CC BY
49Электронная компонентная база щ>смических,систем
УДК 621.311.6
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АППАРАТУРЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
В. В. Савенков, А. К. Тищенко, В. Н. Волокитин ЗАО «Орбита»
Российская Федерация, 394038, г. Воронеж, ул. Пеше-Стрелецкая, 88 E-mail: v.savenkov@orbitaenvo.ru
Рассматривается структура современных систем электропитания малоразмерных космических аппаратов (МКА) с использованием аппаратуры регулирования и контроля (АРК), эксплуатируемой в жестких условиях ВВФ и проблемные вопросы их построения.
Ключевые слова: система электропитания малоразмерных космических аппаратов, аппаратура регулирования и контроля, силовая элементная база.
DESIGN PRINCIPLES OF REGULATION AND CONTROL EQUIPMENT OF THE MODERN POWER SUPPLY SYSTEMS OF SMALL-SIZED SPACECRAFTS
V. V. Savenkov, A. K. Tishchenko, V. N. Volokitin Orbita, CJSC
88, Peshe-Streletskaya Str., Voronezh, 394038, Russian Federation E-mail: v.savenkov@orbitaenvo.ru
The paper considers design problems and structure of modern small-sized spacecrafts power supply systems with the usage of regulation and control equipment operated in harsh conditions.
Keywords: power supply system of small-sized spacecrafts, control and regulation equipment, power electronic components.
ЗАО «Орбита» специализируется на разработке, освоении и выпуске аппаратуры регулирования и контроля систем электроснабжения космических аппаратов. В настоящее время предприятие приступило к разработке моноблочной системы АРК электроснабжения МКА.
Космические аппараты такого типа предназначены, в частности, для изучения взаимодействия волн и частиц на внешних границах магнитосферы Земли, а также взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой.
Система электропитания МКА содержит: две батареи фотоэлектрические суммарной мощностью 1600 Вт; аккумуляторную никель-водородную батарею; АРК.
Назначение АРК в системе электропитания МКА -обеспечить электропотребление бортовой аппаратуры (БА) МКА стабилизированным напряжением постоянного тока (32 ± 0,32) В, мощностью - не менее 700 Вт при работе от фотоэлектрических батарей на свету с параллельным зарядом аккумуляторной батареи избыточным током и в режиме разряда аккумуляторной батареи в нагрузку при нахождении МКА в тени [1].
Критически-важными функциями АРК, необходимыми для поддержания работоспособности МКА являются: стабилизация напряжения на шине, управления зарядом-разрядом батареи, регулирование тока -реализованы на аппаратной логике, а вспомогатель-
ные, функции (прием команд-уставок, телеметрия) -на программно-аппаратном уровне с использованием микроконтроллера.
Конструкция АРК представляет собой ряд модулей, которые крепятся к основанию через теплопро-водящую смазку. Основание вместе с модулями крепится к термостатированной плате МКА [4; 5]. Все модули выполнены с применением коробчатых несущих элементов конструкции, одновременно выполняющих функцию радиатора, и позволяющих обеспечить тепловой режим электрорадиоэлементов, виброустойчивость и виброударопрочность с уменьшением массы прибора [2]. Выбранный вариант конструкции позволил получить высокие показатели для аппаратуры данного класса: габариты - 295 ><275*209 мм, масса - не более 13,7 кг.
Проблемы реализации схемотехнических решений для АРК логически вытекают из высоких требований по радиационной стойкости, предъявляемых в техническом задании к АРК. Высокие эллиптические орбиты эксплуатации МКА диктуют жесткие требования к элементной базе АРК, и требует применения в нем ЭКБ со стойкостью по накопленной дозе 50-100 Крад с учетом защитных свойств оболочки МКА и корпуса АРК [3]. Применение микроконтроллеров для управления заряд-разрядом аккумулятора потенциально проблемно и требует применения более радиационно-стойких ИС - со степенью интеграции не выше сред-
Решетневскуе чтения. 2017
ней, что приводит к необходимости изменения управляющих алгоритмов микроконтроллера и дополнительному синтезу, макетированию и отладке значительного объема схемотехнических решений.
Высокая радиационная стойкость АРК потребовала выбора соответствующего по стойкости микроконтроллера для блока приема и обработки команд и телеметрии. В первоначальном варианте АРК для функциональной отработки использовался микроконтроллер 1986ВЕ1Т (АО ПКК «Миландр»), имеющий достаточные ресурсы для реализации все функций АРК, но недостаточный запас по накопленной дозе (4 Крад). Данный микроконтроллер успешно используется в других разработках ЗАО «Орбита», где требования по стойкости более низкие, однако заданные в ТЗ требования по АРК и МКА (эксплуатируемых на высоких эллиптических орбитах не менее 7 лет) не позволили применять его в дальнейшем в АРК.
В результате, выбор в списке доступных отечественных микроконтроллеров был ограничен единственным радстойким (>100 кРад) микроконтроллером 1874ВЕ7Т производства АО НИИЭТ, г. Воронеж, который имел относительно небольшое количество выводов - 88. Однако, использование уникального программно-аппаратного решения - мультиплексирования сигналов, позволило сократить количество используемых выводов микросхемы 1874ВЕ7Т и решить вопрос с компоновкой в заданных габаритах.
Другой проблемой при построении АРК для малоразмерных МКА является недостаточный ресурс отечественной ЭКБ - не более 50000 часов в условиях космического вакуума. В частности, это касается ме-таллокерамических конденсаторов и пленочных резисторов для поверхностного монтажа. «Слабым» местом по ресурсу также является силовая элементная база, преимущественно транзисторы КМОП-техно-логии, которые создают трудности при их компоновке для обеспечения требуемого теплового режима.
Для обеспечения ресурса АРК при летной эксплуатации требуется применение современной элементной базы на основе новой технологии, например, использование высокотемпературных силовых транзисторов на карбид-кремниевой (8Ю), или нитрит-галлиевой основе (ваМ), с малым зарядом затвора и временем обратного восстановления (менее 100 нс), а также применение вместо электромеханических реле высоконадежных интеллектуальных силовых модулей (1РМ).
Третьей проблемой при разработке современной АРК является качество используемой элементной базы. В настоящее время, в соответствии с требованиями ТЗ, в АРК обязательно должна быть применена ЭКБ повышенного уровня качества и надежности категорий ОС, ОСМ. В исключительных, технически обоснованных случаях, разрешается применение отечественной ЭКБ категории качества «ВП», но с проведением дополнительных испытаний, подтверждающих качество данной ЭКБ. Однако, в последнее время головной заказчик требует проведение дополнительных испытаний для всей ЭКБ, применяемой в МКА, включая категории ОС, ОСМ. Это связано, с одной стороны, с высокими требованиями к качест-
ву ЭКБ и аппарата в целом, а с другой - с участившимся случаями получения отрицательных результатов дополнительных испытаний ЭКБ категорий качества ОС, ОСМ. При этом самым распространенным дефектом является наличие повышенного уровня содержания паров воды внутри корпусов интегральных микросхем, что не приемлемо для АРК и МКА.
Наиболее важной проблемой при разработке АРК является длительные сроки комплектования ЭКБ макетов, опытных и летных образцов аппаратуры -от 3 до 9 месяцев.
Головными заказчиками разработчикам аппаратуры выдаются ТЗ на разработку аппаратуры со сроком выполнения от года до двух лет. За этот срок главным конструкторам необходимо провести разработку электрической схемы и конструкции, провести макетирование и конструкторские испытания, изготовить опытные образцы, провести предварительные испытания, присвоить литеру «О» документации, изготовить штатные образцы и поставить их заказчику. Разработчики заведомо поставлены в невыполнимые условия, когда скорость разработки и изготовления образцов зависит не от них, а от длительной поставки комплектующих.
Решение указанных проблем позволит создавать отечественную аппаратуру для космических аппаратов быстро, качественно и надежно.
Библиографические ссылки
1. Техническое задание на разработку аппаратуры регулирования и контроля для МКА.
2. ЗАО «Орбита». Научно-технический отчёт о составной части ОКР «Разработка предложений по конструкции и реализации технических требований для аппаратуры регулирования и контроля (АРК) СЭС ППТС».
3. База данных по радиационной стойкости электронных компонентов зарубежного производства (РСЭК). РНИИ «Электростандарт».
4. Патент № 2305310. Регулятор постоянного напряжения / А. К. Тищенко, Г. Д. Лившин, Ф. С. Власов.
5. Патент № 2306652. Зарядно-разрядное устройство / А. К. Тищенко, Г. Д. Лившин, Ф. С. Власов.
References
1. Technical task for the development of regulation and control equipment for small-sized spacecrafts.
2. Orbita, CJSC. Scientific and technical report on the part of R & D "Development of proposals for the design and implementation of technical requirements for control and regulation equipment of the power supply system of PPTS".
3. Database on radiation resistance of electronic components of foreign production. RNII "Electrostan-dart".
4. А. K. Tishchenko, G. D. Livshin, F. S. Vlasov. DC voltage regulator. Patent № 2305310.
5. А. K. Tishchenko, G. D. Livshin, F. S. Vlasov. Charging-discharge device. Patent № 2306652.
© Савенков В. В., Тищенко А. К., Волокитин В. Н., 2017
