CC BY
65УДК 629.786.064.56.001.2:620.9
проектирование системы энергоснабжения научно-энергетического модуля для российского сегмента международной космической станции
© 2015 г. Бидеев А.г., Семин А.Ю., Кузнецов А.в., Ахмедов м.р.
Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070,
e-mail: post@rsce.ru
На примере проектирования научно-энергетического модуля Российского сегмента Международной космической станции приведены методика и формулы расчета систем электроснабжения орбитальных космических аппаратов. Изложено обоснование состава систем электроснабжения этого модуля, описан анализ вариантов на производительность, реализуемость и технико-экономическую эффективность. Принципиальной особенностью методики является совместный учет периодического затенения солнечных батарей конструктивными элементами станции, КПД аккумуляторных батарей и аппаратуры регулирования и контроля, а также требований обеспечения теплового режима. На основании расчета принято решение о выборе типа аккумуляторных батарей, обеспечивающего наименьшие суммарные затраты. Методика применима при проектировании орбитальных космических аппаратов с системой электроснабжения на основе солнечных батарей и представляет сведения, полезные при определении состава и технических параметров этой системы.
Ключевые слова: система электроснабжения, солнечные батареи, аккумуляторные батареи, фотоэлектрические преобразователи.
DESIGNING A powER supply SYSTEM
of the science and power module for the international space station Russian segment
Bideev A.G, Semin A.Yu., Kuznetsov A.v., Akhmedov M.R.
S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin Street, Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail: post@rsce.ru
Taking the design of the Science and Power Module of the Russian Segment of the International Space Station as an example, the paper provides a procedure and calculation formulas for the Power Supply Systems (PSS) of orbital spacecraft. It provides a rationale for the Science and Power Module PSS configuration, and describes an analysis of performance, feasibility and cost trade-offs. The hallmark of the procedure is the simultaneous consideration of periodic shadowings of solar arrays by structural elements of the station, of the efficiency of storage batteries and monitoring and control automatics, as well as requirements for maintaining thermal conditions. Based on the calculations, the decision was made to select the type of storage batteries which assures the least total costs. The procedure is applicable to the design of orbital spacecraft with a power supply system based on solar arrays and provides information which is useful in determining the configuration and engineering parameters of a PSS.
Key words: Power Supply System, solar arrays, storage batteries, photoelectric converters.
БИДЕЕВ Алексей Геннадьевич — кандидат технических наук, начальник отделения РКК «Энергия», e-mail: alexey.bideev@rsce.ru
BIDEEV Alexey Gennad'evich — Candidate of Science (Engineering), Head of Division at RSC Energia, e-mail: alexey.bideev@rsce.ru
СЕМИН Андрей Юрьевич — начальник отдела РКК «Энергия», e-mail: post@rsce.ru SEMIN Andrey Yur'evich — Head of Department at RSC Energia, e-mail: post@rsce.ru
КУЗНЕЦОВ Андрей Владимирович — начальник сектора РКК «Энергия», e-mail: post@rsce.ru KUZNETSOV Andrey Vladimirovich — Head of Subdepartment at RSC Energia, e-mail: post@rsce.ru
АХМЕДОВ Муслим Ринатович — аспирант, ведущий инженер РКК «Энергия», e-mail: post@rsce.ru AKHMEDOV Muslim Rinatovich — Postgraduate, Lead engineer at RSC Energia, e-mail: post@rsce.ru
В настоящее время РКК «Энергия» ведется разработка научно-энергетического модуля (НЭМ) для Российского сегмента Международной космической станции (РС МКС) [1]. Как следует из названия, основными задачами модуля являются проведение научных исследований и обеспечение Российского сегмента электроэнергией. РС МКС по первоначальному проекту должен был иметь специальный энерго-обеспечивающий модуль — научно-энергетическую платформу. Однако из-за недостатка финансирования его постройка была прекращена, и поставщиком недостающей электроэнергии для РС МКС стали солнечные батареи (СБ) Американского сегмента МКС. Последующее развитие РС, деградация американских СБ и отказ американской стороны предоставлять необходимое количество электроэнергии, начиная с 2017-2018 гг., вновь заставили поднять вопрос об энергетической независимости РС МКС.
Основные требования к НЭМ и ограничения параметров
НЭМ представляет собой изделие стартовой массой свыше 20 т, выводимое на орбиту ракетой-носителем «Протон» (рис. 1). В его составе — герметичный и негерметичный корпуса, системы и средства для обеспечения управления, связи, телеметрического контроля, жизнедеятельности и безопасности экипажа,
теплового режима, орбитального маневрирования, стыковки и перестыковки, технического обслуживания, ремонта, а также для установки, функционирования и замены научной аппаратуры. Основу системы энергоснабжения (СЭС) модуля составляют СБ, аккумуляторы и аппаратура регулирования и контроля (АРК). Дополнительная потребность РС МКС в электроэнергии согласно расчету, основанному на опыте эксплуатации сегмента и на программе научно-прикладных исследований, в предполагаемый период существования МКС составит не более 18 кВт. Такую мощность в среднем за год должна обеспечить СЭС НЭМ в начале эксплуатации.
5 4 3
Рис. 1. Научно-энергетический модуль: 1 — механизм поворота солнечных батарей; 2 - солнечные батареи; 3 — корпус негерметичный; 4 — корпус герметичный; 5 — стыковочный агрегат
Стыковать НЭМ предполагается к боковому порту узлового модуля (УМ, рис. 2). Данное направление развития РС МКС — многоцелевой лабораторный модуль (МЛМ), далее УМ и НЭМ — выбрано как имеющее преимущества в перспективе, поскольку эти модули смогут продолжить полет в качестве перспективной российской орбитальной станции, когда срок службы всех остальных модулей МКС истечет.
Рис. 2. Международная космическая станция (МКС), включая научно-энергетический модуль: 1 — Американский сегмент МКС (АС МКС); 2 — радиаторы АС МКС; 3 — солнечные батареи АС МКС; 4 — функционально-грузовой блок «Заря»; 5 — малый исследовательский модуль № 1 «Рассвет»; 6, 11 — транспортный пилотируемый корабль «Союз»; 7 — научно-энергетический модуль; 8 — узловой модуль «Причал»; 9 — многоцелевой лабораторный модуль «Наука»; 10 — служебный модуль «Звезда»; 12 — малый исследовательский модуль № 2 «Пирс»; 13 — транспортный грузовой корабль «Прогресс»
Однако, СБ НЭМ в составе МКС будут периодически затеняться элементами конструкции Американского сегмента, поэтому их размеры должны быть максимальными с учетом следующих конструктивных ограничений.
Во-первых, габариты СБ НЭМ ограничены положением СБ и радиаторов Американского сегмента, а также батарей МЛМ, поэтому СБ НЭМ должны находиться в пределах отведенной для них зоны безопасности (рис. 3).
во-вторых, в сложенном состоянии СБ НЭМ должны помещаться в выделенном пространстве под обтекателем ракеты-носителя (рис. 4). В результате поиска оптимальной компоновки под обечайкой опорного отсека космической головной части удалось разместить СБ площадью 203,5 м2. Для сравнения, это в 2-3 раза больше, чем у служебного модуля (СМ) и МЛМ, доставленных на орбиту аналогичной ракетой. Следует отметить, что объем гермоотсека модуля при этом почти не сократился: как видно на рис. 5, по данному параметру НЭМ почти не уступает СМ, но заметно превосходит МЛМ.
Рис. 3. Ограничение габаритов солнечньх батарей научно-энергетического модуля (НЭМ) в составе Международной космической станции (МКС): 1 — служебный модуль «Звезда»; 2 — зона ометания радиатора Американского сегмента МКС (АС МКС); 3 — солнечные батареи АС МКС; 4 — зона безопасности солнечных батарей НЭМ; 5 — солнечные батареи НЭМ; 6 — НЭМ; 7 — узловой модуль «Причал»; 8 — многоцелевой лабораторный модуль «Наука»
Рис. 4. Солнечные батареи научно-энергетического модуля в сложенном виде: 1 — герметичный отсек; 2 — негерметичный отсек; 3 — солнечные батареи; 4 — опорный отсек космической головной части (КГЧ); 5 — головной обтекатель КГЧ
Рис. 5. Сравнение компоновочньх решений служебного модуля (СМ), многоцелевого лабораторного модуля (МЛМ) и научно-энергетического модуля (НЭМ): ■ — герметичные отсеки; ■ — негерметичный отсек; ■ — зоны размещения солнечных батарей (СБ)
определение производительности СэС с фотоэлектрическими преобразователями на основе оксида кремния
Современные технологии предлагают два основных варианта исполнения СБ — с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) на основе оксида кремния и на основе арсени-да галлия [2-6]. В качестве исходного был рассмотрен вариант с оксид-кремниевыми фотопреобразователями, менее производительный, но существенно более дешевый. Теоретическая выходная электрическая мощность СБ рассчитывается по формуле
^СГ = ЗДфэш
где Е0 — энергия солнечного излучения на единицу площади; S — площадь СБ; пФЭП — КПД ФЭП. На среднем расстоянии Земли от Солнца Е0 = 1 367 Вт/м2. Площадь СБ НЭМ S = 203,5 м2, КПД ФЭП на основе оксида кремния пФЭП = 0,16. Отсюда теоретическая выходная электрическая мощность СБ Ш"™5 должна составлять не менее 44,5 кВт.
На практике неизбежны потери, которые можно разделить на две группы: из-за конструктивных факторов (неплотного расположения ФЭП, несогласованности генерируемых токов, электрического сопротивления цепей) и из-за летных факторов (повышения температуры СБ при длительной ориентации на Солнце и неточности ориентации). Все они должны быть учтены умножением теоретической мощности на соответствующие коэффициенты, которые определяются расчетным путем или экспериментально. Коэффициенты
потерь каждого вида, найденные применительно к СБ НЭМ, после перемножения дают в результате к = 0,784; к = 0,876 (из-за
1 конс 7 7 летн 7 ^
конструктивных и летных факторов, соответственно). С их учетом от СБ НЭМ в действительности можно ожидать моментальной мощности ^С0Б не менее 30,6 кВт.
При эксплуатации изделия основной интерес представляют усредненные по времени величины мощности. Они, как правило, ниже моментальной из-за периодического затенения СБ Землей и элементами МКС и могут быть получены ум—ожением на соответствующий коэффициент к :
Ь = WС0Б к .
СЬ СБ осв
(1)
Используем значение среднегодового коэффициента потери мощности косв = 0,486, расчет которого приведен ниже (5). С учетом всех вышеуказанных факторов -выходная мощность СБ НЭМ в среднем за год WС Ь = 14,9 кВт.
На пути от СБ к конечным потребителям существенные потери энергии происходят при ее преобразовании в аккумуляторах, предназначенных для компенсации периодических перерывов поступления электричества из-за затенения СБ. Потери имеются также в АРК. Все они зависят преимущественно от типа аккумуляторов, поэтому выбор последних также должен стать предметом оптимизации. На данном этапе расчета потери учитываются^умножени-ем на среднегодовой коэффициент кСЭС = 0,889 в предположении, что будут использованы аккумуляторы с КПД, равным 0,8 (расчет коэффициента приведен ниже (4)). Вычисляем среднегодовую мощность СЭС по формуле:
-СЭС = -СЬ-СЭС. (2)
Отсюда среднегодовая мощность СЭС ^СЭС = 13,2 кВт. Очевидно, что в варианте с оксид-кремниевыми фотопреобразователями требование к производительности системы не выполняется. Необходимо использовать резерв, который может дать выбор других ФЭП и аккумуляторных батарей (АБ).
выбор типа
фотоэлектрических преобразователей
Использование более современных фотопреобразователей на основе арсенида галлия с КПД, равным 0,285, позволит значительно увеличить мощность системы при заданных ограничениях габаритов СБ. Рассчитанные вновь по приведенным выше формулам (1) и (2) величины мощности СБ (теоретическая, действительная моментальная и среднегодовая) составят:
= 79,3 кВт;
№С0Б = 54,5 кВт;
—СБ = 26,5 кВт.
Среднегодовая мощность системы энергоснабжения WСЭС будет равна 24,5 кВт. Этого достаточно, чтобы выполнить требование к СЭС по производительности. Однако необходимо принять во внимание следующее:
1. При получении величины среднегодовой мощности WСЭС было сделано предварительное допущение, что КПД АБ равен 0,8, а выбор их конкретного типа может это значение изменить.
2. Требуется провести уточненный расчет производительности СЭС, учитывающий ее совместимость со средствами обеспечения температурного режима, эффект частичного затенения СБ, а также деградацию ФЭП из-за ионизирующих излучений и повреждений микрометеороидами.
выбор типа аккумуляторных батарей
Выбор АБ является сложной задачей: при этом существенно затрагиваются такие характеристики модуля, как масса, ресурс, требования по эксплуатации и обслуживанию, тепловой режим и, в конечном итоге, стоимость. Наилучшее решение было найдено путем комплексного анализа, в котором критериями стали:
• допустимая мощность нагрузки;
• ресурс;
• необходимость и возможность замены;
• потребный грузопоток по доставке расходуемых элементов;
• способы размещения и обеспечения теплового режима;
• стоимость изготовления и эксплуатации аккумуляторов.
Были проработаны варианты СЭС на базе литий-ионных аккумуляторных батарей (ЛИАБ) и никель-водородных аккумуляторных батарей (НВАБ) двух разных производителей. Основные характеристики батарей представлены в табл. 1.
Энергия СБ поступает на шину СЭС и в АБ, а на теневом участке орбиты заряд АБ расходуется. Таким образом, количество циклов заряд-разряд, на которые способны АБ, определяет их ресурс, который для ЛИАБ в составе НЭМ составляет 3,5 года, а для НВАБ — 15 лет.
Количество АБ, необходимое для работы СЭС, определяется их емкостью, а также мощностью при разряде, так как кроме сохранения энергии они должны обеспечить достаточно быструю ее выдачу потребителям.
Таблица 1
технические характеристики аккумуляторных батарей
Характеристика ЛИАБ НВАБ
Электроемкость, А-ч, не менее 49,5 36
Средняя мощность при разряде, Вт 2 200...2 500 2 200.2 500
Масса (с блоком электроники), кг, не более 45 65
КПД по энергии в цикле заряд-разряд, %, не менее 97 80
Тепловыделение одной батареи, Вт 27 220
Количество циклов с глубиной разряда 40% 20 000 83 000
Примечание. ЛИАБ — литий-ионные аккумуляторные батареи; НВАБ — никель-водородные аккумуляторные батареи.
Другими словами, общая мощность АБ при разряде должна быть не меньше максимально допустимой средневитковой нагрузки на СЭС. Анализ показал, что последний фактор в случае НЭМ является определяющим.
Допустимая мощность нагрузки на шине СЭС в среднем за виток с учетом потерь энергии из-за затенения СБ и преобразования в аккумуляторах вычисляется по формуле:
н СБ СЭС осв'
(3)
где WС0Б — вычисленная ранее моментальная производительность СБ, полностью освещенных Солнцем (54,5 кВт); кСЭС — коэффициент, учитывающий потери энергии при ее преобразовании в СЭС (в АБ и АРК) в среднем за виток; косв — коэффициент, учитывающий потери энергии от затенения СБ Землей и элементами МКС, также в среднем за виток.
Коэффициенты кСЭС и косв зависят от даты полета, а именно, от угла между плоскостью орбиты МКС и направлением на Солнце (угла склонения Солнца Р), который меняется со временем (рис. 6).
Рис. 6. Примерный вид изменения угла склонения Солнца в течение года
Указанные коэффициенты — средневитк_о-вые. Среднегодовые коэффициенты кСЭС и косв получаются осреднением средневитковых за один год (период Т):
1 ^
"ГЭС Т 1 СЭС
-осв = - I Ь^Ш)*.
(4)
(5)
Коэффициент &СЭС вычисляется, исходя из КПД регулятора тока пРТ, КПД аккумуляторных батарей пАБ и КПД АРК в канале заряд-разряд пЗР:
П
(6)
1 - (1 - п)т
^ отн
где п = Паб Пзр.
Формула (6) принимает во внимание, что
интенсивность использования аккумуляторов и АРК зависит от относительной длительности освещенного участка орбиты тотн, которая, в свою очередь, определяется углом склонения Солнца р. В итоге коэффициент &СЭС зависит от угла р, как это показано на рис. 7. Видно, что в широком интервале углов р потери энергии в СЭС меняются мало, но резко сокращаются, если р приближается к ±75°. Это отражает тот факт, что когда орбита станции полностью освещена Солнцем, аккумуляторы не используются.
Рис. 7. Зависимость средневиткового коэффициента потерь энергии &СЭС в аккумуляторных батареях и аппаратуре регулирования и контроля от угла склонения Солнца р: ш — литий-ионные аккумуляторные батареи; ш — никель-водородные аккумуляторные батареи
Еще более существенно угол склонения Солнца р влияет на условия затенения СБ НЭМ Землей и элементами МКС. На рис. 8 представлена зависимость коэффициента £осв от угла р, полученная специальным расчетом с использованием трехмерной компьютерной модели МКС (предоставлена центром математического моделирования главной оперативной группы управления ЦУП).
Результаты расчета допустимой средневит-ковой мощности нагрузки на шину СЭС приведены в табл. 2 и на рис. 9. Расчет сделан для случаев применения АБ каждого из рассмотренных типов, что показывает некоторое преимущество ЛИАБ перед НВАБ, если критерием выбора является производительность СЭС.
Рис. 8. Коэффициент &осв, учитывающий потери энергии от затенения солнечных батарей Землей и элементами МКС, в среднем за виток в зависимости от угла склонения Солнца р
Таблица 2
допустимая средневитковая мощность нагрузки на систему энергоснабжения (СэС)
Угол склонения Солнца р, ° Допустимая средневитковая мощность нагрузки на СЭС, кВт
ЛИАБ НВАБ
-75 46,63 46,63
-60 30,12 28,44
-45 19,52 18,13
-30 21,34 19,71
-15 25,52 23,50
0 28,68 26,38
15 26,56 24,45
30 26,55 24,52
45 25,02 23,24
60 23,28 21,98
75 37,53 37,53
Примечание. ЛИАБ — литий-ионные аккумуляторные батареи; НВАБ — никель-водородные аккумуляторные батареи.
Рис. 9. Допустимая средневитковая мощность нагрузки на систему энергоснабжения в зависимости от угла склонения Солнца р: ш — литий-ионные аккумуляторные батареи; ш —никель-водородные аккумуляторные батареи
Полученные результаты позволяют сделать вывод, что для сохранения энергии, поступающей от СБ на освещенной части орбиты, достаточно 12 АБ первого или второго типа, поскольку такой комплект способен разряжаться с мощностью 26,4...30,0 кВт. Когда
з
0
угол склонения Солнца р по модулю больше 60°, средневитковая производительность СБ возрастает, и допустимая средневитковая мощность нагрузки на СЭС становится выше указанных значений. Однако это не требует увеличения количества АБ, так как последние ввиду сокращения теневого участка орбиты используются менее интенсивно, а при Р = ±75° не используются вообще.
Среднегодовую производительность СЭС можно найти как используя формулы (1), (2), (4), (5), так и непосредственно интегрируя допустимую средневитковую мощность по интервалу времени в один год Т:
Ш =
УУ СЭС
| рнтт (7)
где -РН(Р) — допустимая средневитковая мощность нагрузки на СЭС в зависимости от угла склонения Солнца р.
Таким образом, среднегодовая производительность СЭС составляет 26,3 кВт для СЭС на основе ЛИАБ и 24,5 кВт — на основе НВАБ.
Сравнение АБ по техническим характеристикам
После расчета влияния КПД аккумуляторов на производительность СЭС необходимо произвести их сравнение по другим техническим характеристикам. Качественным различием батарей является способ размещения. ЛИАБ, со сравнительно коротким ресурсом, для удешевления обслуживания и замены целесообразно устанавливать в гермоотсеке, для чего необходимо примерно 1,0 м3 внутреннего пространства. Их максимальное тепловыделение составит 820 Вт, а средне-витковое — 330 Вт, и тепловой режим можно обеспечить как установкой на термоплаты, так и штатными средствами вентиляции. НВАБ по требованиям безопасности (высокое давление внутри баллонов) допустимо размещать только в негерметичной части модуля. С одной стороны, это становится преимуществом, поскольку батареи не занимают места в гермоотсеке и, благодаря длительному ресурсу, не требуют обслуживания. С другой стороны, их тепловой режим обеспечивается только установкой на термоплаты, общая масса которых составит примерно 240 кг. Кроме того, НВАБ имеет большее тепловыделение — максимально 6 600 Вт, а в среднем за виток — 2 640 Вт.
Технические характеристики комплектов аккумуляторных батарей приведены в табл. 3.
Таблица 3
технические характеристики комплектов аккумуляторных батарей
Характеристика комплекта из 12 аккумуляторных батарей ЛИАБ НВАБ
Обеспечиваемая среднегодовая производительность СЭС, кВт 26,3 24,5
Масса, кг 540 780
Масса дополнительного оборудования (термоплат), кг — 240
Тепловыделение в среднем за виток, Вт 330 2 640
Ресурс, лет 3,5 15
Количество плановых замен в течение 15 лет полета НЭМ 3 —
Трудоемкость плановых замен, чел.-ч 54 —
Плановый грузопоток, кг 1 620 —
Объем, занимаемый в гермоотсеке, м3 1,0 —
Средство обеспечения теплового режима Обдув или термоплаты Термоплаты
Способ замены ВнуКД Не требуется
Примечание. ЛИАБ — литий-ионные аккумуляторные батареи; НВАБ — никель-водородные аккумуляторные батареи; ВнуКД — внутрикорабельная деятельность.
Очевидно, что ЛИАБ обеспечивают более высокую производительность СЭС и мощность нагрузки, при этом имеют меньшую массу и тепловыделение. Однако из-за малого ресурса они потребуют трех плановых замен и доставки сменных комплектов значительной массы в течение 15 лет полета модуля.
технико-экономический анализ СэС на основе лиАБ и нвАБ
Неоднозначность результата сравнения ЛИАБ и НВАБ по техническим характеристикам может быть преодолена путем технико-экономической оценки вариантов с определением суммарных затрат на разработку, изготовление и обеспечение работы АБ. Результаты такой оценки приведены в табл. 4.
При оценке использованы установленные Роскосмосом тарифные стоимости доставки и хранения грузов на РС МКС и работы экипажа. С их учетом становится очевидной экономическая целесообразность использования НВАБ, несмотря на то, что они уступают ЛИАБ по техническим характеристикам. И поскольку в обоих вариантах производительность СЭС соответствует заданной, то более значимым становится сравнение не технических характеристик, а эксплуатационных.
0
Таблица 4
технико-экономическая оценка разработки, изготовления и эксплуатации аккумуляторных батарей
Статья расходов Финансовые затраты, тыс. руб.
ЛИАБ НВАБ
Разработка и изготовление комплекта АБ, в т. ч. сменных 231500 206200
Обеспечение функционирования, в т.ч.: 1 279 476 4 800
- доставка сменных комплектов 1 146 960 —
- работа экипажа по замене АБ 132 516 —
- разработка и изготовление термоплат — 4 800
Обеспечение конструктивных особенностей, в т. ч.: 1 350 000 339 840
- доставка разницы массы в составе НЭМ — 339 840
- использование пространства гермоотсека 1 350 000 —
Итого 2 860 976 550 840
Примечание. ЛИАБ — литий-ионные аккумуляторные батареи; НВАБ — никель-водородные аккумуляторные батареи; НЭМ — научно-энергетический модуль.
Сравнение эксплуатационных характеристик лиАБинвАБ
Результаты анализа выбора АБ по всем рассмотренным выше характеристикам показаны в табл. 5, причем лучшие показатели выделены цветом.
Таблица 5
Сравнительные характеристики аккумуляторных батарей
Характеристика ЛИАБ НВАБ
1. Технические характеристики:
• обеспечиваемая среднегодовая 26,3 24,5
производительность СЭС, кВт
• масса комплекта АБ, кг 540 780
• масса доп. оборудования, кг — 240
• тепловыделение, Вт 330 2 640
• ресурс, лет 3,5 15
• количество плановых замен 3 —
• трудоемкость замен, чел.-ч 54 —
• плановый грузопоток, кг 1 620 —
• способ размещения Внутри гермоотсека Вне гермоотсека
• объем внутри гермоотсека, м3 1,0 —
• способ обеспечения теплового режима Обдув или термоплаты Термоплаты
2. Стоимость, тыс. руб., в т.ч.: 2 860 976 550 840
• разработка и изготовление 231500 206200
• обеспечение функционирования 1 279 476 4 800
• обеспечение конструктивных особенностей 1 350 000 339 840
Примечание. ЛИАБ — литий-ионные аккумуляторные батареи; НВАБ — никель-водородные аккумуляторные батареи; СЭС — система электроснабжения.
Комплексный сравнительный анализ рассмотренных вариантов заставляет отдать предпочтение НВАБ, так как они требуют существенно меньших суммарных затрат.
определение производительности СЗС нэм с учетом обеспечения теплового режима
После того, как состав СЭС НЭМ определен, вычисленная с помощью формул (1), (2), (4), (5), (7) среднегодовая выходная мощность системы составит 24,5 кВт. Однако и эта величина требует уточнения, поскольку вся энергия, вырабатываемая системой, как полезная, так и побочная, в итоге превращается в тепловую, а возможности средств обеспечения теплового режима (СОТР), сбрасывающих эту энергию в космос, ограничены.
Согласно приведенным выше данным, допустимая средневитковая полезная мощность, выдаваемая СЭС, составляет 17,7. 46,6 кВт. Кроме того, потери энергии в самой системе (регуляторе тока, АБ и АРК) приводят к выделению тепловой мощности 1,0.7,5 кВт в среднем за виток. Даже за вычетом электроэнергии, которую НЭМ поставляет в другие модули РС МКС (не менее 12 кВт), на СОТР НЭМ ложится общая тепловая нагрузка мощностью 6,7. 42,1 кВт в среднем за виток. И поскольку СОТР рассчитаны на средневитковую нагрузку не более 12 кВт, в отдельные дни выходную мощность СЭС придется ограничивать, например, отворачивая СБ от прямых солнечных лучей. В связи с этим коэффициент £осв, учитывающий потери энергии от затенения СБ (см. рис. 8), будет выглядеть иначе, и, следовательно, допустимая мощность нагрузки и ее среднегодовое значение должны быть откорректированы.
За основу учета ограничений на мощность СЭС, связанных с производительностью СОТР, возьмем неравенство, согласно которому мощность теплового потока, выделяемого приборами и оборудованием НЭМ в среднем за виток, не должна превышать возможностей СОТР по отведению тепла:
W
+ W
побоч
W < Р
УУ РС МКС СОТР'
(8)
где W — полезная мощность, вырабатывае-
^ полезн х
мая СЭС НЭМ; W , — побочный поток тепло-
побоч
вой энергии, выделяемый оборудованием СЭС; WРС МКС — электрическая мощность, поставляемая от СЭС НЭМ в другие модули РС МКС (12 кВт); РСОТР — максимально допустимая тепловая нагрузка на СОТР НЭМ (12 кВт).
Полезная и побочная мощности СЭС в сумме равны электрической мощности, которую производят СБ с учетом их периодического затенения:
w + w б = woБk .
полезн побоч СБ осв
Неравенство (8) преобразуется к виду:
к <
Ш + Р
"РС МКС СОТР
ШБ
Отсюда получаем, что коэффициент косв не должен превышать 0,441. Это и есть ограничение, обязывающее в отдельные дни эксплуатации НЭМ снижать мощность СБ так, чтобы не перегружать СОТР. Обозначим предельное значение коэффициента как &С°ТР и нанесем его на график к (Р) (рис. 10).
Рис. 10. Допустимые значения коэффициента потерь энергии от затенения солнечных батарей в зависимости от угла склонения Солнца: н — без учета ограничений средств обеспечения теплового режима (СОТР); н — с учетом ограничений СОТР
Коэффициент косв не должен быть больше значений, окаймляющих два графика снизу и отмеченных жирной линией. Рассчитанные вновь по формуле (3) значения допустимой средневитковой мощности нагрузки на СЭС с учетом ограничений со стороны СОТР приведены в табл. 6 и на рис. 11.
Таблица 6
допустимая средневитковая мощность нагрузки на СЗС
Угол склонения Солнца р, ° Средневитковая мощность нагрузки на СЭС, кВт
Без учета ограничений СОТР С учетом ограничений СОТР
-75 46,63 23,52
-60 28,44 21,72
-45 18,13 18,13
-30 19,71 19,71
-15 23,50 20,97
0 26,38 20,94
15 24,45 20,97
30 24,52 21,05
45 23,24 21,24
60 21,98 21,72
75 37,53 23,52
Примечание. СЭС — система энергоснабжения; СОТР средства обеспечения теплового режима.
Рис. 11. Допустимая средневитковая мощность нагрузки на систему энергоснабжения без учета (н) и с учетом (н) ограничений средств обеспечения теплового режима
Из полученных результатов видно, что для обеспечения необходимой средневитковой мощности нагрузки на шине СЭС достаточно 10 АБ с выходной мощностью каждой не менее 2 200 Вт. В комплекте из 12 батарей в этом случае две могут представлять собой горячий резерв.
Вычисленная по формуле (7) среднегодовая производительность СЭС ^СЭС составит не менее 20,9 кВт.
учет эффекта частичного затенения и деградации СБ
Полученные данные не учитывали специфики работы СБ при их частичном затенении элементами МКС. СБ вырабатывают мощность, не пропорциональную площади освещенной части, что объясняется способом электрического соединения их фотоэлементов [7]. В качестве примера на рис. 12 показан возможный вид затенения панелей НЭМ, и отмечены красным цветом те ФЭП, которые при этом могут не давать тока в общую цепь.
Рис. 12. Вариант частичного затенения солнечньх батарей и одной из панелей солнечных батарей (затененные фотоэлементы выделены черным цветом, неработающие — красным)
Точный расчет снижения производительности СБ при частичном затенении представляет отдельную, сложную задачу: при этом должны быть учтены многообразие форм тени, которые возникают на поверхности СБ, продолжительность пребывания в тени, а также схема электрического соединения ФЭП и параметры входящих в цепь элементов. В связи с трудоемкостью подобного расчета была выполнена предельная оценка, основанная на предположениях, что частичное затенение наблюдается в течение всего полета по освещенной части орбиты, а форма тени такова, что дополнительно обесточивается максимальное количество ФЭП. Оценка показывает, что соответствующие потери выходной мощности СЭС НЭМ при полете в составе МКС составят не более 10% в среднем за год. С учетом этого итоговая среднегодовая производительность СЭС ^СЭС в начале эксплуатации будет не менее 18,8 кВт.
Также следует отметить, что все указанные выше характеристики СЭС рассчитаны для момента начала эксплуатации НЭМ, а далее происходит деградация СБ — их производительность снижается под действием радиации и ультрафиолетового излучения, из-за повреждений микрометеоритами и случайных отказов. При расчете мощности СЭС НЭМ для всего периода полета на основе опыта эксплуатации предшествующих космических аппаратов [3] было принято, что производительность СЭС снижается на 0,5-0,6% в год.
выводы
В результате проектной разработки была рассчитана производительность системы электроснабжения научно-энергетического модуля и оптимизированы ее параметры и состав. Изложены методика и формулы для соответствующих расчетов на примере проектирования модуля. Принципиальной особенностью методики является совместный учет периодического затенения солнечных батарей конструктивными элементами станции, КПД аккумуляторных батарей и аппаратуры регулирования и контроля, а также требований обеспечения теплового режима.
Выбран и обоснован состав СЭС, при котором ее производительность соответствует заданной, описан анализ вариантов на эффективность и техническую реализуемость. Показано, что технически возможно создание СЭС НЭМ с использованием солнечных батарей с фотоэлектрическими преобразователями на основе арсенида галлия. На основании расчета сделан вывод о предпочтительности выбора никель-водородных аккумуляторных батарей, как обеспечивающих более высокую технико-экономическую эффективность СЭС.
Изложенная методика применима при проектировании орбитальных космических аппаратов с системой электроснабжения на основе солнечных батарей и представляет сведения, полезные при определении состава и технических параметров СЭС.
Список литературы
1. Легостаев В.П., Марков А.В., Сорокин И.В. Целевое использование российского сегмента МКС: значимые научные результаты и перспективы // Космическая техника и технологии. 2013. № 2. С. 3-18.
2. Мансуров В.С., Московин С.А., Попов С.А., Щербинин В.П. Тенденции развития бортовых систем энергоснабжения для обеспечения планетных экспедиций // Актуальные вопросы планетных экспедиций. Материалы научно-технической конференции (Москва, 3-5 октября 2006 г.). М.: ФГУП «Центр Келдыша», 2006. С. 188-190.
3. Итоговый научно-технический отчет по орбитальному комплексу «Мир». Т. 4. Системы электропитания ОК «Мир». РКК «Энергия» имени С.П. Королёва, 2004. 53 с.
4. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Л.: Наука, 1989. 310 с.
5. Колтун М.М. Солнечные элементы. М.: Наука, 1987. 190 с.
6. Материаловедение и проблемы энергетики / Под ред. Либовица Г., Уиттингема М. М.: Мир, 1982. 575 с.
7. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. М.: Энергоатом-издат, 1983. 360 с.
Статья поступила в редакцию 16.12.2014 г.
References
1. Legostaev V.P., Markov AV., Sorokin I.V. Tselevoe ispol'zovanie rossiiskogo segmenta MKS: znachimye nauchnye rezul'taty i perspektivy [The ISS Russian Segment utilization: research accomplishments and prospects]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2013, no. 2, pp. 3-18.
2. Mansurov V.S., Moskovin S.A., Popov S.A., Shcherbinin V.P. Tendentsii razvitiya bortovykh sistem energosnabzheniya dlya obespecheniya planetnykh ekspeditsii [Trends in development of onboard systems for power supply in support of planetary missions]. Aktual'nye voprosy planetnykh ekspeditsii. Materialy nauchno-tekhnicheskoi konferentsii (Moskva, 3-5 October 2006). Moscow, FGUP «Tsentr Keldysha» publ., 2006. P. 188-190.
3. Itogovyi nauchno-tekhnicheskii otchet po orbital'nomu kompleksu «Mir». Vol. 4. Sistemy elektropitaniya OK «Mir» [Final scientific and technical report on the Mir space station. Vol. 4. Mir space station power supply systems]. RKK «Energiya» imeni S.P. Korolevapubl., 2004. 53p.
4. Andreev V.M., Grilikhes V.A., Rumyantsev V.D. Fotoelektricheskoe preobrazovanie kontsentrirovannogo solnechnogo izlucheniya [Photoelectric conversion of concentrated solar radiation]. Leningrad, Nauka publ., 1989.310p.
5. Koltun M.M. Solnechnye elementy [Solar elements]. Moscow, Nauka publ., 1987. 190 p.
6. Materialovedenie iproblemy energetiki [Material science and problems of energy production]. Eds. Libovits G., Uittingem M. Moscow, Mir publ., 1982.575p.
7. Raushenbakh G. Spravochnik po proektirovaniyu solnechnykh batarei [Handbook on solar array design]. Moscow, Energoatomizdatpubl., 1983.360p.
