автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Резервированная аппаратура регулирования и контроля системы электроснабжения малого космического аппарата

На правах рукописи

Романенко Алексей Сергеевич

РЕЗЕРВИРОВАННАЯ АППАРАТУРА РЕГУЛИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО

АППАРАТА

Специальность 05.09.12 - «Силовая электроника»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 ОКТ 2013 005534895

Томск - 2013

005534895

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) и в Научно-производственном центре «Полюс», г. Томск

Научный руководитель - кандидат технических наук,

Семёнов Валерий Дмитриевич

Официальные оппоненты: Шиняков Юрий Александрович,

доктор технических наук (НИИ космических технологий, г. Томск - директор)

Дементьев Юрий Николаевич, кандидат технических наук (Национальный исследовательский Томский политехнический университет -заведующий кафедрой электропривода и электрооборудования)

Ведущая организация - Производственное объединение «Полёт» -

филиал ФГУП «Государственный космический научно-производственный центр имени М. В. Хруничева», г. Омск.

Защита состоится «31» октября 2013 года в 09:00 на заседании диссертационного совета Д 212.268.03 в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: г. Томск, ул. Вершинина, 74.

Автореферат разослан «30» сентября 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета ^^¿¿¿^^ Мещеряков Р. В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Малые космические аппараты (МКА) - это условное обозначение класса космических аппаратов, имеющих массу до 500-1000 кг (граница условная). Создание современных МКА является новым и перспективным направлением, оно активно развивается во всём мире, так как увеличивает возможность доступа к космосу ещё большему количеству частных и государственных компаний, а также открывает новые направления в космической отрасли (например создание орбитальной группировки МКА для формирования единой системы). На сегодняшний день количество запусков МКА увеличивается, а область их применений охватывает важные практические задачи: дистанционное зондирование Земли, связь и теле-радио-вещание, метеорология, океанография, геодезия. Кроме того МКА применяются для научных исследований в космосе, отработки новых концепций построения бортового оборудования, обучения молодых специалистов (университетские МКА).

Растущий интерес заказчиков к МКА объясняется тем, что за счёт упрощения космического аппарата (КА) и снижения его массогабаритных показателей уменьшается стоимость разработки и изготовления, а также услуг по выведению на орбиту. Однако при этом выдвигаются требования к высокому уровню надёжности, длительному сроку службы, радиационной стойкости и др. важных параметров бортовой аппаратуры, поэтому перед разработчиками МКА стоит сложная задача - найти компромисс между уменьшением массогабаритных показателей бортовых систем и сохранением высокого уровня требований, предъявляемых к параметрам космической техники. В связи с этим непрерывно ведётся поиск наиболее оптимальных технических решений построения бортовых систем МКА. Особенно это касается системы электроснабжения (СЭС), так как она является наиболее крупногабаритной и должна быть отказоустойчивой (в первую очередь от СЭС зависит функционирование всего КА). Достаточная отказоустойчивость СЭС часто достигается с помощью различных способов резервирования её элементов, однако в зависимости от структуры построения аппаратуры регулирования и контроля СЭС (АРКСЭС) повышение живучести может вызвать недопустимое для МКА увеличение массогабаритных показателей.

АРКСЭС современных МКА строятся на базе импульсных преобразователей напряжения, на базе транзисторных регуляторов мощности секционированной солнечной батареи без импульсных преобразователей, либо комбинированными. Среди данных структур известны классические, отработанные на больших КА структуры АРКСЭС, а также имеются новые. Каждая структура обладает рядом индивидуальных преимуществ и недостатков, однако структуры, имеющие в своём составе импульсные преобразователи, при их полном резервировании влекут недопустимое для МКА увеличение массы и габаритов АРКСЭС (из-за громоздких конденсаторов и магнитных элементов). Для МКА «Союз-Сат-О» в ОАО «НПЦ «Полюс» совместно с ПО «Полёт» разработана новая структура СЭС на базе АРКСЭС без импульсных преобразователей на-

пряжения. В данную СЭС входит солнечная батарея, разделённая на 16 секций, две аккумуляторные батареи и полностью резервированная АРКСЭС, которая имеет большой набор контролируемых параметров, несколько автономных и управляемых с Земли режимов работ и один из самых высоких удельных мас-согабаритных показателей (Вт/кг). Разработанная СЭС отказоустойчива к выходу из строя одного её любого элемента, структура её АРКСЭС является новой и перспективной для применения в МКА, однако мало изученной. Для исследований данной СЭС необходимо иметь имитационную модель, позволяющую изменять её структуру и учитывающую программный алгоритм работы её АРКСЭС, поэтому является актуальной научно-технической задачей создание инструмента для исследования и разработки СЭС на базе АРКСЭС без импульсных преобразователей в энергетическом канале, и оценка энергетических характеристик СЭС при принятом алгоритме работы, а также разработка и исследование её базовых узлов.

Разработкой СЭС МКА занимаются Российские компании: ОАО «НПЦ «Полюс» (г. Томск), ОАО «Информационные спутниковые системы имени академика М. Ф. Решетнева» (г. Железногорск), ФГУП ГНП РКЦ «ЦСКБ Прогресс» (г. Самара), ПО «Полёт» (г. Омск) и др., а также зарубежные компании: Surrey Satellite Technology Ltd (Великобритания), Clyde Space Ltd (Шотландия), ASTRIUM (Германия). Большой вклад в исследования СЭС КА внесли учёные:

A. И. Чернышёв, Б. П. Соустин, В. И. Иванчура, Ю. А. Шиняков, А. Б. Токарев,

B. С. Кудряшов, К. С. Кларк, А. Кэйпел и др.

Объектом исследований настоящей работы является резервированная АРКСЭС без импульсных преобразователей в энергетическом канале.

Предметом исследований является структура резервированной АРКСЭС без импульсных преобразователей напряжения, алгоритмы управления АРКСЭС и энергетические характеристики.

Целью диссертационной работы является разработка структуры резервированной АРКСЭС без импульсных преобразователей напряжения и исследование её энергетических характеристик.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ современных структур СЭС МКА.

2. Получить выражение энергобаланса и имитационную модель СЭС без импульсных преобразователей напряжения, и использовать их в качестве инструмента, позволяющего достоверно находить необходимую площадь солнечной батареи, емкость аккумуляторной батареи, энергетические характеристики СЭС при заданных алгоритме работы АРКСЭС, циклограммах мощности нагрузки и мощности солнечной батареи.

3. Разработать и исследовать принципы построения резервированных транзисторных ключей АРКСЭС и устройств для их управления.

4. Разработать практические схемы устройств и систем, реализующих АРКСЭС без импульсных преобразователей напряжения.

Основная идея диссертации состоит в исследовании и разработке АРК-СЭС, базирующейся на принципе разделения солнечной батареи на секции и их коммутации на несколько аккумуляторных батарей группами транзисторных ключей для регулирования мощности солнечной батареи по заданному алгоритму.

Методы исследований базируются на общих положениях теории баланса мощности в электрических цепях, вычислительных методах с использованием современных инструментальных систем, методах математического и имитационного моделирования в программных пакетах МаЛСАО и МаИ^аЬ, методах построения булевых моделей надёжности, а также методах автоматного программирования и физического макетирования.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается обоснованностью принятых допущений, адекватностью элементов моделей, численными расчётами, экспериментальной проверкой, компьютерным моделированием, а также удовлетворительной сходимостью численных результатов, полученных на энергобалансной и имитационной моделях СЭС.

Научная новизна работы заключается в теоретических разработках и практических исследованиях, суть которых состоит в следующем:

1. Разработана новая структура резервированной АРКСЭС (защищена патентом РФ № 95191 на полезную модель), отличающаяся тем, что регулирование мощности секционированной солнечной батареи осуществляется в цепи двух аккумуляторных батарей транзисторными ключами с частотой переключений не более 1 Гц, что позволяет осуществлять гарантированную работоспособность СЭС при отказе одного из её элементов при высоких удельных массо-габаритных показателях АРКСЭС.

2. Создана имитационная модель СЭС на базе новой структуры АРКСЭС, содержащая модели управляемой солнечной батареи, системы управления на базе метода автоматного программирования, которая позволила оценить необходимую площадь солнечной батареи, коэффициент энергетической эффективности и ёмкость аккумуляторной батареи при заданных алгоритме работы, циклограммах мощности нагрузки и солнечной батареи.

3. Получено новое аналитическое выражение энергобаланса СЭС на базе АРКСЭС без импульсных преобразователей напряжения на основе схем распределения мощности солнечной батареи, позволившее подтвердить адекватность имитационной модели СЭС.

4. Разработаны принцип построения транзисторных ключей регулятора мощности солнечной батареи для новой АРКСЭС, при котором отказ транзистора на короткое замыкание не нарушает нормальную работоспособность ключа, и принцип построения устройств управления ключами, которые позволили повысить отказоустойчивость СЭС и обеспечить безопасные режимы работы аккумуляторных батарей.

Практическая ценность научных результатов работы заключается в повышении качества и сокращении времени проектирования СЭС на базе

АРКСЭС без импульсных преобразователей напряжения с помощью разработанного моделирующего комплекса. Практически реализованы ключи регулятора мощности солнечной батареи, допускающие отказ одного из транзисторов на короткое замыкание, а также их резервированных устройств управления. Результаты проведённого анализа принципов работы предложенного ключа и его устройства управления подтвердили обеспечение безопасной работы транзисторов и аккумуляторных батарей.

Создана имитационная модель СЭС и полученное выражение энергобаланса могут быть положены в основу построения диалогового аппаратно-программного комплекса испытаний и исследований СЭС для КА, а принципы построения имитационной модели и некоторых её блоков могут послужить для построения модели улучшенной или другой СЭС.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы в «НИИ КС имени А. А. Максимова» - филиале ФГУП «ГКНПЦ имени М. В. Хруничева» при проведении опытно-конструкторских работ по разработке экспериментальной модели микроспутника «Союз-Сат-О», в ОАО «НПЦ «Полюс» при разработке АРКСЭС для СЭС МКА «Союз-Сат-О», а также внедрены в учебном процессе кафедры «Промышленная электроника» ТУ СУР. Подтверждением реализации результатов диссертационной работы является наличие соответствующих актов о внедрении.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Резервированная структура АРКСЭС без импульсных преобразователей напряжения способна функционировать при отказе любого её элемента и имеет высокие удельные массогабаритные показатели в сравнении с АРКСЭС на базе импульсных преобразователей напряжения в диапазоне максимальной мощности нагрузки 50 - 500 Вт.

2. Полученные выражение энергобаланса и имитационная модель СЭС на базе АРКСЭС без импульсных преобразователей напряжения позволили достоверно определить необходимые площадь солнечной батареи и емкость аккумуляторной батареи, коэффициент энергетической эффективности, а также правильность алгоритма работы АРКСЭС при заданных циклограммах мощности солнечной батареи и нагрузки.

3. Транзисторные ключи регулятора мощности солнечной батареи и их устройства управления обеспечивают безопасные режимы работы аккумуляторных батарей и позволяют функционировать СЭС при отказе одного из элементов ключей.

Личный вклад автора. Материалы диссертации являются обобщением работ автора, выполненных с 2009 по 2013 год и отражают его личный вклад в решаемые задачи. Все научные результаты, представленные в диссертации, получены автором самостоятельно. Автор участвовал во всех этапах разработки технологических и штатных образцов АРКСЭС. Опубликованные работы написаны в соавторстве с научным руководителем и другими авторами.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрения на шее-

ти Всероссийских и международных научно-технических конференциях: XVIII Всероссийская научно-техническая конференция «Электронные и электромеханические системы и устройства» (Томск, 2010 г.); Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР - 2010» (Томск, 2010 г.); Всероссийская научно-техническая конференция «Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем (Железногорск, 2011 г.); XVI Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (Бенардосовские чтения, Иваново, 2011 г.); II Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» (II Козловские чтения, Самара, 2011 г.); Всероссийская научно-техническая конференция молодых специалистов «Электронные и электромеханические системы и устройства» (Томск, 2013 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований и теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 1 в центральном издании, рекомендованном ВАК РФ, 6 в трудах материалов всероссийских и международных конференций, получен патент РФ на полезную модель автономной системы электроснабжения с секционированной солнечной батареей.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы из 106 наименований и трёх приложений на 10 страницах. Общий объём работы составляет 197 страниц машинописного текста. Работа содержит 113 рисунков, 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, сформулированы цель работы и решаемые задачи. Изложены основные научные результаты, методы исследований, сведения о практическом использовании результатов работы и её апробации.

В первой главе показаны этапы развития АРКСЭС в СЭС КА. Выделено три поколения развития структур СЭС КА, различаемые по сроку активного существования (САС): первое поколение - СЭС с простейшей структурой построения, имеющая САС до 30 суток и имеющая в своём составе аккумуляторную батарею (АБ) и коммутатор АБ на нагрузку; второе поколение - СЭС, включающие в себя солнечную батарею (СБ), АБ, АРКСЭС с простейшей автоматикой и коммутаторами, и имеющие САС до 1,5 года; третье поколение -СЭС, включающие в себя СБ, АБ, комплекс устройств, составляющих более сложную АРКСЭС, и имеющие САС более 5 лет.

Далее проведён обзор структур АРКСЭС современных МКА, имеющих массу (500^™) кг, и предложена новая структура резервированной АРКСЭС (рисунок 1), которая за счёт использования транзисторных ключей обеспечивает совместную работу шестнадцати секций СБ и двух АБ, а также обеспечивает

работоспособность СЭС при отказе одного из её элементов. Транзисторные ключи К1.1...К16.2 объединены в регуляторы мощности СБ (модули 82С-регулятора 1.1 и 82С-регулятора 1.2) и сохраняют нормальную работоспособность при отказе одного из транзисторов на короткое замыкание. В АРКСЭС реализована резервированная микропроцессорная система управления (СУ), состоящая из трёх независимых каналов (К1...КЗ). Управляющие сигналы каналов СУ объединены в модуле драйверов (МД) элементами мажоритарной логики (М1...МЗ), и подаются на устройства управления ключами (драйверы Д). Каждый канал устройства управления ключами имеет индивидуальный источник питания (ИП1...ИПЗ), каждый из которых работает от всех секций СБ и АБ. Также АРКСЭС содержит резервированные выходные диоды УБв1, УБв2 и транзисторные ключи Кв1, Кв2. Помимо резервированной структуры построения, АРКСЭС имеет дополнительные устройства, предназначенные для выхода из аварийного режима работы. В результате, предложенная АРКСЭС обеспечивает отказоустойчивость СЭС при высоких удельных массогабарит-ных показателях.

Рисунок 1 - Структура СЭС с секционированной СБ и двумя АБ на базе АРКСЭС без импульсных преобразователей напряжения.

В предложенной АРКСЭС ток нагрузки /„ определяется суммой токов /Сбк секций СБ и токами АБ1, АБ2 (/ды и /аб2)> что математически можно записать выражением (1). Напряжение нагрузки ¡7„ стабилизируется за счёт той АБ, напряжение которой имеет большее значение, что записано выражением (2). Изменением суммарного тока секций СБ алгоритм работы СУ формирует режимы заряда или разряда АБ.

^ 1свк ±1АБ1. при иАБ1 - иУОв1 - иКв1 > иАБ2 - иКв2;

1,. = ^ . О)

^ 1сБк ±1дБ2<пРИ иАБ2 ~ иУ0в2 _ ^Кв2 > 11ДБ1 - {/Кв1. к=1

и = ( идБ1 — — ^кв1»при иЛБ1 — иУпв1 — > иЛБ2 — {/Кв2; н I ^АБ2 — иу0в2 — иКв2, при иАБ2 — ЦуОв2 — ^Кв2 > ^ДБ! — УКв1.

где ш - количество подключенных секций СБ в цепь АБ1; п - количество подключенных секций СБ в цепь АБ2; 0аб|,2 - напряжения АБ1,2; £Д/о„1,2 - падения напряжения на выходных диодах УОв1,2, £/Кв 1,2 - падения напряжения на выходных ключах Кв1,2.

Анализ структур построения СЭС современных МКА позволил выделить обобщённую структуру СЭС, которая имеет выходные шины питания нагрузок, состоит из нескольких секций СБ и АБ, а также одной АРКСЭС, которая включает в себя систему управления и зарядно-разрядные устройства, состоящие из импульсных преобразователей напряжения или транзисторных ключей. Структура построения АРКСЭС влияет на такие важные параметры СЭС как: отказоустойчивость, САС, качество выходного напряжения, экстремальное регулирование мощности СБ и т.д. Из рассмотренных структур АРКСЭС показана перспективность предложенной структуры для применения в МКА.

Во второй главе усовершенствована методика получения выражения энергобаланса СЭС на основе известного выражения для параллельно-последовательной структуры СЭС МКА «Гонец-М» с импульсными преобразователями напряжения. С помощью расширенной методики получено выражение энергобаланса СЭС на базе предложенной АРКСЭС, на основе которого получены численные значения необходимой площади солнечной батареи и коэффициента энергетической эффективности при заданных коэффициенте использования ВАХ СБ, циклограммах максимальной мощности СБ и нагрузки. Методика построения выражения энергобаланса разделена на три этапа. На первом этапе построены эквивалентные схемы распределения мощности СБ на интервалах времени Дтр\ч дефицита мощности СБ (рисунок 2) и интервалах Дг'зу| избытка мощности СБ (при заряде АБ). На схемах распределения мощности СБ элементы СЭС отражаются звеньями передачи мощности с коэффициентами г| - КПД соответствующих устройств, а мощность, потребляемая нагрузкой, направлена встречно физическому потоку и математически представлена с отрицательным знаком.

Согласно построенной схеме распределения мощности СБ (рисунок 2) получено выражение энергии ШРАБ1 разряда АБ1 (аналогичное выражению энергии разряда АБ2) на п интервалах времени ДгРУ;:

-Дтру|

РН1(С,ДтРу1)/7]1,о - Рс№1(!:, ДтРУ1)7?к

'/рАБ!

■сИ.

Рсвш(ЛТ1>У01[ Чк 1

Ру|)|вХ|(ДТрУ|)

НЯН-

РрАЫг(Д*>у|)

п

1/Лрлг>1

1/Пуо

-п-

РрУ1иыхг(Атру|)

Силовой тракт СБ-АБ1 -нагрузка

АБ1

IV

'' г»

;.г=е /наб1г('.д«"ру1)л

М о

Рсви2(Аг1.У|) |

I

Силовой тракт СБ-АБ2-нагрузка

Рн1.(АгруО

рн2г(агруо

е-

а

ПП

Рсбш,2 - мощности, отбираемые от секций СБ; т|к - КПД транзисторного ключа Б2С-регулягора мощности СБ; г]\-ц - КПД выходных диодов; г|рАЕ1 - КПД АБ1 при её разряде. Рисунок 2 - Схема распределения мощности СБ при её дефиците

Составлена схема распределения мощности СБ на / интервалах времени Дгзу, и получено выражение энергии ^/ЗАБ1 заряда АБ1 (аналогичное для АБ2): I гС*зп , „ , „

VI (~ . ч ЗУ1)>

Н'зАБ! = > 1

¡=1X

*?зАБ1 ( РСБУ1 (^Дтзу.От/к

Цуо

сИ.

Из условия соблюдения энергобаланса (равенство \¥заб1 и \Vpaei за период работы СЭС) получено выражение необходимой для энергобаланса энергии СБ в цепи АБ1. Чтобы составить выражение энергобаланса за период работы Т в цепях АБ1 и АБ2 приняты допущения:

Рсг.и(с) о _ £н(£) 2 '

ГСБ (Л

(С)=:

Уг

РСБ1/(г.Д =

РнхСО

т

Л'г

ЧкЧуо и.

Рна.АЧндсИ,

/ I -'о

1=1 ¿=1 где Дгсн! - интервалы времени избытка мощности СБ при заряженной АБ; ш - количество интервалов АгСш на периоде работы СЭС.

В результате получено новое выражение энергобаланса СЭС с двумя АБ и на базе АРКСЭС без импульсных преобразователей напряжения: гт 1ГТ

: +

Г 1 Г

РсБ1/(0&=—— РнСО^" Jo ПкЧУР ¿о

1-Г]раб1ЪАБ1 V ГАтгу!

+

[Рн&АтРУ1) - РсБи&ЬТрудЩЧуг,]^.

?7к7?1'В7?рАБ17?зАБ1 ^ Л)

На основе полученного выражения энергобаланса проведён расчёт коэффициента энергетической эффективности Кэ (равного отношению энергии нагрузки к энергии, сгенерированной СБ) и необходимой для энергобаланса площади СБ Бсб при заданных циклограммах отбираемой от СБ мощности Рсьи(0»

полученной из циклограммы максимальной мощности СБ Рсв.макс(0 через коэффициент использования вольт-амперной характеристики (ВАХ) СБ К.(/), и мощности нагрузки Ри(/). Произвольно заданные для расчётов циклограммы мощностей приведены на рисунке 3. При заданных линейно нарастающих, линейно спадающих функциях К(/) установлены прямо пропорциональные зависимости находимых значений Бсб и Кэ от средних значений К(/).

^СБмакс (1.5* ) 1.5хю3-

^ РСБи(|,&Л ,1) РСЕи (1.&<Ь ,2)

Рисунок 3 - Заданные циклограммы мощности СБ и мощности нагрузки

Относительные отклонения найденных Бсб и Кэ при переменных во времени К(/) от значений Бсб и Кэ при соответствующих средних значениях К(/) составили не более 3,2 %, что позволило предположить сходимость результатов моделирования корректной имитационной модели СЭС, имеющей более сложную функцию изменения коэффициента К(7) и выражения энергобаланса.

Во второй главе даны принципы построения имитационной модели СЭС с двумя АБ и на базе АРКСЭС без импульсных преобразователей напряжения, функциональная схема показана на рисунке 4.

.'си

УСБ1

усб2

К(>К|>(') БФк]

./сс!_

СУ ^АНЬ/ДБ! —^ АБ1~ф~

ДаБ) Сули

ИМ СЭС

ДЕЗ

:±"АБ2

Параметры ЛБ2 Параметры АБ1

Параметры воздействий окружающей среды

Параметры ВАХ СБ при НУ 1_

и™.

ии 1»

Л,(0

=>

Осциллограммы, показания измерений

Циклограмм; мощности нагрузки

Интерфейс Ма1ЬаЬ

Оператор

УСБ1, УСБ2 - блоки управляемых СБ; БФК - блок формирования коэффициентов окружающей среды; СУ - блок системы управления АРКСЭС; АБ1, АБ2 - блоки АБ, УБ - блок выходных диодов; РН(Ц - блок циклограммы мощности нагрузки и мощности потребления СУ АРКСЭС.

Рисунок 4 - Функциональная схема имитационной модели СЭС

Блоки УСБ1 и УСБ2 (структура их имитационной модели показана на рисунке 5) содержат математическую модель ВАХ одной секции СБ, умножители X рассчитанного тока секции СБ ¡']сб и мощности Р\сии, отбираемой от секции СБ, а также управляемый источник тока УИТ. С помощью умножителей X имитируется совместная работа СБ и транзисторных ключей Б2С-регулятора мощности СБ. В свою очередь БФК формирует массив Кокр(') мгновенных значений коэффициентов влияния условий окружающей среды на ВАХ СБ.

УСБ1

Лгым

Секция СБ

'ICE

АгЫмап _Л:ви I

i/xxo, ^опгО» Л)пт_удО, К1к1, ."»СБ. 0и02

Параметры ВАХ при НУ

Рисунок 5 - Структура имитационных моделей УСБ1 и БФК

Адекватность реализованной модели УСБ подтверждена удовлетворительной относительной ошибкой максимальной мощности относительно расчётного значения (не более 1.3%). В качестве блоков АБ1 и АБ2 использовались готовые модели, встроенные в программный пакет MatLab. Для экспериментов выбран тип никель-кадмиевых АБ и настроены параметры модели под необходимые условия работы. При тестовых разрядных токах 1С, 2С, 4С и зарядном токе 1С подтверждена адекватность настроенной модели. По результатам экспериментов ошибки кривых зарядно-разрядных характеристик модели в сравнении с характеристиками реальной АБ не превысили 7 % в штатных режимах работы. На рисунке 6 приведены разрядные характеристики модели элемента АБ и реального образца аккумулятора компании SAFT, а также относительная ошибка

Рисунок 6 - Разрядная характеристика и ошибка модели АБ при токе 2С

Блок диода УБ реализован на основе классической кусочно-линейной модели ВАХ диода, а блок циклограммы мощности нагрузки реализован на базе управляемого источника тока, входной сигнал которого рассчитывается математическими функциями исходя из входного напряжения нагрузки и мгновенного значения функции мощности. Блок СУ реализован в среде 51а1еПо\у программного пакета Ма1ЬаЬ на основе методов автоматного программирования. Чтобы применить данные методы использованы термины контуров и звеньев регулирования теории автоматического управления. При этом под звеньями подразумеваются функциональные блоки, представляющие собой по сути автоматы Мили, Мура с набором состояний и операций или комбинационную схему. Функционально СУ разделена на два контура регулирования параметров каждой АБ (рисунок 7). Главный контур регулирования формирует значения отклонений токов АБ А1и Д/2 от заданных уставок /31,132, которые необходимо поддерживать в АБ (положительное максимальное значение — заряд АБ; нулевое значение - поддержание заряда в АБ).

Диаграмма состояний звена главного контура регулирования параметров АБ1, которая использована при его реализации в модели, представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Диаграмма состояний звена главного контура регулирования

При возмущающих воздействиях на токи в цепях АБ1 и АБ2 возникают отклонения Д/|, Д/2 токов АБ1 и АБ2 от значений уставок, не входящие в допустимый диапазон значений. Передаточные звенья ш(А11) и п(Д12) подчинён-

ного контура регулирования формируют соответствующие сигналы «т*» для УСБ1 и «п*» для УСБ2 (содержащие информацию о количестве секций СБ, подключаемых на шину соответствующей АБ), значения которых направлены на снижение отклонений Д1\, А12 до заданного диапазона. Звено дешифратора сигнала (ДШ) ограничивает значения сигналов «ш*» и «п*» до заданных максимальных, распределяет их на УСБ1 и УСБ2 в соответствии с заложенным алгоритмом, и преобразует в выходные сигналы «ш», «п». Реализованная модель СУ апробирована при тестовых внешних сигналах и показала верное поведение, полностью соответствующее заданному алгоритму работы.

На рисунке 9 приведены диаграммы работы имитационной модели СЭС, реализованной в программном пакете МаЛаЬ при заданных циклограммах мощности нагрузки и СБ, а также значениями КПД выходных диодов и АБ, близкими к использованным при расчётах необходимой площади СБ и коэффициента энергетической эффективности на основе аналитического выражения энергобаланса. На рисунке 10 приведено графическое изображение реализованной имитационной модели СЭС.

Время t, сек х

Рисунок 9 — Диаграммы значений сигналов имитационной модели СЭС

На первой диаграмме рисунка 9 приведены значения сигналов моделей USB1 и USB2: максимальной мощности «Psbmax»; генерируемых мощностей «Plu» и «Р2и».

Discrete, T® ■ 1 ».

H

BFK SU

----------►jtoM

,-Ustl

« Чэ

► иаЬ2 и»!

!

UaU . Uas>2]

i 1 Ый Î-- Л

Uibt - Uabl |

ЬЫ -и H - ¡Sblj)

Fcn1 Mp"

М1)-42)уи(3) k-

L_

[иаЙР;>

----».

-p.

Ptbul РЫмлах

lib!

V01

f

. pfmjl f"<ÏÏ3tJ"-

'".Г;

Jtpp

r;

KPD_V01_Dil)>

0»

US61

Ir

<20С(%)>

' DOC_ASl

«Сип«(¡y» I^'JJ

la ].....КЖЗ

KPD_ABî_Disp

«Voilas« (V)! KPD AB1 tm

blitfk« Oulput |--p- L

KPD_V02_Disp

[UaW > -------».

--►

(Plu) 1РЛ1

ПЛа2 (-►<ЩЗ Ы>2» в -

ЫД. в .---

09Э

КР0_У02 и«*

4-1KPD

Ulb21

a t

Wn Oep 1.26^006 1

Load

•ТСС!*)»

USB2

АВ2

_i созе.ооб ^...

1

Wibm«*0ep

lZZIaèp] __________1_I_j

Ke_D»p

.........\ Wsbmsx j

УЛЛяш I f—™t ^ \ pibrn«'

S

kip

lOulp i .-.

i rcm* j

m-ua)Hwm) ¡4-

Fcn2

«Current (A}> «Voftao*(V)>

50CAB2

---кОШЗ

(IPIwli

l>4Wl

OutpU [• ►[[

074 s ;

4ÇM!

№D_AB2Jzm

KPD_AB2_D«p

Рисунок 10 - Графическое изображение имитационной модели СЭС в программном пакете Ма1ЬаЬ

На второй и третьей диаграммах рисунка 9 приведены значения сигналов напряжений и степеней зараженности моделей ABl, АВ2 (АБ1 и АБ2): «SOC ABl», «SOC АВ2» - степени заряженности; «Uabl», «Uab2» - напряжения. На четвёртой диаграмме приведены значения выходных сигналов модели SU (СУ) «m» и «п». На пятой диаграмме приведены значения сигналов токов «Iabl» и «1аЬ2» моделей ABI, АВ2, а также значения сигнала тока «In» модели Load (нагрузки). На шестой диаграмме приведены значения сигналов блока BFK (БФК) функции косинуса Келли «cosK» и сигнала «K(t)» блока Fcnl, рассчитывающего значение коэффициента использования ВАХ СБ К(/). На приведённых диаграммах видно, что АБ1 и АБ2 имеют достаточно короткие промежутки времени полностью заряженного состояния («SOC АВ»=100%), что свидетельствует о минимальных значениях установленных ёмкостей АБ1 и АБ2 (5 Ач) и площади СБ (2,98 м~). Из результатов расчётов, проведённых во второй главе, известно, что при коэффициенте К(/) равном 0,8 для энергобаланса достаточно площади СБ равной 3,03 м2, Кэ при этом равен 0,746. Результаты испытаний имитационной модели СЭС имеет близкие найденные значения необходимой площади СБ (2,98 м2) и коэффициента энергетической эффективности Ке, равного 0,783, что говорит об удовлетворительной сходимости полученных результатов.

В третьей главе проведён анализ требований к принципам построения ключей £>2С-регулятора мощности СБ и их устройств управления, рассмотрена элементная база для их построения, предложена и реализована схема транзисторного ключа на основе MOSFET-транзисторов (рисунок 11, а).

+АБ1

V

бГ г)

Рисунок 11 — Предложенные схемы транзисторного ключа 52С регулятора

мощности СБ для двух АБ и его устройства управления (драйвера): а) - Схема ключа; б) - Схема коммутирующей части драйвера; в) - Эквивалентная схема работоспособности коммутирующей части драйвера; г) - Схема управляющей части драйвера.

Здесь также предложены принципы построения коммутирующей части резервированного драйвера ключа секции СБ на базе твердотельных реле (рисунок 11, б) и управляющей части драйвера (один канал на рисунке 11, г). Отказоустойчивость драйвера наглядно представлена на эквивалентной схеме работоспособности его коммутирующей части (рисунок 11, в).

Для предложенных схем реализованы имитационные модели в программном пакете МаЛаЬ, адекватность которых подтверждена проведёнными физическими экспериментами. С помощью построенных моделей получены зависимости выделяемой на транзисторах ключа максимальной мгновенной мощности при его включении Рк1и при его отключении Рк2 для различных значений паразитной ёмкости СБ СбЬ (рисунок 14). В результате установлено, что даже в худшем случае режимы работы ключей на базе транзисторов 1ШЛ3110 находятся в области безопасной работы с минимальным относительным запасом мощности Ргар, равным 0,33.

тО.К 200

1

-0.7 150

0.6

с. •0.5 N о. £ . 100 О.

0.4

•0.3 50

. ---- ----------------------

-и-Рк2 !

—•— Рк2тах 1 ^хт

▼ Ргар 1

^—_ , _/ 1 1

1 I 1 1 1 1

4 6

СзЬ, иР

г-

Рисунок 14 - Графики зависимости выделяемой на транзисторах ключа мощности от значений паразитной ёмкости секции СБ

С помощью имитационной модели драйвера установлена функциональная зависимость времени 1:3 (сек) задержки между переключением выходов драйверов одной пары ключей от ёмкости конденсатора С, (Ф): I, = С3 • 4.6 • 103. Исходя из заранее известного времени отключения ключа 1,, полученное выражение позволяет рассчитать номинал ёмкости конденсатора С3 в драйвере, что гарантирует отсутствие протекания сквозных токов между АБ1 и АБ2.

В четвёртой главе показаны принципы построения и изготовленные образцы модуля системы управления, модуля ключей регулятора мощности СБ и модуля драйверов управления ключами регулятора мощности СБ. Резервированная АРКСЭС, реализованная для МКА «Союз-Сат-О», представляет собой параллепипед, состоящий из пяти модулей, и имеет габариты 251x126x174 мм. Данная АРКСЭС рассчитана на максимальную мощность нагрузки 350 Вт, основной алгоритм работы её СУ, апробированный в имитационной модели СЭС, при испытаниях показал корректное управление параметрами СЭС. В таблице 1 для сравнения приведены характеристики параметров реализованной АРКСЭС и АРКСЭС других МКА.

Таблица 1 - Характеристики параметров АРКСЭС МКА

Наименование Масса, кг Макс, мощн., Вт Уд. мощн., Вт/кг Макс, потери, Вт (% от макс, мощности) Кол. АБ Резервирование

АРКСЭС МКА «Союз-Сат-О» 4 350 87.5 22 (7,3 %) 2 Полное

БАС МКА «14M 101» 6,5 250 38,5 18(7,2%) 1 Частичное

БАС МКА «Стерх» 6,5 300 46 40(13%) 2 Полное

АРКСЭС МКА «CHAMP» 8.5 540 63.5 Не известно 1 Полное

АРКСЭС МКА «RapidEye» 1.5 100 66.7 Не известно 1 Частичное

АРКСЭС МКА «G10VE-A» (платформа «GEMINI») 15 1000 66.7 Не известно 1 Частичное

Из таблицы 1 видно, что резервированная АРКСЭС для МКА «Союз-Сат-О» имеет лучшие удельные массогабаритные показатели при этом обеспечивает отказоустойчивость СЭС, что подтверждает её перспективность для применения в МКА.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

На основе проведённых теоретических и экспериментальных исследований и обобщения итогов практических работ, направленных на решение задач, связанных с созданием резервированной АРКСЭС для МКА, получены следующие результаты:

1. Показана роль АРКСЭС в структуре и достигаемых характеристиках СЭС, проведён обзор и анализ современных тенденций построения структур АРКСЭС МКА, приведена новая структура АРКСЭС без импульсных преобразователей напряжения для двух АБ (патент №95191 РФ на полезную модель), показана перспективность её применения в МКА.

2. Усовершенствована методика получения известного выражения энергобаланса СЭС МКА «Гонец-М» с параллельно-последовательной структурой АРКСЭС, что позволило расширить её область применения до СЭС со структурой АРКСЭС без импульсных преобразователей напряжения. С помощью расширенной методики получено новое выражение энергобаланса СЭС на базе предложенной АРКСЭС, рассчитаны значения необходимой площади СБ и коэффициента энергетической эффективности при заданных циклограммах мощности СБ и нагрузки.

3. В программном пакете \1atlab реализованы модели блоков и компонентов СЭС, которые показали при экспериментах максимальную ошибку 8 % в диапазонах параметров штатной работы. С помощью имитационной модели СЭС уточнены площадь СБ, ёмкость АБ и коэффициент энергетиче-

ской эффективности при предложенном алгоритме работы СУ, а также при заданных циклограммах мощности нагрузки и СБ. Сходимость результатов имитационного моделирования и расчётов на основе выражения энергобаланса подтверждает адекватность построенных моделей.

4. На основе проведённого анализа условий работы ключа 52С-регулятора мощности СБ сформулированы требования к принципам его построения. Исходя из сформулированных требований предложен и реализован принцип построения транзисторного ключа, допускающего отказ одного из транзисторов на короткое замыкание, а также предложен и реализован принцип построения устройства управления ключом (драйвер), допускающего отказ одного из элементов драйвера, а также обеспечивающего аппаратную защиту от ложного сигнала системы управления на включение ключей одной секции СБ.

5. Построены адекватные имитационные модели ключа и драйвера, с помощью которых проанализированы область безопасной работы ключей и га-рантированность исключения сквозных токов между АБ в составе СЭС.

6. Предложенные принципы построения ключей и их драйверов управления позволили компактно их разместить на двух модулях, что упрощает и ускоряет процесс пусконаладочных работ.

7. Основной режим алгоритма работы системы управления АРКСЭС, апробированный в имитационной модели СЭС, при испытаниях реальной АРКСЭС показал корректное управление параметрами СЭС.

8. Реализованная АРКСЭС имеет лучшие удельные массогабаритные показатели из рассмотренных АРКСЭС других МКА и при этом обеспечивает отказоустойчивость СЭС, а принципы построения её узлов обеспечивают необходимый для современных КА срок службы и приемлемый уровень потерь мощности, что доказывает перспективность новой резервированной АРКСЭС для применения в МКА.

В качестве дальнейших перспектив развития диссертационной темы является наиболее важным на основе разработанной имитационной модели создание аппаратно-программного комплекса для испытаний и исследований СЭС на базе резервированной АРКСЭС без импульсных преобразователей напряжения. Такой комплекс даст возможность испытывать реальную АРКСЭС в условиях штатной и нештатной работы, что расширит исследования особенностей её работы. Также необходимо продолжить исследования в направлении разработки принципов построения ключей и их устройств управления, заменяющих выходные диоды АРКСЭС, что приведёт к существенному снижению потерь мощности в АРКСЭС и увеличению коэффициента энергетической эффективности СЭС.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В издании, рекомендованном ВАК РФ

1. Романенко А. С., Семенов В. Д. Модель автономной системы электроснабжения с секционированной солнечной батареей в пакете МаИ^аЬ //

Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2011. - № 2 (24), ч. 1. - С. 269-274.

Патент РФ:

2. Патент 95191 РФ. Автономная система электроснабжения с секционированной солнечной батареей / К. Г. Гордеев, В. В. Наркевич, А. С. Романенко, Я. М. Тевелевич, В. Г. Шевченко // Бюл. изобр. 2010 № 16.

Публикации в других изданиях:

3. Романенко А. С., Семенов В. Д. Имитационная модель системы электроснабжения малого космического аппарата // Материалы II Всеросс. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» («II Козловские чтения») (Самара, 12-16 сент. 2011 г.); под общ. ред. А. Н. Кириллина / СамНЦ РАН - Самара, 2011. - С. 416-419.

4. Романенко А. С. Комплекс управления системой электроснабжения малого космического аппарата / В. В. Наркевич, В. В. Омельянчук, А. С. Романенко и др. // Электронные и электромеханические системы и устройства: сб. науч. тр. - Томск: Изд-во НТЛ, 2011. - С. 49-54.

5. Романенко А. С. Резервированный транзисторный ключ регулятора мощности секционированной солнечной батареи / В. В. Наркевич, А. С. Романенко, В. Д. Семёнов // Электронные и электромеханические системы и устройства: тез. докл. науч.-техн. конф. молодых специалистов (Томск, 14-15 февр. 2013 г.) / ОАО «НПЦ "Полюс"». - Томск, 2013. - С. 34-37.

6. Романенко А. С., Какуев С. С. Моделирование комплекса управления системой электроснабжения малого космического аппарата // Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем: материалы науч.-техн. конф. молодых специалистов ОАО «ИСС» им. академика М. Ф. Решетнёва». - Железногорск, 2011. - С. 145, 146.

7. Романенко А. С. Модель микропроцессорной системы комплекса управления системой электроснабжения космического аппарата в МаИ,аЬ / С. С. Какуев , А. С. Романенко, В. Д. Семенов, В. А. Федотов // Состояние и перспективы развития электротехнологии (XVI Бенардосовские чтения): сб. науч. тр. - 2011. - Т. 3. - С. 256-258.

8. Романенко А. С., Какуев С. С. Разработка в МаИ^аЬ модели солнечной батареи с динамическим освещением // Науч. сессия ТУСУР 2010: материалы докл. Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных (Томск, 4-7 мая 2010 г.). - Томск: В-Спектр, 2010. - Ч. 4. - С. 142-145.

Тираж 100 экз. Заказ № 923. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники г. Томск, пр. Ленина, 40 тел. 53-30-18

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

На правах рукописи

04201363227

Романенко Алексей Сергеевич

РЕЗЕРВИРОВАННАЯ АППАРАТУРА РЕГУЛИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

специальность: 05.09.12 - "Силовая электроника"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор Семенов В. Д.

Томск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ................................................................4

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................5

ГЛАВА 1. АППАРАТУРЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ (АРКСЭС) СОВРЕМЕННЫХ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ (МКА)................................................................13

1.1. Этапы развития АРКСЭС космических аппаратов........................................14

1.2. Краткий обзор АРКСЭС современных МКА.................................................18

1.2.1. Научно-исследовательский МКА «CryoSat»........................................19

1.2.2. Научно-исследовательский МКА «CHAMP».......................................22

1.2.3. Навигационный МКА GIOVE A (GSTB-V2/A)....................................25

1.2.4. МКА «RapidEye» для дистанционного зондирования Земли.............28

1.2.5. Связной МКА «Гонец-М»......................................................................30

1.2.6. Экспериментальная модель МКА «Союз-Сат-О» для дистанционного зондирования Земли.............................................................33

1.3. Анализ и классификация структур СЭС современных МКА.......................36

Выводы по главе 1.....................................................................................................41

ГЛАВА 2. МОДЕЛИ СЭС С 82С-РЕГУЛЯТОРОМ МОЩНОСТИ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ (СБ) И ДВУМЯ АККУМУЛЯТОРНЫМИ БАТАРЕЯМИ (АБ)....................................................................................................42

2.1. Выражение энергобаланса СЭС с двумя АБ и АРКСЭС на базе с S2C-регулятора мощности СБ..........................................................................................42

2.1.1. Анализ выражения энергобаланса СЭС на базе АРКСЭС с параллельно-последовательной структурой...................................................43

2.1.2. Схемы распределения мощности СБ в СЭС с двумя АБ и АРКСЭС на базе 82С-регулятора мощности СБ и выражение энергобаланса.....................................................................................................48

2.2. Имитационная модель СЭС..............................................................................61

2.2.1. Структура имитационной модели системы электроснабжения.........61

2.2.2. Модель управляемой солнечной батареи.............................................67

2.2.3. Модель аккумуляторной батареи..........................................................77

2.2.4. Модели нагрузки и выходных диодов АРКСЭС..................................89

2.2.5. Модель системы управления АРКСЭС.................................................97

2.3. Оценка коэффициента энергетической эффективности СЭС на имитационной модели...............................................................................................110

Выводы по главе 2.....................................................................................................114

ГЛАВА 3. ТРАНЗИСТОРНЫЙ СИЛОВОЙ КЛЮЧ 82С-РЕГУЛЯТОРА

МОЩНОСТИ СБ.......................................................................................................115

3.1. Требования к ключу 82С-регулятора мощности СБ и его драйверу управления..................................................................................................................115

3.2. Принципы построения транзисторных ключей 82С-регулятора мощности СБ и их драйверов управления..............................................................117

3.3. Результаты исследований работы ключа регулятора мощности секционированной СБ на его модели и экспериментальном макете...................129

Выводы по главе 3.....................................................................................................155

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АРКСЭС НА БАЗЕ S2C-

РЕГУЛЯТОРА МОЩНОСТИ СБ ДЛЯ МКА «СОЮЗ-САТ-О»...........................156

4.1. Модуль системы управления АРКСЭС...........................................................157

4.2. Модуль ключей 82С-регулятора мощности СБ.............................................162

4.3. Модуль драйверов ключей 82С-регулятора мощности СБ...........................165

4.4. Характеристики изготовленного образца АРКСЭС......................................169

Выводы по 4 главе.....................................................................................................173

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................174

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................................................177

Приложение А Программа расчёта необходимой для энергобаланса площади СБ и коэффициента энергетической эффективности СЭС с S2C-

регулятором мощности СБ и двумя АБ в программном пакете MathCAD.........188

Приложение Б Программы описания и расчёта модели управляемой СБ..........192

Приложение В Акты о внедрении............................................................................195

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

КА - Космический аппарат

МКА - Малый космический аппарат

СЭС - Система электроснабжения

АРКСЭС - Аппаратура регулирования и контроля системы

электроснабжения

САС - Срок активного существования

ЗУ - Зарядное устройство

РУ - Разрядное устройство

СН - Стабилизатор напряжения

ЭРМ - Экстремальный регулятор мощности

ИМ СЭС — Имитационная модель системы электроснабжения

КПД - Коэффициент полезного действия

ВАХ - Вольт-амперная характеристика

ВВХ - Вольт-ваттная характеристика

БФК - Блок формирования коэффициентов

СБ - Солнечная батарея

ССБ - Секционированная солнечная батарея

УСБ - Управляемая солнечная батарея

АБ - Аккумуляторная батарея

ПБ - Программный блок

СУ - Система управления

ДШ - Дешифратор

ВВЕДЕНИЕ

Малые космические аппараты (МКА) - это условное обозначение класса космических аппаратов, имеющих массу до 500-1000 кг (граница условная). Создание современных МКА является новым и перспективным направлением, оно активно развивается во всём мире, так как увеличивает возможность доступа к космосу ещё большему количеству частных и государственных компаний, а также открывает новые направления в космической отрасли (например создание орбитальной группировки МКА для формирования единой системы). МКА предназначались для задач дистанционного зондирования Земли (Kyokko, Космос, Bhaskara, QFEQ, EarlyBird, Eros и.т.д.) [1,2], научно-исследовательских и экспериментальных задач (Спутник, Авангард, San Marco, Heos, ISIS, Solrad, Aureole, Explorer, и.т.д.), задач связи и теле-радио-вещания (ATS, Skynet, Don Fang Hong, Shi Jian, Гонец-М, Globalstar и.т.д.), метеорологии, океанографии, геодезии (TIROS, ESSA, Nimbus, ITOS, Lageos, GMS, GFO, ROCSAT, и.т.д.). К настоящему времени количество запусков МКА на различные орбиты составляет не менее 30 штук в год (рисунок 1) [1, 3].

3 p 1 □ Нано И Микро(Мк В Мини(Мн)

1 1 п é 3ft

I 1 § i Ё 9 i -1 21 9 1 ш 10 1 S 12 23 Ж

1 -п- 1 1 I 44- i 1 ззг i 1 "ЗЁ § i I -w- g Ê 3JE i -Ж г 7 i S i 1

ш Ш ^ á « Z--ft- — 4 ÊiË i

1981 1986 1991 1996 2001 2006

Рисунок 1 - Количество МКА выведенных на орбиту до 2010 года

Относительное количество выведенных на орбиту МКА из всех выведенных КА за период с 1990 по 2010 год представлено на рисунке 2 [4, 5]. На фоне запусков всех КА линия регрессии характеризуется плавным нарастанием, что говорит о постепенном увеличении интереса к МКА.

100т

,„1___j___!_ .1_¡- _Ч--" ■■■■______ . 1 1 1 I _____(_[_,

1990 1995 2000 2005 2010

Год

Рисунок 2 - Количество выведенных МКА относительно всех КА

В России использование МКА активно осваивается. Среди выведенных на орбиту, известны микроспутники, созданные университетами совместно с крупными в космической отрасли Российскими компаниями, это: «ТНС» (РНИИ космического приборостроения совместно с ИПМ им. М. В. Келдыша РАН), «Университетский» и «Татьяна» (МГУ им. М. В. Ломоносова), «Колибри» (ИКИ РАН), «Юбилейный» и «МиР» (ОАО «Информационные спутниковые системы им. М. Ф. Решетнёва»), «Бауманец» (МГТУ им. Н. Э. Баумана) [6, 7] и др. Прорабатываются новые технические решения на микроспутниках «Юбилейный 2» (ОАО «ИСС им. М. Ф. Решетнёва»), «Аист 1», «Аист 2», «Аист 3» (ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс») [8, 9]. Среди Российских миниспутников, выведенных и функционирующих на околоземных орбитах, известны «Гонец-М» (ОАО «ИСС им. М. Ф. Решетнёва») [6], «Канопус-В» (ВНИИЭМ) [10].

Растущий интерес заказчиков к МКА объясняется тем, что за счёт упрощения космического аппарата (КА) и снижения его массогабаритных показателей уменьшается стоимость разработки и изготовления, а также услуг по выведению

на орбиту. Однако при этом выдвигаются требования к высокому уровню надёжности, длительному сроку службы [11], радиационной стойкости и др. важных параметров бортовой аппаратуры, поэтому перед разработчиками МКА стоит сложная задача - найти компромисс между уменьшением массогабаритных показателей бортовых систем и сохранением высокого уровня требований, предъявляемых к параметрам космической техники. В связи с этим непрерывно ведётся поиск наиболее оптимальных технических решений построения бортовых систем МКА. Особенно это касается системы электроснабжения (СЭС), так как она является наиболее крупногабаритной и должна быть отказоустойчивой (СЭС любого космического аппарата является одной из важнейших систем, от которой в первую очередь зависит функционирование всего КА). Достаточная отказоустойчивость СЭС часто достигается с помощью различных способов резервирования её элементов, однако в зависимости от структуры построения аппаратуры регулирования и контроля СЭС (АРКСЭС), повышение живучести может вызвать недопустимое для МКА увеличение массогабаритных показателей.

АРКСЭС современных МКА строятся на базе импульсных преобразователей напряжения, на базе транзисторных регуляторов мощности секционированной солнечной батареи без импульсных преобразователей, либо комбинированными. Среди данных структур известны классические, отработанные на больших КА структуры АРКСЭС, а также имеются новые. Каждая структура обладает рядом индивидуальных преимуществ и недостатков, однако структуры, имеющие в своём составе импульсные преобразователи, при их полном резервировании ведут к недопустимому для МКА увеличению массы и габаритов АРКСЭС (из-за громоздких конденсаторов и магнитных элементов). Для МКА «Союз-Сат-О» в ОАО «НПЦ «Полюс» совместно с ПО «Полёт» разработана новая структура СЭС на базе АРКСЭС без импульсных преобразователей напряжения. В данную СЭС входит солнечная батарея, разделённая на 16 секций, две аккумуляторные батареи и полностью резервированная АРКСЭС, которая имеет большой набор контролируемых параметров, несколько автономных и управляемых с Земли режимов работ и один из самых высоких удельных массогабаритных показателей (Вт/кг).

Разработанная СЭС отказоустойчива к выходу из строя одного её любого элемента, структура её АРКСЭС является новой и перспективной для применения в МКА, однако мало изученной. Для исследований данной СЭС необходимо иметь имитационную модель, позволяющую изменять её структуру и учитывающую программный алгоритм работы её АРКСЭС, поэтому является актуальной научно-технической задачей создание инструмента для исследования и разработки СЭС на базе АРКСЭС без импульсных преобразователей в энергетическом канале, и оценка энергетических характеристик СЭС при принятом алгоритме работы, а также разработка и исследование её базовых узлов.

Разработкой СЭС МКА занимаются Российские компании: ОАО «НПЦ «Полюс» (г. Томск), ОАО «Информационные спутниковые системы имени академика М. Ф. Решетнева» (г. Железногорск), ФГУП ГНП РКЦ «ЦСКБ Прогресс» (г. Самара), ПО «Полёт» (г. Омск) и др., а также зарубежные компании: Surrey Satellite Technology Ltd (Великобритания), Clyde Space Ltd (Шотландия), ASTRIUM (Германия). Большой вклад в исследования СЭС КА внесли учёные: А. И. Чернышёв, Б. П. Соустин, В. И. Иванчура, Ю. А. Шиняков, А. Б. Токарев, В. С. Кудряшов, К. С. Кларк, А. Кэйпел и др.

Объектом исследований настоящей работы является резервированная АРКСЭС без импульсных преобразователей в энергетическом канале.

Предметом исследований является структура резервированной АРКСЭС без импульсных преобразователей напряжения, алгоритмы управления АРКСЭС и энергетические характеристики.

Целью диссертационной работы является разработка структуры резервированной АРКСЭС без импульсных преобразователей напряжения и исследование её энергетических характеристик.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ современных структур СЭС МКА.

2. Получить выражение энергобаланса и имитационную модель СЭС без импульсных преобразователей напряжения, и использовать их в качестве

инструмента, позволяющего достоверно находить необходимую площадь солнечной батареи, емкость аккумуляторной батареи, энергетические характеристики СЭС при заданных алгоритме работы АРКСЭС, циклограммах мощности нагрузки и мощности солнечной батареи.

3. Разработать и исследовать принципы построения резервированных транзисторных ключей АРКСЭС и их устройств управления.

4. Разработать практические схемы устройств и систем, реализующих АРКСЭС без импульсных преобразователей напряжения.

Основная идея диссертации состоит в исследовании и разработке АРКСЭС, базирующейся на принципе разделения солнечной батареи на секции и их коммутации на несколько аккумуляторных батарей группами транзисторных ключей для регулирования мощности солнечной батареи по заданному алгоритму.

Методы исследований базируются на общих положениях теории баланса мощности в электрических цепях, вычислительных методах с использованием современных инструментальных систем, методах математического и имитационного моделирования в программных пакетах Ма&САО и Ма^аЬ, методах построения булевых моделей надёжности, а также методах автоматного программирования и физического макетирования.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается обоснованностью принятых допущений, адекватностью элементов моделей, численными расчётами, экспериментальной проверкой, компьютерным моделированием, а также удовлетворительной сходимостью численных результатов, полученных на энергобалансной и имитационной моделях СЭС.

Научная новизна работы заключается в теоретических разработках и практических исследованиях, суть которых состоит в следующем:

1. Разработана новая структура резервированной АРКСЭС (защищена патентом РФ № 95191 на полезную модель), отличающаяся тем, что регулирование мощности секционированной солнечной батареи осуществляется в цепи двух аккумуляторных батарей транзисторными ключами с частотой переключений не

более 1 Гц, что позволяет осуществлять гарантированную работоспособность СЭС при отказе одного из её элементов при высоких удельных массогабаритных показателях АРКСЭС.

2. Создана имитационная модель СЭС на базе новой структуры АРКСЭС, содержащая модели управляемой солнечной батареи, системы управления на базе метода автоматного программирования, которая позволила оценить необходимую площадь солнечной батареи, коэффициент энергетической эффективности и ёмкость аккумуляторной батареи при заданных алгоритме работы, циклограммах мощности нагрузки и солнечной батареи.

3. Получено новое аналитическое выражение энергобаланса СЭС на базе АРКСЭС без импульсных преобразователей напряжения на основе схем распределения мощности солнечной батареи, позволившее подтвердить адекватность имитационной модели СЭС.

4. Разработаны принцип построения транзисторных ключей регулятора мощности солнечной батареи для новой АРКСЭС, при котором отказ транзистора на короткое замыкание не нарушает нормальную работоспособность ключа, и принцип построения устройств управления ключами, которые позволили повысить отказоустойчивость СЭС и обеспечить безопасные режимы работы аккумуляторных батарей.

Практическая ценность научных результатов работы заключается в повышении качества и сокращении времени проектирования СЭС на базе АРКСЭС без импульсных преобразователей напряжения с помощью разработанного моделирующего комплекса. Практически реализованы ключи регулятора мощности солнечной батареи, допускающие отказ одного из транзисторов на короткое замыкание, а также их резервированных устройств управления. Результаты проведённого анализа принципов работы предложенного ключа и его устройства управления подтвердили обеспечение безопасной работы транзисторов и аккумуляторных батарей.

Построенные модели (имитационная и энергобалансная) могут быть положены в основу построения диалогового аппаратно-программного комплекса

и

испытаний и исследований СЭС для КА, а принципы построения имитационной модели и некоторых её блоков могут послужить для построения модели улучшенной или другой СЭС.

Внедрение результатов работы Результаты диссертационных исследований использованы в «НИИ КС имени А. А. Максимова» - филиале ФГУП «ГКНПЦ имени М. В. Хруничева» при проведении опытно-кострукторских работ по разработке экспериментальной модели микроспутника «Союз-Сат-О», в ОАО «НПЦ «Полюс» при разработке АРКСЭС для СЭС МКА «Союз-Сат-О», а также внедрены в учебном процессе кафедры «Промышленная электроника» ТУСУР. Подтверждением реализации результ