МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ УДАРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ИМИТАТОРОВ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА НА СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 620.17

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

УДАРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ИМИТАТОРОВ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА НА СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

М.В. Житный, Т.Ю. Девяткина, Т.С. Хубларова, И.С. Прохватова

Рассмотрен порядок определения электрических характеристик солнечных элементов, используемых в солнечных батареях космических аппаратов. Приведен порядок определения коэффициентов деградации, характеризующих изменение электрических характеристик, которое возникает при повреждении солнечных элементов в результате ударного воздействия малоразмерных твердых частиц.

Ключевые слова: солнечный элемент, электрическая характеристика, коэффициент деградации, ударное воздействие, космический мусор.

В настоящее время все более актуальной становится проблема оценивания ударного воздействия малоразмерных твердых частиц на элементы космических аппаратов. Это обусловлено значительным увеличением числа твердых частиц, имеющих различные размеры, а также фрагментов ракетно-космической техники, находящихся на наиболее востребованных околоземных орбитах. Проведенные исследования показали, что защита космического аппарата (КА) от высокоскоростных твердых частиц диаметром более 10 мм нецелесообразна в силу большой энергии, которой обладают такие частицы. Так, например, в результате экспериментов установлено, что имитатор твердой частицы диаметром 2 мм, имеющий скорость 1,8 км/с и массу порядка 32 мг, внедряется в пластину, изготовленную из АМг3, на глубину, равную четырем его диаметрам [1]. А алюминиевая частица размером 1 мм имеет энергию эквивалентную летящему со скоростью 100 км/ч 160-килограммовому сейфу [2]. Наличие высокой энергии у таких, достаточном малых частиц, обусловлено большими относительными скоростями встречи, которые имеют место в околоземном пространстве.

Вместе с тем, следует отметить, что повреждение некоторых элементов КА, возникающее в результате таких соударений, не приводит к немедленному выводу из строя КА. Одним из таких элементов является солнечная батарея (СБ).

Солнечная батарея входит в состав системы электроснабжения КА и, в большинстве случаев, является первичным источником энергии. В условиях постоянно растущих требований к мощности, обеспечиваемой системой электроснабжения, снижение первичного источника энергии приведет к сокращению времени активного существования КА. Одной из причин, приводящих к ухудшению электрических характеристик СБ, является повреждение солнечных элементов, входящих в состав СБ, в результате ударного воздействия частиц космического мусора. Так, например, анализ опыта эксплуатации солнечных батарей служебного модуля МКС,

32

показал, что в результате повреждения частицами космического мусора трех створок одного из генераторов СБ произошло снижение суммарного генерируемого тока на 5% [3]. Изложенные выше обстоятельства определяют актуальность проведения исследований по моделированию ударного воздействия имитаторов частиц космического мусора на солнечные элементы СБ и оцениванию изменения их электрических характеристик, в результате полученных повреждений.

Предлагаемая методика разработана в рамках проведения экспериментальных исследований по оцениванию изменения электрических характеристик солнечных элементов, входящих в состав солнечных батарей, применяемых на КА, в результате ударного воздействия имитаторов частиц космического мусора (ЧКМ) в условиях искусственного солнечного излучения. Методика предназначена для определения электрических характеристик солнечных элементов (СЭ) до и после воздействия имитатора ЧКМ, к которым относятся напряжение холостого хода, плотность тока короткого замыкания, удельная максимальная мощность, напряжение в точке максимальной мощности, плотность тока в точке максимальной мощности, а также соответствующих им коэффициентов деградации.

При разработке методики, приняты следующие допущения и ограничения:

спектральная чувствительность применяемого эталонного прибора соответствует спектральной чувствительности испытываемого солнечного элемента;

конструкция испытываемого образца СЭ идентична конструкции эталонного прибора в отношении размера и электрических характеристик и подразумевает аналогичный тип применяемых элементов и схему их соединения;

в силу небольшой площади эталонного прибора и испытываемого образца относительно рабочей области имитатора солнечного излучения, а также условия их размещения в лабораторной установке в непосредственной близости друг от друга значение энергетической освещенности эталонного прибора и испытываемого образца равны и равномерны по всей поверхности испытываемого образца;

в качестве имитаторов частиц космического мусора используются металлические (алюминиевые или стальные) ударники шарообразной формы диаметрами 1.. .14,3 мм.

В ходе экспериментальных исследований применяются следующие лабораторные установки, обеспечивающие получение требуемых статистических данных об электрических характеристиках СЭ до и после ударного воздействия имитатора ЧКМ:

экспериментальный баллистический комплекс БС-3, предназначенный для моделирования ударного воздействия на СЭ частицы космического мусора, включающий легкогазовые установки [4] и пневматическую метательную установку, которые обеспечивают получение скоростей имитаторов ЧКМ в диапазоне от 0,1 до 5 км/с;

экспериментальный измерительный стенд, предназначенных для определения вольт-амперных характеристик (ВАХ) тестируемых образцов солнечных элементов.

В состав экспериментального измерительного стенда входят следующие приборы [5, 6]:

эталонный фотоэлектрический прибор, соответствующий характеристикам испытываемого образца в требуемых диапазонах энергетической освещенности (ЭО), спектрального распределения и температур;

средства измерения температуры эталонного прибора и испытываемого образца;

имитатор солнечного излучения, рабочая зона измерений которого превышает зону, занимаемую испытываемым образцом;

термостабилизирующее устройство, предназначенное для поддержания постоянной температуры испытываемого образца, и включающее в себя датчик температуры (с точностью определения ±10С) устройство охлаждения;

спектрорадиометр;

электронная программируемая нагрузка типа АТН-8120 с напряжением питания до 120 В, током нагрузки до 240 А, потребляемой мощностью до 1200 Вт, предназначенная для обеспечения снятия ВАХ испытываемого образца СЭ.

Измерения ВАХ испытываемых образцов проводятся при следующих условиях испытаний [5, 7]:

температура испытываемого образца, ОС: 25±1; энергетическая освещенность, Вт/м2: 1360 ±1%; световой поток направлен нормально к воспринимающей поверхности с отклонениями не более ±2О;

спектральный состав имитатора солнечного излучения в соответствии с [8].

В общем случае методика заключается в выполнении следующих основных этапов:

- настройка экспериментального измерительного стенда, которая включает калибровку имитатора солнечного излучения, выверку углов установки эталонного фотоэлектрического прибора и испытываемого образца, проверку правильности калибровки средства измерения температуры эталонного прибора и испытываемого образца, проверки функционирования измерительной аппаратуры;

помещение в экспериментальный измерительный стенд испытываемого образца и его термостабилизация;

измерение вольт-амперных характеристик и температуры испытываемого образца в соответствии с требованиями [5] с занесением полученных результатов измерений в протокол испытаний;

проведение ударного воздействия на исследуемые образцы на экспериментальном баллистическом комплексе БС-3, заключающегося в ударном повреждении образца;

помещение в экспериментальный измерительный стенд испытываемого образца и его термостабилизация;

определение ВАХ исследуемого образца после испытания с занесением полученных результатов измерений в протокол испытаний;

определение коэффициентов деградации характеристик солнечного элемента;

обработка результатов измерений.

Общий порядок определения ВАХ в условиях непрерывного искусственного солнечного излучения соответствует требованиям [5] и заключается в проведении следующих основных этапов:

калибровка эталонного фотоэлектрического прибора при стандартных условиях измерения в соответствии с требованиями [6];

установка эталонного фотоэлектрического прибора в лабораторную установку и его термостабилизация на уровне температуры окружающей среды с отклонением в пределах ±10С;

настойка имитатора солнечного излучения для условий, когда размеры испытываемых образцов соответствуют используемому эталонному прибору;

установка испытываемого образца, подключение его к измерительному оборудованию и проведение термостабилизации образца;

измерение ВАХ образца (в случае необходимости также измеряется температура испытываемого образца);

ток короткого замыкания и напряжение холостого хода эталонного прибора.

Результаты полученных измерений сводятся в протокол испытаний, который оформляется в соответствии с требованиями [5].

Расчёт коэффициентов деградации электрических характеристик СЭ проводится с использованием следующих зависимостей:

- коэффициент деградации плотности тока короткого замыкания

г возд (у ) 7 _ ° к.з возд / к/к.з -

30 к. з

где /кз д - плотность тока короткого замыкания СЭ после испытаний;

X 0

возд - параметры ударника; /к з - плотность тока короткого замыкания

СЭ до испытания.

коэффициент деградации напряжения холостого хода

и возд (у ) _ ^ Х.Х V1 возд)

Х.Х

возд

где иХоХзд - напряжение холостого хода СЭ после испытания; X

параметры ударника; и°Х - напряжение холостого хода СЭ до испытания.

коэффициент деградации плотности тока в точке максимальной мощности

Твозд (X ) £ — Ртах V возд/

ТР тах т 0 '

ТРтах

где Тр>тдх - плотность тока короткого замыкания СЭ в точке максимальной мощности после испытания; Хвозд - параметры ударника; Тртах-

плотность тока короткого замыкания СЭ в точке максимальной мощности до испытания.

коэффициент деградации напряжения в точке максимальной мощности

г возд

ь "

Пвозд ( у ) _и P maxV возд/ UP max тт0 '

т P max

где ирротдх - напряжение холостого хода СЭ в точке максимальной мощности после испытания; Хвозд - параметры ударника;

Up max - напряжение холостого хода СЭ в точке максимальной мощности

до испытания.

коэффициент деградации максимальной мощности

p возд (у ) k _ ' та^л возд / kP max _ 0 '

P 0

max

где P^g4 - максимальная мощность СЭ после испытания;

Xвозд - параметры ударника; Pmax - максимальная мощность СЭ до испытания.

Обработка полученных результатов измерений проводится с учетом требований [9] и включает следующие этапы.

1. Вычисление оценки измеряемой величины и среднего квадрати-ческого отклонения результатов измерений.

Оценка измеряемой величины определяется по следующей зависимости:

1

n

х — ^ Х!, пг—1

где х! - измеренное значение исследуемого параметра (напряжение холостого хода, ток короткого замыкания и т.д.); п - количество измерений, принятых для обработки.

Среднее квадратическое отклонение группы, содержащей п результатов измерений, вычисляют с использованием следующего выражения:

=

п

Е (хг

I-1

х )2

п

1

Среднее квадратическое отклонение оценки измеряемой величины, определяют по формуле

о =

ып

1

тт\2

Е (х1 - x )

I-1

п (П -1)

2. Исключение грубых погрешностей.

Исключение грубых погрешностей измерений проводится с использованием критерия Граббса. Для этого вычисляются значения критерия Граббса для максимального и минимального результата измерений в предположении, что данные результаты измерений вызваны грубыми погрешностями:

О

1

х

тах

х

О

2

x

тт

х

$х

где 01 - критерий Граббса для максимального результата измерений; 02 - критерий Граббса для минимального результата измерений.

Если выполняется условие 01 > 0т (02 > 0т), то данное максимальное (минимальное) значение результата измерений считается маловероятным и исключается из итоговой выборки результатов измерений. Величину критического значения критерия Граббса выбирают в соответствии

с [9].

3. Проверка гипотезы о нормальности распределения результатов измерений.

Доверительные границы случайной погрешности оценки измеряемой величины в настоящей методике устанавливаются исходя из выполнения условиях о принадлежности полученной совокупности результатов измерений нормальному распределению. При числе измерений 15 < п < 50 проверка выполнения данного условия осуществляется с использованием составного критерия, имеющего следующий вид:

-д/2 < ^ < ^д/2

А < т, А е X

где d

п

| Х\ х |

I-1

п

п 2 • Е (х1- х)

; dl-д/2 ^д/2) - квантили распределения для за-

I-1

ранее выбранного уровня значимости; X - множество, содержащее совокупность значений разностей (х^ - х); А - множество, для каждого из чле-

37

п

нов которого выполняется условие хI - х > 2 • Бх; - верхний квантиль распределения нормированной функции Лапласа, определяемый для заданного значения вероятности; т - критическое значение критерия, приведенное в [9].

В случае выполнения критерия (10) полученные результаты измерений считаются соответствующими нормальному закону распределения случайных величин.

4. Определение доверительной границы случайной погрешности оценки измеряемой величины.

Модуль доверительной границы случайной погрешности оценки измеряемой величины определяется на основании критерия Стьюдента, по следующей зависимости:

е — ? • Бх,

где е - модуль доверительной границы случайной погрешности оценки измеряемой величины; ? - коэффициент Стьюдента, определяемый в зависимости от доверительной вероятности и числа результатов измерений.

5. Определение доверительных границ неисключенной систематической погрешности.

Неисключенная систематическая погрешность оценки измеряемой величины обусловлена наличием таких факторов как погрешности метода измерения, средств измерения и т.п.

Порядок определения неисключенной систематической погрешности оценки измеряемой величины, принятый в данной методике, соотвест-вует порядку, изложенному в [9]. При этом доверительная вероятность для вычисления границ данной погрешности, принимается такой же, как и значение доверительной вероятности при вычислении доверительных границ случайной погрешности результата измерений.

6. Вычисление доверительных границ погрешности оценки измеряемой величины.

Окончательное значение доверительных границ погрешности измеряемой величины, вычисляется на основании следующего выражения:

А — К • Б 2,

где К - коэффициент, зависящий от соотношения случайной составляющей погрешности и неисключенной систематической погрешности; - суммарное среднеквадратическое отклонение оценки измеряемой величины.

Значение коэффициента К определяют по следующей эмпирической зависимости:

К —,

Бх + Б0

где - границы неисключенной систематической погрешности;

Б 0 - среднее квадратическое отклонение неисключенной систематической погрешности.

Таким образом, решение задачи оценивания воздействия частиц космического мусора на солнечные элементы космических аппаратов и вызванного этим воздействием изменения их электрических характеристик является актуальной. Кроме того, использование в настоящее время небольших по размеру космических аппаратов, оснащенных сравнительно малыми солнечными батареями и небольшими вторичными источниками электрической энергии, усложняет задачу функционирования таких КА в случае повреждения СБ в результате воздействия ЧКМ. Поэтому задача прогнозирования характеристик СБ в результате частичного повреждения входящих в нее солнечных элементов является важной практической задачей. Предлагаемая методика позволяет получить оценки изменения электрических характеристик солнечных элементов КА, возникающих при повреждении данных элементов, в ходе экспериментального моделирования. Методика является универсальной и может применяться для различных размеров имитаторов ЧКМ и солнечных элементов. Кроме того, порядок экспериментальных исследований, изложенный в методике, может быть применен для лабораторных установок другого типа. Получаемые в результате экспериментального моделирования значения коэффициентов деградации электрических характеристик солнечных элементов, позволяют проводить оценивание изменения данных характеристик в условиях частичного повреждения солнечных элементов и, как следствие, прогнозировать время активного существования КА.

Список литературы

1. Гончаров П.С., Житный М.В. Результаты экспериментальных исследований высокоскоростного удара по алюминиево-магниевому сплаву // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 11. С. 100-105.

2. Вениаминов С.С. Космический мусор - угроза человечеству. М.: ИКИ РАН, 2010. 207с.

3. 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.

4. Мартынов В.В., Житный М.В. Конструкция легкогазовой установки с демпфирующими элементами // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 12. Ч.1. С. 124-131.

5. ГОСТ Р МЭК 60904-1-2013. Приборы фотоэлектрические. Измерение вольтамперных характеристик. М., 2014. Ч. 1. 12 с.

6. ГОСТ Р МЭК 60904-2-2013. Приборы фотоэлектрические. Требования к эталонным солнечным приборам. М., 2014. Ч. 2. 15 с.

7. ГОСТ Р 56980-2016. Модули фотоэлектрические из кристаллического кремния наземные. Методы испытаний. М., 2016. 85 с.

8. ГОСТ Р МЭК 60904-3-2013. Приборы фотоэлектрические. Принципы измерения характеристик фотоэлектрических приборов с учетом стандартной спектральной плотности энергетической освещенности наземного солнечного излучения. М., 2016. Часть 3. 89 с.

39

9. ГОСТ Р 8.736-2011. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения. М., 2013. 19 с.

Житный Михаил Владимирович, канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник, mikelen2@rambier. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,

Девяткина Татьяна Юлиановна, младший научный сотрудник, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,

Хубларова Татьяна Сергеевна, научный сотрудник, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия им. А. Ф.Можайского,

Прохватова Ирина Станиславовна, научный сотрудник, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского

EXPERIMENTAL SIMULA TIONMETHODOLOGY OF SHOCK IMPACT

WITH SPACE DEBR PARTICLES SIMULA TORS ON SOLAR ELEMENTS

M.V. Zhitnyy, T.Y. Devyatkina, T.S. Hublarova, I.S. Prohvatova

The procedure for determining the electrical characteristics of solar cells used in solar panels of spacecraft is considered. The order of determining the degradation coefficients characterizing the change in electrical characteristics that occurs when solar cells are damaged as a result of the impact of small-sized solid particles is given.

Key words: solar cell, electrical characteristic, degradation coefficient, shock, space

debris.

Zhitnyy Mihail Vladimirovich, candidate of technical science, docent, senior researcher, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,

Devyatkina Tatiana Yulianovna, junior researcher, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,

Hublarova Tatyana Sergeevna, researcher, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,

Prohvatova Irina Stanislavovna, researcher, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy