхностях космического аппарата пленок загрязнения в результате осаждения продуктов распыления. Образование на поверхностях солнечных батарей (СБ) пленок загрязнения приводит к деградации оптических коэффициентов покровных стекол и снижает генерируемую СБ электрическую мощность.
Солнечные батареи 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 солнечные батареи 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 воздействия естественных и техногенных факторов (ЕТФ) объектом, но позволяет обеспечивать уровень генерируемой электрической энергии не ниже критического, даже при определенной степени повреждения сборок ее солнечных элементов. Например, анализ опыта эксплуатации солнечных батарей служебного модуля международной космической станции, показал, что в результате повреждения частицами космического мусора трех створок одного из генераторов СБ суммарное снижение генерируемого тока не превысило 5% [2].
С целью оценивания баланса электрической энергии в СЭС КА в условиях воздействия ЕТФ, была разработана математическая модель функционирования СЭС КА.
В качестве объекта моделирования принята система электроснабжения КА. Предметом 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.
Обобщенная структурная схема СЭС приведена на рисунке. Приведенная схема является обобщенной ввиду того, что она отображает типовую структуру и минимально необходимый объем информации об устройстве СЭС современных КА, потребный для создания адекватной модели.
В общем случае при воздействии ЕТФ на СЭС могут происходить следующие типы
событий:
1) деградация характеристик поверхности покрытий и СЭ, приводящая к ухудшению оптических коэффициентов (например, в результате воздействия мелкодисперсных частиц космического мусора или воздействия плазменных струй ЭРД);
2) повреждения СЭ малоразмерными твердыми частицами (пробитие, трещины), как правило, вызывают снижение тока короткого замыкания и тока в точке максимальной мощности;
3) повреждение блокирующих и шунтирующих диодов, а также токопроводящих шин
СБ;
4) повреждение АБ;
5) повреждение бортовой кабельной сети;
6) повреждение бортовой аппаратуры управления СЭС.
События 1, 2 и 3 типов приводят к снижению максимальной мощности СБ, и, как следствие, возможному нарушению баланса расходуемой и генерируемой электрических энергий.
События 4, 5 и 6 типов помимо аналогичного нарушения баланса могут вызывать мгновенное нарушение работоспособности СЭС из-за отключения электропитания от критически важной бортовой аппаратуры или возгорания (взрыва) АБ.
В качестве основы математической модели используется уравнение баланса расходуемой и генерируемой электрической энергии, которое может быть представлено в виде [3]:
0 п ^зг т ^ Р] ,
Еаб(0 = ЕАБ + ЕЫ0х3АБ№-Е I лр(0^РБ(0^, (1)
г=1 о ]=1 о
где ЕАб , Еаб- начальная и текущая энергия аккумуляторных батарей; ^Б(0, ) - расходуемая на заряд АБ и генерируемая при разряде текущие электрические мощности; г/з (?), г/р ^) -КПД процессов заряда и разряда соответственно; /зг- - продолжительность г-го участка заряда
АБ; - продолжительность ]-го участка разряда АБ; п и т - количества участков заряда и р (
разряда АБ, в общем случае соотносятся с освещенными и теневыми участками орбиты. Выражение (1) для оценивания работоспособности СЭС корректно применяется при пошаговом моделировании, где на каждом шаге Л производится контроль выполнения условия превышения текущей энергии аккумуляторной батареи над величиной, характеризующей предельную
глубину разряда Есэс (^) = ЕСЭС . При оценивании данного условия только в конце срока
активного существования КА возможны случаи, когда при общем положительном балансе были не выявлены временные интервалы полного разряда батареи и дефицита потребной электрической мощности.
Обобщенная структурная схема системы электроснабжения: БАУ- бортовая аппаратура управления, БАП - бортовая аппаратура-потребитель, Оы1...Сьтп - солнечные элементы (ячейки фотопреобразователей), LSl...LSm - линейки солнечных элементов, УБзи.УВзтп - шунтирующие диоды, УБВ1.УОвт - блокирующие
диоды, ОБ - аккумуляторная батарея
Электрические мощности заряда и разряда АБ без потерь (которые учтены в соотношении (1) через КПД процессов) в общем случае могут быть выражены как
< с) = NСБ (*) - Nба (*) - Nли с) ; ^аб ( 0 = ^А ( 0 - ^Б ( 0 - Nли ( 0,
где NcБ( 0, NБА( 0 и N ли ( 0 - мощности, генерируемая солнечной батареей, потребляемая бортовой аппаратурой и рассеиваемая бортовой кабельной сетью соответственно.
Общая генерируемая мощность СБ определяется следующим выражением:
т
N сб( 0 = ¿г.ф ■ Е N СБк ,
к=1
где кгф - коэффициент, учитывающий геометрический фактор (для плоских СБ кгф = 1), NпСБ _ мощность, генерируемая к-той СБ, тъ - число солнечных батарей на КА.
Электрическая мощность, генерируемая к-той СБ, выражается следующей зависимостью:
тк
X М] (I) -АМк (*)
7=1
NСБк (') = кГ
где к3 - коэффициент затенения к-той СБ, N у (/) - мощность, генерируемая '-той линейкой
СЭ; ANк (^) - потери мощности на шинах и блокирующих диодах к-той СБ; тк - количество линеек СЭ в СБ.
Введение в использование коэффициента затенения упрощает расчет СБ с большим числом линеек, соединенных сложным образом. Коэффициент затенения вычисляется как отношение действительного выходного тока короткого замыкания СБ к его значению, полученному при отсутствии затенения.
Мощность линейки N у (/), в свою очередь, вычисляется как
Nj (0 = кудегР • х (( (0 -щ (О^ (2)
7 =1
где N7 (/) - мощность 7-того СЭ в линейке; ^N7 (/) - потери мощности на шунтирующем диоде и контактах 7-того СЭ в линейке, кдеГ^ - коэффициент, учитывающий деградацию электрических характеристик линейки СЭ в результате повреждения МТЧ, щ - количество СЭ в линейке.
Значения коэффициентов деградации кдопределяется по следующей модели повреждения линейки СБ:
кдегр [0, при электрическом разрывемежэлементногосоединения
' I kN тах,в остальных случаях
N03д 0
где kN тах = —-- коэффициент деградации максимальной мощности линейки СЭ, N у -
таХ ^
начальная генерируемая мощность линейки СЭ при нормальном падении солнечного излучения с плотностью, равной одной солнечной постоянной (1390 Вт/м2), Nв03д - максимальная мощность линейки СЭ в результате повреждения активной поверхности.
Коэффициенты деградации максимальной мощности линейки СЭ определяют в результате экспериментальных исследований [5].
Для решения многих практических задач достаточно проведение расчетов с использованием зависимостей на основе эмпирических коэффициентов, так например мощность СЭ в соотношении (2) может быть рассчитана по формуле:
Ni = ^ • 4эфф • крад • кТраб ,
где N° - начальная генерируемая мощность СЭ при нормальном падении солнечного излучения с плотностью, равной одной солнечной постоянной (1390 Вт/м2), ^эфф - эффективная
плотность потока солнечного излучения с учетом потемнения покрытия, расстояния до Солнца и неперпендикулярности падения солнечного излучения, крад - коэффициент, учитывающий
радиационную деградацию электрических характеристик СЭ, кт - коэффициент, учитыва-
1 раб
ющий уменьшение мощности с увеличением рабочей температуры.
Эффективное значение плотности потока солнечного излучения является действительным эффективным уровнем освещенности активной поверхности СБ, которая с учетом зависимости, приведенной в [3], определяется как
409
^эфф = 2 • кнапр.проп • со^(а),
где q - плотность потока солнечного излучения, выраженная в единицах солнечных постоянных, Б - расстояние от СБ до Солнца, выраженное в астрономических единицах, кнапр проп -
коэффициент направленного пропускания покрытия СЭ, а - угол падения солнечного излучения на СБ.
Коэффициент направленного пропускания покрытия СЭ учитывает ряд факторов, влияющих на количество солнечного излучения, достигающего активной поверхности СЭ:
кнапр.проп = кпкс (Фуф ) • кпкс (фк ) • кпкс (ФЭРД ) • кпзп (фуф )х
X кпзп (Фк ) • кпзп (фЭРД )• /котзн (а) • кп () где а - угол падения солнечного излучения на СБ, Фк - доза корпускулярного облучения, Фуф - доза ультрафиолетового облучения, Фэрд - доза облучения плазменной струей ЭРД, t -время нахождения КА на орбите, кпкс (Фуф) кпкс (Фк ), кпкс (Фэрд ) - коэффициенты потемнения клеящего слоя, в результате поглощения соответственно доз облучения Фуф, Фк, Фэрд, кпзп (Фуф ), кпзп (Фк ), кпзп (Фэрд ) - коэффициенты потемнения защитного покрытия
в результате поглощения соответственно доз облучения Фуф, Фк, ФэРД, I:о'зн - коэффициент коррекции, учитывающий зависимость 1к з от косинуса угла падения солнечного излучения, кп - коэффициент потемнения, учитывающий поглощение солнечного излучения слоем
пылевых частиц космической среды.
Коэффициенты потемнения клеящего слоя и защитного покрытия определяются соответственно выражениями:
(Ф ) 1к.з (Фуф(к,ЭРД)) . (Ф ) 1 к.з (Фуф(к,ЭРД))
кпкс 1Фуф(к,ЭРД^ = "р-Ф-0); кпзп 1Фуф(к,ЭРД^ = -р-Ф-0),
1 к.з (Фуф(к,ЭРД) = 0) 1 к.з (Фуф(к,ЭРД) = 0)
где 1к з (Фуф(к ЭРД)) - ток короткого замыкания СЭ после потемнения клеящего слоя (защитного покрытия) в результате поглощения соответственно доз облучения Фуф , Фк, ФЭРД, 1к з (Фуф(к ЭРД) = 0) - ток короткого замыкания СЭ до потемнения клеящего слоя (защитного покрытия).
Количественные характеристики потемнения защитного покрытия и клеящего слоя получают по данным космических экспериментов или по результатам лабораторных испытаний
[3].
Коэффициент, учитывающий уменьшение мощности с увеличением рабочей температуры СЭ, является характеристикой СЭ и приводится для каждого типа.
Таким образом, представленная модель СЭС может быть использована для решения широкого спектра задач моделирования СЭС в условиях воздействия естественных и техногенных факторов космического пространства. Модель целесообразно использовать на ранних этапах создания КА для обоснования рационального облика бортовых систем, технических требований к ним, подтверждения заявленных тактико-технических характеристик и решения широкого круга других подобных научно-технических задач.
Список литературы
1. ГОСТ 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. Абдурахимов А.А., Гончаров П.С., Денисов А.М., Кухтин А.В. Обобщенная математическая модель процесса функционирования бортового обеспечивающего комплекса космического аппарата в условиях техногенного загрязнения околоземного космического пространства // Труды Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского. 2020. № 675. С. 182-194.
4. Энергетические установки космических летательных аппаратов: учебное пособие. Часть 1/ В.В. Синявский, Д.А. Мосин, А.Е. Тютюкин, И.А. Уртминцев, Р.А. Евдокимов/ Под ред. профессора В.В. Синявского. СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2013. 144 с.
5. Гончаров П.С., Денисов А.М., Житный М.В., Копейка А.Л., Синельников Э.Г. Результаты моделирования ударного воздействия малоразмерных частиц на солнечные элементы космических аппаратов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 5. 2020. С. 83-93.
6. АО «Сатурн». Продукция. Солнечные батареи. [Электронный ресурс] URL: http://www.saturn-kuban.ru/produktsia/solnechnye-batarei (дата обращения: 09.04.2021).
Житный Михаил Владимирович, канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Гончаров Павел Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, начальник отдела, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Денисов Андрей Михайлович, канд. техн. наук, доцент, докторант, vka@mil. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского
MATHEMATICAL MODEL OF THE POWER SUPPLY SYSTEM OF A SPACE VEHICLE UNDER THE INFLUENCE OF NATURAL AND MAN-GENERAL FACTORS
M.V. Zhitnyy, P.S. Goncharov, A.M. Denisov
An approach to modeling and a mathematical model of the functioning of the power supply system of a spacecraft under the influence of natural and man-made factors of outer space are presented. The model takes into account the results of experimental studies of changes in the electrical characteristics of solar cells that occur when solar cells are damaged by small-sized solid particles of space debris.
Key words: space debris, solar panel, collision, spacecraft, mathematical model.
Zhitnyy Mikhail Vladimirovich, candidate of technical science, docent, senior researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Goncharov Pavel Sergeevich, candidate of technical science, docent, head of department, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Denisov Andrei Mikhailovich, candidate of technical science, docent, doctoral student, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy
