автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Система генерирования электроэнергии с увеличенным сроком активного существования для малого космического аппарата

На правах, рукописи

Тарасов Вячеслав Сергеевич

СИСТЕМА ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С УВЕЛИЧЕННЫМ СРОКОМ АКТИВНОГО СУЩЕСТВОВАНИЯ ДЛЯ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Специальность 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О СЕН 2015

Москва — 2015 005562797

005562797

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» на кафедре «Электротехнические комплексы автономных объектов и электрического транспорта» (ЭКАО и ЭТ)

Научный руководитель: Еременко Владимир Григорьевич

доктор технических наук, профессор кафедры ЭКАО и ЭТ НИУ «МЭИ», академик АЭН РФ. Официальные оппоненты: Капелько Константин Васильевич

доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения Военной Академии РВСН им. Петра Великого, заслуженный деятель науки РФ, почетный энергетик, академик АВНРФ.

Старостин Игорь Евгеньевич

кандидат технических наук, ведущий специалист ФГУП «Научно-исследовательский институт стандартизации и унификации» (НИИСУ)

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский, проекгао-

конструкгорский и технологический аккумуляторный институт «Источник» (ОАО «НИАИ «Источник»).

Защита диссертации состоится «20» ноября 2015г., в 14 часов 00 мин, в аудитории М-606 на заседании диссертационного совета Д.212.157.02 Национального исследовательского университета «МЭИ» по адресу: Москва, Красноказарменная ул., дом 13.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные печатью просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., дом 14, Ученый Совет НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «МЭИ» и на сайте www.mpei.ru

Автореферат разослан « » 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 кандидат технических наук, доцент

С.А. Цырук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время многие государства имеют на космических орбитах аппараты собственных разработок. Однако, немалое число стран использует космические аппараты (КА) на основе аренды для решения своих задач.

Направления развития и совершенствования технических и эксплуатационных характеристик КА изложены в федеральной космической программе, утвержденной правительством РФ, программах военно-космических сил и технических заданиях на разработку вновь проектируемых КА. Главной целью про^амм и технических заданий является удовлетворение растущих потребностей государственных структур, регионов и населения страны в космических средствах и услугах на основе расширения и повышения эффективности использования космического пространства для решения стоящих перед Россией задач в экономической, социальной, научной, культурной и других областях деятельности, а также в интересах безопасности страны, расширения международного сотрудничества в области космической деятельности и выполнения международных обязательств Россией в этой области.

При этом постоянно повышаются требования к КА - увеличение информационной пропускной способности и сроков активного существования (САС), снижение времени разработки и изготовления, уменьшение стоимости создания новых КА. Для спутников, таких как «Ресурс-ДК1» (масса 6,5 тонн), предназначенных для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), срок активного существования 3 года уже не удовлетворяет поставленным задачам. Решение задачи создания менее энергозатратных, экологически чистых, более производительных КА предопределяет необходимость совершенствования характеристик бортовых систем путем поиска оригинальных технических подходов и идей.

В начале 90-х годов в условиях экономического кризиса и хронического недофинансирования отрасли развитие космической техники потребовало принятия новых концептуальных решений. Таким решением стала программа действий «прагматичный космос», выдвинутая АО «ВПК «НПО машиностроения» в 2002 г. на международном авиационно-космическом салоне (МАКС).

Одной из важнейших бортовых систем КА является система генерирования электроэнергии (СГЭ). Конструкция и характеристики СГЭ во многом определяют конструктивный облик, срок активного существования КА в полёте, его функциональные возможности, надежность, массогабаритные и экономические показатели, составляя до 25 % массы, объема и стоимости КА.

Ужесточение технических требований к КА, новые задачи, направленные на уменьшение массы и габаритов, формируют новые

направления разработок и создания КА и мощных космических платформ (обеспечение функционирования бортовой нагрузки, что влечёт за собой необходимость поиска новых методов проектирования бортовой аппаратуры и новых технических решений для реализации рациональных режимов работы, повышения надежности и автономности функционирования СГЭ в рамках принятой концепции «прагматичный космос», предусматривающей эффективность по критерию «характеристики-затраты»).

Вновь проектируемые СГЭ, обеспечивающие высокую потребляемую мощность и большую частоту циклирования аккумуляторной батареи (АБ) в течение длительного времени, не позволяют напрямую использовать ранее разработанные технические решения, в первую очередь из-за ограниченного срока службы накопителей АБ.

Таким образом, задача исследования работоспособности и качества функционирования АБ никель-металлогидридного типа в составе электротехнического комплекса КА является актуальной и может рассматриваться как имеющая самостоятельное значение по разработке СГЭ с увеличенным САС.

Цель и задачи работы. Создание информационно-методической системы обслуживания накопителя энергии для малого космического аппарата на основе нового типа никель-металлогидридной аккумуляторной батареи с увеличенным сроком службы 19 НМГ 20.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Выбор типа аккумуляторной батареи, в наибольшей степени удовлетворяющей требованиям, предъявляемым к аккумуляторным батареям малого космического аппарата с увеличенным сроком службы (до 7 лет).

2. Разработка методики входного контроля АБ, регламентирующей выполнение следующих операций:

- тестирование показателей качества и характеристик АБ в соответствии с её паспортными данными;

- проверка аккумуляторов АБ на герметичность;

- проверка АБ на заданные циклограммы нагрузок МКА;

- проверка возможности работы АБ в вакууме;

- расчет и исследование тепловых режимов работы АБ и СГЭ на ее основе.

- формирование требований к системе терморегулирования КА;

- проведение термовакуумных испытаний АБ.

3. Доработка и экспериментальное подтверждение возможности использования управляющего алгоритма и способа контроля нового накопителя энергии.

4. Исследование собственного магнитного поля никель-металлогидридной аккумуляторной батареи - 19 НМГ-20 и компенсация его.

5. Тестирование текущих зарядно-разрядных режимов работы АБ на основе обработки телеметрических данных СГЭ МКА «Кондор-Э».

Поставленные задачи решались в том числе в процессе подготовки и ввода в эксплуатацию МКА «Кондор-Э».

Создаваемое информационно-методичсскос обеспечение проектирования и обслуживания накопителя энергии нового типа для МКА необходимо для последующей системной параметрической оптимизации СГЭ КА. В таблице 1 представлено разработанное информационно-методическое обеспечение проектирования и

обслуживания накопителя энергии нового типа для МКА «Кондор-Э».

Таблица 1 - Информационно-методическое обеспечение проектирование и обслуживание накопителя энергии нового типа для проектируемого малого космического аппарата «Кондор-Э»

Методическое обеспечение входного контроля нового типа АБ Информационное обеспечение проектирование нового типа АБ Методическое обеспечение эксплуатации и обслуживания нового типа АБ

Методика расчета требуемой установленной емкости АБ База данных параметрических ограничений для аппаратуры регулирования и контроля (АРК). Разработка алгоритма аппаратуры регулирования и контроля для АБ нового типа.

Методика расчета тепловыделения АБ База данных характеристик АБ для СГЭ Анализ телеметрической информации с борта МКА

Методика прогнозируемого расчета надежности аккумуляторной батареи База данных выбора типа АБ для проектируемого МКА Методика компенсации магнитного поля АБ

Методика снятия магнитных характеристик АБ ' База данных магнитного поля АБ

Методика термовакуумных испытаний АБ

Методика проверки АБ на герметичность

Методы исследования

При выполнении работы использованы методы теории электромагнитного поля, теории электрических цепей, математического моделирования электротехнических комплексов. Моделирование движения МКА относительно центра масс с модернизированной СГЭ осуществлялось по алгоритмам, разработанным АО ВПК «НПО Машиностроения».

Инструменты исследования

Системы компьютерной математики МайаЬ/81тиНпк.

Научная новизна 1. Впервые обнаружено вредное влияние собственного магнитного поля никель-металлогидридной аккумуляторной батареи (НМГ АБ) нового типа на систему ориентации и стабилизации малого космического аппарата (МКА) при взаимодействии его с магнитным полем Земли. На основе выполненных исследований по снижению результирующего магнитного воздействия НМГ АБ сформулированы рекомендации по синтезу устройства компенсации и позиционированию его в непосредственной близости от

чувствительных элементов системы ориентации и стабилизации МКА.

2. Разработано информационно-методическое обеспечение, необходимое для системной, параметрической и структурной оптимизации системы генерирования электроэнергии (СГЭ) МКА «Кондор-Э» с новым накопителем энергии (НМГ АБ).

3. В результате проведенных наземных термовакуумных испытаний НМГ АБ получены необходимые ее энергетические параметры (токи заряда-разряда, рабочее напряжение, емкость заряда) для условий открытого космоса.

Практическую ценность результатов работы составляют:

- сформированные практические рекомендации по реализации режимов совместной работы накопителя энергии с аппаратурой регулирования и контроля СГЭ МКА «Кондор-Э». Выявлены и установлены режимные ограничения;

- предложенные алгоритмы управления и способы контроля НМГ АБ по основным электрическим характеристикам, обеспечивающие заданные показатели качества (надежность Р>0,998, длительный ресурс - до 7 лет, безопасность эксплуатации) НМГ АБ в составе СГЭ МКА «Кондор-Э». Сформирован перечень команд, реализующих предложенные алгоритмы;

- электрические параметры и характеристики компенсационного электромагнита в системе генерирования электроэнергии малого космического аппарата «Кондор-Э»;

- разработанные средства по устранению вредного воздействия магнитного поля НМГ АБ в СГЭ МКА «Кондор-Э»: рассчитанные электрические параметры и характеристики компенсационного электромагнита;

- применение совокупности всех разработанных средств в малом космическом аппарате «Кондор-Э», что позволило увеличить срок активного существования до 7 лет.

Достоверность и обоснованность полученных результатов Достоверность и обоснованность результатов подтверждена использованием современных вычислительных средств и методов моделирования, апробацией предложенных методик исследования и анализа экспериментальных данных, совпадением теоретических расчетов и лабораторно - отработочных испытаний, наземными и летными испытаниями системы генерирования электроэнергии МКА «Кондор-Э».

Реализация работы

Основные результаты данной работы используются специалистами АО «ВПК «НПО машиностроения», ОАО «АВЭКС», ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ», ОАО НПП «Квант» при создании МКА «Кондор-Э» в

системе генерирования электроэнергии. Промышленное внедрение основных результатов подтверждено соответствующим актом.

Основные результаты диссертационной работы использованы при проектировании новых комплексов энергопреобразующей аппаратуры СГЭ МКА АО «ВПК «НПО машиностроения».

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов» НИУ МЭИ, ХХХУ-ХХУШ Академических чтениях по космонавтике при Российской академии наук и Федеральном космическом агентстве (Москва 2011- 2014), Международной научно-технической конференции "Аэрокосмические технологии в нефтегазовом комплексе" (Москва 2009), ХУП-ХГХ международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов НИУ МЭИ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Предложенные методики проектирования и обслуживания АБ в составе СГЭ (методика термовакуумных испытаний, методика проверки АБ на герметичность, методика снятия магнитных характеристик АБ, методика компенсации магнитного поля АБ).

2. Алгоритм управления и способ контроля нового типа АБ для малого космического аппарата «Кондор-Э».

3. Информационно-методическое обеспечение МКА «Кондор-Э» и информационно-методическая основа для последующей системной параметрической и структурной оптимизации системы генерирования электроэнергии МКА в части накопителей энергии.

Публикации

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 16 печатных трудах, из них 6 публикаций в изданиях, которые входят в перечень, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, перечня используемых терминов. Работа изложена на 222 страницах основного текста, содержит 122 рисунка, 66 таблиц, 5 приложений, библиографический список литературы насчитывает 60 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цели и задачи работы, изложена научная новизна и практическая значимость результатов, представлены положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан анализ современного состояния систем генерирования электроэнергии космических аппаратов, рассмотрены пути создания источника энергии, обеспечивающего высокую потребляемую мощность в течение длительного времени. Проведен сопоставительный анализ характеристик фотоэлектрических преобразователей, электрохимических накопителей, топливных элементов, ядерного реактора. Обсуждается концепция «прагматичный космос» (в части создания системы генерирования электроэнергии для унифицированной космической платформы). Анализируются характеристики никель-кадмиевых, никель-водородных, никель-металлогидридных и литий-ионных химических накопителей энергии. Проводится сравнение параметров источников тока и обосновывается выбор типа электрохимической системы.

Использование разработанной унифицированной космической платформы в части СГЭ для создания семейства современных малогабаритных КА различного назначения в сочетании с новыми технологиями и накопленным научно-техническим заделом позволяет сохранить экономические ресурсы и сократить время выпуска космических аппаратов.

Эксплуатационные характеристики космического аппарата определяются параметрами накопителя энергии - АБ. Мощность, ресурс работы и надежность накопителя энергии определяют срок активного существования космического аппарата в целом.

Анализ использования АБ для аэрокосмического применения показывает, что в этих областях в настоящее время наибольшее внимание уделяется развитию литий-ионных (ЛИ) АБ. Однако использование ЛИ АБ имеет как свои преимущества, так и ряд недостатков, на устранение которых необходимы значительные временные и материальные затраты.

Применение в КА аккумуляторных батарей на базе НМГ аккумуляторов позволит получить АБ с более высокими удельными характеристиками, по сравнению с характеристиками АБ на базе никель-кадмиевых (НК) аккумуляторов, сохранить без существенных доработок основные элементы схемы управления и эксплуатации бортовой аппаратуры, использовать типовые конструкции корпусов, что значительно удешевляет НМГ АБ.

Именно эти факторы, при прочих равных условиях, делают предпочтительным использование никель-металлогидридных

аккумуляторов для космических целей.

Реализация заданных требований может быть осуществлена на базе герметичного никель-металлогидридного аккумулятора емкостью 20 А-ч. На рисунке 1 представлено изделие АБ 19НМГ-20, которое удовлетворяет изложенным требованиям.

Рисунок 1 - АБ 19НМГ-20

Во второй главе рассматриваются задачи расчета емкости и числа аккумуляторных батарей для КА, тепловыделения, оценивается надежность аккумуляторной батареи. Рассмотрены вопросы исследования опытного образца никель-металлогидридного (НМГ) аккумулятора в условиях, максимально приближенных к штатной эксплуатации. Разработана и апробирована методика термовакуумных испытаний опытного образца герметичной АБ.

Расчет установленной емкости аккумуляторной батареи выполнен по наиболее нагруженной циклограмме нагрузок проектируемого МКА на участке выведения'(рисунок 2).

Вт

Р5 Р6290-

Р.*Р7£65-Р2Р3241■

Р1 гш-

Л1

Тень

и

Солнце

*7

••4,С

Рисунок 2 - Циклограмма нагрузок проектируемого МКА на участке выведения

За 60 секунд до запуска КА бортовая система отключается от аэродромного питания; КМ4 - время выхода КА на орбиту и отделение КА от ОИА (окончание участка выведения) и перевод работы СУД в режим демпфирования, а затем грубый режим орбитальной ориентации при раскрытии СБ и антенны; 15-включение электроприводов раскрытия БС; 16- остановка электроприводов раскрытия СБ; П- выход спутника из тени на освещенную часть орбиты.

Установочная емкость рассчитана из условия обеспечения 3 пусков: ОустАБ= 3 Жсут/иАБ= 1084/27=41 А'Ч (1)

Исходя из рассчитанной емкости накопителей энергии, принято решение об установки четырех параллельных подсистем, включающих АБ, а также

аппаратуру регулирования и контроля АРК-20 в качестве регулятора заряда-разряда и регулятора напряжения АБ.

Алгоритм эксплуатации изделия разработан исходя из условия обеспечения заданного теплового режима батареи и предусматривает циркуляцию подогретого воздуха.

Средняя мощность тепловыделения одного аккумулятора при полном разряде составляет:

= = 4.05/2,5 = 1,62 Вт. (2)

Для батареи 19НМГ-20 имеем:

Рбат = 1,62 ■ 19=30,78 Вт. Поскольку процесс разряда никель-металлогидридных аккумуляторов протекает с поглощением тепла, основная задача системы терморегулирования МКА - обеспечить подвод теплого воздуха с целью недопущения снижения рабочей температуры ниже заданного значения.

Ресурс АБ в летной эксплуатации должен составлять не менее 120 % от срока активного существования МКА с суммарным количеством зарядно-разрядных циклов не менее 300 при глубине разряда до 20 А-ч.

Согласно принятой методике расчета полная надежность батареи (вероятность безотказной работы) Ь определялась произведением надежностей по внезапным Ьвн и параметрическим Ьпар отказам:

Ь=Ьвн-1мар (3)

Расчет вероятности безотказной работы выполнен на основе статистических данных по эксплуатации никель-кадмиевых АБ для КА производства АО «ВПК «НПО машиностроения», полученное значение вероятности безотказной работы составило 0,998128. Рассматриваемая АБ обладает улучшенными эксплуатационными характеристиками (САС до 7 лет) и по этой причине вероятность безотказной работы может быть принята: Р>0,998.

В период с 02.06,12 г. по 09.07.12 были проведены термовакуумные испытания опытного образца АБ 19 НМГ-20. Испытания проводились по разработанной автором методике в АО «ВПК «НПО машиностроения» в термовакуумной установке ВК-8.

Испытаниям подвергалась аккумуляторная батарея 19 НМГ-20, включенная по приведенной на рисунке 3 схеме.

Рисунок 3 - Схема включения АБ при термовакуумных испытаниях

ДОКА - служебная аппаратура дистанционного обслуживания космического аппарата, ЗУ - зарядное устройство. Методика термовакуумных испытаний предусматривает:

- тестирование в режимах заряда/разряда до срабатывания датчика давления или достижения 11аб =28,5/18В в предельно допустимых диапазонах температур: минимальной (0±2)1И; максимальной +(25±2)°С; нештатной минимальной температуре -(5±2)"£; нештатной максимальной температуре +(35±2^С;

- тестирование при имитации штатной циклограммы КА;

- время тестирования работоспособности АБ 7 суток.

На рисунке 4 приведена циклограмма тестирования АБ в штатном режиме, соответствующем энергопотреблению МКА при +(25±2)13.

Рисунок 4 - Штатная циклограмма МКА +(25±25Ь

При отработке методики термовакуумных испытаний проверены расчетные параметры аккумуляторной батареи 19 НМГ-20: зарядные-разрядные токи, емкость, соответствие габаритных размеров и массы изделия заявленным теплодинамическим характеристикам.

В третьей главе проведено исследование влияния электромагнитной совместимости аккумуляторной батареи с оборудованием космического аппарата. Рассчитан необходимый компенсационный электромагнит. Работоспособность компенсационного электромагнита в составе СГЭ подтверждена результатами моделирования движения МКА по орбите Земли. Движущийся по орбите КА обладает собственным магнитным

полем. Магнитный момент может оказывать вредное воздействие на динамику угловой стабилизации и систему ориентации КА. Поэтому в техническом задании на систему ориентации и систему стабилизации проектируемого КА задано ограничение на напряженность поля КА Н<20 Л/м. Для минимизации этого явления необходимо применять специальные меры (в частности, магнитную балансировку, т. е. компенсацию магнитных моментов на борту КА),

Цель - исследовать впервые обнаруженное магнитное поле нового типа АБ. Измерить напряженность поля АБ и при его превышении (Я > 20А/м согласно техническим требованиям) компенсировать.

Измерения магнитного момента М к проводились при заряжаемой, заряженной, разряжаемой, разряженной батарее.

Значения магнитного момента учитывают реальные значения параметров ДМП и калибровочной катушки. Напряженность магнитного поля рассчитывалась в точках расположения датчиков по формуле:

(4>

где Мк -магнитным момент: М ^=/-5, Я - радиус калибровочной катушки, ^-площадь поверхности катушки.

Выражение, связывающее параметры Мк и Н, имеет вид:

(5)

На рисунке 5 представлены результаты напряженности собственного магнитного поля АБ 19 НМГ-20 во время цикла заряда.

Рисунок 5 - Напряженность собственного магнитного поля АБ 19 НМГ-20 во время цикла заряда (№1,6+51,03) А/м

По проведенным исследованиям рассчитан необходимый компенсационный электромагнит (размеры, масса, энергопотребление и характеристики намагничивающей катушки). Определены характеристики компенсационного электромагнитного исполнительного органа (ЭМИО) -его размеры, масса, энергопотребление и характеристики намагничивающей катушки.

Характеристики электромагнита: средняя по объему сердечника намагниченность 8,69 А/м; средний объем сердечника 3-Ю"6 м3; минимально возможный диаметр соленоида 0,004 м; максимально возможный диаметр соленоида 0,014 м; центральный коэффициент размагничивания 1,772; намагничивающее поле катушки 293 А/м; масса 0,281 кг.

Эффективность действия компенсационного электромагнита оценивалась путем моделирования движения МКА относительно центра масс с модернизированной системой генерирования электроэнергии.

В орбитальной системе координат вектор индукции магнитного поля Земли имеет вид:

В =

О

I,

(в } ха /

—

уо

А, \

-2Вт 5ш(1')5т(ы) ■Вт соъ(Г) ^

(6)

где А» = ца р >(ц0=4тг-10'Тн/м - магнитная постоянная, ¿г = 8,1-1022 А-м2- магнитный момент диполя Земли, Я - расстояние от центра масс Земли до центра масс МКА, г-наклонение орбиты, и-аргумент широты и = £о0г

Закон управления электромагнитными устройствами КА получен в виде:

Ьу=-КгВх +Д2 (7)

где: 1х,Ьу,1г-магнитные моменты электромагнитных устройств; Вх,Ву,Вг-вектор индукции по осям (Тл); Ь>2-кинетический момент (Нмс);

Тл ТлНмс

На рисунке 6 приведена структурная схема модели, имитирующей вращение МКА с установленной электротехнической аппаратурой (компенсационный электромагнит обеспечивает: В < 25-10'б7л, т. е. #<20А/м).

аппаратурой

На рисунке 7 в качестве примера моделирования представлены временные зависимости относительных угловых скоростей КА, иллюстрирующие компенсирующее действие установленного электромагнита.

Рисунок 7 - Относительные угловые скорости при ограничении магнитного момента на электромагнитах ЗАмг

В четвертой главе разработаны алгоритмы управления и контроля АБ в различных режимах функционирования (заряда - разряда ограничение нагрузки), сформированы команды, реализующие этот алгоритм, проанализирована работа нового типа аккумуляторных батарей совместно с СГЭ МКА, установлен диапазон ограничения аппаратуры регулирования и контроля, реализующей алгоритмы управления и контроля.

Проблема контроля и регулирования накопителя энергии и устранения разбаланса его элементов является одной из сложных в СГЭ. Одним из главных условий обеспечения длительной эксплуатации АБ является создание наиболее благоприятного режима работы АБ. Факторами, снижающими срок службы АБ в эксплуатационных режимах, являются: превышение заданной температуры, превышение зарядных токов, превышение разрядных токов.

Существуют две основные задачи, которые необходимо решать при разработке алгоритма управления оптимальным режимом эксплуатации АБ. Первая из них - защита батареи от перезаряда, Вторая - защита батареи от переразряда.

Предложенная логическая схема заряда АБ представлена на рисунке 8.

С!__ Конец __Р

Рисунок 8 - Логическая схема заряда АБ

Отличительные особенности предложенных алгоритмов управления и контроля заключаются в следующем:

- длительный разряд до полного снятия емкости переменной токовой нагрузкой в процессе орбитального полета;

заряд АБ во время полета от СБ;

- «нивелирование» аккумуляторов в АБ (с целью исключения переполюсовки отдельных аккумуляторов в АБ).

В пятой главе приведены сведения об эксплуатационных характеристиках системы генерирования электроэнергии с никель-металлогидридными аккумуляторными батареями, установленными на МКА «Кондор-Э». Целевое использование АБ в составе СГЭ, в целом, и предложенные алгоритмы управления изделием, в частности, проходят проверку на основе текущей телеметрической информации, получаемой с борта МКА «Кондор-Э».

Запуск МКА «Кондор-Э» на орбиту Земли произведен 19 декабря 2014 года, с помощью ракеты-носителя легкого класса «Стрела».

МКА «Кондор-Э» предназначен для получения высококачественных изображений, необходимых для мониторинга земной поверхности и океанов, экологического мониторинга и эффективного управления природными ресурсами. Космическая система «Кондор-Э» на базе малых КА обеспечивает картографирование территорий, изучение и контроль природных ресурсов, океанологические исследования прибрежных акваторий и шельфовых зон, экологические исследования, информационное обеспечение при чрезвычайных ситуациях. На рисунке 9 представлен МКА «Кондор-Э» с новым типом НМГ АБ.

Рисунок 9 - МКА «Кондор-Э» с новым типом НМГ АБ Эксплуатация электротехнического комплекса, включающего накопитель энергии нового типа и разработанную для его обслуживания систему управления и контроля, осуществлялась в период 19.12.2014 г. -09.06.2015 г. За указанный период работоспособность комплекса была обеспечена на всех 4-х подсистемах.

Контрольная телеметрическая информация:

- максимальная глубина разряда АБ ~ 10 А'Ч (0,5 С2н), что не приводит к снижению числа зарядно-разрядных циклов и не вызывает деградационных характеристик АБ;

- напряжение на АБ - 27+28 В, из чего следует, что АБ выполняет функции стабилизатора напряжения и подтверждает её полную работоспособность.

Одним из главных условий обеспечения длительной эксплуатации АБ является создание наиболее благоприятного режима работы, уменьшающего загазованность АБ - режима работы АБ регистрируемого по счетчику ампер-часов (САЧ), т. е., режима при котором прекращение заряда осуществляется по факту восполнения разрядной емкости.

Установлено, что эксплуатация АБ в основном происходила по счетчику ампер-часов в соответствии с принятой логикой управления и периодическим отключением АБ от заряда по сигналу замыкания контактов датчиков давления в АБ, при котором происходило обнуление САЧ АБ.

Аппаратура регулирования и контроля обеспечила заданные требования по питанию бортовых систем КА электрической энергией.

В Приложениях приведены основные технические требования аккумуляторной батареи для космического аппарата «Кондор-Э», протоколы термовакуумных испытаний опытного образца никель-металлогидридной аккумуляторной батареи, методика и протокол результатов измерения магнитных моментов АБ, блок-схемы алгоритмов управления и контроля АБ, экспертное заключение, акт о внедрении полученных результатов.

Основные результаты работы

В ходе выполнения работы получены следующие результаты:

1. Разработан алгоритм управления и способ контроля никель-металлогидридной аккумуляторной батареи по основным электрическим характеристикам, обеспечивающий заданные показатели качества (надежность Р>0,998, длительный ресурс - до 7 лет, безопасность эксплуатации) изделия в составе системы генерирования электроэнергии малого космического аппарата. «Кондор-Э». Сформирован перечень команд, реализующих предложенный алгоритм.

2. Разработана методика термовакуумных испытаний нового типа никель-металлогидридной аккумуляторной батареи, позволяющая получить необходимые энергетические параметры изделия (токи заряда-разряда, рабочее напряжение, емкость заряда) для условий открытого космоса.

3. Обнаружено и впервые исследовано влияние собственного магнитного поля никель-металлогидридной аккумуляторной батареи на ориентацию малого космического аппарата при взаимодействии его с магнитным полем Земли. Проведены измерения величины и ориентации магнитного поля аккумуляторной батареи в зависимости от тока заряда-разряда, позволяющие выбрать устройство компенсации магнитного поля аккумуляторной батареи на малом космическом аппарате. Работоспособность компенсационного электромагнита в составе системы генерирования электроэнергии подтверждена результатами моделирования движения малого космического аппарата «Кондор-Э» по орбите Земли.

4. Малый космический аппарат «Кондор-Э» запущен на орбиту Земли 19 декабря 2014 года с помощью ракеты-носителя легкого класса «Стрела». Непрерывное целевое применение нового типа аккумуляторной батареи в составе системы генерирования электроэнергии по разработанным алгоритмам управления, подтвержденное текущей телеметрической информацией «с борта», обеспечивает бесперебойное питание бортовых систем малого космического аппарата электрической энергией в заданном диапазоне параметров.

5. Создание унифицированной космической платформы в качестве базовой конструкции целого семейства малых космических аппаратов (массой до 1000 кг, со сроком активного существования 7 лет) позволит сохранить экономические ресурсы и сократить время выпуска космических аппаратов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах

1. Тарасов B.C. Модернизация системы генерирования электроэнергии авиационного и космического комплекса // Вестник МЭИ. Электротехника, Электромеханика, 2012, №3 - С. 48 - 50.

2. Тарасов B.C., Шаповалов Л.А., Лизунов A.A. Оптимальная структура, алгоритм управления и методика термовакуумных испытаний системы генерирования электроэнергии перспективного малого космического аппарата // Вестник МЭИ. Электротехника, Электромеханика, 2012. - №2. - С. 95 - 99.

3. Лизунов A.A., Тарасов B.C. Методика ускоренных термовакуумных испытаний аккумуляторных батарей для космического аппарата

// Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана, серия «Машиностроение», 2011. №3. - С. 43-47.

4. Тарасов B.C., Лизунов A.A. Моделирование динамических режимов работы системы генерирования электроэнергии с комплексом аппаратуры регулирования и контроля // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана, серия «Машиностроение», 2012. №1. - С. 60 — 70.

5. Зеленцов В.В., Тарасов B.C., Шаповалов Л.А. Оценка изменения продолжительности полета беспилотного летательного аппарата с электродвигателем, // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана, серия «Машиностроение», 2013. - №3. - С. 77 - 85.

6. Тарасов B.C., Лизунов A.A. Устойчивость систем электропитания микроспутника к импульсному изменению выходного напряжения // Практическая силовая электроника, 2012. - №1 (45). - С. 50 - 51.

7. Лизунов A.A., Тарасов B.C., Р. И. Журавлев Многоцелевая солнечная батарея на базе охлаждаемого фотоэлектрического модуля // Журнал электрика, 2009. - №11. - С. 13 - 17.

8. Лизунов A.A., Губарев Ю.А., Сизякина Т.А., Тарасов B.C., Р. И. Журавлев Система электропитания с солнечными датчиками ориентации КЛАСП «Странник» // Сб. научных трудов Военно-промышленной корпорации «НПО машиностроения». -Реутов, 2009 . -С. 148-154.

9. Тарасов B.C., Лизунов A.A., Журавлев Р.И. Конструктивно -компоновочная схема построения системы электропитания малого космического аппарата (МКА) с радиолокатором //Материалы научно-техн. конф. «Аэрокосмические технологии в нефтегазовом комплексе». Москва, 20 — 22 октября 2009 г., — С. 124 - 125.

10. Лизунов A.A., Журавлев Р.И., Тарасов B.C. Повышение энергоэффективности космического аппарата при сохранении Массо-габаритных характеристик // Труды XXXV академических чтений по космонавтике. Москва: Комиссия РАН, 2011. - С. 93 - 94.

11. Тарасов B.C., Лизунов A.A., Журавлев Р.И. Модификация системы электроснабжения беспилотного летательного аппарата // Труды XXXV Академических чтений по космонавтике. /Тезисы докладов. -Москва. Комиссия РАН, 2011, с. 94 - 95.

12. Тарасов B.C., Еременко В.Г. Повышение срока активного существования малого космического аппарата // Материалы 18 межд. научно-техн. конф. студентов и аспирантов . - М.МЭИ, 2012. -С. 268.

13. Тарасов B.C., Еременко В.Г. Применение тонкопленочных фотогальванических элементов из аморфного кремния на мобильных объектах // Материалы 17 межд. научно-техн. конф. студентов и аспирантов. - М.МЭИ, 2011. - С. 87-89

14. Тарасов B.C., Еременко В.Г. Анализ применения двусторонних солнечных батарей для космического аппарата //Материалы 19

межд. научно-техн. конф. студентов и аспирантов. - М.МЭИ, 2013. -С. 202.

15. Тарасов B.C., Лизунов A.A., Иванов В.Ф., Зайцев О.Б. Модернизация системы электропитания малого космического аппарата // Материалы XXXVIII академических чтений по космонавтике. Москва, январь 2014 г./ Тез. докладов. - М.: Комиссия РАН. - С. 626-627.

16. Лизунов A.A., Тарасов B.C., Р. И. Журавлев Анализ работы СЭП микроспутника «Чибис» по результатам ЛКИ // Материалы XXXVIII академических чтений по космонавтике. Москва, январь 2014 г./ Тез, докладов. - М.: Комиссия РАН. - С. 632.

Подписано в печать /7.09- Г Зак. Тир. П.л.

Типография Издательства МЭИ,-

Красноказарменная ул., д. 13