CC BY
12УДК 629.786.2.064.52(100)
обеспечение безопасности химичЕСкихАвтономных источников питания аппаратуры и бортового оборудования российского сегмента мкс
© 2019 г. николаев в.д., Зернов А.С.
Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: [email protected]
На борту Международной космической станции (МКС) в сменном оборудовании и экспериментальной аппаратуре широко используются химические автономные источники электропитания (АИП). В случае отказа на борту МКС или транспортного корабля АИП представляют определенную опасность для экипажа как химические элементы. Поэтому принимаются специальные меры и используются средства/устройства, предотвращающие разгерметизацию АИП и попадание электролита в атмосферу герметичных отсеков МКС, на членов экипажа и аппаратуру. В статье указаны типы АИП, используемые на Российском сегменте МКС, и требования, предъявляемые к новым типам АИП. Изложены методики квалификационных, верификационных и предполетных испытаний АИП. Представлены результаты типовых квалификационных испытаний АИП.
Ключевые слова: Международная космическая станция, Российский сегмент, Американский сегмент, химический автономный источник питания, обеспечение безопасности, квалификационное испытание, предполетное испытание.
SAFETY ASSuRANCE
of chemicalself-contained power supplies for hardware and onboard equipment of the iss Russian segment
Nikolaev v.D., Zernov A.S.
S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:[email protected]
Chemical self-contained power supplies (SPS) are widely used in the replaceable equipment and experimental hardware aboard the International Space Station (ISS). In the event of a failure aboard the ISS or transport vehicle SPS poses a serious hazard to the crew as chemical elements. Therefore, special measures are taken, and equipment/devices are used to prevent the SPS seal failure and electrolyte ingress into the atmosphere of the ISS pressurized compartments, on the crewmembers and hardware. The article describes the types of SPS used on the ISS Russian Segment, and the requirements placed on new types of SPS. The SPS qualification, verification and preflight test procedures are presented. The results of typical SPS qualification tests are provided.
Key words: International Space Station (ISS), Russian Segment, US On-Orbit Segment, self-contained chemical power supply, safety assurance, qualification test, pre-flight test.
НИКОЛАЕВ В.Д.
ЗЕРНОВ А.С.
НИКОЛАЕВ Вадим Дмитриевич — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
NIKOLAEV Vadim Dmitrievich — Candidate of Science (Engineering), Lead research scientist at RSC Energia, e-mail: [email protected]
ЗЕРНОВ Александр Семенович — главный специалист РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
ZERNOV Aleksandr Semenovich — Chief Specialist at RSC Energia, e-mail: [email protected]
Введение
Увеличение и усложнение экспериментальной аппаратуры и переносного технического/обслуживающего оборудования на борту Международной космической станции (МКС) и транспортных кораблей (ТК) предъявляют новые требования к автономным источникам питания (АИП):
• повышение рабочего напряжения и энергоемкости;
• увеличение сроков хранения и эксплуатации;
• возможность повторного использования АИП, возвращаемых с орбиты.
Одновременно происходит совершенствование и увеличение ассортимента АИП. При этом существует ряд противоречий, требующих компромиссных решений:
• выполнение заряда аккумуляторных батарей (АБ) на орбите дает экономию на доставке груза, но занимает рабочее время экипажа;
• техническое совершенствование АИП (усложнение контактных групп для тестирования и защиты АБ аппаратурой, распространение АБ, неотделимых от аппаратуры) создает серьезные трудности в предполетных испытаниях Аб, гарантирующих безопасность.
Проблемой является и увеличение числа фирм-изготовителей АИП с неопределенными гарантиями качества и ответственности.
Все виды АИП являются потенциально опасными для экипажа элементами аппаратуры и бортового оборудования МКС. Переразряд и перезаряд АИП, возникновение внешнего (в аппаратуре и контактах АИП) короткого замыкания и, особенно, возникновение внутреннего короткого замыкания в АИП могут привести к их перегреву, разгерметизации и воспламенению паров электролита в батарейном отсеке/боксе аппаратуры. Внешними короткими замыканиями по отношению к Аб являются замыкания на разъемах, в кабелях, нагрузке и зарядном устройстве (ЗУ). Внутреннее короткое замыкание — пробойный контакт между полюсами аккумуляторов (Ак) в Аб — событие маловероятное, но и наиболее опасное, особенно в литиевых АИП. Появление локального большого тока по цепи короткого замыкания может вызвать тепловой пробой с разгерметизацией Ак и привести к воспламеняемости паров электролита.
При подготовке АИП к полету необходимо учитывать возникновение различных отказов АИП, предусматривать конструктивную локализацию последствий, минимизировать доступ воздуха в батарейный отсек, предотвращая попадание электролита из АИП и аппаратуры в атмосферу герметичных отсеков МКС, а также обеспечивать защиту членов экипажа и аппаратуры. В связи с этим использование АИП на борту МКС
предполагает проведение комплекса мер безопасности и, в зависимости от состава электролита и емкости АИП, а также условий эксплуатации — наличие достаточных степеней защиты («барьеров безопасности») как технических, так и методических.
Выполнение всесторонних наземных испытаний АИП не гарантирует полную безопасность АИП в работе на борту. Осторожность в обращении с АИП неукоснительно должна соблюдаться на всех этапах полета: при укладке в транспортный корабль, транспортировке на МКС, подготовке к использованию в аппаратуре, заряде и эксплуатации, хранении на борту и при утилизации. Экипаж должен иметь отработанную методику действий при работе с аппаратурой в случае отказа АИП. Необходимо, чтобы отбор и наземные испытания АИП были достаточными для подтверждения безопасности, а использование АИП на борту находилось под надежным контролем.
Все многообразие используемых АИП разделяется на группы по степени их критичности для аппаратуры и атмосферы станции в случае отказа. В соответствии с принятой критичностью АИП определяется объем наземных испытаний и устанавливается целесообразное/достаточное количество средств защиты/«барь-еров безопасности» в АИП и применяемой аппаратуре. Оценивается эффективность средств контроля АИП при эксплуатации в аппаратуре и при заряде на борту. Итогом наземных испытаний АИП и подготовки к эксплуатации является сертификат безопасности аппаратуры с летным экземпляром АИП и ЗУ. Бортовая инструкция с нештатными ситуациями отрабатывается экипажем на технологических экземплярах аппаратуры.
классификация АиП для аппаратуры и оборудования мкС
Автономные источники питания разделяются на:
• элементы питания (ЭП) — не подзаряжаемые источники;
• блоки питания (БП) из ЭП;
• аккумуляторы (Ак) — заряжаемые источники от бортового зарядного устройства;
• аккумуляторные батареи из Ак [1, 2].
В зависимости от состава электролита, напряжения и энергоемкости АИП
характеризуются как некритичные, критичные, особокритичные (опасные).
Некритичными АИП признаны:
• алкалиновые (щелочные) ЭП размером не более D и БП из них напряжением до 12 В и энергоемкостью до 60 Вт-ч без параллельно-последовательного соединения. При этом элементы не должны находиться в газонепроницаемом отсеке, и должна быть гарантия отсутствия источника возможного под-заряда элементов;
• ЭП и Ак таблеточного типа или БП и АБ из них, имеющие емкость до 1 000 мА-ч и не более трех элементов на общую цепь, причем элементы и аккумуляторы не находятся в газонепроницаемом отсеке.
При использовании некритичные АИП не требуют дополнительных мер защиты, кроме внешнего осмотра, проверки работоспособности и герметичности. После отработки некритичные АИП утилизируются в общем порядке.
Критичными АИП являются:
• Ак никель-кадмиевые, никель-марганцевые, никель-металлогидридные, серебряно-цинковые (NiCd, NiMn, NiMH, Ag-Zn) или АБ из них, имеющие емкость до 60 В-ч и рабочее напряжение до 20 В;
• Ак литий-ионные (как жидкие — ЫСоО„, LiMnO„, LiVO, так и поли-
2' 2' 2 5'
мерные) и АБ из них, имеющие емкость до 60 В-ч и рабочее напряжение до 12 В.
Каждый АИП должен иметь по крайней мере одну защиту от отказа на уровне батареи. АИП, предназначенные для использования в открытом космосе (при внекорабельной деятельности), должны иметь дополнительную герметизацию и стабилизацию температуры. В аппаратуре критичные АИП должны устанавливаться в закрытом корпусе. Если в процессе работы критичных АИП выделяются нетоксичные вещества, корпус должен иметь естественную вентиляцию.
При сертификации грузов, доставляемых на МКС, некритичные и критичные АИП относятся к категории 1 (безопасные). Эти данные согласованы с партнерами МКС и утверждены в приложении к сертификату безопасности на аппаратуру «Многосторонние ограничения грузов категории 1» [3].
Все другие АИП относятся к грузам категории 2 (опасные) — особокритичным.
Так, особокритичными (опасными) следует считать БП и АБ, имеющие емкость
более 60 Вт-ч и напряжение выше указанных пределов.
Элементы питания и Ак, содержащие особо токсичные электролиты — литий-тионилхлорид, двуокись серы, аммиак и другие агрессивные соединения (Li—SOCl2, Li-SO2, NH3 и т. п.), не допускаются на МКС и ТК.
Несмотря на определенные гарантии изготовителя, АИП подлежат дополнительным испытаниям, которые должен провести владелец или куратор оборудования.
Масштаб испытаний определяется критичностью или потенциалом опасности источника электропитания и зарядного устройства [4].
методики испытаний
Российская и американская аппаратура с АИП может применяться во всех модулях МКС. Для этого аппаратура должна иметь соответствующую сертификацию безопасности для каждого сегмента МКС — Российского (РС) и Американского (АС). Необходимо было согласовать методы российской и американской сторон по обеспечению безопасности АИП, которые существенно отличались.
Американская сторона исходила из традиций подготовки автоматических космических аппаратов и ТК Space Shuttle, не имея опыта длительной эксплуатации многоцелевого орбитального комплекса. Основной упор американские специалисты делали на большой объем наземных квалификационных испытаний группы образцов для выбора партии АИП со статистически устойчивыми характеристиками. Затем следовали испытания отдельных образцов на повышенные уровни воздействий и, при необходимости, доработка подразделениями NASA серийных АИП дополнительными элементами защиты от разгерметизации. При этом недостаточное внимание уделялось, на наш взгляд, контролю состояния АИП перед полетом и в ходе него (при эксплуатации и заряде). Кроме того, не учитывалось, в какой мере объем предполетных испытаний сказывается на полетном ресурсе аппаратуры.
Российская сторона имеет многолетний опыт работы с пилотируемыми орбитальными комплексами, где эксплуатировалась аппаратура с АИП для научных, технических, прикладных и медицинских экспериментов. Российские специалисты
основное внимание уделяют выбору АИП с отработанной технологией изготовления, испытаниям и, главное, введению контроля состояния АИП на всех этапах полета и работ с аппаратурой:
• типовые комплексные испытания образца;
• предполетные испытания всех летных экземпляров;
• тест на борту;
• эксплуатация под контролем экипажа;
• контроль над хранением и утилизацией;
• наличие разделов бортовой документации по работе с аппаратурой и действиям в нештатных ситуациях с АИП.
Существующие различия в подходах российской и американской сторон к безопасности аппаратуры с АИП приводили к возникновению трудностей в согласовании сертификатов безопасности. В связи с этим российским директором программы МКС Рюминым В.В. в июле 2003 г. было предложено и согласовано «Двухстороннее соглашение по сертификации безопасности АИП», по которому российская и американская стороны принимают решения о возможной сертификации безопасности аппаратуры с АИП по существующей у каждой из сторон методологии и стандартам. Это было необходимое разъяснение к Межправительственному «Меморандуму о взаимопонимании PKA/NASA/ESA/ CSA/JAXA» (MOU, статья 10 [5]). На базе соглашения разработаны «Основные положения по обеспечению безопасности использования автономных химических источников питания» для АИП, оборудования и аппаратуры, размещаемых на РС МКС и доставляемых транспортными кораблями «Союз» и «Прогресс».
Сертификацию безопасности аппаратуры и оборудования сегментов партнеров МКС (ESA, JAXA) осуществляет NASA и согласует с российской стороной, если аппаратура и оборудование используются и на РС МКС. При этом разработчик (куратор) груза отвечает за безопасность груза и определяет его категорию. В случае доставки аппаратуры партнеров на МКС российскими транспортными кораблями сертификация безопасности проводится по методикам РКК «Энергия».
Последовательное и всестороннее изложение процессов межправительственных соглашений и реализация достигнутых договоренностей представлены в материале [6].
Следует иметь в виду, что сертификации летной безопасности подлежат не отдельные АИП, а вся бортовая аппаратура, использующая определенные АИП. При этом степень опасности ситуации при отказах определяется условиями использования аппаратуры. Например, различные требования могут предъявляться к видеокамере, которой пользуется космонавт, и к газоанализатору или дозиметру, расположенным на определенных рабочих местах.
Отлаженную технологию изготовления и наличие внутренних защит в АИП следует считать первым уровнем безопасности. Следующий уровень безопасности должен обеспечиваться аппаратурой, которая использует АИП, организацией процессов штатной работы и заряда. Далее необходимым условием безопасного использования АИП являются действия экипажа в соответствии с бортовой инструкцией, где указан штатный порядок действий по работе с аппаратурой, АИП, а также действия в нештатных ситуациях при их отказах.
требования к выбору АиП
Автономные источники питания должны быть снабжены специализированной тарой, требуемой для доставки, хранения на борту и утилизации. ЭП и Ак должны быть испытаны на соответствие требуемым рабочим характеристикам и на возникновение нештатных ситуаций, если возможна какая-либо опасность для экипажа или применяемой аппаратуры. БП и АБ должны проверяться на целостность с учетом отказов используемых ЭП и Ак. Необходимы защита БП и АБ от внешнего короткого замыкания и оценка вероятности возникновения в БП и АБ внутреннего короткого замыкания. В квалификационных испытаниях АИП выполняются имитация внутреннего короткого замыкания и оценка опасности его возникновения.
В бортовой инструкции должны быть описаны действия экипажа по хранению, регламентному, входному и рабочему контролю АИП с использованием бортовой аппаратуры и средств индикации, а также действия в нештатных ситуациях и по утилизации. Еще раз обращаем внимание, что выполнение экипажем этих функций рассматривается как дополнительное увеличение степеней защиты.
Рекомендуется при выборе коммерческих АИП для орбитальных станций и транспортных кораблей опираться на совокупность следующих признаков:
• авторитетность фирм-изготовителей, имеющих собственные жесткие стандарты качества или использующих государственные стандарты;
• выбор типовой аппаратуры серийного производства;
• профессиональное применение выпускаемой продукции;
• постоянное соответствие реальных характеристик заявленным параметрам и безотказность в работе, подтвержденные собственным опытом испытаний летных образцов и эксплуатации аппаратуры на борту.
В этих случаях есть уверенность, что технология изготовления продукции полностью отлажена, все заявленные рабочие характеристики постоянно обеспечиваются и нет необходимости подтверждать их в дополнительных квалификационных испытаниях для партии образцов.
общие принципы обеспечения безопасности
В эксплуатации аппаратуры/оборудования:
• один отказ в АИП не должен приводить к выходу из строя аппаратуры и возникновению критической ситуации на борту (выход из строя или болезнь члена экипажа, временная потеря возможности штатной эксплуатации элемента МКС);
• два отказа в АИП не должны иметь катастрофических последствий для экипажа и станции (выход из строя или гибель экипажа, потеря одного из элементов МКС); при квалификации отказов необходимо учитывать как тепловыделение, так и токсичность электролита.
В процессе заряда Ак и АБ:
• отказ ЗУ или один отказ АИП не должны приводить к возникновению критической ситуации на борту;
• два отказа не должны приводить к катастрофической ситуации на станции.
Опыт работы с аппаратурой на орбитальных станциях показал, что наземные испытания являются только частным элементом обеспечения безопасности аппаратуры. Безопасность выбираемых АИП и ЗУ неразрывно связана с условиями эксплуатации и контролем их состояния с помощью аппаратуры. Возможности
аппаратуры по контролю АИП и бортовая защита цепи питания ЗУ позволяют снизить требования к собственной (внутренней) защите АИП.
Достаточную безопасность следует обеспечивать созданием комплексной системы контроля работоспособности аппаратуры и АИП, как ее составляющих элементов, последовательно по этапам:
• выбор АИП и ЗУ для данной аппаратуры;
• наземные испытания АИП и ЗУ автономно или в составе аппаратуры;
• амортизирующая упаковка аппаратуры и ЗУ или амортизирующая и герметизированная упаковка отдельных АИП для транспортировки на орбиту;
• проработка режимов эксплуатации и нештатных ситуаций с аппаратурой на борту;
• контроль состояния, хранения и утилизации АИП.
Необходимый комплекс мер безопасности для АИП — сочетание технических и методических средств защиты («барьеров безопасности») — определяется характеристиками применяемых ЭП и Ак, возможными нештатными ситуациями и последствиями отказов.
К техническим средствам защиты АИП относятся плавкий предохранитель, многоразовый автоматический выключатель, управляющая микропроцессорная плата, стравливающий клапан давления, шунтирующий диод, устройства герметизации, контроль рабочих характеристик АИП средствами аппаратуры, автоматическое прекращение использования АИП при нерасчетных отклонениях их характеристик и т. п.
При выборе АИП целесообразно отдавать предпочтение элементам и аккумуляторам, блокам и батареям, имеющим типовые меры (барьеры) безопасности, такие, например, как:
• разрыв цепи в элементе при повышенной величине тока разряда (установка плавкого предохранителя на 3-5 А);
• одноразовый клапан сброса высокого давления из элемента (на 15-20 атм);
• отсечной сепаратор в элементе (на температуру сплавливания 60-80 °С);
• отсечка/разрыв цепи при повышенной температуре;
• отсечка/разрыв цепи при достижении максимального и минимального напряжений;
• разрыв цепи при повышенной величине тока разряда батареи (установка
плавкого предохранителя в рабочей цепи батареи);
• установка шунтирующих диодов в случае сложной последовательно-параллельной схемы батареи для предупреждения возникновения циркулирующих токов между параллельными элементами/ пакетами и предотвращение переразряда элементов при увеличении разбалансиро-ванности последовательных элементов;
• наличие абсорбирующего материала внутри блоков и батарей.
Меры по безопасности при достижении максимального и минимального напряжений при повышенной температуре могут приниматься как в блоках и батареях, так и в аппаратуре.
В литиевых БП и АБ должно быть не менее двух внутренних типовых мер (барьеров) безопасности. Используемые особокритичные ЭП и Ак обязательно должны иметь внутренние средства защиты от возникновения нештатных ситуаций: короткого замыкания (отсечка из-за повышенных величин тока и/или температуры) и полного разрушения (наличие стравливающего клапана). БП или АБ, содержащие особокритичные ЭП или Ак, должны также иметь защиту по герметичности в дополнение к герметичным корпусам ЭП, Ак. Аппаратура, использующая особокритич-ные АИП, должна иметь средства/возможности автоматического или полуавтоматического входного и рабочего контроля АИП с предоставлением экипажу необходимой информации, а также средства автоматического или полуавтоматического отключения АИП в случае возникновения нештатных ситуаций.
При проектировании аппаратуры следует обращать внимание на конструктивное исполнение батарейного отсека (с минимальным доступом воздуха при сохранении требуемой вентиляции) и на его расположение в аппаратуре (с достаточно свободным доступом к АИП для ликвидации последствий отказов).
К методическим средствам защиты АИП относятся:
• входной контроль на борту перед началом работы по программе;
• задание определенных режимов работы аппаратуры;
• привлечение экипажа к контролю за рабочими характеристиками АИП;
• введение предупреждающей информации;
• определение в бортовой инструкции операций по действиям в нештатных ситуациях с АИП;
• готовность мер по утилизации АИП.
Бортовые инструкции экипажу по работе с аппаратурой, использующей АИП, должны содержать следующие разделы:
• внешний осмотр АИП перед установкой в аппаратуру;
• контроль работоспособности аппаратуры с АИП перед началом применения или в ходе работы;
• возможные нештатные ситуации и действия при отказах АИП или аппаратуры;
• указание мест и условий хранения АИП;
• описание операций по извлечению АИП из аппаратуры в нештатных ситуациях и подготовке АИП к утилизации.
Бортовые инструкции экипажу по выполнению процесса заряда Ак и АБ должны иметь следующие разделы:
• подключение ЗУ к аппаратуре (АБ) и бортовому источнику питания и отключение ЗУ;
• контроль процесса заряда по сигнализации и индикации;
• действия в нештатных ситуациях при отказах ЗУ, АИП, аппаратуры (в случаях прерывания процесса заряда и аварийной сигнализации);
• указание мест и условий хранения ЗУ.
В аппаратуре, использующей критичные и особокритичные АИП, должны быть предусмотрены технические и методические средства защиты АИП от переразряда и перезаряда, если они недопустимы для этих источников питания.
Требования к аппаратуре, использующей АИП:
• надежность установки и крепления АИП в аппаратуре;
• установка АИП, выделяющих кислород/водород в процессах заряда/разряда, в вентилируемых/негерметичных отсеках;
• отсечка/разрыв цепи при достижении минимального напряжения при работе и достижении максимального напряжения при заряде;
• отсечка/разрыв цепи при повышенной величине тока заряда и разряда;
• отсечка/разрыв цепи при повышенной температуре.
Необходимо как можно более полно использовать в аппаратуре возможности АИП (главным образом, литиевых) по обмену данными о состоянии АИП и процессе разряда. Требования к аппаратуре
целесообразно сочетать с требованиями к АИП и ЗУ, чтобы избежать введения излишних барьеров безопасности. Если сценарий конкретного отказа представляется крайне маловероятным, то меры по обеспечению безопасности от этого отказа можно не внедрять.
В случае возникновения нештатных ситуаций в аппаратуре операции отключения ЗУ, извлечения АИП и подготовки АИП к утилизации должны быть подготовлены таким образом, чтобы не допускать попадания электролита в атмосферу герметичных отсеков МКС. При этом, по возможности, следует сохранить дорогостоящую аппаратуру. Температура контактной поверхности АИП или бокса, где размещен АИП, в аппаратуре или ЗУ в процессе заряда не должна превышать 45 °С.
объем наземных испытаний АиП
Образцы критичных АИП, которые впервые предполагается использовать на МКС, предварительно должны быть подвергнуты квалификационным испытаниям — проверке на соответствие всем требованиям, предъявляемым к бортовым элементам и аппаратуре, при внешних воздействиях, максимально приближенных к предельным эксплуатационным величинам, и с использованием предельных режимов работы, вплоть до разрушения образца. Для модификаций критичных АИП, ранее использованных на МКС, достаточно провести верификационные испытания — подтверждение на типовом образце АИП основных характеристик, заявленных производителем: напряжения, емкости, циклируемости, устойчивости к штатному диапазону воздействий (вибрационных, ударных, климатических, давлению) и к внешнему короткому замыканию.
Квалификационные и верификационные испытания образцов из отдельных партий АИП и ЗУ нельзя считать решающими для гарантии их безопасности. Такие испытания необходимы для подтверждения рабочих характеристик, заявленных производителем, но не дают гарантии высокой надежности других образцов этой партии.
Все экземпляры АИП, направляемые на РС МКС, должны проходить предполетные испытания. Цель испытаний — подтверждение герметичности и готовности к штатной работе.
квалификационные испытания АиП
Квалификационные испытания являются наиболее сложными и производятся над образцами АИП, не предназначенными к эксплуатации.
Как правило, испытания ЭП/БП и Ак/АБ осуществляются в следующей последовательности.
1. Подтверждение разрядной характеристики АИП, заявленной производителем — при выполнении разряда двух-трех ЭП/БП и трех-четырех циклов разряда-заряда Ак/АБ с измерением температуры АИП.
Оценка емкости (интегрирование тока по времени разряда) при начальных токах разряда 0,2 С; 0,4 С; 1С; 2 С. I — ток в амперах, численно равный указанной доле емкости (С) АИП (выбирается куратором аппаратуры).
2. Оценка степени деградации Ак/АБ при циклических испытаниях — стабильность характеристик и ресурс (изменения рабочего напряжения) при 20-30 циклах разряда-заряда Ак/АБ (определяется программой применения).
3. Испытания на воздействие вибраций и ударов при выведении на орбиту в соответствии с установленными требованиями для аппаратуры, транспортируемой кораблями «Союз»/«Прогресс» и поставляемой на РС МКС [5]. Отметим, что указаны предельные уровни случайной вибрации (максимальная спектральная плотность виброускорения при выведении на орбиту кораблями «Прогресс» и «Союз» в диапазоне частот 20...2 000 Гц достигает 0,05 Я2/Гц).
4. Испытания на воздействие вибраций при выполнении заряда АИП в условиях орбитального полета. Оценивается качество соединений в схеме заряда и непрерывность процесса. Вибрационные перегрузки на аппаратуру и оборудование, расположенные в кораблях и модулях РС МКС, на участке орбитального полета находятся в диапазоне частот 20.2 000 Гц, и спектральная плотность виброускорения не превышает 0,004 £2/Гц.
Тем не менее, в ряде случаев (при слабых контактах или больших массах) приходилось вводить дополнительное стягивание АИП и ЗУ. Так, при испытании схемы заряда АБ дрели МакИа на РС МКС сначала отмечались колебания тока заряда, затем через 1-2 мин фиксировалось прекращение процесса заряда.
Учитывая достаточно большую массу АБ МакИа «М-МИ 1235» (0,65 кг) и ЗУ МакгЬа «БС 1822» (0,6 кг), для выполнения процесса заряда на борту было введено дополнительное стягивающее крепление АБ с ЗУ. Наблюдались прерывания тока и при заряде АБ дозиметра Пилле-МКС. Проблема решена установкой АБ и ЗУ на единой ворсовке.
Общая рекомендация: процесс заряда должен проводиться в местах с наименьшим воздействием вибраций от твердых поверхностей, связанных с корпусом станции, и на удалении от основных источников вибрации (вентиляторов и т. п.). При заряде целесообразно располагать ЗУ с АБ в демпфирующей упаковке или устанавливать на мягком подвесе.
5. Выдерживание при предельных штатных давлениях — пониженном (~450 мм рт. ст.), повышенном (~970 мм рт. ст.) и низком давлении (10-1...10-3 мм рт. ст.) в течение 1-2 ч (со скоростью изменения давления 60-100 мм рт. ст./мин).
6. Проверка на теплостойкость и на холодостойкость:
• выдерживание 1 ч при максимальной и минимальной рабочих температурах, указанных фирмой-изготовителем АИП;
• выдерживание 1 ч при максимальной температуре +(65±5) °С и минимальной температуре -(25±3) °С.
В испытаниях по п. 4-6 необходимость подключения технологической нагрузки и рабочего тока определяется в зависимости от назначения АИП.
7. Выдерживание в климатической камере при влажности 95±3% с температурами +(20 ± 3) °С и +(40-45) °С в течение 3 ч.
8. Имитация случаев перезаряда и переразряда Ак и АБ:
• После штатного заряда (в аппаратуре или зарядном устройстве) установить Ак, АБ в зарядную цепь от внешнего источника питания. Продолжить заряд Ак, АБ в течение 1 ч напряжением выше номинального на 15-20%. Контролировать ток в цепи и напряжение на АБ. Регистрировать температуру и состояние АБ. Провести контрольный разряд.
• После штатного разряда (в аппаратуре или разрядном устройстве) установить Ак, АБ в разрядную цепь с внешней нагрузкой, равной 0,5 от штатного значения в аппаратуре. Продолжить разряд Ак, АБ в течение 1 ч. Провести
SAMSUNG
СЕц vtit я jttw гатм % лтхл hJvf{«4-uxnvfTvu
г*;
лпгтг-чямигвпл
«Ж
контрольный заряд. Если штатный заряд не возобновляется, повторить с увеличением напряжения заряда на 20±5%.
9. Проверка защиты «по току» или имитация внешнего короткого замыкания АБ. При нахождении полностью заряженных Ак, АБ в замкнутой цепи в процессе разряда на рабочее сопротивление в течение 1-2 мин необходимо уменьшить сопротивление в цепи до величины R3 = (0,2±0,1) Ом. Контролировать температуру и состояние Ак, АБ. Через 10 мин разорвать разрядную цепь. В случае сохранности Ак, АБ после имитации внешнего короткого замыкания провести заряд. Если штатный заряд не возобновляется, повторить с увеличением напряжения заряда на 20±5%.
10. Заключительное двукратное цик-лирование АИП с оценкой емкости и характеристики режимов работы с исходными данными.
Последовательные полные разряд и заряд проводятся в штатном режиме работы. Фиксируется время заряда и разряда. Регистрируются температура и состояние АИП.
На всех этапах испытаний работа завершалась проверкой герметичности — протиркой АИП лакмусовой бумагой и контрольными взвешиваниями.
Завершающим этапом квалификационных испытаний является имитация внутреннего короткого замыкания, приводящая к нарушению целостности АИП — выполняется прокалывание одного из Ак стальной иглой.
После удара игла (0 -0,5-1,5 мм) погружается в Ак на 0,3-0,7 мм (не допуская сквозного пробоя). Игла удерживается в аккумуляторе, из отверстия не вынимается, как правило, до охлаждения АБ, чтобы избежать принудительной разгерметизации Ак.
Рассмотрим результаты трех испытаний безопасных батарей (п. 1-3) и двух испытаний особокритичных батарей (п. 4, 5).
1. Испытание АБ Go Pro. Аккумуляторная батарея камкордера Samsung Gear 360 (рис. 1) литий-ионная; напряжение U = 3,85 В; энергоемкость Q -
ном ' 7 1 ^
до 5,2 Втч (емкость C — до 1,35 А-ч). Габариты 38*34*7 мм, масса 25 г.
После прокола видимых выбросов паров электролита не зафиксировано. Деформации корпуса проколотой АБ не произошло. Самопроизвольной разгерметизации аккумулятора нет (рис. 1). Температура возрастает со скоростью ~1 °С/с.
а)
б)
в)
Рис. 1. Прокол аккумуляторной батареи (АБ) — имитация внутреннего короткого замыкания: а — вид АБ;
б — места прокола корпуса и крепления термопары; в — вскрытый корпус АБ
Через 70 с температура на АБ достигла максимального значения Т =107 °С.
шах
Последующий темп снижения температуры на АБ не определялся, чтобы не повредить камкордер из-за установки
в батарейный отсек горячей АБ. Запах паров электролита отмечался только после снятия давления на «пробой». Высокая температура, возникшая при «внутреннем» коротком замыкании, не повредила внешний корпус АБ и выходную контактную группу. Внутри внешнего корпуса АБ находился электрохимический элемент ICH 793537 SWR (№ HO965 1601 HM) производства Японии. Корпус элемента (из твердого алюминиевого сплава) и контрольные микросхемы сохранились без изменений.
Возможности возникновения критической ситуации с АБ не было. Сравнительно небольшой темп нагрева дает возможность своевременно выявить характер отказа в камкордере (внутреннее короткое замыкание в АБ) и изолировать его.
2. Испытания АБ планшетного компьютера Samsung Galaxy Note 10.1 N8000 64 Gb. АБ плоская, литий-ионная полимерная; компоновка 1S2P; напряжение ином ~4,0 В; энергоемкость Q — до 28 Вт-ч (емкость C — до 7 А-ч); индекс S/N: AA3CB13vS/T-B.
Прокалывался Ак 2 в части, прилежащей к выходной контактной группе. Видимых выбросов паров электролита из прокола не зафиксировано. Деформации корпуса незначительные: отмечалось вздутие корпуса АБ над проколотым аккумулятором (рис. 2).
Рис. 2. Вид АБ Samsung Galaxy Note 10.1 после прокола корпуса: 1 — вздутие; 2 — место прокола; 3 — термопара
Через 4 мин температура достигла максимального значения Т =107 °С. На
шах
другом краю аккумулятора температура достигала 76 °С. В то же время температура на АБ в районе Ак 1 составляла ~57 °С. Чтобы оценить остаточный запас энергии в АБ, после охлаждения Ак 2 (и АБ) до ~24 °С был выполнен прокол Ак 1. Заметного увеличения температуры не было (~26 °С). Внутреннее короткое замыкание одного аккумулятора и его
последующий нагрев (с полным сбросом энергии) не вызывают разгерметизацию другого аккумулятора батареи.
3. Испытания АБ портативного USB источника питания Samsung EB-PG935. АБ содержит четыре аккумулятора типа «18650» — SAMSUNG ICR18650-26F, емкостью 2 600 мА-ч (с рабочим напряжением 3,7 В) каждый; корпусы аккумуляторов батареи защищены пленкой из полимерного материала. Суммарная емкость — до 10 А-ч. Габариты -75x105x25 мм; масса -290 г.
Вид АБ без верхней крышки с открытыми Ак представлен на рис. 3. Прокалыванию подвергался крайний Ак 1.
а)
б)
Рис. 3. Имитация внутреннего короткого замыкания АБ Samsung EB-PG935: а — АБ без корпуса; б — сброс паров электролита через предохранительный клапан после прокола АБ
После пробоя выбросов паров электролита из прокола не зафиксировано. Температура медленно возрастает со скоростью -0,25 °С/с. Через 2 мин после прокола температура на Ак -53 °С; к этому моменту температура на поверхности
АБ может достигать ~45 °С — величины, критической для контакта с экипажем. Через 5 мин температура на Ак ~ 103 °С. В дальнейшем температура резко возрастает (~1,5 °С/с), и через 15 мин достигает максимального уровня ~ 127 °С. Срабатывает клапан сброса давления в АБ — слышен хлопок, на краю контактной группы отмечается кратковременный полупрозрачный газовый выброс (рис. 3).
Корпус Ак 1 не деформирован. Объем сброса паров электролита через предохранительный клапан незначительный. Другие Ак и корпус АБ не повреждены.
4. Испытания Ак 2 научной аппаратуры «Анабиоз». АБ состоит из трех последовательно соединенных литий-полимерных Ак ЗБРБ75106205; напряжение и = 12,6 В; емкость С = 16 А-ч. Габариты 220*203*32 мм; масса ~2 кг. В результате прокола одного Ак установлено: средний темп нарастания температуры поверхности Ак вблизи места прокола составил 7,44 °С/мин; через 7 мин при температуре 86 °С образовалось вздутие корпуса (рис. 4); максимальная температура нагрева (через 8 мин после прокола) составила 90,9 °С; Ак полностью разряжен (напряжение на Ак составило 1,2 В). Таким образом, внутреннее замыкание Ак 2 научной аппаратуры «Анабиоз» не приводит к его саморазрушению и самовозгоранию, а также к выделениям электролита. Небольшой темп нагрева дает возможность своевременно выявить отказ и принять меры безопасности.
Рис. 4. Установка регистраторов температуры воздуха (РТ) и термопары. Наблюдается вздутие корпуса.
1 — РТ¡Биаоп 051922Ь; 2 — РТ ¡БиПоп В51922Е; 3 — термопара; 4 — точка прокола
5. Испытания АБ Н2В182 научной аппаратуры «Видеоспектральная система». АБ литий-ионная, призматическая; напряжение и = 16,4/14,8 В; энергоемкость () -110 Вт-ч
(емкость С -6,5 А-ч). Батарея содержит 12 Ак CGR 18650 (Panasonic); напряжение заряда 4,2 В; емкость ~2,2 А-ч. Диапазон рабочих температур (-20...+40) °С. Габариты АБ: 76*54*71 мм (в металлическом корпусе); масса 550 г; изготовитель HY-LINE AG. Собственно АБ представляет собой три секции из четырех Ак (компоновка 3P4S), заключенных в плотную пластиковую оболочку. После разборки металлического корпуса АБ (рис. 5) для прокола (имитации внутреннего короткого замыкания в Ак) выбрана первая секция — крайняя, удаленная от выходных проводов.
а)
Место прокола
I
ж
б)
Рис. 5. Имитация внутреннего короткого замыкания АБ Н2В182: а — АБ без корпуса; б — место прокола в аккумуляторе первой секции
Через пробой и прокалывающее устройство выделения капель и паров электролита из оболочки не было, запах не чувствовался. Температура на Ак (через оболочку) не достигала -50 °С. Деформации — вздутия оболочки — не отмечены. Через ~5 мин прокалывающее устройство было убрано, верхняя оболочка с АБ снята. Часть аккумуляторов открыта. Нагрева АБ не было. Запах не чувствовался. Аккумулятор не был деформирован.
В АБ с последовательно-параллельной компоновкой Ак может иметь значение, в каком из Ак схемы произошло короткое замыкание, и в какой мере АБ защищена шунтирующими диодами.
Пожароопасность АБ при нарушении установленных правил работы была продемонстрирована в испытаниях АБ Н2В182:
• разборка металлического корпуса АБ и работа при свободном доступе воздуха;
• создание условий, допускающих внутреннее короткое замыкание в нескольких Ак, сопровождающееся разгерметизацией (например, глубоким переразрядом АБ), высокая температура АБ [7].
Аккумуляторная батарея Н2В182 без металлического корпуса была установлена в вытяжном шкафу. Затем проколами были имитированы короткие замыкания последовательно в двух Ак разных сборок, и прокалывающие стержни удалены. В результате наблюдалось активное выделение паров электролита и воспламенение их при касании нагревающихся поверхностей Ак (рис. 6).
Рис. 6. Воспламенение паров электролита
После ликвидации пламени (прекращением доступа воздуха) АБ имела вид, представленный на рис. 7. При этом, несмотря на то, что часть АБ выгорела, а температура соседних Ак достигала 100 °С, остались Ак, сохранившие заряд и автономную работоспособность. То есть, даже в этих крайних случаях энергия АБ освобождается достаточно постепенно, и есть время для ликвидации нештатной ситуации.
Рис. 7. Выгорание части аккумуляторной батареи
Отметим, что этапы и объемы квалификационных испытаний, выполняемых российской и американской сторонами, достаточно близки и не вызывали взаимных замечаний.
верификационные испытания АиП
Целью верификационных испытаний является подтверждение основных рабочих характеристик АИП: напряжения, емкости, циклируемости, устойчивости к штатному диапазону внешних воздействий.
Объем верификационных испытаний в основном совпадает с квалификационными испытаниями, исключая выдерживание при повышенном (~970 мм рт. ст.) и низком (10-1...10-3 мм рт. ст.) давлениях, а также имитацию внутреннего короткого замыкания, приводящего к нарушению целостности АИП. Автономные источники питания, прошедшие верификационные испытания без замечаний, могут быть допущены к использованию на Российском сегменте МКС.
испытания летных экземпляров АиП
Летные экземпляры коммерческих АИП, доставляемых на МКС ТК «Союз» и «Прогресс», могут быть испытаны по российским методикам или по методикам NASA. По российским программам цель испытаний — подтверждение герметичности и готовности к штатной работе. Для некритичных АИП таблеточного типа перед полетом требуется только проведение проверки работоспособности в составе аппаратуры.
Другие некритичные и критичные АИП (грузы категории 1) должны пройти:
• тщательный внешний осмотр (убедиться в отсутствии механических повреждений, следов коррозии, потеков на корпусе и оценить состояние выходных контактов);
• проверку на герметичность — выдерживание при пониженном внешнем давлении (-450 мм рт. ст.) и протирка лакмусовой бумагой АИП и батарейного отсека (по решению куратора аппаратуры допускается проведение испытаний при повышенном давлении 970 мм рт. ст.);
• функциональные проверки (измерения напряжения при разомкнутой цепи и напряжения при замкнутой цепи с имитацией рабочего режима, а АБ — дополнительно не менее двух циклов заряда и разряда (с проверкой защит от переразряда и перезаряда). Изменение напряжений в ходе испытаний не должно превышать 3%, разность между напряжениями при разомкнутой и замкнутой цепи — 5%.
Вес АИП до и после проверки на герметичность должен сохраняться в пределах допуска измерений.
Аккумуляторные батареи, неотделимые от аппаратуры, проходят двукратное циклирование работы аппаратуры до и после проверки на герметичность. Различия в параметрах циклирования не должны превышать 5%. Некритичные летные экземпляры АИП могут проходить вибрационные и климатические испытания в составе аппаратуры по программе приемо-сдаточных испытаний. При этом дополнительных испытаний летных экземпляров АИП не требуется. Для критичных АИП вибрационные, вакуумные и климатические испытания в составе аппаратуры по программе приемо-сдаточных испытаний не рекомендуются, так как представляют повышенную
опасность для аппаратуры. Исключение делается для АИП, неотделимых от аппаратуры.
Автономные источники питания, направляемые в повторный полет, проходят предполетные испытания с проверкой не только внутренних защит Ак, АБ от переразряда и перезаряда, но и от повышенной величины тока/внешнего короткого замыкания. Необходимо испытание аппаратуры с АИП на функционирование.
Существенно, что программы испытания летных экземпляров РКК «Энергия» не допускают применения воздействий, превышающих величины, которые имеют место при штатных транспортировке, работе и хранении. В случае применения повышенных воздействий испытанные экземпляры АИП считаются потенциально опасными и не рекомендуются к полету или требуют введения дополнительных мер безопасности не только при хранении и использовании на РС МКС, но и при доставке их на орбиту российскими транспортными кораблями — использование полужесткой тары и герметичной упаковки. Размещение таких потенциально опасных АИП в спускаемом аппарате корабля «Союз» не допускается.
Доставка на орбиту укладки аппаратуры с герметизированными потенциально опасными АИП может производиться в грузовом отсеке ТГК «Прогресс» или, в крайнем случае, в бытовом отсеке ТПК «Союз».
Обязательным вибрационным испытаниям отдельно от аппаратуры подвергаются летные особокритичные АИП. Если проверяется активный участок выведения изделия на орбиту, то уровень случайной вибрации (§2/Гц) для диапазона частот 20. 2 000 Гц должен быть в два раза меньше максимальных (пиковых) значений при квалификационных испытаниях, а длительность испытаний по каждой из трех (двух) взаимно перпендикулярных осей — в два раза меньше. Если проверяется участок работы на орбите, то уровень случайной вибрации для диапазона частот 20.2 000 Гц задается 0,004 £2/Гц, время испытаний 5-10 мин.
Следует отметить, что по результатам испытаний АИП для РС МКС литий-ионные полимерные Ак и малоразмерные батареи (до 12 В, 60 Вт-ч) можно признать
менее токсичными и более надежными. Их преимущества следующие:
• снижение объема и массы (на ~30%);
• увеличение удельной энергии Ак;
• большая устойчивость к вибрационным и ударным нагрузкам;
• гибкость форм конструкции.
Еще очень важное свойство таких батарей — более протяженный процесс проявления внутреннего короткого замыкания, а значит, медленное образование паров электролита, меньшие градиент и максимум температуры на Ак, меньшее воздействие на другие Ак в АБ.
заключение
В результате совместной работы с партнерами по МКС разработаны классификация АИП и требования к безопасности. Достигнуты соглашения с NASA о взаимной сертификации грузов с АИП на основании аналогичных по операциям и объему методик наземных испытаний, постоянном обмене данными о результатах испытаний и согласовании транспортировки АИП в грузах ТК и эксплуатации на РС МКС.
Используются отработанные методики допуска АИП на РС МКС и ТК:
• квалификационные испытания новых АИП;
• верификационные испытания модификаций критичных АИП, ранее использованных на МКС;
• предполетные испытания всех АИП для подтверждения герметичности и готовности к штатной работе.
При подготовке экипажей и в бортовых инструкциях прорабатываются операции по обнаружению и ликвидации нештатных ситуаций с АИП.
Отлаженную технологию изготовления и наличие внутренних защит в АИП и ЗУ следует считать первым уровнем безопасности. Следующий уровень безопасности должен обеспечиваться аппаратурой, которая использует АИП и ЗУ, организацией процессов штатной работы и заряда. Далее необходимым условием безопасного использования АИП и ЗУ являются действия экипажа в соответствии
с бортовой инструкцией, где указан штатный порядок действий по работе с аппаратурой, АИП и ЗУ, а также действия в нештатных ситуациях при их отказах.
Разработанный подход к отбору АИП для РС МКС является достаточно полным, всесторонним и надежным в обеспечении безопасности. За 18 лет эксплуатации РС МКС АИП не представляли какой-либо опасности для используемой аппаратуры и экипажа. Аккумуляторные батареи Iridium BAT 0602 для телефона Iridium-9505А и камкордера Go Pro Hero 3 (Go Pro, Go Pro Back Pack) участвовали в полетах кораблей «Союз» по 6-8 раз и замечаний не имели.
Список литературы
1. Варламов В.Р. Современные источники питания. М.: ДМК Пресс, 2001. 224 с.
2. Промышленное применение аккумуляторных батарей / Под ред. М. Бруссили, Дж. Пристойя. М.: Техносфера, 2011. 784 с.
3. RSA, NASA, ESF, JAXA Multilateral category 1 constraints. Flight safety certificate.
4. Таганова А.А. Герметичные химические источники тока. Элементы и аккумуляторы, оборудование для испытаний и эксплуатации. СПб: Химиздат, 2005. 262 с.
5. Memorandum of understanding between the National Aeronautics and Space Administration of the United States of America and the Russian Space Agency concerning cooperation on the civil International Space Station. Режим доступа: https://www.nasa.gov/mission_pages/station/ structure/elements/nasa_rsa.html (дата обращения 25.07.2018 г.).
6. Деречин А.Г., Жарова Л.Н., Синявский В.В., Солнцев В.Л., Сорокин И.В. Международное сотрудничество в сфере пилотируемых полетов. Часть 2. Создание и эксплуатация Международной космической станции // Космическая техника и технологии. 2017. № 2(17). С. 5-28.
7. Gini A. Safety of Lithium Battery // Space Safety Magazine, IAASS, July 2011, № 0 (Pilot issue), p. 10-11.
Статья поступила в редакцию 04.04.2018 г.
Reference
1. Varlamov V.R. Sovremennye istochniki pitaniya [Advanced power sources]. Moscow, DMK Press publ, 2001. 224 p.
2. Promyshlennoe primenenie akkumulyatornykh batarey [Industrial application of storage batteries]. Ed. by M. Brussili, Dzh. Pristoyya. Moscow, Tekhnosfera publ., 2011. 784 p.
3. RSA, NASA, ESF, JAXA Multilateral category 1 constraints. Flight safety certificate.
4. Taganova A.A. Germetichnye khimicheskie istochniki toka. Elementy i akkumulyatory, oborudovanie dlya ispytaniy i ekspluatatsii [Pressure-tight chemical current sources. Cells and storage batteries, test and operating equipment]. Saint-Petersburg, Khimizdat publ., 2005. 262 p.
5. Memorandum of understanding between the National Aeronautics and Space Administration of the United States of America and the Russian Space Agency concerning cooperation on the civil International Space Station. Available at: https://www.nasa.gov/mission_ pages/station/structure/elements/nasa_rsa.html (accessed 25.07.2018).
6. Derechin A.G., Zharova L.N., Sinyavskiy V.V., Solntsev V.L., Sorokin I.V. Mezhdunarodnoe sotrudnichestvo v sfere pilotiruemykh poletov. Chast' 2. Sozdanie i ekspluatatsiya Mezhdunarodnoy kosmicheskoy stantsii [International cooperation in the sphere of manned flights. Part 2. Devolopment and operation of the International Space Station]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2017, no. 2(17), pp. 5-28.
7. Gini A. Safety of Lithium Battery. Space Safety Magazine, IAASS, July 2011, no. 0 (Pilot issue), p. 10-11.
