Введение к работе
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:
-
Провести анализ современных структур СЭС МКА.
-
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.
-
Разработать и исследовать принципы построения резервированных транзисторных ключей АРКСЭС и устройств для их управления.
-
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 MathCAD и MatLab, 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:
-
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.
-
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.
-
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 транзи
стора на короткое замыкание не нарушает нормальную работоспособность
ключа, и принцип построения устройств управления ключами, которые позво
лили повысить отказоустойчивость СЭС и обеспечить безопасные режимы ра
боты 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» ТУСУР. Подтверждением реализации результатов диссертационной работы является наличие соответствующих актов о внедрении.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
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.
-
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.
-
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.
