CC BY
53
УДК 656: 372.8. 73.01.61
Работа оптимизированной никель-водородной аккумуляторной батареи космического аппарата
С.Г. Ляшенко
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева, Россия, Красноярск
Нахождение оптимального способа обеспечения теплового режима никель-водородной аккумуляторной батареи системы электропитания космического аппарата негерметичного исполнения.
В связи с увеличением срока активного существования (САС) телекоммуникационных космических аппаратов (КА) до 15 лет к системам электроснабжения (СЭС) космических аппаратов предъявляются повышенные требования.
Для повышения энергетических и ресурсных характеристик никель-водородной аккумуляторной батареи (НВАБ) необходимо создание системы термостабилизации, которая будет обеспечивать оптимальную температуру на уровне +15 ± 3°С, а также минимальный градиент температуры как по конструкции АБ в целом, так и каждого отдельно взятого аккумулятора.
В настоящее время ОАО ИСС реализует различные схемы терморегулирования АБ, от конвекторного газового охлаждения и терморегулирования с помощью жидкостных коллекторов до непосредственного сброса тепла с корпуса АБ в космическое пространство путем лучистого теплообмена. Такие схемы позволяют обеспечивать рабочую температуру АБ в диапазоне 0..40°С, что значительно снижает ее КПД и срок службы.
рис.1 - НВАБ
Задача решается конструктивным исполнением аккумулятора 1, в котором пластины электродного блока 5 выполнены в виде шайб с отверстиями 7, причем пластины одной полярности находятся в электрическом и тепловом контакте корпусом аккумулятора - исключается газовый зазор, а значит, перепад температуры на нем - диаметр центральных отверстий больше диаметра испарительного конца 6 тепловой трубы, диаметр которой равен диаметру центральных отверстий в электродных пластинах другой полярности для обеспечения теплового и электрического контакта. Корпус 8 тепловой трубы является одновременно борном, ее конденсаторный конец находится в тепловом контакте с радиационным теплообменником 9, рассчитанным на среднюю мощность тепловыделения отдельного аккумулятора (рис.1).
Если стабилизировать температуру корпуса такого аккумулятора близко к значению рабочей тепловой трубы - что устанавливается давлением в последней - мы получим самовыравнивающуюся АБ, которая не нуждается ни в каких следящих устройствах. Присоединенная масса тепловыъ труб и радиационного теплообменника полностью компенсируется уменьшением массы системы терморегулирования (СТР), часть которой раньше приходилась на АБ.
Стабилизировать температуру корпуса каждого аккумулятора и всей батареи в целом можно исполнением теплопроводящей плиты полой, состоящей из двух пластин 2 неэлектропроводного материала, пространство между которыми заполнено энергоемким веществом 3, изменяющим фазовое состояние при рабочей температуре испарительного конца тепловой трубы. Изменение объема энергоемкого вещества компенсируется мембранами 4.
Вещество Плавление
X, 0C кДж/моль
Этилендиамин 8 19,3
Циклононан 9.7 19,3
Пентадекан 10 34,59
Тринитротолуол 15 13,7
Уксусная кислота 16,64 11,73
1,2,4-трихлорбензол 17,05 15,48
Известно несколько энергоемких неэлектропроводных органических веществ с температурами фазового перехода твердое-жидкое, имеющих по сравнению с водой большее значение теплоемкости.
В процессе циклирования (рис.2) на протяжении одного витка АБ работает следующим образом. В зависимости от текущей емкости и температуры мощность тепловыделения батареи меняется, поэтому ее можно представить как среднюю, которая отводится тепловой трубой и наложенную на среднюю переменную составляющую, рекуперирующуюся энергоемким веществом. Такое распределение принято с целью минимизации массы энергоемкого вещества. При заходе КА в тень Земли (положение №1 на рис.2) вся нагрузка обеспечивается электроэнергией от АБ, что приводит к увеличению ее мощности тепловыделения, а значит и повышении температуры. Включается тепловая труба, энергоемкое вещество начинает переходить из твердой фазы в жидкую. К концу тени почти все энергоемкое вещество находится в жидкой фазе. После выхода из тени (положение №2) начинает работать солнечная батарея, а нагрузка на АБ падает. Соответственно, падает мощность тепловыделения и температура, энергоемкое вещество начинает переходить в твердую фазу, работающая тепловая труба способствует этому.
Заряд батареи начинается в положении №3 - тепловая труба продолжает работать, позволяя энергоемкому веществу переходить в твердое состояние далее. В положении №4-№6 КА поворачивается так, что радиационный теплообменник начинает облучаться Солнцем. Его температура и, соответственно, температура конденсаторных концов тепловых труб повышается и они автоматически отключаются в силу устройства тепловой трубы. Стабилизация температуры АБ продолжается за счет оставшегося в жидкой фазе энергоемкого вещества и продолжается до его полного перехода в твердую фазу (положение №7-№8). АБ к этому времени полностью заряжена и готова к прохождению КА следующей тени.
Данный способ позволяет существенно повысить эффективность СТР, а также, за счет отсутствия сложной легко выходящей из строя электроники и датчиков существенно повышает надежность СЭС КА в целом. Подана заявка на изобретение № 2008150891 от 22.12.2008.
Список литературы
А.Б. Базилевский, М.В. Лукьяненко, С.Г. Ляшенко. Заявка на изобретение №208150891 от 22.12.2008.
Optimized nickel-hydrogen storage battery working in a space vehicle
Lyashenko S.G.
Siberian State Aerospace University named after Academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk
Searched is an optimal way to provide thermal rate for the nickel-hydrogen storage battery in the power supply system of an unpressurized space vehicle.
Keywords: accumulator, thermal mode, space.
