EURAZIJOS NACIONALINIS UNIVERSITETAS
Juos. L.N. Gumiliovas
Fizikos ir technologijų fakultetas
Kosmoso inžinerijos ir technologijų katedra
ATASKAITA
PAGAL GAMYBĄ
PRAKTIKA
ASTANA 2016 m
Įvadas…………………………………………………………………………………………………………
1 Bendra informacija dėl erdvėlaivių maitinimo.……………………
1.1 Pirminiai elektros energijos šaltiniai………………………………4
1.2 Maitinimo sistemos automatizavimas................................................ ......... ....5
2 Saulės erdvės elektrinės…………..……………………..………………………………………………………………
2.1 Saulės baterijų veikimo principas ir konstrukcija………….……..6
3 Elektrocheminės kosminės elektrinės……………………………..12
3.1 Cheminės srovės šaltiniai……………………………………………..13
3.2 Sidabrinės-cinko baterijos………………………..15
3.3 Nikelio-kadmio baterijos…………………………16
3.4 Nikelio-vandenilio baterijos………………………..17
4 Saulės baterijų ir buferinės saugyklos parametrų parinkimas.........18
4.1 Buferinės saugyklos parametrų apskaičiavimas……………………………18
4.2 Saulės kolektorių parametrų skaičiavimas………………………………..20
Išvada…………………………………………………………………………………….23
Naudotų šaltinių sąrašas…………………………………………………………24
Specifikacijos……………………………………………………………………………………25
ĮVADAS
Viena iš svarbiausių bet kurio erdvėlaivio borto sistemų, kuri pirmiausia lemia jo eksploatacines charakteristikas, patikimumą, tarnavimo laiką ir ekonominį efektyvumą, yra maitinimo sistema. Todėl erdvėlaivių energijos tiekimo sistemų kūrimo, tyrimų ir kūrimo problemos yra itin svarbios.
Be jokio erdvėlaivio (SC) skrydžio valdymo procesų automatizavimas neįsivaizduojamas elektros energija. Elektros energija naudojama visiems erdvėlaivių prietaisų ir įrangos elementams (varomajai grupei, valdikliams, ryšių sistemoms, instrumentų kompleksas, šildymas ir kt.).
Apskritai energijos tiekimo sistema generuoja energiją, ją konvertuoja ir reguliuoja, kaupia didžiausio poreikio ar šešėlinio veikimo laikotarpiais ir paskirsto visame erdvėlaivyje. Maitinimo posistemis taip pat gali konvertuoti ir reguliuoti įtampą arba teikti įvairius įtampos lygius. Jis dažnai įjungia ir išjungia įrangą ir, kad padidintų patikimumą, apsaugo nuo trumpas sujungimas ir izoliuoja gedimus. Posistemio konstrukcijai įtakos turi kosminė spinduliuotė, kuri sukelia saulės baterijų degradaciją. Cheminės baterijos veikimo laikas dažnai riboja erdvėlaivio tarnavimo laiką.
Dabartinės problemos yra kosminių energijos šaltinių veikimo ypatybių tyrimas. Kosmoso tyrinėjimams ir tyrinėjimams reikia sukurti ir sukurti įvairiems tikslams skirtus erdvėlaivius. Šiuo metu didžiausias praktinis naudojimas gauti automatinius nepilotuojamus erdvėlaivius pasaulinė sistema ryšiai, televizija, navigacija ir geodezija, informacijos perdavimas, oro sąlygų ir Žemės gamtos išteklių tyrimas, taip pat giluminiai kosminiai tyrinėjimai. Norint juos sukurti, būtina užtikrinti labai griežtus įrenginio orientacijos erdvėje tikslumo ir orbitos parametrų korekcijos reikalavimus, o tam reikia didinti erdvėlaivių maitinimą.
Bendra informacija apie erdvėlaivių maitinimo šaltinį.
Erdvėlaivių geometriją, dizainą, masę ir aktyvų gyvenimą daugiausia lemia erdvėlaivių maitinimo sistema. Maitinimo sistema arba kitaip vadinama maitinimo sistema (PSS) erdvėlaivis – erdvėlaivio sistema, kuri tiekia energiją kitoms sistemoms, yra viena iš kritinės sistemos. Maitinimo sistemos gedimas sukelia viso įrenginio gedimą.
Elektros tiekimo sistemą paprastai sudaro: pirminis ir antrinis elektros energijos šaltinis, transformatoriai, įkrovimo įrenginys ir automatinis valdymas.
1.1 Pirminiai energijos šaltiniai
Kaip pirminiai energijos šaltiniai naudojami įvairūs energijos generatoriai:
Saulės elementai;
Cheminės srovės šaltiniai:
Baterijos;
Galvaninės ląstelės;
Kuro elementai;
Radioizotopiniai energijos šaltiniai;
Branduoliniai reaktoriai.
Pirminis šaltinis yra ne tik pats elektros generatorius, bet ir jį aptarnaujančios sistemos, pavyzdžiui, saulės baterijų orientavimo sistema.
Dažnai energijos šaltiniai derinami, pavyzdžiui, saulės baterija su chemine baterija.
Kuro elementai
Kuro elementai pasižymi didelėmis svorio ir dydžio charakteristikomis bei galios tankiu, palyginti su saulės baterijų pora ir cheminiu akumuliatoriumi, yra atsparūs perkrovoms, turi stabilią įtampą ir yra tylūs. Tačiau jiems reikia kuro, todėl jie naudojami įrenginiuose, kurių buvimo erdvėje laikotarpis yra nuo kelių dienų iki 1–2 mėnesių.
Daugiausia naudojami vandenilio-deguonies kuro elementai, nes vandenilis suteikia didžiausią šiluminę vertę, be to, reakcijos metu susidaręs vanduo gali būti naudojamas pilotuojamuose erdvėlaiviuose. Norint užtikrinti normalų kuro elementų veikimą, būtina užtikrinti vandens ir šilumos, susidarančios dėl reakcijos, pašalinimą. Kitas ribojantis veiksnys yra santykinai didelė skysto vandenilio ir deguonies kaina bei sunku juos laikyti.
Radioizotopiniai energijos šaltiniai
Radioizotopiniai energijos šaltiniai daugiausia naudojami šiais atvejais:
Ilga skrydžio trukmė;
Misijos į išorinius Saulės sistemos regionus, kur saulės spinduliuotės srautas mažas;
Žvalgybiniai palydovai su šoninio skenavimo radaru negali naudoti saulės baterijų dėl žemų orbitų, tačiau turi didelį energijos poreikį.
1.2 Elektros tiekimo sistemos automatizavimas
Jame yra įrenginiai, skirti elektrinės darbui valdyti, taip pat jos parametrams stebėti. Tipiškos užduotys yra: sistemos parametrų palaikymas nurodytuose diapazonuose: įtampa, temperatūra, slėgis, darbo režimų perjungimas, pavyzdžiui, perjungimas į atsarginį maitinimo šaltinį; gedimų atpažinimas, avarinė maitinimo šaltinių apsauga, ypač srovė; informacijos apie sistemos būklę pristatymas telemetrijai ir astronautų pultui. Kai kuriais atvejais galima perjungti iš automatinio į rankinį valdymą iš astronauto pulto arba komandomis iš antžeminio valdymo centro.
Susijusi informacija.
Iliustracijos autorinės teisės SPL
Keletą dešimtmečių – ar net ilgiau – trunkančioms kosminėms misijoms prireiks naujos kartos energijos šaltinių. Žurnalistas nusprendė išsiaiškinti, kokių galimybių turi dizaineriai.
Maitinimo sistema yra gyvybiškai svarbi erdvėlaivio dalis. Šios sistemos turi būti itin patikimos ir sukurtos veikti atšiauriomis sąlygomis.
Šiuolaikiniai sudėtingi įrenginiai reikalauja vis daugiau energijos – kaip atrodo jų maitinimo šaltinių ateitis?
Vidutinis modernus išmanusis telefonas Vienu įkrovimu išlaiko vos dieną. O zondas „Voyager“, paleistas prieš 38 metus, vis dar perduoda signalus į Žemę, jau palikęs Saulės sistemą.
„Voyager“ kompiuteriai per sekundę gali atlikti 81 tūkstantį operacijų – tačiau išmaniojo telefono procesorius veikia septynis tūkstančius kartų greičiau.
- Kiti straipsniai BBC Future svetainėje rusų kalba
Kuriant telefoną, žinoma, daroma prielaida, kad jis bus reguliariai įkraunamas ir vargu ar bus keli milijonai kilometrų nuo artimiausio lizdo.
Erdvėlaivio, kuris, pagal planą, turėtų būti už šimto milijonų kilometrų nuo dabartinio šaltinio, baterijos įkrauti nebus galima – jame turi būti galima arba turėti pakankamai talpos baterijas, kurios galėtų veikti dešimtmečius. , arba savarankiškai gaminti elektros energiją.
Pasirodo, išspręsti tokią dizaino problemą yra gana sunku.
Kai kuriems borto įrenginiams elektros energijos reikia tik retkarčiais, o kiti turi veikti visą laiką.
Imtuvai ir siųstuvai visada turi būti įjungti, o pilotuojamo skrydžio metu arba pilotuojamoje kosminėje stotyje – gyvybės palaikymo ir apšvietimo sistemos.
Iliustracijos autorinės teisės NASA Vaizdo antraštė „Voyager“ varikliai nėra patys moderniausi, tačiau sėkmingai tarnauja 38 metusDr. Rao Surampudi vadovauja Energetikos technologijų programai Kalifornijos technologijos instituto Reaktyvinio varymo laboratorijoje JAV. Daugiau nei 30 metų jis kuria įvairių NASA transporto priemonių maitinimo sistemas.
Jis sakė, kad energijos sistema paprastai sudaro apie 30% visos erdvėlaivio masės. Tai išsprendžia tris pagrindines problemas:
- elektros energijos gamyba
- elektros saugykla
- elektros paskirstymas
Visos šios sistemos dalys yra gyvybiškai svarbios įrenginio veikimui. Jie turi sverti mažai, būti patvarūs ir turėti didelį „energijos tankį“ – tai yra pagaminti daug energijos iš gana mažo tūrio.
Be to, jie turi būti patikimi, nes siųsti žmogų į kosmosą gedimų taisymui yra labai nepraktiška.
Sistema turi ne tik generuoti pakankamai energijos visiems poreikiams patenkinti, bet ir tai daryti viso skrydžio metu – kuris gali trukti dešimtmečius, o ateityje – gal ir šimtmečius.
„Skrydis į Jupiterį turi būti ilgas – jei kažkas suges, nebus kam taisyti“, – sako Surampudi: „Skrydis į Jupiterį trunka nuo penkerių iki septynerių metų, į Plutoną – daugiau nei 10 metų, o palikti saulę. sistema, tai užtrunka nuo 20 iki 30 metų.
Iliustracijos autorinės teisės NASA Vaizdo antraštė Bus naudojama NASA asteroido nukreipimo misija naujo tipo varomas saulės energija – efektyvesnis ir patvaresnis nei jo pirmtakaiErdvėlaivio maitinimo sistemoms taikomos labai specifinės sąlygos – jos turi išlikti veikiančios nesant gravitacijos, vakuume, veikiamos labai intensyvios spinduliuotės (kuri sunaikintų daugumą įprastų elektroninių prietaisų) ir ekstremalios temperatūros.
„Jei tu nusileisi ant Veneros, lauke bus 460 laipsnių temperatūra, – sako specialistas, – o nusileidus Jupiteryje – minus 150.
Transporto priemonėms, važiuojančioms link Saulės sistemos centro, netrūksta energijos, kurią surenka jų fotovoltinės plokštės.
Šios plokštės gali atrodyti šiek tiek kitaip nei saulės kolektoriai, montuojami ant gyvenamųjų namų stogų, tačiau veikia kur kas didesniu efektyvumu.
Prie Saulės labai karšta, o fotovoltinės plokštės gali perkaisti. Norėdami to išvengti, plokštės nusukamos nuo Saulės.
Planetinėje orbitoje fotovoltinės plokštės yra mažiau efektyvios: jos gamina mažiau energijos, nes kartkartėmis jas nuo Saulės atitveria pati planeta. IN panašias situacijas būtina patikima sistema energijos kaupimas.
Atominis tirpalas
Tokia sistema gali būti pastatyta nikelio-vandenilio baterijų pagrindu, galinčių atlaikyti daugiau nei 50 tūkstančių įkrovimo ciklų ir veikti daugiau nei 15 metų.
Skirtingai nuo įprastų baterijų, kurios neveikia erdvėje, šios baterijos yra sandarios ir gali normaliai veikti vakuume.
Tolstant nuo Saulės, saulės spinduliuotės lygis natūraliai mažėja: Žemei jis siekia 1374 vatus kvadratiniam metrui, Jupiteriui – 50, o Plutonui – tik vienas vatas kvadratiniam metrui.
Todėl, jei prietaisas skrenda už Jupiterio orbitos, jis naudoja atominės energijos sistemas.
Labiausiai paplitęs iš jų yra radioizotopinis termoelektrinis generatorius (RTG), naudojamas Voyager, Cassini ir Curiosity rover zonduose.
Iliustracijos autorinės teisės NASA Vaizdo antraštė Patobulintas radioizotopinis Stirlingo generatorius svarstomas kaip galimas energijos šaltinis ilgalaikėms misijoms.Šie maitinimo šaltiniai neturi judančių dalių. Jie gamina energiją iš radioaktyvių izotopų, tokių kaip plutonis, skilimo. Jų tarnavimo laikas viršija 30 metų.
Jei negalima naudoti RTG (pavyzdžiui, jei įgulai apsaugoti nuo radiacijos reikalingas skrydžiui per masyvus ekranas), o fotovoltinės plokštės netinka, nes atstumas nuo Saulės per didelis, galima naudoti kuro elementus. .
Vandenilio-deguonies kuro elementai buvo naudojami Amerikos kosminėse programose Gemini ir Apollo. Tokios ląstelės negali būti įkraunamos, tačiau jos išskiria daug energijos, o šio proceso šalutinis produktas yra vanduo, kurį įgula gali gerti.
NASA ir „Jet Propulsion Laboratory“ stengiasi sukurti galingesnes, daug energijos sunaudojančias ir kompaktiškas sistemas, kurių ilgaamžiškumas.
Tačiau naujiems erdvėlaiviams reikia vis daugiau energijos: jų sistemos nuolat tampa sudėtingesnės ir sunaudoja daug elektros energijos.
Ilgiems skrydžiams gali būti naudojama atominė-elektrinė varomoji jėga
Tai ypač pasakytina apie laivus, kuriuose naudojama elektrinė pavara, pavyzdžiui, jonų varomoji jėga, pirmą kartą panaudota Deep Space 1 zonde 1998 m. ir nuo to laiko plačiai pritaikyta.
Elektriniai varikliai paprastai veikia elektra išskiriant degalus didelis greitis, bet yra ir tokių, kurios pagreitina prietaisą elektrodinamine sąveika su magnetiniai laukai planetos.
Dauguma žemiškų energetinių sistemų nepajėgios veikti erdvėje. Todėl bet kuri nauja grandinė, prieš įdiegiant ją į erdvėlaivį, patiria daugybę rimtų bandymų.
NASA laboratorijos atkuria atšiaurias sąlygas, kuriomis naujasis prietaisas turės veikti: jis apšvitinamas radiacija ir veikiamas ekstremalių temperatūros pokyčių.
Naujų sienų link
Gali būti, kad būsimuose skrydžiuose bus naudojami patobulinti radioizotopiniai Stirlingo generatoriai. Jie veikia panašiu principu kaip ir RTG, tačiau yra daug efektyvesni.
Be to, jie gali būti labai maži, nors tai dar labiau apsunkina dizainą.
Naujos baterijos taip pat kuriamos NASA planuojamam skrydžiui į Europą – vieną iš Jupiterio palydovų. Jie galės veikti nuo -80 iki -100 laipsnių temperatūroje.
O naujosios ličio jonų baterijos, prie kurių šiuo metu dirba dizaineriai, bus dvigubai didesnės nei dabartinės. Jų pagalba astronautai galės, pavyzdžiui, Mėnulio paviršiuje praleisti dvigubai daugiau laiko prieš grįždami į laivą pasikrauti.
Iliustracijos autorinės teisės SPL Vaizdo antraštė Norint aprūpinti tokias gyvenvietes energija, greičiausiai reikės naujų kuro rūšių.Taip pat kuriamos naujos saulės baterijos, kurios galėtų efektyviai rinkti energiją esant silpnam apšvietimui ir žemai temperatūrai – tai leis fotovoltinių plokščių įrenginiams skristi toliau nuo Saulės.
Tam tikru etapu NASA ketina įkurti nuolatinę bazę Marse – ir galbūt tolimesnėse planetose.
Tokių gyvenviečių energetinės sistemos turi būti daug galingesnės nei šiuo metu naudojamos kosmose, ir skirtos daug ilgesniam darbui.
Mėnulis turi daug helio-3 – šis izotopas Žemėje yra retas ir yra idealus kuras branduolių sintezės elektrinėms. Tačiau kol kas nepavyko pasiekti pakankamo termobranduolinės sintezės stabilumo, kad būtų galima panaudoti šį energijos šaltinį erdvėlaiviuose.
Be to, šiandien egzistuojantys termobranduoliniai reaktoriai užima lėktuvų angaro erdvę, o tokia forma jų neįmanoma panaudoti skrydžiams į kosmosą.
Ar galima naudoti įprastus branduolinius reaktorius – ypač transporto priemonėse su elektrine pavara ir planuojamose misijose į Mėnulį ir Marsą?
Tokiu atveju kolonijai nereikės išlaikyti atskiro elektros šaltinio – savo vaidmenį gali atlikti laivo reaktorius.
Ilgiems skrydžiams gali būti naudojama atominė-elektrinė varomoji jėga.
„Asteroido nukreipimo misijai reikia didelių saulės baterijų, kad būtų galima manevruoti aplink asteroidą“, - sako Surampudi.
Tačiau vargu ar artimiausiu metu pamatysime branduoliniais varikliais varomus erdvėlaivius.
„Ši technologija dar nėra pakankamai subrendusi, prieš paleisdami tokį įrenginį į kosmosą, turime būti visiškai tikri dėl jos saugumo“, – aiškina specialistas.
Reikia atlikti tolesnius griežtus bandymus, kad būtų užtikrinta, jog reaktorius atlaikytų kosminių skrydžių sunkumus.
Visos šios pažangios energijos sistemos leis erdvėlaiviams veikti ilgiau ir skristi didesniais atstumais, tačiau jos vis dar tik pradedamos kurti.
Sėkmingai baigus bandymus tokios sistemos taps privaloma skrydžių į Marsą – ir toliau – dalimi.
- Ją galite perskaityti svetainėje.
Kuriant konkurencingą kosmoso technologiją reikia pereiti prie naujų tipų baterijų, atitinkančių perspektyvių erdvėlaivių maitinimo sistemų reikalavimus.
Šiais laikais erdvėlaiviai naudojami ryšių sistemoms organizuoti, navigacijai, televizijai, oro sąlygoms ir Žemės gamtos ištekliams tirti, giliajai kosmosui tyrinėti.
Viena iš pagrindinių sąlygų tokiems įrenginiams yra tiksli orientacija erdvėje ir judėjimo parametrų korekcija. Tai žymiai padidina reikalavimus įrenginio maitinimo sistemai. Erdvėlaivių energijos tiekimo problemos ir, visų pirma, naujų elektros energijos šaltinių identifikavimo problemos yra itin svarbios pasauliniu lygiu.
Šiuo metu pagrindiniai erdvėlaivių elektros energijos šaltiniai yra saulės ir įkraunamos baterijos.
Saulės baterijos pasiekė savo fizines ribas pagal savo našumą. Toliau juos tobulinti galima naudojant naujas medžiagas, ypač galio arsenidą. Tai padidins galią 2-3 kartus saulės baterija arba sumažinti jo dydį.
Tarp baterijos Nikelio-vandenilio baterijos šiandien plačiai naudojamos erdvėlaiviams. Tačiau šių baterijų energetinės masės charakteristikos pasiekė maksimumą (70-80 Wh/kg). Tolimesnis jų tobulinimas yra labai ribotas ir, be to, reikalauja didelių finansinių išlaidų.
Šiuo atžvilgiu kosmoso technologijų rinka šiuo metu aktyviai diegiama ličio jonų baterijos(LIA).
Ličio jonų akumuliatorių charakteristikos yra daug aukštesnės, palyginti su kitų tipų akumuliatoriais, kurių tarnavimo laikas ir įkrovimo-iškrovimo ciklų skaičius yra panašus. Ličio jonų akumuliatorių savitoji energija gali siekti 130 Wh/kg ir daugiau, o energijos vartojimo efektyvumas siekia 95%.
Svarbus faktas yra tai, kad tokio paties standartinio dydžio LIB gali saugiai veikti savo vietose lygiagretus ryšys Taigi skirtingos talpos ličio jonų baterijas nesunku suformuoti į grupes.
Vienas iš pagrindinių LIB ir nikelio-vandenilio baterijų skirtumų yra elektroninių automatikos blokų, kurie stebi ir valdo įkrovimo ir iškrovimo procesą, buvimas. Jie taip pat yra atsakingi už atskirų LIB įtampos disbalanso išlyginimą, užtikrina telemetrinės informacijos apie pagrindinius akumuliatoriaus parametrus rinkimą ir paruošimą.
Tačiau vis dėlto pagrindiniu ličio jonų baterijų pranašumu laikomas svorio mažinimas, lyginant su tradicinėmis baterijomis. Ekspertų teigimu, 15-20 kW galios telekomunikacijų palydovuose naudojant ličio jonų baterijas, baterijų svoris sumažės 300 kg. Atsižvelgiant į tai, kad 1 kg naudingos masės išleidimas į orbitą kainuoja apie 30 tūkstančių dolerių, tai žymiai sumažins finansines išlaidas.
Vienas iš pirmaujančių Rusijos kūrėjai Panašios erdvėlaivių baterijos yra OJSC Aviation Electronics and Communication Systems (AVEX), priklausanti KRET. Technologinis ličio jonų akumuliatorių gamybos procesas įmonėje užtikrina aukštą patikimumą ir mažesnes sąnaudas.
