CC BY
44сти потока в ядре течения. Тогда распределение динамического пограничного слоя во втором члене уравнения (3)
u
U
= 1.
Также во втором члене уравнения (3) изменение эпюры температурного пограничного слоя происходит только за счет молекулярной теплопроводности. Необходимо учесть, что для данного участка эпюра профиля выглядит как
T - Ts T5, - Ts
= ХУ .
Учитывая условие сопряжения температурного и динамического профилей, для физической модели теплопроводности при Рг < 1 запишем:
= X|y-11 + 1.
T - Т Ts- Т
Перепишем выражение для толщины потери энергии с учетом принятой двухслойной модели распределения температурного пограничного слоя с учетом теплоотдачи при условии Рг < 1:
(
s;=е
y I"
s)
1 л
i-iy
"y+m -(МУ- т1
л
dy .(3)
Проведя интегрирование, получим выражение для
определения толщины потери энергии (4):
)2
»» mS
t(p = (m + 1)(m + 2)
2S
(4)
Проведем преобразования и учтем, что — = А» ^Pr [1-2];
% =
mS
,|s-f
(m + 1)(m + 2) 2s
(5)
Полученное выражение для определения толщины потери энергии с учетом разработанной модели распределения температурного и динамического пограничных слоев при Pr < 1 необходимо для дальнейшего решения задач трения и конвективного тепло -обмена.
Библиографические ссылки
1. Кейс В. М. Конвективный тепло- и массообмен : пер. с англ. М. : Энергия, 1972. 448 с.
2. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М. : Наука, 1969. 744 с.
3. Зуев А. А., Тостопятов М. И. Теплоотдача в каверне газовой турбины ЖРД // Вестник СибГАУ. 2013. № 4 (50). С. 172-176.
4. Кишкин А. А., Зуев А. А., Леонов В. П. Локальная теплоотдача в граничных условиях турбома-шин // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2015. № 1 (658). С. 3-10.
5. Теплоотдача вращательных течений в турбо-машинах на основе двухслойной модели турбулентного пограничного слоя / А. А. Зуев, А. А. Кишкин, М. И. Толстопятов и др. // Вестник СибГАУ. 2012. № 5 (45). С. 127-129.
References
1. Kays W.M. Convective heat and mass transfer. Trans. from English. M. : Energy, 1972. 448 p.
2. Schlichting G. Theory of the boundary layer. M. : Nauka, 1969. 744 p.
3. Zuev A. A., Tostopyatov M.I. Heat dissipation in the cavity of the gas turbine engines. // VestnikSibGAU. 2013. № 4 (50). P. 172-176.
4. Kishkin A. A., Zuev A. A., Leonov V. P. Local heat transfer boundary conditions in turbomachinery. Proceedings of the higher educational institutions. Mechanical Engineering. 2015. № 1 (658). S. 3-10.
5. Heat transfer rotational flows in turbomachinery based on a two-layer model of the turbulent boundary layer / Zuev A. A., Kishkin A. A., Tolstopyatov M. I., Zhuikov D. A. // VestnikSibGAU. 2012. № 5 (45). P. 127-129.
© Зуев А. А., Леонтьева А. С., Толстопятов М. И., 2015
0
УДК 629.78.062
СПОСОБЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ НА ОРБИТЕ
В. Лефтер, Б. Кудабаев, Ш. Свогузов, К. Тельгарин, М. Анаров
АО «Республиканский центр космической связи» Республика Казахстан, 010000, г. Астана, ул. Джангильдина, 34. E-mail: [email protected]
Описаны свойства функционирования никель-водородных АБ в составе геостационарного спутника связи, а также факторы космического пространства, отрицательно влияющие на АБ, и способы восстановления рабочих характеристик АБ в ходе эксплуатации КА.
Ключевые слова: аккумуляторные батареи (АБ), космический аппарат (КА), спутник связи.
Решетнеескцие чтения. 2015
METHODS TO RESTORE THE PERFORMANCE OF NIKHEL-HYDROGEN RECHARGEABLE
BATTERIES IN ORBIT
V. Lefter, B. Kudabaev, Sh. Svoguzov, K. Telgarin, M. Anarov
JSC «Republican center of space communication» 34, Dzhangildin Str., Astana, 010000, Republic of Kazakhstan. E-mail: [email protected]
The research covers the operation properties of nickel-hydrogen of AB as a part of a geostationary communication satellite, and it described space factors adversely affecting the rechargeable batteries and methods to restore performance of rechargeable batteries during satellite exploitation.
Keywords: rechargeable batteries, satellite, communication satellite.
Никель-водородные аккумуляторные батареи на спутниках имеет достаточно широкое применение, несмотря на возросшую тенденцию перехода на более современные литий-ионные аккумуляторные батареи, производство которых на данный момент отсутствует в России. Однако следует отметить, что более 100 космических аппаратов было запущенно имеющими в своем составе никель-водородные аккумуляторные батареи, и общая наработка их уже составила более 80 млн аккумуляторо-часов. Передовым производителем никель-водородных аккумуляторных батарей (НВАБ) для космической техники и непосредственно для космических аппаратов на данный момент в России является ОАО « Сатурн». Изделия ОАО «Сатурн» по качеству и удельной энергии не уступают зарубежным аналогам из Франции, Германии, Китая и поэтому достаточно успешно эксплуатируются на таких космических аппаратах связи, как «Ямал-200», «Экспресс-А», «Экспресс-МД», и т. д., и на примере одного из действующих спутников связи будут рассмотрены некоторые особенности эксплуатации на орбите аккумуляторных батарей и методы, позволяющие успешно восстанавливать их характеристики при различных возникших ситуациях, повлекших изменение их технического состояния.
Никель-водородный аккумулятор (NiH2) - это обратимый химический источник тока, состоящий из никелевого и водородного электродов, где водород используется в газообразной форме, хранящимся в сжатом состоянии в ячейке при давлении в 82,7 бар [1]. NiH2 ячейки с использованием 26%-го раствора гид-роксида калия (KOH) в качестве электролита достигают срока эксплуатации 15 лет или более при 80 % глубине разряда. Плотность энергии составляет 75 Вт^ч/кг. Напряжение на контактах составляет 1,55 В, среднее напряжение на протяжении разряда -1,25 В. Несмотря на то что плотность энергии составляет только около одной трети аналогичного показателя литиевой батареи, специфическим свойством никель-водородного аккумулятора является продолжительность срока эксплуатации: ячейки выдерживают более 20 000 циклов разряда при 85 % эффективности. Развитие никель-водородных аккумуляторов началось в 1970 году в COMSAT, впервые они были использованы в 1977 году на борту спутника NTS-2 военно-морских сил США.
НВАБ объединяет положительный никелевый электрод никель-кадмиевого элемента и отрицатель-
ный электрод, включающий катализатор и газодиффузионную часть топливного элемента. В ходе разряда водород, содержащийся в сосуде под давлением, взаимодействует с кислородом никельоксихло-ридного электрода. Вода потребляется на никелевом электроде и высвобождается на водородном, таким образом, концентрация гидроксида калия в электролите не изменяется. По мере разряда аккумулятора давление водорода падает, обеспечивая надёжную индикацию степени разряда. Если заряженный аккумулятор продолжить заряжать, вода, образуемая на никелевом электроде, диффундирует в водородный электрод и там диссоциирует; как следствие, аккумуляторы могут выдерживать перезаряд до тех пор, пока рассеивается выделяющееся тепло.
Аккумуляторы имеют недостаток в виде относительно высокого саморазряда, который пропорционален давлению водорода в ячейке; в некоторых конструкциях 50 % ёмкости могут быть потеряны после нескольких дней хранения. Саморазряд снижается при снижении температуры [1].
В сравнении с другими аккумуляторами никель-водородные обладают хорошей плотностью энергии -60 Вт ч/кг, и очень длительным сроком эксплуатации на спутниках.
Космическое пространство для геостационарного спутника связи посредством многих факторов отрицательно влияет на техническое состояние практически всех его бортовых систем, в том числе и системы аккумулирования электроэнергии. Для компоновки НВАБ на КА необходимо учитывать множество условий, таких как поддержание температурных режимов, условий теплосъёма, прочности, стойкости к микрометеоритам, техногенным частицам и радиации и т. д. [2]. И все же заложенная надёжность бортовых систем при проектировании порой на практике бывает недостаточной, что будет подтверждено на отдельном примере функционирования НВАБ в составе действующего геостационарного спутника связи (название спутника не раскрывается по коммерческим причинам).
При функционировании спутника связи на орбите по телеметрии была замечена аномальная работа НВАБ, а именно: на освещённом участке стал прослеживаться процесс снижения уровня давления в некоторых аккумуляторах НВАБ, т. е. снижения их емкости, которое повлекло за собой периодический процесс смены режимов работы НВАБ заряда боль-
шим током на подзаряд малым (рис. 1). Данный процесс происходил на фоне естественного увеличения температуры посадочного места НВАБ исходя из особенности данного участка орбиты и ориентации КА относительно солнца, что, естественно, сказывалось на увеличение токов саморазряда.
Для выравнивания токов саморазряда с подзаря-дом был увеличен ток подзаряда, что остановило процесс саморазряда, тем самым остановлен процесс смены режимов, но при этом стал заметен значительный рост температуры на НВАБ, что могло привести к ее выводу из строя. Следующим шагом были предприняты действия к снижению температуры путём уменьшения давления в НВАБ методом перехода на самые нижние пороги включения подзаряда и заряда, где и был достигнут баланс между саморазрядом и подзарядом и остановлен рост температуры, таким образом, состояние НВАБ стабилизировалось, но с потерей части ёмкости. После выхода в стабильный режим функционирования был проведён анализ причин данной аномалии, который выдал предположение, что причиной саморазряда НВАБ могло послужить повышение температуры на ней, которая, как отмечалось выше, увеличила токи саморазряда. Проведённый анализ телеметрии за три года полёта спутника показал, что существует тенденция роста темпе-
ратуры НВАБ примерно 1,5-3 градуса в год, причиной которой явилась деградация терморегулирую-щего покрытия излучающей поверхности радиаторов системы терморегулирования АБ. Деградация свойств покрытия заключается в увеличении коэффициента (аз), определяющего степень поглощения радиатором тепла, поступающего от Солнца, который изменяется (по данным разработчика) в переделах от 0,1 до 0,25 в первые 3-5 лет, а потом остаётся постоянным или меняется незначительно.
Также был проведен анализ изменения величины напряжений на всех 18 аккумуляторах НВАБ и выявлена особенность, что некоторые аккумуляторы, где были установлены датчики давления, имеют заниженное напряжение, что подводит к выводу о возможной их разгерметизации.
Данная ситуация с НВАБ могла иметь отрицательные последствия для КА при прохождении им теневых участков орбиты, а именно: низкий уровень за-ряженности некоторых аккумуляторов НААБ, где установлены датчики давления, может снизить напряжение на всей НВАБ ниже предельного порога, что является недопустимым, в том числе разность давления в аккумуляторах не позволяет провести расчёты для определения фактической ёмкости НВАБ.
Рис. 1. График из телеметрии параметра напряжения и ёмкости АБ за год (в конце графика наблюдается
участок аномальной работы АБ)
Рис. 2. График из телеметрии напряжения на НВАБ, отображающий процедуру программы по восстановлению характеристик АБ
Решетнееские чтения. 2015
Для выхода из указанной выше ситуации была разработана частная программа, которая подробно описана в полной версии статьи, по поверке состояния и восстановлению характеристик НВАБ, включающая в себя циклы разряда и заряда с заданной длительностью (рис. 2). Данная программа была успешно реализована на действующем спутнике и принята как рекомендация для восстановления характеристик НВАБ в дальнейшем.
Библиографические ссылки
1. Варыпаев В. Н., Дасоян М. А., Никольский В. А. Химические источники тока. М. : Высшая школа, 1990. 240 с.
2. Гобчанский О. Проблемы создания бортовых вычислительных комплексов малых космических аппаратов // СТА. 2001. № 4. С. 28-34.
References
1. Varypaev V. N., Dasoyan M. A., Nicholas V. A. Chemical current sources. M. : Higher School, 1990. 240 p.
2. Gobchansky O. Problems of creating onboard computing systems of small satellites // STA. 2001, № 4 28-34 p.
© Лефтер В.. Кудабаев Б., Свогузов Ш., Тельгарин К., Анаров М., 2015
УДК 629.7.036.74
МОНТАЖНЫЕ ПРОВОДА ДЛЯ ВЫСОКОИМПУЛЬСНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. ВЫБОР И ИХ СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ
В. А. Лесневский
Опытное конструкторское бюро «Факел» Российская Федерация, 236001, Калининград, Московский проспект, 181 E-mail: [email protected]
Проведён поиск монтажных проводов среди отечественных и зарубежных изготовителей. Проведены их сравнительные испытания и сделан выбор монтажного провода для высокоимпульсных двигателей.
Ключевые слова: монтажные провода, высокоимпульсный двигатель, испытания.
ASSEMBLY WIRES FOR HIGH-PULSE THRUSTERS. THEIR CHOICE AND COMPARATIVE TESTS
V. A. Lesnevskiy
Experimental design bureau «Fakel» 181, Moskovsky prosp., Kaliningrad, 236001, Russian Federation E-mail: [email protected]
Search of hook-up wires among domestic and foreign manufacturers is carried out. Their comparative tests are performed and the hook-up wire for high-pulse thrusters is chosen.
Keywords: hook-up wires, high-pulse thrusters, tests.
В ОКБ «Факел» с конца ХХ века и по настоящее время ведутся разработки перспективных двигателей с рабочим напряжением разряда до 1 000 В, в результате которых было установлено, что максимальная рабочая температура монтажных проводов может достигать 350 °С.
Использование монтажного провода марки МС 26-15 ТУ 16.К76-160-2000 с рабочим напряжением 400 В и максимальной температурой 220 °С в течение 5 000 ч в перспективных двигателях не представляется возможным.
Таким образом, разработка данных двигателей началась при отсутствии монтажных проводов с необходимыми характеристиками.
В рамках работ по поиску готового монтажного провода с требуемыми характеристиками были отправлены запросы российским изготовителям, а также
изготовителям проводов в страны СНГ, не давшие положительных результатов. Однако завод «Чуваш-кабель» проявил инициативу и заинтересованность в разработке необходимого провода. В результате с 2013 по август 2015 года проведена работа по разработке монтажного провода с рабочим напряжением до 1,4 кВ и максимальной рабочей температурой 350 °С. Необходимо отметить, что изоляция данного провода выполняется из полиимидных материалов, так как изоляция с применением стекловолокнистых тканей, асбеста приводит к ухудшению массогабаритных характеристик.
Поиск монтажных проводов за рубежом позволил выявить некоторые образцы, имеющие характеристики, близкие к требуемым: CN4K производства фирмы Omerin, А16423А производства фирмы Axon, АМ806 (Fil FHH1819 NPC) производится фирмы Axon.
