UNIVERSITÉ NATIONALE EURASIENNE
Eux. L.N. Goumilyov
Faculté de Physique et Technologie
Département d'ingénierie et de technologie spatiales
RAPPORT
PAR PRODUCTION
PRATIQUE
ASTANA 2016
Introduction………………………………………………………………………………...........3
1 informations générales sur l'alimentation électrique des engins spatiaux.……………....4
1.1 Sources primaires d'électricité……………………………4
1.2 Automatisation du système d'alimentation électrique.................................................. ......... ….5
2 Centrales solaires spatiales…………..…………………..…......6
2.1 Principe de fonctionnement et conception des batteries solaires………….….....6
3 Centrales électrochimiques spatiales…………………………..12
3.1 Sources de courant chimique……………………………………...13
3.2 Piles argent-zinc…………………....15
3.3 Piles nickel-cadmium………………………16
3.4 Batteries nickel-hydrogène……………………..17
4 Sélection des paramètres des panneaux solaires et du stockage tampon.........18
4.1 Calcul des paramètres du stockage tampon…………………………18
4.2 Calcul des paramètres des panneaux solaires……………………………..20
Conclusion………………………………………………………………………………….23
Liste des sources utilisées………………………………………………………...24
Spécifications...………………………………………………………………………………25
INTRODUCTION
L'un des systèmes embarqués les plus importants de tout vaisseau spatial, qui détermine principalement ses caractéristiques de performance, sa fiabilité, sa durée de vie et son efficacité économique, est le système d'alimentation électrique. Par conséquent, les problèmes de développement, de recherche et de création de systèmes d’alimentation électrique pour engins spatiaux sont d’une importance primordiale.
L'automatisation des processus de contrôle de vol de tout engin spatial (SC) est impensable sans énergie électrique. L'énergie électrique est utilisée pour alimenter tous les éléments des dispositifs et équipements du vaisseau spatial (groupe de propulsion, commandes, systèmes de communication, complexe d'instruments, chauffage, etc.).
En général, le système d'alimentation électrique génère de l'énergie, la convertit et la régule, la stocke pour les périodes de demande de pointe ou de fonctionnement fantôme et la distribue dans tout le vaisseau spatial. Le sous-système d'alimentation électrique peut également convertir et réguler la tension ou fournir une plage de niveaux de tension. Il allume et éteint fréquemment l'équipement et, pour augmenter la fiabilité, le protège contre court-circuit et isole les défauts. La conception du sous-système dépend du rayonnement cosmique, qui provoque la dégradation des panneaux solaires. La durée de vie d’une batterie chimique limite souvent la durée de vie d’un vaisseau spatial.
Les problèmes actuels sont l'étude des caractéristiques de fonctionnement des sources d'énergie spatiales. L'étude et l'exploration de l'espace extra-atmosphérique nécessitent le développement et la création d'engins spatiaux à diverses fins. Actuellement le plus grand utilisation pratique recevoir un vaisseau spatial automatique sans pilote pour former système mondial communications, télévision, navigation et géodésie, transmission d'informations, étude des conditions météorologiques et des ressources naturelles de la Terre, ainsi que exploration de l'espace lointain. Pour les créer, il est nécessaire de garantir des exigences très strictes en matière de précision de l'orientation de l'appareil dans l'espace et de correction des paramètres orbitaux, ce qui nécessite d'augmenter l'alimentation électrique des engins spatiaux.
Informations générales sur l'alimentation électrique des engins spatiaux.
La géométrie, la conception, la masse et la durée de vie active du vaisseau spatial sont largement déterminées par le système d'alimentation électrique du vaisseau spatial. Système d'alimentation ou autrement appelé système d'alimentation électrique (PSS) vaisseau spatial - un système de vaisseau spatial qui alimente d'autres systèmes est l'un des systèmes critiques. Une panne du système d'alimentation électrique entraîne une panne de l'ensemble de l'appareil.
Le système d'alimentation électrique comprend généralement : une source d'électricité primaire et secondaire, des transformateurs, dispositif de chargement et contrôle automatique.
1.1 Sources d'énergie primaires
Différents générateurs d'énergie sont utilisés comme sources primaires :
Panneaux solaires;
Sources de courant chimiques :
Batteries;
Cellules galvaniques ;
Réservoirs de carburant;
Sources d'énergie radio-isotopiques ;
Réacteurs nucléaires.
La source principale comprend non seulement le générateur d'électricité lui-même, mais également les systèmes qui le desservent, par exemple le système d'orientation des panneaux solaires.
Les sources d'énergie sont souvent combinées, par exemple une batterie solaire avec une batterie chimique.
Réservoirs de carburant
Les piles à combustible ont des caractéristiques de poids, de taille et une densité de puissance élevées par rapport à une paire de batteries solaires et à une batterie chimique, résistent aux surcharges, ont une tension stable et sont silencieuses. Cependant, ils nécessitent un approvisionnement en carburant, ils sont donc utilisés sur des appareils dont la durée de séjour dans l'espace va de plusieurs jours à 1 à 2 mois.
Les piles à combustible hydrogène-oxygène sont principalement utilisées, car l'hydrogène fournit le pouvoir calorifique le plus élevé et, en outre, l'eau formée à la suite de la réaction peut être utilisée sur des engins spatiaux habités. Pour assurer le fonctionnement normal des piles à combustible, il est nécessaire d'assurer l'élimination de l'eau et de la chaleur générées par la réaction. Un autre facteur limitant est le coût relativement élevé de l’hydrogène et de l’oxygène liquides et la difficulté de les stocker.
Sources d'énergie radio-isotopiques
Les sources d'énergie radio-isotopiques sont utilisées principalement dans les cas suivants :
Durée de vol élevée ;
Missions dans les régions extérieures du système solaire, où le flux de rayonnement solaire est faible ;
Les satellites de reconnaissance équipés d'un radar à balayage latéral ne peuvent pas utiliser de panneaux solaires en raison de leurs orbites basses, mais ont un besoin énergétique élevé.
1.2 Automatisation du système d'alimentation électrique
Il comprend des dispositifs permettant de contrôler le fonctionnement de la centrale électrique, ainsi que de surveiller ses paramètres. Tâches typiques sont : le maintien des paramètres du système dans des plages spécifiées : tension, température, pression, commutation des modes de fonctionnement, par exemple, commutation vers une source d'alimentation de secours ; reconnaissance de pannes, protection de secours des alimentations électriques, notamment par courant ; transmission d'informations sur l'état du système de télémétrie et à la console de l'astronaute. Dans certains cas, il est possible de passer du contrôle automatique au contrôle manuel soit depuis la console de l'astronaute, soit par des commandes du centre de contrôle au sol.
Informations connexes.
Droit d’auteur des illustrations SPL
Les missions spatiales d’une durée de plusieurs décennies, voire plus, nécessiteront une nouvelle génération de sources d’énergie. Le chroniqueur a décidé de déterminer les options dont disposent les concepteurs.
Le système électrique est un élément essentiel d’un vaisseau spatial. Ces systèmes doivent être extrêmement fiables et conçus pour résister à des conditions difficiles.
Les appareils modernes et complexes nécessitent de plus en plus d’énergie. À quoi ressemble l’avenir de leurs sources d’énergie ?
Moyenne smartphone moderne Peut à peine tenir une journée avec une seule charge. Et la sonde Voyager, lancée il y a 38 ans, transmet toujours des signaux vers la Terre, ayant déjà quitté le système solaire.
Les ordinateurs du Voyager sont capables d'effectuer 81 000 opérations par seconde, mais le processeur du smartphone fonctionne sept mille fois plus vite.
- Autres articles sur le site BBC Future en russe
Bien entendu, lors de la conception d’un téléphone, on suppose qu’il sera rechargé régulièrement et qu’il est peu probable qu’il se trouve à plusieurs millions de kilomètres de la prise la plus proche.
Il ne sera pas possible de charger la batterie d'un vaisseau spatial, qui, selon le plan, devrait être situé à une centaine de millions de kilomètres de la source actuelle - il doit pouvoir soit embarquer des batteries d'une capacité suffisante pour fonctionner pendant des décennies , ou produire de l'électricité par elle-même.
Il s’avère que résoudre un tel problème de conception est assez difficile.
Certains appareils embarqués n’ont besoin d’électricité qu’occasionnellement, mais d’autres doivent fonctionner en permanence.
Les récepteurs et les émetteurs doivent toujours être allumés, ainsi que les systèmes de survie et d'éclairage lors d'un vol habité ou d'une station spatiale habitée.
Droit d’auteur des illustrations NASA Légende Les moteurs Voyager ne sont pas les plus modernes, mais ils fonctionnent avec succès depuis 38 ansLe Dr Rao Surampudi dirige le programme de technologies énergétiques au Jet Propulsion Laboratory du California Institute of Technology aux États-Unis. Depuis plus de 30 ans, il développe des systèmes d'alimentation électrique pour différents véhicules de la NASA.
Le système électrique représente généralement environ 30 % de la masse totale d’un vaisseau spatial, a-t-il déclaré. Il résout trois problèmes principaux :
- production d'électricité
- stockage d'électricité
- distribution d'électricité
Toutes ces parties du système sont essentielles au fonctionnement de l’appareil. Ils doivent être légers, durables et avoir une « densité énergétique » élevée, c'est-à-dire produire beaucoup d'énergie à partir d'un volume assez petit.
De plus, ils doivent être fiables, car envoyer une personne dans l'espace pour réparer des pannes est très peu pratique.
Le système doit non seulement générer suffisamment d'énergie pour répondre à tous les besoins, mais également le faire tout au long du vol, qui pourrait durer des décennies et, à l'avenir, peut-être des siècles.
"La durée de vie de conception doit être longue - si quelque chose tombe en panne, il n'y aura personne pour le réparer", explique Surampudi. "Un vol vers Jupiter prend de cinq à sept ans, vers Pluton - plus de 10 ans, et pour quitter le Soleil. système, il faut entre 20 et 30 ans."
Droit d’auteur des illustrations NASA Légende La mission de déviation d'astéroïdes de la NASA utilisera nouveau genre alimenté par l'énergie solaire - plus efficace et durable que ses prédécesseursLes systèmes d'alimentation d'un engin spatial sont soumis à des conditions bien précises : ils doivent rester opérationnels en l'absence de gravité, dans le vide, sous l'influence de rayonnements très intenses (qui détruiraient la plupart des appareils électroniques classiques) et de températures extrêmes.
"Si vous atterrissez sur Vénus, la température extérieure sera de 460 degrés", explique le spécialiste. "Et lors de l'atterrissage sur Jupiter, la température sera de moins 150."
Les véhicules se dirigeant vers le centre du système solaire ne manquent pas d’énergie captée par leurs panneaux photovoltaïques.
Ces panneaux peuvent paraître un peu différents des panneaux solaires installés sur les toits des immeubles résidentiels, mais ils fonctionnent avec une efficacité bien supérieure.
Il fait très chaud près du Soleil et les panneaux photovoltaïques peuvent surchauffer. Pour éviter cela, les panneaux sont tournés vers le Soleil.
En orbite planétaire, les panneaux photovoltaïques sont moins efficaces : ils produisent moins d'énergie, car de temps en temps ils sont isolés du Soleil par la planète elle-même. DANS situations similaires nécessaire système fiable stockage d'Energie.
Solution atomique
Un tel système peut être construit sur la base de batteries nickel-hydrogène capables de supporter plus de 50 000 cycles de charge et de fonctionner pendant plus de 15 ans.
Contrairement aux batteries ordinaires, qui ne fonctionnent pas dans l’espace, ces batteries sont scellées et peuvent fonctionner normalement dans le vide.
À mesure que vous vous éloignez du Soleil, le niveau de rayonnement solaire diminue naturellement : pour la Terre, il est de 1374 watts par mètre carré, pour Jupiter - 50 et pour Pluton - seulement un watt par mètre carré.
Par conséquent, si l’appareil vole au-delà de l’orbite de Jupiter, il utilise alors des systèmes à énergie atomique.
Le plus courant d’entre eux est le générateur thermoélectrique à radio-isotopes (RTG), utilisé sur les sondes des rover Voyager, Cassini et Curiosity.
Droit d’auteur des illustrations NASA Légende Un générateur Stirling de radio-isotopes amélioré est envisagé comme source d'énergie possible pour les missions de longue durée.Ces alimentations ne comportent aucune pièce mobile. Ils produisent de l'énergie à partir de la désintégration d'isotopes radioactifs tels que le plutonium. Leur durée de vie dépasse 30 ans.
Si les RTG ne peuvent pas être utilisés (par exemple, si un écran trop massif pour le vol est nécessaire pour protéger l'équipage des radiations) et que les panneaux photovoltaïques ne conviennent pas car la distance au Soleil est trop grande, alors les piles à combustible peuvent être utilisées. .
Les piles à combustible hydrogène-oxygène ont été utilisées dans les programmes spatiaux américains Gemini et Apollo. Ces cellules ne peuvent pas être rechargées, mais elles libèrent beaucoup d’énergie et le sous-produit de ce processus est de l’eau, que l’équipage peut ensuite boire.
La NASA et le Jet Propulsion Laboratory travaillent à la création de systèmes plus puissants, plus énergivores et plus compacts, dotés d'une durée de vie élevée.
Mais les nouveaux engins spatiaux ont de plus en plus besoin d’énergie : leurs systèmes embarqués sont de plus en plus complexes et consomment beaucoup d’électricité.
Pour les vols longs, la propulsion atomique-électrique peut être utilisée
Cela est particulièrement vrai pour les navires utilisant une propulsion électrique, par exemple la propulsion ionique, utilisée pour la première fois sur la sonde Deep Space 1 en 1998 et largement adoptée depuis lors.
Les moteurs électriques fonctionnent généralement en émettant du carburant électriquement à grande vitesse, mais il y a aussi ceux qui accélèrent l'appareil grâce à une interaction électrodynamique avec champs magnétiques planètes.
La plupart des systèmes énergétiques terrestres ne sont pas capables de fonctionner dans l’espace. Par conséquent, tout nouveau circuit est soumis à une série de tests sérieux avant d’être installé sur un vaisseau spatial.
Les laboratoires de la NASA recréent les conditions difficiles dans lesquelles le nouvel appareil devra fonctionner : il est irradié par des rayonnements et soumis à des changements de température extrêmes.
Vers de nouvelles frontières
Il est possible que les futurs vols utilisent des générateurs Stirling de radio-isotopes améliorés. Ils fonctionnent sur un principe similaire aux RTG, mais sont beaucoup plus efficaces.
De plus, ils peuvent être de très petite taille, bien que cela complique encore davantage la conception.
De nouvelles batteries sont également créées pour le vol prévu de la NASA vers Europe, l'une des lunes de Jupiter. Ils pourront fonctionner à des températures de -80 à -100 degrés.
Et les nouvelles batteries lithium-ion sur lesquelles les concepteurs travaillent actuellement auront une capacité deux fois supérieure à celle des batteries actuelles. Avec leur aide, les astronautes pourront, par exemple, passer deux fois plus de temps sur la surface lunaire avant de regagner le vaisseau pour se ressourcer.
Droit d’auteur des illustrations SPL Légende Pour fournir de l’énergie à de telles colonies, de nouveaux types de combustibles seront très probablement nécessaires.De nouveaux panneaux solaires sont également en cours de conception, qui pourraient collecter efficacement de l'énergie dans des conditions de faible luminosité et de basses températures, ce qui permettrait aux appareils installés sur des panneaux photovoltaïques de voler plus loin du Soleil.
À un moment donné, la NASA a l'intention d'établir une base permanente sur Mars – et peut-être sur des planètes plus lointaines.
Les systèmes énergétiques de ces colonies doivent être beaucoup plus puissants que ceux actuellement utilisés dans l’espace et conçus pour fonctionner beaucoup plus longtemps.
La Lune contient beaucoup d'hélium-3 - cet isotope est rare sur Terre et constitue un combustible idéal pour les centrales électriques à fusion. Cependant, il n’a pas encore été possible d’atteindre une stabilité suffisante de la fusion thermonucléaire pour pouvoir utiliser cette source d’énergie dans les engins spatiaux.
De plus, les réacteurs thermonucléaires qui existent aujourd’hui occupent l’espace d’un hangar d’avion et, sous cette forme, il est impossible de les utiliser pour des vols spatiaux.
Est-il possible d'utiliser des réacteurs nucléaires conventionnels - notamment dans les véhicules à propulsion électrique et dans les missions prévues sur la Lune et sur Mars ?
Dans ce cas, la colonie n’aura pas besoin de maintenir une source d’électricité distincte : le réacteur du navire peut jouer son rôle.
Pour les vols longs, la propulsion atomique-électrique peut être utilisée.
"La mission de déviation de l'astéroïde nécessite de grands panneaux solaires pour fournir suffisamment d'énergie électrique pour manœuvrer autour de l'astéroïde", explique Surampudi. "Nous étudions actuellement la propulsion solaire-électrique, mais la propulsion nucléaire-électrique serait moins chère."
Cependant, il est peu probable que nous voyions de sitôt des engins spatiaux à propulsion nucléaire.
"Cette technologie n'est pas encore suffisamment mature. Il faut être absolument sûr de sa sécurité avant de lancer un tel appareil dans l'espace", explique le spécialiste.
Des tests plus rigoureux sont nécessaires pour garantir que le réacteur peut résister aux rigueurs des vols spatiaux.
Tous ces systèmes énergétiques avancés permettront aux engins spatiaux de fonctionner plus longtemps et de parcourir de plus longues distances – mais ils en sont encore aux premiers stades de développement.
Une fois les tests réussis, ces systèmes deviendront un élément obligatoire des vols vers Mars – et au-delà.
- Vous pouvez le lire sur le site Internet.
Le développement d’une technologie spatiale compétitive nécessite une transition vers de nouveaux types de batteries répondant aux exigences des systèmes d’alimentation électrique des engins spatiaux prometteurs.
De nos jours, les vaisseaux spatiaux sont utilisés pour organiser les systèmes de communication, de navigation, de télévision, étudier les conditions météorologiques et les ressources naturelles de la Terre et explorer l'espace lointain.
L'une des principales conditions pour de tels dispositifs est une orientation précise dans l'espace et une correction des paramètres de mouvement. Cela augmente considérablement les exigences relatives au système d'alimentation électrique de l'appareil. Les problèmes d'alimentation électrique des engins spatiaux et, en premier lieu, les développements visant à identifier de nouvelles sources d'électricité, sont d'une importance primordiale au niveau mondial.
Actuellement, les principales sources d’électricité pour les engins spatiaux sont les batteries solaires et rechargeables.
Les panneaux solaires ont atteint leurs limites physiques en termes de performances. Leur amélioration est possible grâce à de nouveaux matériaux, notamment l'arséniure de gallium. Cela augmentera la puissance de 2 à 3 fois batterie solaire ou réduire sa taille.
Parmi batteries Les batteries nickel-hydrogène sont aujourd’hui largement utilisées pour les engins spatiaux. Cependant, les caractéristiques énergétiques et massiques de ces batteries ont atteint leur maximum (70-80 Wh/kg). Leur amélioration ultérieure est très limitée et nécessite en outre des coûts financiers importants.
À cet égard, le marché des technologies spatiales introduit actuellement activement batteries lithium-ion(LIA).
Les caractéristiques des batteries lithium-ion sont beaucoup plus élevées que celles d'autres types de batteries avec une durée de vie et un nombre de cycles de charge-décharge similaires. L'énergie spécifique des batteries lithium-ion peut atteindre 130 Wh/kg ou plus, et l'efficacité énergétique est de 95 %.
Un fait important est que les LIB de même taille standard sont capables de fonctionner en toute sécurité à leur connexion parallèle Ainsi, il est facile de regrouper des batteries lithium-ion de différentes capacités.
L'une des principales différences entre les LIB et les batteries nickel-hydrogène est la présence d'unités d'automatisation électroniques qui surveillent et gèrent le processus de charge-décharge. Ils sont également chargés de niveler le déséquilibre de tension des LIB individuels et assurent la collecte et la préparation des informations télémétriques sur les principaux paramètres de la batterie.
Néanmoins, le principal avantage des batteries lithium-ion est considéré comme une réduction de poids par rapport aux batteries traditionnelles. Selon les experts, l'utilisation de batteries lithium-ion sur des satellites de télécommunications d'une puissance de 15 à 20 kW réduira le poids des batteries de 300 kg. Étant donné que le coût de la mise en orbite de 1 kg de masse utile est d'environ 30 000 dollars, cela réduira considérablement les coûts financiers.
L'un des principaux Développeurs russes Des batteries similaires pour engins spatiaux sont OJSC Aviation Electronics and Communication Systems (AVEX), qui fait partie de KRET. Le processus technologique de fabrication des batteries lithium-ion dans l'entreprise garantit une fiabilité élevée et des coûts réduits.
