CC BY
208
Все вышеперечисленные коэффициенты, влияющие на площадь БС КА, представлены в таблице 5.
Таблица 5
Значения используемых коэффициентов
Коэффициент Значение
КПД = 28% КПД = 29,3%
kT 0,944 0,946
krp 0,95 0,94
kuv 0,98
kel 0,997
kmm 0,995
ker 0,97
kcos 0,94
ks 0,95
Список использованной литературы:
1. Разработка проектного облика космического аппарата спутниковой системы связи. Научно-технический отчёт. Шифр «МКА-Связь». - М. : НПО им. Лавочкина, 2014. - 371 с.
2. Грабин Б. В. Основы конструирования космических аппаратов: Учебное пособие. - М. : МАИ, 2007. -78 с.
3. Кирилин А. Н. др. Космическое аппаратостроение: Научно-технические исследования и практические разработки ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс»/ Под ред. д.т.н. А. Н. Кирилина. - Самара: Издательский дом «АГНИ», - 2011. - 280 с.
© Дыбля А.Ю., Кузина Т.А., Самойлов В.В., 2020
УДК 629.78
Дыбля Ю.В.
Главный специалист НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС»
Крылова О.С.
Аналитик НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС»
Яковлев К.В.
Начальник отдела РЭЗ радиоэлектронных средств НТЦ-2 АО «НПК «ВТиС»
г. Москва, РФ
РАСЧЁТ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ НА НИЗКОЙ КРУГОВОЙ ОРБИТЕ
Аннотация
Рассматриваются вопросы применения литий-ионных аккумуляторных батарей на космических аппаратах спутниковой системы связи на низкой круговой орбите.
Ключевые слова:
Спутниковая система связи, космический аппарат, низкая круговая орбита, аккумуляторная батарея, батарея, КА, ССС.
Работоспособность, штатное функционирование и срок активного существования космических аппаратов (КА) спутниковой системы связи (ССС) на низкой круговой орбите в значительной степени зависит от правильного расчёта и выбора аккумуляторных батарей [1, ^120-135], что, в свою очередь, существенно влияет на совокупную стоимость владения и эксплуатационные показатели как самой ССС, так и использующих её потребителей [2, с. 361-365; 3, с. 372-377].
Аккумуляторные батареи (АБ), входящие в состав КА, предназначены:
~ 31 ~
1) в натурных условиях - для накопления электрической энергии на освещенных участках орбиты за счёт энергии, вырабатываемой солнечными батареями (БС), и энергообеспечения бортовой аппаратуры при недостаточной мощности БС (теневые участки, участки выведения, а также аварийные ситуации);
2) при наземной отработке на предприятии изготовителе КА - для обеспечения питания бортовой аппаратуры.
На космических аппаратах, эксплуатируемых на низкой околоземной орбите, в основном используются никель-водородные АБ (НВАБ), но в настоящее время происходит активное замещение НВАБ литий-ионными аккумуляторными батареями (ЛИАБ), несмотря на несомненное превосходство НВАБ в части ресурса, надежности и живучести в нештатных ситуациях. Прежде всего, это обусловлено более высокой удельной энергией и высоким энергетическим КПД ЛИАБ по сравнению с НВАБ (что способствует уменьшению массы АБ и массы БС), а также успешной летной квалификацией литий-ионных батарей в условиях космического пространства, в частности в режимах работы, характерных для низкой околоземной орбиты.
Основные преимущества ЛИАБ:
- высокая удельная энергия ЛИАБ;
- высокий энергетический КПД, а следовательно значительно меньшие тепловыделения, что приводит к снижению массы (площади) БС и радиационных теплообменников;
- упрощение предстартовой подготовки из-за существенно меньшей величины саморазряда ЛИАБ (0,3-0,5 % в сутки против 5-10 % у никель-водородных АБ).
Вместе с тем, при использовании ЛИАБ возникают и ряд проблем, которые необходимо решить при установке на низкоорбитальные КА:
- обеспечения выравнивания аккумуляторов и надежного управления циклированием ЛИАБ;
- обеспечение надежного управления ЛИАБ в нештатной ситуации;
- обеспечения теплового режима ЛИАБ в области температур ниже +10°С, что требует установки дополнительного нагревателя для поддержания температуры АБ на уровне более +10°С в режиме минимального тепловыделения в батарее.
Основные характеристики НВАБ и ЛИАБ приведены в таблице 1.
Таблица 1
Основные характеристики аккумуляторных батарей
Характеристика Тип АБ
НВАБ ЛИАБ
Энергетический КПД, % 72 92
Саморазряд, % за сутки 5...10 0,3.0,5
Температура циклирования, °С - 5.30 5.35
Критерий заряженности Давление Напряжение
Устойчивость к перезаряду и переразряду + -
Сложность выравнивания аккумуляторов - +
Начальная удельная энергия, Вт*ч/кг 60.65 100.125
Глубина разряда для выполнения циклического ресурса (~ 30000 циклов) 40 % 30 %
С учетом вышеперечисленных преимуществ, успешной летной квалификацией ЛИАБ и аппаратуры, решающей технические проблемы, связанные с применением ЛИАБ в автономных системах электроснабжения, целесообразно выбрать ЛИАБ для установки на КА.
Основным производителем ЛИАБ, имеющим лётную квалификацию ЛИАБ в условиях космического пространства является ОАО «Сатурн» (Россия).
Конструкторско-технологические решения элементов конструкции ЛИАБ ОАО «Сатурн» прошли летную квалификацию на АБ 6ЛИ-25 в составе экспериментального модуля КА «Глонасс-М».
По результатам летной квалификации было принято решение о применении ЛИАБ ОАО «Сатурн» на новом поколении навигационных КА «Глонасс-К2» и ряде других КА связи и дистанционного зондирования Земли.
Основные характеристики аккумуляторов ОАО «Сатурн» приведены в таблице 2.
Определяющим фактором в выборе емкости АБ является продолжительность теневых участков на рабочем витке или участке подготовки к работе и поиску Солнца, на которых питание всей служебной и целевой аппаратура будет происходить от АБ. Максимально возможная длительность теневого участка на низкой орбите высотой H = 600 км не превысит 35 мин, этап подготовке к работе и поиска Солнца по продолжительности не превышает 80 мин.
Таблица 2
Характеристики аккумуляторных батарей
Тип ЛИА Номинальная емкость, А-ч Удельная энергия, Вт-ч/кг Среднее разрядное напряжение при разряде С/1,5, В Размеры, HxBxL, мм
ЛИГП - 10 11 110 3,6 54,4x23,4x130
ЛИГП - 25 34 144 53,4x40,8x175,1
ЛИГП - 48 55 154 44,1x104,6x156,3
ЛИГП - 50 65 156 44,1x104,6x156,3
ЛИГП - 65 70 160 44,1x104,6x156,3
ЛИГП - 120 128 162 52,8x133,2x191,6
Максимальный расход энергии АБ на теневом участке с учетом КПД разрядного устройства, стабилизатора напряжения и потерь в бортовой кабельной сети составит:
РЕ = 1060 Вт • ч .
Максимальный расход энергии АБ на участке подготовке к работе и поиске Солнца с учетом КПД разрядного устройства, стабилизатора напряжения и потерь в бортовой кабельной сети оставит:
РЕ = 400 Вт • ч .
Следовательно, определяющим участком для выбора емкости АБ является теневой участок на рабочем витке.
Необходимая энергоемкость АБ для обеспечения требуемого циклического ресурса ЛИАБ в течение заданного срока эксплуатации:
Ре
Реав = —, Реав = 3535 Вт • ч , V
где Реав - требуемая энергия ЛИАБ;
V = 0,3 - допустимая глубина разряда ЛИАБ.
Исходя из циклограммы работы, условие энергобаланса соблюдается при определенных допустимых токах заряда ЛИАБ 1зар > 40 А, среднем разрядном напряжении и соответственно емкости АБ C > 82 А-ч.
В настоящее время ОАО «Сатурн» создано семейство ЛИАБ, разработанных на типовой основе для каждого КА и отличающиеся количеством, типом ЛИГП в батарее и адаптированным корпусом (см. табл. 3).
Из таблицы видно, что подходящей ЛИАБ по параметру необходимой энергоемкости нет и необходима доработка существующих ЛИАБ под характеристики КА. Необходимое напряжение ЛИАБ для эффективной работы ЛИАБ, исходя из массы бортовой кабельной сети, требований вторичных источников питания бортовой аппаратуры и требований системы преобразования и управления ЭРДУ (в случае применения СПД-100) составляет 50 В.
Для набора необходимой емкости и энергоемкости из существующего набора оптимальным будет типоразмер 12*2ЛИ-48. Батарея состоит из двух параллельно соединенных цепей, количество аккумуляторов в последовательной цепи ЛИАБ - 12, основные характеристики ЛИАБ представлены в таблице 4.
Таблица 3
Аккумуляторы производства ОАО «Сатурн»
Энергоемкость, Вт-ч Диапазон рабочего напряжения, В Масса, кг
6ЛИ-25 734 16,2 - 24,6 9
12ЛИ-48 2370 32,4 - 49,8 20
23ЛИ-50 5380 62,1 - 95,5 45
23ЛИ-65 5796 62,1 - 95,5 48
20ЛИ-120 (10*2ЛИ-120) 8640 54 - 83 (27 - 41,5) 65
Таблица 4
Основные характеристики аккумуляторных батарей для типоразмера 12*2ЛИ-48
Характеристика Значение
Количество аккумуляторов 24
Номинальная разрядная емкость, А-ч 110
Энергоемкость, Вт-ч 4752
Диапазон рабочего напряжения, В 32,4 - 49,8
Среднее разрядное напряжение при разряде С/1,5, В 43,2
Ток разряда, А до 66
Ток заряда, А до 40
Температура циклирования, оС 5.30
Температура транспортирования, оС -50.50
Температура хранения в складских условиях, оС -10.10
Наличие байпасных переключателей В наличии
Механические воздействия Наземная экспериментальная отработка
Радиационная стойкость Летные испытания типовых аккумуляторов
Масса, кг 35
Габариты, кг -346x404x220
Список использованной литературы:
1. Технология производства космических аппаратов: учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям 160801 "Ракетостроение", 160802 "Космические летательные аппараты и разгонные блоки" / [Н. А. Тестоедов и др.]; Федеральное агентство по образованию, Сибирский гос. аэрокосмический ун-т им. акад. М. Ф. Решетнёва, ОАО "Информ. спутниковые системы" им. акад. М. Ф. Решетнева. - Красноярск: Сибирский гос. аэрокосмический ун-т им. акад. М. Ф. Решетнёва: ОАО "Информ. спутниковые системы" им. акад. М. Ф. Решетнёва, 2009. - 350 с.
2. Лядова Е. Ф. Научно-техническое обеспечение эволюционного развития систем связи и передачи данных (Часть 1). Состав научного потенциала и введение в системно-кибернетический подход к его накоплению и реализации // Славянский форум: Материалы международной научно-практической конференции «Развитие инфокоммуникационных технологий. Теория и практика (г. Бургас, Болгария, 5 декабря 2019 года). - Бургас: ИГНЭИТ, 2019. - С. 361-371.
3. Лядова Е. Ф. Научно-техническое обеспечение эволюционного развития систем связи и передачи данных (Часть 2). Реализация системно-кибернетического подхода к накоплению и реализации научного потенциала // Славянский форум: Материалы международной научно-практической конференции «Развитие инфокоммуникационных технологий. Теория и практика (г. Бургас, Болгария, 5 декабря 2019 года). - Бургас: ИГНЭИТ, 2019. - С. 372-382.
© Дыбля Ю.В., Крылова О.С., Яковлев К.В., 2020
