Baterii pentru sisteme de alimentare a navelor spațiale. Sursele de alimentare a navei spațiale document cu titlu

UNIVERSITATEA NAȚIONALĂ EURASIANĂ

Lor. L.N. Gumilyov

Facultatea de Fizică și Tehnologie

Departamentul de Inginerie și Tehnologie Spațială

RAPORT

PRIN PRODUCȚIE

PRACTICĂ

ASTANA 2016

Introducere …………………………………………………………………… ........... 3

1 Informatii generale privind alimentarea navelor spațiale. …………… .... 4

1.1 Sursele primare de electricitate ……………………………… 4

1.2 Automatizarea sistemului de alimentare .............................................. ….cinci

2 Centrale solare spațiale ………… .. ………………… ..… ...... 6

2.1 Principiul de funcționare și structură a bateriilor solare ………….… ..... 6

3 Centrale electrocimice spațiale ………………………… ..12

3.1 Surse de energie chimică ……………………………………… ... 13

3.2 Baterii argint-zinc ………………… .... 15

3.3 Baterii de cadmiu-nichel …………………… 16

3.4 Baterii de stocare nichel-hidrogen …………………… ..17

4 Selectarea parametrilor pentru bateriile solare și stocarea tamponului ... ... ... ... ... 18

4.1 Calcularea parametrilor stocării tampon ………………………… 18

4.2 Calculul parametrilor panourilor solare …………………………… ..20

Concluzie ……………………………………………………………………… .23

Lista surselor utilizate …………………………………………… ... 24

Specificații ... …………………………………………………………………… 25

INTRODUCERE

Unul dintre cele mai importante sisteme de bord ale oricărei nave spațiale, care determină în primul rând caracteristicile sale tactice și tehnice, fiabilitatea, durata de viață și eficiența economică, este sistemul de alimentare cu energie electrică. Prin urmare, problemele dezvoltării, cercetării și creării sistemelor de alimentare cu energie a navelor spațiale sunt de o importanță capitală.

Automatizarea proceselor de control al zborului pentru orice navă spațială (SC) este de neconceput fără energie electrică. Energia electrică este utilizată pentru a activa toate elementele dispozitivelor și echipamentelor pentru nave spațiale (grup de propulsie, comenzi, sisteme de comunicații, complex instrumental, încălzire etc.).

În general, sistemul de alimentare cu energie generează energie, o convertește și o reglează, o stochează pentru perioadele de vârf de consum sau lucrează la umbră și o distribuie prin nava spațială. Subsistemul de putere poate converti și regla tensiunea sau poate oferi o gamă de niveluri de tensiune. De multe ori pornește și oprește echipamentul și, pentru a crește fiabilitatea, protejează împotriva scurtcircuitelor și izolează defecțiunile. Proiectarea subsistemului se bazează pe radiația cosmică pentru degradarea celulelor solare. Durata de viață a unei baterii chimice limitează adesea durata de viață a unei nave spațiale.

Studiul particularităților funcționării surselor de energie în scopuri spațiale este o problemă urgentă. Studiul și explorarea spațiului cosmic necesită dezvoltarea și crearea de nave spațiale în diferite scopuri. În prezent cel mai mare uz practic să primească nave spațiale fără pilot automate pentru a se forma sistem global comunicații, televiziune, navigație și geodezie, transmiterea informațiilor, studiul condițiilor meteorologice și a resurselor naturale ale Pământului, precum și explorarea spațiului profund. Pentru a le crea, este necesar să îndeplinim cerințe foarte stricte pentru precizia orientării navei spațiale în spațiu și corectarea parametrilor orbitei, iar acest lucru necesită o creștere a raportului putere-greutate al navei spațiale.

Informații generale despre alimentarea cu energie a navelor spațiale.

Geometria navei spațiale, proiectarea, greutatea și viața activă sunt determinate în mare măsură de sistemul de alimentare cu energie a navei spațiale. Sistem de alimentaresau denumit în alt mod sistem de alimentare cu energie (EPS) navă spațială - un sistem de navă spațială care furnizează energie altor sisteme este unul dintre cele mai importante sisteme. Defecțiunea sistemului de alimentare cu energie electrică duce la defectarea întregului aparat.

Compoziția sistemului de alimentare cu energie include de obicei: o sursă primară și secundară de energie electrică, transformare, dispozitiv de încărcare și automatizarea controlului.

1.1 Surse primare de energie

Diferite generatoare de energie sunt utilizate ca surse primare:

Panouri solare;

Surse chimice de energie:

Baterii;

Celule galvanice;

Celule de combustibil;

Surse de energie radioizotopice;

Reactoare nucleare.

Sursa primară include nu numai generatorul de energie electrică în sine, ci și sistemele care îl deservesc, de exemplu, sistemul de orientare a rețelei solare.

Sursele de energie sunt adesea combinate, de exemplu, o baterie solară cu o baterie chimică.

Celule de combustibil

Celulele de combustibil au performanțe ridicate în ceea ce privește caracteristicile de greutate și dimensiune și densitatea de putere în comparație cu o pereche de celule solare și un acumulator chimic, sunt rezistente la supraîncărcări, au o tensiune stabilă și sunt silențioase. Cu toate acestea, acestea necesită o alimentare cu combustibil, prin urmare sunt utilizate pe vehicule cu o perioadă de ședere în spațiu de la câteva zile până la 1-2 luni.

Se utilizează cel mai mult pilele de combustibil hidrogen-oxigen, deoarece hidrogenul oferă cea mai mare putere calorică și, în plus, apa rezultată poate fi utilizată pe navele spațiale cu echipaj. Pentru a asigura funcționarea normală a pilelor de combustibil, este necesar să se asigure îndepărtarea apei de reacție rezultate și a căldurii. Un alt factor limitativ este costul relativ ridicat al hidrogenului și oxigenului lichid și complexitatea stocării acestora.

Surse de energie radioizotopice

Sursele de energie radioizotopice sunt utilizate în principal în următoarele cazuri:

Durată lungă de zbor;

Misiuni către regiunile exterioare ale sistemului solar unde radiația solară este scăzută;

Sateliții de recunoaștere cu radar cu aspect lateral, datorită orbitelor joase, nu pot utiliza panouri solare, dar au o cerere mare de energie.

1.2 Automatizarea sistemului de alimentare cu energie electrică

Include dispozitive pentru controlul funcționării centralei, precum și monitorizarea parametrilor acesteia. Sarcinile tipice sunt: \u200b\u200bmenținerea parametrilor sistemului în intervalele specificate: tensiune, temperatură, presiune, comutarea modurilor de operare, de exemplu, trecerea la o sursă de alimentare de rezervă; recunoașterea defecțiunilor, protecția de urgență a surselor de alimentare, în special la supracurent; livrarea de informații despre starea sistemului pentru telemetrie și consola astronauților. În unele cazuri, este posibil să treceți de la controlul automat la controlul manual fie de la consola cosmonauților, fie prin comenzi de la centrul de control la sol.

Informații similare.

M. A. PETROVICHEV, SISTEMUL GURTOV A.S. ALIMENTARE ENERGETICĂ LA BORD COMPLEX VEHICULE SPATIALE Aprobat de Consiliul editorial și editorial al Universității ca manual EDITURA SAMARA SSAU 2007 UDC 629.78.05 BBK 39.62 tehnologii de geoinformare ”PR I Recenzori: Doctor în Științe Tehnice A.<...> Koptev, deputat. Șef de departament, GNP RCC "TsSKB - Progres" S. I. Minenko P306 Petroviciov M.A.<...> Sistem aprovizionarea cu energie în aer complex navă spațială: manual. indemnizație / M.A. Petroviciov, LA FEL DE. Gurtov.<...> Manualul este destinat studenților specialității 160802 " Spaţiu aparat și etapele superioare ”.<...> UDC 629.78.05 BBK 39.62 ISBN 978-5-7883-0608-7 2 © Petrovichev M. A., Gurtov AS, 2007 © Samara State Aerospace University, 2007 Sistem alimentare electrică complex de nave spațiale la bord Din toate tipurile de energie, electricitatea este cea mai universală.<...> ... Sistem alimentare electrică (SES) CA este unul dintre cele mai importante sisteme care asigură performanța CA. <...> Fiabilitatea SES este în mare măsură determinată de 3 redundanțe ale tuturor tipurilor de surse, convertoare, comutare aparat și rețele.<...> Structura sisteme alimentare electrică CA Principal sistem alimentare electrică CA este un sistem curent continuu.<...> Pentru a paria vârfurile de încărcare, utilizați tampon o sursă. <...> Prima dată reutilizabil CA Shuttle utilizează un sistem de alimentare fără tampon.<...> 4 Sistem distribuție Convertor Convertor Rețea consumator Primar o sursă Tampon o sursă Figura:<...> Structura aparatului sistemului de alimentare cu energie spațială Tampon o sursă caracterizată prin faptul că energia totală pe care o produce este zero.<...> Pentru a potrivi caracteristicile bateriei cu sursa primară și rețea, utilizați<...>

Power_Supply_System_of_of_space_scopes.pdf

AGENȚIA FEDERALĂ PENTRU EDUCAȚIE INSTITUȚIA EDUCAȚIONALĂ DE STAT A ÎNVĂȚĂMÂNTULUI PROFESIONAL SUPERIOR „UNIVERSITATEA AEROSPAȚIALĂ DE STAT SAMARA numită după academician S.P. REGINA "MA PETROVICHEV, CA SISTEM DE ALIMENTARE GURTOV AL COMPLEXULUI DE VEHICULE SPATIAL DE LA BORD, Aprobat de Consiliul Editorial și Editura al Universității ca manual S Editura S A M A R A SSAU 2007

Pagina 1

UDC 629.78.05 BBK 39.62 P306 Program educațional inovator „Dezvoltarea unui centru de competență și instruirea specialiștilor de talie mondială în domeniul tehnologiilor aerospațiale și de geoinformare” Recenzori: Doctor în științe tehnice A.N. - Progres "S. I. Minenko Petrovichev M. A. P306 Sistem de alimentare cu energie electrică a complexului de nave spațiale: manual / M. A. Petrovichev, A. S. Gurtov. - Samara: Editura Samar State Aerospace University, 2007. - 88 p.: Ill. ISBN 978-5-7883-0608-7 Rolul și semnificația sistemului de alimentare cu energie pentru nava spațială, elementele constitutive ale acestui sistem, se acordă o atenție specială luării în considerare a principiilor de funcționare și dispozitive de alimentare cu energie electrică, particularitățile utilizării lor pentru tehnologia spațială. Manualul oferă un material de referință destul de extins, care poate fi utilizat la proiectarea cursurilor și a diplomelor de către studenții de specialități non-electrice. dar pentru studenții de specialitate 160802 „Nave spațiale și etape superioare”. Poate fi util și pentru tinerii specialiști din industria rachetelor și a spațiului. Pregătit la Departamentul Avioanelor. UDC 629.78.05 BBK 39.62 ISBN 978-5-7883-0608-7 2 © Petrovichev M. A., Gurtov AS, 2007 © Samara State Aerospace University, 2007 PRIORIT TK E T O N S N A C I O A N L N E P R E S

Pagina 2

Sistemul de alimentare cu energie a complexului de nave spațiale La bordul tuturor tipurilor de energie, electricitatea este cea mai universală. Comparativ cu alte tipuri de energie, are o serie de avantaje: energia electrică este ușor convertită în alte tipuri de energie, eficiența instalațiilor electrice este mult mai mare decât eficiența instalațiilor care funcționează pe alte tipuri de energie, energia electrică este ușor de transmis prin fire către consumator, energia electrică este ușor distribuită între consumatori. Automatizarea proceselor de control al zborului pentru orice navă spațială (SC) este de neconceput fără energie electrică. Energia electrică este utilizată pentru a activa toate elementele dispozitivelor și echipamentelor navei spațiale (grup de propulsie, comenzi, sisteme de comunicații, instrumente, încălzire etc.). Sistemul de alimentare cu energie (SES) al navei spațiale este unul dintre cele mai importante sisteme care asigură performanța navei spațiale. Principalele cerințe pentru SES: furnizarea de energie necesară pentru întregul zbor, funcționarea fiabilă în condiții de gravitate zero, fiabilitatea necesară oferită de redundanța (în termeni de putere) a sursei principale și a tamponului, absența emisiilor și a consumului de gaze, capacitatea de a lucra în orice poziție în spațiu, greutate, cost minim. Toată energia electrică necesară pentru derularea programului de zbor (pentru modul normal, precum și pentru unele anormale) trebuie să fie la bordul navei spațiale, deoarece poate fi alimentată numai pentru stațiile cu echipaj. Fiabilitatea SES este în mare măsură determinată de 3

Rostec
SA "Preocupare" Tehnologii radioelectronice "
KRET a dezvoltat un nou tip de baterii pentru lucrul în spațiu
Dezvoltarea tehnologiei spațiale competitive necesită o tranziție la noi tipuri de baterii care îndeplinesc cerințele sistemelor de alimentare cu energie pentru navele spațiale avansate.
Astăzi, navele spațiale sunt folosite pentru a organiza sisteme de comunicații, navigație, televiziune, studiul condițiilor meteorologice și a resurselor naturale.
Pământ, explorare și studiu al spațiului profund.
Una dintre condițiile principale pentru astfel de dispozitive este orientarea precisă în spațiu și corectarea parametrilor de mișcare. Acest lucru mărește semnificativ cerințele pentru sistemul de alimentare cu energie a dispozitivului. Problemele raportului putere-greutate ale navelor spațiale și, în primul rând, dezvoltarea de noi surse de electricitate, sunt de o importanță capitală la nivel mondial.
În prezent, bateriile solare și bateriile de stocare sunt principalele surse de energie electrică pentru navele spațiale.
Panourile solare au atins o limită fizică în ceea ce privește caracteristicile lor. Îmbunătățirea lor suplimentară este posibilă cu utilizarea de noi materiale, în special, arsenură de galiu. Acest lucru va crește capacitatea bateriei solare sau va reduce dimensiunea acesteia de 2-3 ori.
Bateriile cu nichel-hidrogen sunt utilizate pe scară largă astăzi printre bateriile de stocare pentru nave spațiale. Cu toate acestea, caracteristicile energetice și de masă ale acestor baterii au atins maximum (70-80 W * h / kg). Îmbunătățirea lor ulterioară este foarte limitată și, în plus, necesită costuri financiare mari.
În acest sens, introducerea activă a bateriilor litiu-ion (LIB) are loc în prezent pe piața tehnologiei spațiale.
Performanța bateriilor litiu-ion este mult mai bună decât alte tipuri de baterii cu aceeași durată de viață și cicluri de încărcare-descărcare. Energia specifică a bateriilor litiu-ion poate ajunge la 130 și mai mult W * h / kg, iar eficiența energetică este de 95%.
Un fapt important este că LIB-urile de o dimensiune standard sunt capabile să lucreze în siguranță cu ale lor conexiune paralelă astfel, este ușor să formați în grup baterii litiu-ion de diferite capacități.
Una dintre principalele diferențe dintre bateriile LIB și bateriile nichel-hidrogen este prezența unităților electronice de automatizare care controlează și gestionează procesul de încărcare-descărcare. Aceștia sunt, de asemenea, responsabili pentru nivelarea dezechilibrului de tensiune al LIB-urilor unice și oferă colectarea și pregătirea informațiilor de telemetrie despre parametrii principali ai bateriei.
Cu toate acestea, principalul avantaj al bateriilor litiu-ion este considerat a fi reducerea greutății în comparație cu bateriile tradiționale. Potrivit experților, utilizarea bateriilor litiu-ion în sateliții de telecomunicații cu o capacitate de 15-20 kW va reduce greutatea bateriilor cu 300 kg. Având în vedere că costul punerii pe orbită a 1 kg de masă utilă este de aproximativ 30 de mii de dolari, acest lucru va reduce semnificativ costurile financiare.
Unul dintre principalii dezvoltatori ruși ai unor astfel de baterii de stocare pentru nave spațiale este Sistemul de electronică și comunicații pentru aviație (AVEKS), care face parte din KRET. Procesul tehnologic de fabricare a bateriilor litiu-ion la întreprindere permite fiabilitate ridicată și reducere a costurilor.

Introducere

sursa de alimentare a bateriei solare

În prezent, una dintre prioritățile dezvoltării strategice a potențialului științific și tehnic al republicii este crearea industriei spațiale. În acest scop, în 2007 a fost înființată Agenția Spațială Națională („Kazkosmos”) în Kazahstan, ale cărei activități vizează în primul rând dezvoltarea și implementarea tehnologiilor spațiale vizate și dezvoltarea științei spațiale în interesul dezvoltării socio-economice a țării.

Cercetarea spațială științifică în Kazkosmos se desfășoară în principal în Centrul Național de Cercetare și Tehnologie Spațială (JSC NTsKIT), care include patru institute de cercetare: Institutul astrofizic numit după V.G. Fesenkova, Institutul Ionosferei, Institutul de Cercetare Spațială, Institutul de Inginerie și Tehnologie Spațială. SA „NTSKIT” are o bază experimentală extinsă: un parc de echipamente moderne de măsurare, locuri de testare, observatoare, centre științifice pentru cercetări științifice fundamentale și aplicate în domeniul activităților spațiale în conformitate cu prioritățile aprobate.

Societatea pe acțiuni "Centrul Național de Cercetare și Tehnologii Spațiale" SA "NTSKIT" a fost organizată prin reorganizarea întreprinderii de stat republicane în dreptul managementului economic "Centrul pentru Cercetări Astrofizice" și a filialelor sale pe baza Decretului nr. 38 al Guvernului Republicii Kazahstan din 22 ianuarie 2008.

Subiectul principal al activităților SA este implementarea activităților de cercetare, dezvoltare și producție și economice în domeniul cercetării și tehnologiei spațiale.

Automatizarea proceselor de control al zborului pentru orice navă spațială (SC) este de neconceput fără energie electrică. Energia electrică este utilizată pentru a activa toate elementele dispozitivelor și echipamentelor navei spațiale (grup de propulsie, comenzi, sisteme de comunicații, instrumente, încălzire etc.).

Studiul particularităților funcționării surselor de energie în scopuri spațiale este o problemă urgentă. Studiul și explorarea spațiului cosmic necesită dezvoltarea și crearea de nave spațiale în diferite scopuri. În prezent, navele spațiale automate fără pilot sunt utilizate cel mai frecvent pentru a forma un sistem global de comunicații, televiziune, navigație și geodezie, transmiterea informațiilor, studiul condițiilor meteorologice și a resurselor naturale ale Pământului, precum și cercetarea spațiului profund. Pentru a le crea, este necesar să îndeplinim cerințe foarte stricte pentru acuratețea orientării navei spațiale în spațiu și corectarea parametrilor orbitei, iar acest lucru necesită o creștere a raportului putere-greutate al navei spațiale.

1. Informații generale despre SA "NTSKIT"

Efectuarea de lucrări de cercetare și dezvoltare privind crearea de hardware și software pentru sisteme de corecție diferențială și echipamente de navigație ale consumatorilor.

Modelare orientată pe obiecte și dezvoltare de software și hardware pentru un sistem de modelare 3D la scară largă, utilizând tehnologii de navigație prin satelit și laser.

Dezvoltarea de modele de inginerie pentru un complex de echipamente științifice pentru măsurători la bord și acumularea de informații științifice țintă și software pentru funcționarea lor.

Crearea de programe științifice, metodologice și software pentru rezolvarea problemelor de analiză complexă și prognozarea dezvoltării tehnologiei spațiale în Republica Kazahstan.

Crearea de programe software și de suport matematic și modele de simulare de nave spațiale și subsisteme.

Dezvoltarea probelor experimentale de dispozitive, echipamente, noduri și subsisteme de microsateliți.

Crearea suportului științific și metodologic și a bazei normative și tehnice pentru rezolvarea problemelor de reglementare tehnică.

Reglementarea cerințelor pentru dezvoltarea, proiectarea, crearea, funcționarea tehnologiei spațiale, asigurând siguranța acesteia, evaluarea și confirmarea conformității.

Conform Decretului Guvernului nr. 38 din 22 ianuarie 2008 „Cu privire la reorganizarea întreprinderii de stat republicane„ Centrul de cercetare astrofizică ”al Agenției Spațiale Naționale a Republicii Kazahstan și a întreprinderilor sale de stat filiale”, RSE „Centrul de cercetări astrofizice” și filialele sale „Institutul Ionosferei”, „Astrofizică Institutul numit după V.G. Fesenkov ”,„ Institutul de Cercetare Spațială ”au fost reorganizate prin fuziune și transformare în societatea pe acțiuni„ Centrul Național de Cercetare și Tehnologii Spațiale ”cu participare 100% a statului la capitalul autorizat.

Certificat de înregistrare de stat a SA "NCKIT" - nr. 93168-1910-AO, identificare nr. 080740009161, din 16 iulie 2008, înregistrat în Departamentul de Justiție al orașului Almaty al Ministerului Justiției al Republicii Kazahstan

.2 caracteristici generale organizare

Societatea pe acțiuni „Centrul Național de Cercetare și Tehnologii Spațiale” a fost înregistrată pe 16 iulie 2008.

În perioada 2004 - 15.07.2008 SA NCKIT a fost în mod legal „Centrul pentru Cercetări Astrofizice” al întreprinderii de stat republicane (pe baza dreptului de gestionare economică), care a fost creat în conformitate cu Decretul Guvernului Republicii Kazahstan din 5 martie 2004 nr. 280 „Întrebări unele întreprinderi de stat republicane ale Ministerului Educației și Științei din Republica Kazahstan ”. RSE a fost creat pe baza reorganizării și fuziunii întreprinderilor de stat republicane „Institutul de cercetare spațială”, „Institutul Ionosferei” și „Institutul astrofizic numit după V.G. Fesenkov ”, cărora li s-a acordat statutul juridic al întreprinderilor subsidiare de stat.

Prin Rezoluția Guvernului Republicii Kazahstan din 29 mai 2007 nr. 438 „Problemele Agenției Spațiale Naționale„ Centrul RSE pentru Cercetări Astrofizice ”(privind dreptul de management economic) a fost transferat în jurisdicția Agenției Spațiale Naționale a Republicii Kazahstan.

Institutul de Cercetare Spațială al Academiei de Științe din RSS Kazah a fost organizat în conformitate cu Decretul Cabinetului de Miniștri al RSS Kazah nr. 470 din 12 august 1991. Fondatorul și primul director al Institutului este laureatul premiului de stat al URSS, titular al Ordinelor lui Lenin, Bannerul roșu al muncii, „Parasat”, academician al Academiei Naționale de Științe a Republicii Kazahstan Sultangazin Umirzak Makhmutovich (1936 - 2005). În ianuarie 2011, Institutul a fost numit după academicianul U.M. Sultangazin.

Subiectul activităților Institutului a fost să desfășoare cercetări fundamentale și aplicate în cadrul statului, industriei, programelor și proiectelor internaționale, precum și să lucreze la subvenții de la fundații interne și străine în domeniul teledetecției (ERS), monitorizarea spațiului, modelarea geoinformării, știința materialelor spațiale.

Institutul de Cercetări Spațiale, în calitate de organizație mamă, a coordonat cercetarea institutelor Academiei Naționale de Științe a Republicii Kazahstan și a altor organizații departamentale în dezvoltarea și implementarea tuturor celor patru programe kazahstane de cercetare științifică și experimente la bordul complexului orbital Mir cu participarea cosmonautului TO Aubakirov (1991) și cu participarea cosmonautului Musabaev T.A. - (1994, 1998), la bordul Stației Spațiale Internaționale - cu participarea cosmonautului T.A. Musabaev (2001).

Institutul de Cercetări Spațiale numit după academicianul U.M. Sultangazina a făcut parte din „NCKIT” SA ca separată entitate legală în statutul de societate cu răspundere limitată.

Din 2014 Institutul și aparatul administrativ al SA „NCKIT” au fost îmbinate într-o singură structură, păstrând în același timp personalul și domeniile de cercetare.

1.3 Tipuri de activități ale SA "NCKIT"

Coordonarea, sprijinirea și implementarea activităților de cercetare. Cercetare spațială de bază și aplicată

Formarea principalelor direcții și planuri de cercetare științifică, prezentarea cercetării științifice finalizate către Agenția Spațială Națională a Republicii Kazahstan;

Prezentarea concluziilor și recomandărilor către Agenția Spațială Națională a Republicii Kazahstan pe baza rapoartelor anuale ale organizațiilor științifice privind activitățile științifice și științifice și tehnice;

Întreținerea și implementarea proiectării și producției experimentale și a activităților economice

Crearea sistemelor de informații geografice bazate pe metode de inspecție aerospațială;

Recepția, prelucrarea, distribuția, schimbul echivalent și vânzarea de date de teledetecție din Pământ din spațiu;

Dezvoltarea și funcționarea vehiculelor spațiale în diverse scopuri, sisteme de comunicații spațiale, navigație și teledetecție;

Furnizarea de servicii de inginerie și consultanță

Cercetare de piata

Implementarea activităților inovatoare

Informarea despre activitățile Agenției Spațiale Naționale - Republica Kazahstan și promovarea realizărilor științei

Implementarea promovării realizărilor științei și tehnologiilor spațiale, organizare. Ținerea de congrese, sesiuni, conferințe, seminarii, întâlniri, expoziții internaționale și republicane; publicarea de reviste științifice, lucrări și informații despre activitățile Agenției Spațiale Naționale a Republicii Kazahstan

Pregătirea personalului științific înalt calificat. Protecția proprietății intelectuale

Elaborarea documentelor de reglementare

Compoziția personalului

În total - 450 de specialiști și oameni de știință calificați.

Dintre aceștia - 27 de doctori în științe, 73 de candidați în științe, 2 academicieni, 2 membri corespondenți și 3 doctori de doctorat.

Structura centrului

Departamentul de teledetecție Pământ

Principalele direcții de cercetare:

Dezvoltarea tehnologiilor de recepție, arhivare, procesare și afișare a datelor de teledetecție. Realizarea de cercetări științifice fundamentale și aplicate în domeniul studierii caracteristicilor spectrale ale obiectelor de pe suprafața pământului, monitorizarea spațiului terenurilor agricole și a mediului, urgențe (inundații, inundații, incendii), interpretarea tematică a datelor prin satelit a diferitelor rezoluții spectrale, spațiale și temporale bazate pe analiza seriilor pe termen lung de date de teledetecție și starea suprafeței pământului.

Cercetare sub satelit. Crearea centrelor situaționale sectoriale și regionale pentru monitorizarea spațiului situațiilor de urgență.

Departamentul de Geoinformare Modelare

Dezvoltarea de modele numerice pentru transferul de unde scurte și radiații termice în atmosferă pentru corectarea imaginilor spațiale și calcularea parametrilor fizici ai atmosferei utilizând date prin satelit.

Crearea modelelor de geoinformare „analiza riscurilor” pentru a determina gradul de influență al factorilor naturali și antropici asupra dezvoltării situațiilor de urgență pe conductele principale.

Crearea de metode și tehnologii automate pentru fotogrametrie digitală, metode și algoritmi de calcul pentru analiza interferometrică a datelor de teledetecție.

Departamentul de Știință și Instrumentare a Materialelor Spațiale

Crearea de tehnologii pentru producția de materiale structurale și funcționale în scopuri aerospațiale, precum și produse din acestea.

Dezvoltarea unor metode calitative, analitice și numerice pentru studierea problemelor nestacionare ale dinamicii corpurilor cerești artificiale și naturale.

Dezvoltarea de noi modele matematice și metode de propulsie software pentru vehiculele spațiale.

Departamentul de informare și sprijin educațional (Astana)

Organizarea de formare avansată și recalificare a specialiștilor pentru industria spațială din Kazahstan.

Centrul pentru primirea informațiilor despre spațiu (Almaty) și Centrul științific și educațional pentru monitorizarea spațiului de utilizare colectivă (Astana)

Recepția, arhivarea și prelucrarea regulată a datelor de imagini prin satelit de pe navele spațiale Aqua / MODIS, Terra / MODIS, SuomiNPP (SUA).

Există o certificare internațională.

DLLC "II" (Institutul Ionosferei)

Subiectul activității „Institutul Ionosferei” LLP subsidiar urmează să efectueze cercetări fundamentale, exploratorii și aplicate în domeniul fizicii și geodinamicii solare-terestre: ionosfera și câmpul geomagnetic, vremea spațială, monitorizarea radiațiilor spațiului din apropierea pământului, monitorizarea geodinamică și geofizică a solului în spațiul scoarței terestre din Kazahstan, creând un sistem de prognoză zăcăminte minerale, geodezie și cartografie.

DLLO „AFIF” (Institutul astrofizic numit după Fesenkov)

LLP subsidiară "ICTT" (Institutul de Inginerie și Tehnologie Spațială)

Parteneriat cu răspundere limitată subsidiară "Institutul de inginerie și tehnologie spațială" (denumită în continuare Societatea cu răspundere limitată subsidiară „Institutul de tehnologie și tehnologie spațială”) a fost creată prin ordin al Agenției Spațiale Naționale a Republicii Kazahstan nr. 65 / OD din 17.08.2009.

Filiala LLP "Institutul de Inginerie și Tehnologie Spațială" a fost înregistrată pe 23 decembrie 2009. Singurul fondator al companiei subsidiare cu răspundere limitată „Institutul de tehnologie și tehnologie spațială” este societatea pe acțiuni „Centrul național de cercetare și tehnologie spațială”.

2. Informații generale despre alimentarea cu energie a navelor spațiale

Geometria navei spațiale, designul, greutatea și viața activă sunt determinate în mare măsură de sistemul de alimentare cu energie a navei spațiale. Sistemul de alimentare cu energie electrică, sau altfel denumit sistemul de alimentare cu energie electrică (EPS) pentru nave spațiale - sistemul de nave spațiale care furnizează energie altor sisteme este unul dintre cele mai importante sisteme. Defecțiunea sistemului de alimentare cu energie electrică duce la defectarea întregului aparat.

Structura sistemului de alimentare cu energie include de obicei: o sursă primară și secundară de energie electrică, convertoare, încărcătoare și automatizare de control.

Surse de energie primară

Diferite generatoare de energie sunt utilizate ca surse primare:

panouri solare;

surse de curent chimic:

acumulatori;

celule galvanice;

celule de combustibil;

surse de energie radioizotopice;

reactoare nucleare.

Sursa primară include nu numai generatorul de energie electrică în sine, ci și sistemele care îl deservesc, de exemplu, sistemul de orientare a rețelei solare.

Sursele de energie sunt adesea combinate, de exemplu, o baterie solară cu o baterie chimică.

Celule de combustibil

Surse de energie radioizotopice

Sursele de energie radioizotopice sunt utilizate în principal în următoarele cazuri:

durata lungă a zborului;

misiuni în regiunile exterioare ale sistemului solar, unde fluxul de radiații solare este mic;

sateliții de recunoaștere cu radar cu aspect lateral, din cauza orbitelor joase, nu pot utiliza panouri solare, dar au o cerere mare de energie.

Automatizarea sistemului de alimentare

Include dispozitive pentru controlul funcționării centralei, precum și monitorizarea parametrilor acesteia. Sarcinile tipice sunt: menținerea parametrilor sistemului în intervalele specificate: tensiune, temperatură, presiune, comutarea modurilor de funcționare, de exemplu, trecerea la o sursă de alimentare de rezervă; recunoașterea defecțiunilor, protecția de urgență a surselor de alimentare, în special la supracurent; livrarea de informații despre starea sistemului pentru telemetrie și consola astronauților. În unele cazuri, este posibilă trecerea de la controlul automat la controlul manual fie de la consola cosmonauților, fie prin comenzi de la centrul de control la sol.

.1 Principiul de funcționare și proiectare a celulelor solare

În centrul dispozitivului bateriei solare se află generatoare de tensiune compuse din FEP - dispozitive pentru conversia directă a energiei solare a luminii în energie electrică. FEP se bazează pe un efect fotoelectric intern, adică asupra apariției EMF sub influența soarelui.

Un convertor fotovoltaic semiconductor (PEC) este un dispozitiv care convertește direct energia solară în energie electrică. Principiul de funcționare al unui PVC se bazează pe interacțiunea soarelui cu un cristal semiconductor, în timpul căruia fotonii eliberează electroni în cristal - purtători ai unei sarcini electrice. Zonele special create sub acțiunea așa-numitei joncțiuni p-n cu puternice câmp electric prind electronii eliberați și îi separă în așa fel încât să apară un curent și, în consecință, energie electrică în circuitul de sarcină.

Acum, să analizăm acest proces într-o oarecare măsură mai detaliat, deși cu simplificări semnificative. Să începem prin a analiza absorbția luminii în metale și semiconductori puri. Când fluxul de fotoni lovește suprafața metalică, unii dintre fotoni sunt reflectați, iar restul este absorbit de metal. Energia celei de-a doua părți a fotonilor crește amplitudinea vibrațiilor rețelei și viteza mișcării haotice a electronilor liberi. Dacă energia fotonică este suficient de mare, atunci poate fi suficientă pentru a scoate un electron din metal, oferindu-i o energie egală sau mai mare decât funcția de lucru a metalului dat. Acesta este un efect foto extern. Cu o energie fotonică mai mică, energia sa merge în cele din urmă în întregime la încălzirea metalului.

O imagine diferită este observată atunci când fluxul de fotoni acționează asupra semiconductoarelor. Spre deosebire de metale, semiconductorii cristalini din formă pură (fără impurități), dacă nu sunt afectați de factori externi (temperatură, câmp electric, emisie de lumină etc.), nu au electroni liberi rupți din atomii rețelei cristaline a semiconductorului

Figura: 2.1 - Absorbția luminii în metale și semiconductori: 1 - bandă umplută (valență), 2 - zonă interzisă, 3 - bandă de conducere, 4 - electron

Cu toate acestea, deoarece materialul semiconductor este întotdeauna sub influența oricărei temperaturi (cel mai adesea temperatura camerei), o mică parte a electronilor poate dobândi energie datorită vibrațiilor termice, suficientă pentru a le detașa de atomii lor. Astfel de electroni devin liberi și pot lua parte la transferul de energie electrică.

Un atom semiconductor care a pierdut un electron capătă o sarcină pozitivă egală cu sarcina electronului. Cu toate acestea, locul unui atom neocupat de un electron poate fi ocupat de un electron dintr-un atom învecinat. În acest caz, primul atom devine neutru, iar cel vecin devine încărcat pozitiv. Locul liber din atom datorat formării unui electron liber este echivalent cu o particulă încărcată pozitiv numită gaură.

Energia posedată de un electron într-o stare legată de un atom se află în banda ocupată (valență). Energia unui electron liber este relativ mare și se află într-o bandă de energie mai mare - banda de conducție. O zonă interzisă se află între ele, adică o zonă cu astfel de energii pe care electronii unui anumit material semiconductor nu o pot avea nici într-o stare legată, nici în stare liberă. Intervalul de bandă pentru majoritatea semiconductoarelor este în intervalul 0,1 - 1,5 eV. La valori mai mari ale benzii interzise decât 2,0 eV, avem de-a face cu dielectrice.

Dacă energia fotonică este egală sau depășește lățimea benzii interzise, \u200b\u200batunci unul dintre electroni este detașat de atomul său și transferat din banda de valență în banda de conducere.

O creștere a concentrației de electroni și găuri duce la o creștere a conductivității semiconductorului. Ridicându-se sub acțiune factori externi conductivitatea curentă într-un semiconductor monocristalin pur se numește conductivitate intrinsecă. Odată cu dispariția influențelor externe, perechile libere electron-gaură se recombină între ele și conductivitatea intrinsecă a semiconductorului tinde la zero. Nu există semiconductori pur ideali, care să aibă doar propria conductivitate. De obicei, un semiconductor are conductivitate electronică (de tip n) sau orificială (de tip p).

Tipul conductivității este determinat de valența atomilor semiconductori și de valența atomilor de impuritate activă încorporați în rețeaua sa cristalină. De exemplu, pentru siliciu (grupul IV al tabelului periodic al lui Mendeleev), impuritățile active sunt borul, aluminiul, galiul, indiul, taliul (grupa III) sau fosfor, arsenic, antimoniu, bismut (grupul V). Rețeaua cristalină de siliciu are o astfel de formă în care fiecare atom de siliciu situat într-un sit de rețea este legat de alți patru atomi de siliciu cei mai apropiați prin așa-numitele legături covalente sau perechi de electroni.

Elementele grupului V (donatori) încorporate în siturile rețelei de cristal de siliciu au legături covalente ale celor patru electroni ai lor cu patru electroni de atomi de siliciu vecini, iar al cincilea electron poate fi eliberat cu ușurință. Elementele din grupa III (acceptori) inserate în siturile rețelei de cristal de siliciu atrag un electron de la unul dintre atomii de siliciu vecini pentru a forma patru legături covalente, formând astfel o gaură. La rândul său, acest atom poate atrage un electron de la unul dintre atomii de siliciu vecini etc.

PVC este o fotocelula semiconductoare cu un strat de închidere (supapă), a cărui funcționare se bazează pe efectul fotoelectric tocmai luat în considerare. Deci, mecanismul de funcționare FEP este după cum urmează (Figura 2.2).

Cristalul PEC este format din regiuni p și n cu conductivități ale găurilor și respectiv ale electronilor. O joncțiune pn (strat de barieră) se formează între aceste zone. Grosimea sa este de 10-4 - 10-6 cm.

Deoarece există mai mulți electroni pe o parte a joncțiunii p-n și găuri pe cealaltă, fiecare dintre acești purtători de curent liber va tinde să se difuzeze în acea parte a PVC-ului în care nu sunt suficienți. Ca rezultat, se stabilește un echilibru dinamic al sarcinilor la joncțiunea p-n în întuneric și se formează două straturi de sarcini spațiale, sarcini negative formându-se pe partea regiunii p și sarcini pozitive pe partea regiunii n.

Bariera de potențial stabilită (sau diferența de potențial de contact) va împiedica autodifuzarea în continuare a electronilor și găurilor prin joncțiunea pn. Diferența de potențial de contact Uc este direcționată de la regiunea n la regiunea p. Tranziția electronilor de la regiunea n la regiunea p necesită cheltuieli de lucru Uc · e, care este transformat în energia potențială a electronilor.

Din acest motiv, toate nivelurile de energie din regiunea p sunt crescute în raport cu nivelurile de energie din regiunea n prin valoarea barierei potențiale Uc · e. În figură, mișcarea ascendentă de-a lungul ordonatei corespunde unei creșteri a energiei electronilor și a unei scăderi a energiei găurii.

Figura: 2.2 - Principiul de funcționare al PVC-ului (punctele indică electroni, cercuri - găuri)

Astfel, bariera potențială este un obstacol pentru transportatorii majoritari (în direcția înainte), iar pentru transportatorii minoritari (în direcția opusă) nu reprezintă nicio rezistență.

Sub influența luminii solare (fotonii unei anumite energii), atomii semiconductori vor fi excitați și vor apărea în cristal perechi suplimentare (în exces) electron-gaură, atât în \u200b\u200bregiunile p, cât și în regiunile n (Figura 2.2, b). Prezența unei bariere potențiale în joncțiunea p-n determină separarea unor purtători minoritari suplimentari (sarcini), astfel încât excesul de electroni se va acumula în regiunea n și găurile în exces din regiunea p, care nu au avut timp să se recombine înainte de a se apropia de joncțiunea p-n. În acest caz, va avea loc o compensare parțială a sarcinii spațiale la joncțiunea p - n și câmpul electric creat de acestea va crește, direcționat împotriva diferenței de potențial de contact, ceea ce duce împreună la o scădere a barierei potențiale.

Ca urmare, o diferență de potențial U f , care este în esență o foto-EMF. Dacă în circuitul FEP este inclusă o sarcină electrică externă, atunci un curent electric va curge în el - fluxul de electroni din regiunea n în regiunea p, unde se recombină cu găuri. Caracteristicile volt-ampere și volt-putere ale PV sunt prezentate în Figura 2.3, din care este evident că pentru a elimina puterea electrică maximă din PV, este necesar să se asigure funcționarea acestuia într-un interval destul de restrâns de tensiuni de ieșire (0,35 - 0,45 V).

Greutate 1 m 2SB 6 ... 10 kg, din care 40% cade pe masa FEP. Din fotocelule, a căror dimensiune medie nu depășește 20 mm, generatoarele de tensiune sunt recrutate prin conexiunea lor secvențială la valoarea de tensiune necesară, de exemplu, la o valoare nominală de 27 V.

Figura: 2.3 - Dependența tensiunii și puterii specifice de densitatea curentului PV

Generatoarele de tensiune cu dimensiuni totale de aproximativ 100 x 150 mm sunt montate pe panouri SB și conectate în serie pentru a obține puterea necesară la ieșirea BOT.

Pe lângă celulele fotovoltaice din siliciu, care sunt încă utilizate în majoritatea CEI solare, celulele fotovoltaice pe bază de arsenidă de galiu și sulfură de cadmiu sunt de cel mai mare interes. Au o temperatură de funcționare mai ridicată decât PVC-urile din siliciu (în plus, PV-urile pe bază de arsenură de galiu au o eficiență teoretică mai mare și practic obținută). Trebuie remarcat faptul că creșterea decalajului benzii semiconductoare crește tensiunea circuitului deschis și eficiența teoretică a PVC-ului pe baza sa. Cu toate acestea, la un decalaj de bandă mai mare de 1,5 eV, eficiența PEC începe să scadă, deoarece un număr tot mai mare de fotoni nu poate forma o pereche electron-gaură. Astfel, există un interval de bandă optim (1,4 - 1,5 eV), la care eficiența PEC atinge valoarea maximă posibilă.

3. Centrale electrocimice spațiale

O sursă de curent electrochimic (ECS) este baza oricărui CED electrochimic. Acesta include electrozi, care sunt de obicei substanțe active, un electrolit, un separator și o structură externă (vas). O soluție apoasă de KOH alcalin este de obicei utilizată ca electrolit pentru ECT utilizat în nave spațiale.

Să luăm în considerare o diagramă simplificată și proiectarea unui ECT argint-zinc (Figura 3.1). Electrodul pozitiv este un colector de curent cu plasă de sârmă, pe care se presează argint metalic praf, apoi sinterizat într-un cuptor la o temperatură de aproximativ 400 ° C, ceea ce conferă electrodului rezistența și porozitatea necesare. Electrodul negativ este, de asemenea, o masă presată pe grila conductorului descendent, constând din oxid de zinc (70 - 75%) și praf de zinc (25 - 30%).

Pe electrodul negativ (Zn), agentul oxidant al substanței active reacționează la hidroxidul de zinc Zn (OH) 2, și pe pozitiv (AgO) - reacția de reducere a substanței active la argint pur. Electricitatea este returnată circuitului extern sub forma unui curent de electroni. În electrolit, circuitul electric este închis de fluxul ionilor OHˉ de la electrodul pozitiv la cel negativ. Separatorul este necesar în primul rând pentru a preveni contactul (și deci scurtcircuitul) electrozilor. În plus, reduce auto-descărcarea ECT și este necesară pentru a asigura funcționarea sa reversibilă pe mai multe cicluri de încărcare-descărcare.

Figura: 3.1 Principiul de funcționare al ECT argint-zinc:

Electrod pozitiv (AgO), 2 - sarcină electrică,

Electrod negativ (Zn), 4 - vas, 5 - separator

Aceasta din urmă se datorează faptului că, cu o separare insuficientă, soluțiile coloidale de oxizi de argint care ajung la electrodul negativ sunt catod reduse sub forma celor mai fine filamente de argint direcționate către electrodul pozitiv, iar ionii de zinc sunt, de asemenea, reduși sub formă de filamente care cresc către anod. Toate acestea pot duce la un scurtcircuit al electrozilor în primele cicluri de funcționare.

Cel mai potrivit separator (separator) pentru ECT argint-zinc este un film de hidrat de celuloză (celofan), care, umflându-se în electrolit, sigilează ansamblul, care împiedică plutirea electrozilor de zinc, precum și creșterea cristalelor asemănătoare acelor de argint și zinc (dendrite). Vasul EChIT de argint-zinc este fabricat, de regulă, din plastic (rășină poliamidică sau polistiren) și are o formă dreptunghiulară. Pentru alte tipuri de ECT, vasele pot fi fabricate, de exemplu, din fier nichelat. Când ECT a fost încărcat, zincul și oxidul de argint au fost reduse pe electrozi.

Deci, descărcarea ECIT este procesul de a furniza energie electrică unui circuit extern, iar taxa ECIT este procesul de a-i transmite electricitate din exterior pentru a restabili substanțele originale din produsele de reacție. Prin natura muncii, ECPS sunt împărțite în celule galvanice (surse primare de curent), care permit o singură utilizare a substanțelor active și baterii electrice (surse secundare de curent), care permit utilizarea multiplă a substanțelor active datorită posibilității recuperării lor prin încărcarea dintr-o sursă externă de electricitate.

Centralele electrice bazate pe ECP utilizează acumulatori electrici cu moduri de descărcare de unică folosință sau reutilizabile, precum și celule de combustibil hidrogen-oxigen.

3.1 Surse de energie chimică

Forța electromotivă (CEM) a surselor chimice este diferența dintre potențialele sale electrod atunci când circuitul extern este deschis:

unde și - potențialele electrozilor pozitivi și respectiv negativi.

Complet rezistență internă R al unei surse chimice (rezistența la puterea constantă a curentului) constă dintr-o rezistență ohmică și rezistența la polarizare :

unde - polarizarea EMF; - puterea curentului de descărcare.

Rezistența la polarizare datorită unei modificări a potențialului electrodului și când curentul curge și depinde de gradul de încărcare, puterea curentului de descărcare, compoziția electrozilor și puritatea electrolitului.

;

unde și și

Capacitatea de descărcare Q (Ah) a unei surse chimice este cantitatea de energie electrică degajată de sursă în timpul descărcării la o anumită temperatură a electrolitului, presiune ambiantă, curent de descărcare și tensiune finală de descărcare:

iar în cazul general, la un curent constant în timpul descărcării

unde - valoarea curentului curentului de descărcare, A; - timpul de descărcare, h.

unde și

Bateriile de stocare argint-zinc, cadmiu-nichel și nichel-hidrogen sunt considerate surse de curent chimic.

3.2 Baterii argint-zinc

Bateriile argint-zinc, datorită masei și volumului mai mic, cu aceeași capacitate și rezistență internă mai mică la o anumită tensiune, s-au răspândit în echipamentele electrice spațiale. Substanța activă a electrodului pozitiv al bateriei este oxidul de argint AgO, iar placa negativă este zincul metalic. O soluție apoasă de KOH alcalin cu o densitate de 1,46 g / cm3 este utilizată ca electrolit. 3.

Bateria este încărcată și descărcată în două etape. În timpul descărcării în ambele etape, reacția de oxidare a zincului are loc pe electrodul negativ

2OH ˉ descărcare → ZnO + H 2O + 2e.

Pe electrodul pozitiv, reacția de reducere a argintului se desfășoară în două etape. În prima etapă, oxidul de argint divalent este redus la monovalent:

2AgO + 2e + H 2O descărcare → Ag 2O + 2OH ˉ.

În acest caz, EMF-ul bateriei este egal cu 1,82 .. 1,86 V. În a doua etapă, când bateria este descărcată cu aproximativ 30%, oxidul de argint monovalent este redus la argint metalic:

2O + 2e + H 2O descărcare → 2Ag + 2OH ˉ.

CEM al bateriei în momentul tranziției de la prima etapă a descărcării la cea de-a doua scade la 1,52 .. 1,56 V. Ca rezultat, curba 2 a modificării CEM în timpul descărcării cu curentul nominal (Figura 3.2) are un salt caracteristic. La descărcare ulterioară, EMF-ul bateriei rămâne constant până când bateria este complet descărcată. Când este încărcată, reacția se desfășoară în două etape. Un salt de tensiune și EMF apar atunci când bateria este încărcată cu aproximativ 30% (curba 1). În această stare, suprafața electrodului este acoperită cu oxid de argint divalent.

Figura: 3.2 - CEM al bateriei în timpul încărcării (1) și descărcării (2)

La sfârșitul sarcinii, când se oprește oxidarea argintului de la monovalent la bivalent în întreaga grosime a electrodului, evoluția oxigenului începe conform ecuației

OH ˉ descărcare → 2H 2O + 4e + O 2

În acest caz, EMF-ul bateriei crește cu 0,2 ... 0,3 V (vezi Figura 5.1, secțiunea punctată pe curba 1). Oxigenul eliberat în timpul reîncărcării accelerează distrugerea parametrilor de celofan ai bateriei și apariția scurtcircuitelor interne.

În timpul procesului de încărcare, tot oxidul de zinc poate fi redus la zinc metalic. La supraîncărcare, se restabilește oxidul de zinc al electrolitului, care se află în porii electrodului și apoi în separatoarele plăcilor negative, al căror rol este jucat de mai multe straturi de film de celofan. Zincul este eliberat sub formă de cristale care cresc spre electrodul pozitiv, formând un dendrit de zinc. Astfel de cristale sunt capabile să străpungă filmele de celofan și să provoace scurtcircuitarea electrozilor. Dendritele de zinc nu suferă reacții inverse. Prin urmare, chiar și reîncărcările pe termen scurt sunt periculoase.

3.3 Baterii cadmiu-nichel

Substanța activă a electrodului negativ dintr-o baterie de nichel-cadmiu este cadmiul metalic. Electrolitul din baterie este o soluție apoasă de potasiu caustic KOH cu o densitate de 1,18 ... 1,40 g / cm 3.

O baterie cadmiu-nichel utilizează o reacție redox între cadmiu și hidrat de oxid de nichel:

2Ni (OH) 3 → Cd (OH) 2 + 2Ni (OH) 2

Simplificată, reacția chimică de pe electrozi poate fi scrisă după cum urmează. Oxidarea cadmiului are loc pe electrodul negativ în timpul descărcării:

2e → Cd ++

Ionii de cadmiu se leagă cu ioni hidroxil de alcali, formând hidrat de cadmiu:

2e + 2OH ˉ descărcare → Cd (OH) 2.

Pe electrodul pozitiv, nichelul este redus de la trivalent la bivalent în timpul descărcării:

2Ni (OH) 3 + 2e descărcare → 2Ni (OH) 2 + 2OH ˉ.

Simplificarea este că compoziția hidroxidului nu se potrivește exact cu formulele lor. Sărurile de cadmiu și nichel sunt ușor solubile în apă, prin urmare concentrația ionilor Cd ++, Ni ++, Ni +++este determinată de concentrația de KOH, de care depinde indirect valoarea electromagnetică a bateriei în electrolit.

Forța electromotivă a unei baterii proaspăt încărcate este de 1,45 V. În câteva zile de la sfârșitul încărcării, EMF scade la 1,36 V.

3.4 Baterii nichel-hidrogen

Bateriile de stocare nichel-hidrogen (NVAB), care posedă fiabilitate ridicată, durată lungă de viață și energie specifică, performanță operațională excelentă, vor găsi o aplicație largă în nave spațiale în loc de baterii nichel-cadmiu.

Pentru funcționarea NVAB în orbita pământului scăzut (LEO), este necesară o resursă de aproximativ 30 de mii de cicluri pe parcursul a cinci ani. Utilizarea AB pe LEO cu o adâncime mică de descărcare (GD) duce la o scădere corespunzătoare a energiei specifice garantate (30 mii de cicluri pot fi realizate la GD de 40%). Ciclarea continuă de trei ani în modul LEO la GH \u003d 30% din doisprezece NAB standard (RNH-30-1) cu o capacitate de 30 Ah a arătat că toate NAB-urile au funcționat stabil 14 600 de cicluri.

Nivelul atins de energie specifică pentru NVAB este de 40 Wh / kg pe orbita apropiată a pământului la o adâncime de descărcare de 100%, resursa la o frecvență de 30% HR este de 30 de mii de cicluri.

4 / Alegerea parametrilor panourilor solare și a memoriei tampon

Date inițiale:

Masa maximă a navei spațiale - Mn \u003d până la 15 kg;

Altitudinea orbitei circulare - h \u003d 450 km;

Greutatea sistemului țintă - nu mai mult de 0,5 kg;

Frecvență de transmisie - 24 GHz;

Tensiunea de consum - 3,3 - 3,6 V;

Consumul minim de energie al transceptorului este de 300 mW;

Consumul de energie al motorului plasma-ion - 155 W;

Perioada de existență activă este de 2-3 ani.

4.1 Calculul parametrilor de stocare a bufferului

Calculul parametrilor stocării tampon (BN) de la bateriile reîncărcabile și determinarea compoziției acestora se realizează pe baza limitărilor impuse bateriilor în ceea ce privește curenții de încărcare și descărcare, capacitatea de descărcare integrală, adâncimile de descărcare unice, fiabilitatea, condițiile de temperatură de funcționare etc.

La calcularea parametrilor bateriilor cu nichel-hidrogen, vom folosi următoarele caracteristici și formule [autorii „Proiectării navelor spațiale automate”: D.I. Kozlov, G.N. Anshakov, V.F. Agarkov, Yu.G. Antonov § 7.5], precum și caracteristicile tehnice ale sursei AB HB-50 NIAI, informații despre care sunt preluate de pe site [# "justify"\u003e Forța electromotivă a unei baterii nou încărcate este de 1,45 V. În câteva zile de la sfârșitul încărcării, EMF scade până la 1,36 V.

· puterea curentului de încărcare de până la 30 A;

· puterea curentului de descărcare 12 - 50A în stare de echilibru și până la 120 A în modul pulsat până la 1 minut;

· adâncimea maximă de descărcare de până la 54Ah;

· atunci când bateriile funcționează (în special în modurile de ciclism cu curenți mari de încărcare și descărcare), este necesar să se asigure un mod de funcționare termică a bateriilor de stocare în intervalul de 10 ... 30 ° C. În acest scop, este necesar să se prevadă instalarea bateriilor într-un compartiment sigilat al navei spațiale și să se asigure un mod de răcire pentru fiecare unitate cu aer.

Formule utilizate pentru calcularea parametrilor bateriilor nichel-cadmiu:

Tensiunea surselor chimice de electricitate diferă de CEM prin valoarea căderii de tensiune din circuitul intern, care este determinată de rezistența internă totală și curentul curent:

, (1)

, (2)

unde și - tensiuni de descărcare și încărcare la sursă, respectiv; și - puterea curenților de descărcare și respectiv de încărcare.

Pentru celulele electrochimice de unică folosință, tensiunea este definită ca tensiunea de descărcare .

Capacitatea de descărcare Q (Ah) a unei surse chimice este cantitatea de energie electrică livrată de sursă în timpul descărcării la o anumită temperatură a electrolitului, presiune ambiantă, curent de descărcare și tensiune de descărcare finală:

, (3)

Capacitatea nominală a unei surse de curent chimic este capacitatea pe care sursa trebuie să o dea în condițiile de funcționare specificate de condițiile tehnice. Pentru bateriile KA, curentul nominal și de descărcare sunt luate cel mai adesea ca amperajul modurilor de descărcare de una până la două sau 10 ore.

Auto-descărcarea este pierderea inutilă a capacității de către o sursă chimică atunci când circuitul extern este deschis. De obicei auto-descărcarea se exprimă în% pe \u200b\u200bzi de depozitare:

(4)

unde și - recipientele sursei chimice înainte și după depozitare; T - timpul de depozitare, zile.

Energia specifică a unei surse de curent chimic este raportul dintre energia livrată și masa sa:

(5)

Valoarea specifică a energiei depinde nu numai de tipul sursei, ci și de puterea curentului de descărcare, adică din puterea de decolare. Prin urmare, o sursă chimică de electricitate este mai complet caracterizată prin dependența energiei specifice de puterea specifică.

Calculul parametrilor:

Să stabilim timpul de descărcare maxim și minim din formula:

Prin urmare, timpul maxim de descărcare este:

;

timpul minim de descărcare:

Rezultă că timpul de descărcare permite satelitului proiectat să utilizeze un curent electric în medie 167 minute sau 2,8 ore, deoarece instalația noastră țintă folosește 89 mA, timpul de descărcare nu va fi semnificativ, ceea ce are un efect pozitiv asupra alimentării cu curent electric a altor sisteme vitale. satelit.

Determinați tensiunea de descărcare și rezistența internă totală a bateriei din formula:

; (1)

(2)

Prin urmare, se poate vedea că tensiunea de încărcare poate fi asigurată suficient prin utilizarea panourilor solare, chiar și o zonă mică.

De asemenea, puteți determina auto-descărcarea prin formula:

(4)

Luați pentru durata de viață a bateriei T \u003d 0,923 h, Q 1 \u003d 50 (Ah) și Q 2 \u003d 6 (Ah) pentru treizeci de minute de lucru:

adică cu un consum de curent minim de 12 A, în 30 de minute bateria va fi descărcată cu 95% când circuitul este deschis.

Să găsim energia specifică a unei surse chimice prin formula:

adică 1 kg de sursă chimică poate furniza 61,2 wați pentru o oră, ceea ce este potrivit și pentru instalația noastră țintă, care funcționează la o putere maximă de 370 mW.

4.2 Calculul parametrilor panourilor solare

Pentru a calcula parametrii principali ai SB care afectează proiectarea navei spațiale, caracteristici tehnice vom folosi următoarele formule [„Proiectarea navelor spațiale automate” autori: D.I. Kozlov, G.N. Anshakov, V.F. Agarkov, Yu.G. Antonov § 7.5]:

Calculul parametrilor SB se reduce la determinarea ariei și masei sale.

Calculul puterii SB se face conform formulei:

(6)

unde - Puterea SB; R n - puterea medie zilnică de încărcare (cu excepția nevoilor proprii ale BOT); - timpul orientării SB către Soare per revoluție; t T - timpul în care SB nu este iluminat; - Eficiența regulatorului de putere în exces SB, egală cu 0,85; - eficiența regulatorului de descărcare BN egală cu 0,85; r .3 - eficiența regulatorului de încărcare BN egală cu 0,9; - eficiența bateriilor de stocare BN egală cu 0,8.

Aria celulei solare este calculată prin formula:

(7)

unde - puterea specifică a SB, luată:

L / m 2 la \u003d 60 ° С și 85 W / m 2 la \u003d 110 ° С pentru materialul FEP KSP;

L / m 2 la \u003d 60 ° С și 100 W / m 2 la \u003d 110 ° С pentru materialul FEP;

L / m 2 la \u003d 60 ° С și 160 W / m 2 la \u003d 110 ° С pentru material PVC Ga - As; - factorul de siguranță, luând în considerare degradarea celulei solare datorată radiațiilor, egal cu 1,2 pentru un timp de funcționare de doi până la trei ani și 1,4 pentru un timp de funcționare de cinci ani;

Factor de umplere calculat prin formulă 1,12; - Eficiența SB \u003d 0,97.

Masa SB este determinată pe baza parametrilor specifici. În modelele SB disponibile în prezent, greutatea specifică este \u003d 2,77 kg / m 2 pentru siliciu și \u003d 4,5 kg / m 2 pentru celulele PV de arsenid de galiu.

Greutatea SB este calculată prin formula:

(8)

Pentru a începe calcularea BOT, trebuie să selectați panouri solare. La luarea în considerare a diferitelor SAT-uri, alegerea a căzut pe următoarele: baterii solare OJSC Saturn bazate pe fotoconvertoare GaAs cu următoarele caracteristici.

Parametrii de bază ai SB

Parametru SBSB bazat pe GaAs PPS Viață activă, ani 15 Eficiență la 28 ° C,% 28 Putere specifică, W / m 2170 Putere maximă, W / m 2381 Greutate specifică, kg / m 21.6 Grosime PVC, μm 150 ± 20

De asemenea, pentru calcul, trebuie să cunoașteți perioada orbitală a satelitului pe orbită terestră joasă, informațiile sunt preluate de pe site:

· în raza de acțiune de 160 km, perioada orbitală este de aproximativ 88 de minute;

· până la 2000 km, perioada este de aproximativ 127 minute.

Pentru calcul, luăm valoarea medie - aproximativ 100 de minute. În acest caz, timpul de iluminare al panourilor solare ale navei spațiale pe orbită este mai lung (aproximativ 60 de minute) decât timpul petrecut în umbra de aproximativ 40 de minute.

Încărcați puterea este egală cu suma puterii necesare a sistemului de propulsie, a echipamentului țintă, a puterii de încărcare și este egală cu 220 W (valoarea este luată cu un exces de 25 W).

Înlocuind toate valorile cunoscute în formulă, obținem:

Pentru a determina aria panoului SB, vom lua materialul PVC Ga-As la temperatura de funcționare \u003d 60 ° С, satelitul funcționează de 2-3 ani și vom folosi formula:

înlocuind datele inițiale, obținem:

după calcule, obținem

dar ținând cont de acuzația rară baterie, utilizare tehnologii moderne în dezvoltarea altor sisteme și, de asemenea, ținând cont de faptul că puterea de încărcare a fost luată cu o marjă de aproximativ 25 W, este posibilă reducerea suprafeței SB la 3,6 m2

Drepturile de autor asupra imaginii SPL

Misiunile spațiale care durează câteva decenii - sau chiar mai mult - vor necesita o nouă generație de surse de alimentare. Recenzorul a decis să-și dea seama ce opțiuni au designerii.

Sistemul de alimentare este o componentă vitală a navei spațiale. Aceste sisteme trebuie să fie extrem de fiabile și proiectate pentru a rezista mediilor dure.

Dispozitivele sofisticate de astăzi necesită din ce în ce mai multă energie - care este viitorul surselor lor de alimentare?

Un smartphone modern mediu abia poate dura o zi cu o singură încărcare. Iar sonda Voyager, lansată acum 38 de ani, transmite în continuare semnale către Pământ după ce a părăsit sistemul solar.

Computerele Voyager sunt capabile de 81 de mii de operații pe secundă - dar procesorul unui smartphone este de șapte mii de ori mai rapid.

Alte articole BBC Future în limba rusă

La proiectarea unui telefon, desigur, se presupune că acesta va fi reîncărcat în mod regulat și este puțin probabil să se afle la câteva milioane de kilometri de cea mai apropiată priză.

Nu va funcționa pentru a încărca bateria navei spațiale, care, conform planului, ar trebui să fie situată la o sută de milioane de kilometri de sursa actuală, nu va funcționa - trebuie să fie capabil să transporte baterii cu capacitate suficientă la bord pentru a funcționa decenii, sau să genereze electricitate pe cont propriu.

Se pare că este destul de dificil să rezolvi o astfel de problemă de proiectare.

Unele dispozitive de la bord au nevoie doar de electricitate din când în când, dar altele trebuie să ruleze continuu.

Receptoarele și emițătoarele trebuie să fie întotdeauna pornite, iar în zborul cu echipaj sau pe o stație spațială cu echipament, sistemele de susținere a vieții și de iluminare trebuie de asemenea activate.

Drepturile de autor asupra imaginii NASA Legenda imaginii Motoarele Voyager nu sunt cele mai moderne, dar au funcționat cu succes timp de 38 de ani.

Dr. Rao Surampudi conduce programul de tehnologie energetică la laboratorul de propulsie cu jet de la Institutul de Tehnologie din California din Statele Unite. De peste 30 de ani dezvoltă sisteme de alimentare pentru diferite vehicule NASA.

Potrivit acestuia, sistemul energetic reprezintă de obicei aproximativ 30% din masa totală a navei spațiale. Rezolvă trei sarcini principale:

generarea de energie electrică

stocarea energiei electrice

distributia puterii

Toate aceste părți ale sistemului sunt vitale pentru funcționarea aparatului. Acestea trebuie să fie ușoare, durabile și să aibă o „densitate energetică” ridicată - adică să genereze multă energie cu un volum destul de mic.

În plus, acestea trebuie să fie fiabile, deoarece trimiterea unei persoane în spațiu pentru a remedia defecțiunile este foarte impracticabilă.

Sistemul nu trebuie doar să genereze suficientă energie pentru toate nevoile, ci și să o facă pe tot parcursul zborului - și poate dura zeci de ani și, în viitor, poate secole.

„Durata de viață estimată ar trebui să fie lungă - dacă se sparge ceva, nu va mai fi nimeni de reparat - spune Surampudi. - Zborul către Jupiter durează de la cinci la șapte ani, până la Pluton - mai mult de 10 ani, iar pentru a părăsi sistemul solar, durează de la 20 sub 30 ".

Drepturile de autor asupra imaginii NASA Legenda imaginii Misiunea NASA de deviere a asteroidului va folosi un nou tip de energie solară - mai eficientă și mai durabilă decât predecesorii săi

Sistemele de putere ale unei nave spațiale se află în condiții foarte specifice - trebuie să rămână funcționale în absența gravitației, în vid, sub influența radiațiilor foarte intense (care ar dezactiva majoritatea dispozitivelor electronice convenționale) și a temperaturilor extreme.

"Dacă aterizați pe Venus, atunci peste bord vor fi 460 de grade, - spune specialistul. - Și când aterizați pe Jupiter, temperatura va fi minus 150".

Vehiculele spațiale care se îndreaptă spre centrul sistemului solar nu au lipsă de energie colectată de panourile lor fotovoltaice.

Aceste panouri arată puțin diferit de panourile solare instalate pe acoperișurile clădirilor rezidențiale, dar în același timp funcționează cu o eficiență mult mai mare.

Este foarte cald lângă soare și panourile fotovoltaice se pot supraîncălzi. Pentru a evita acest lucru, panourile sunt îndepărtate de Soare.

Pe orbita planetară, panourile fotovoltaice sunt mai puțin eficiente: generează mai puțină energie, deoarece din când în când sunt îngrădite de Soare de către planeta însăși. În astfel de situații, este necesar un sistem fiabil de stocare a energiei.

Soluție atomică

Un astfel de sistem poate fi construit pe baza bateriilor de nichel-hidrogen, care pot rezista la mai mult de 50 de mii de cicluri de încărcare și pot dura mai mult de 15 ani.

Spre deosebire de bateriile convenționale, care nu funcționează în spațiu, aceste baterii sunt sigilate și pot funcționa normal în vid.

Odată cu distanța față de Soare, nivelul radiației solare scade în mod natural: pentru Pământ este de 1374 wați pe metru pătrat, pentru Jupiter - 50, iar pentru Pluto - doar un watt pe metru pătrat.

Prin urmare, dacă aparatul părăsește orbita lui Jupiter, atunci sunt folosite sisteme de putere atomică.

Cel mai comun dintre acestea este generatorul termoelectric radioizotop (RTG) utilizat pe sondele Voyager și Cassini și pe roverul Curiosity.

Drepturile de autor asupra imaginii NASA Legenda imaginii Un generator de radioizotop Stirling îmbunătățit este considerat ca o posibilă sursă de energie pentru misiunile pe termen lung

Nu există piese mobile în aceste surse de alimentare. Ele generează energie prin descompunerea izotopilor radioactivi, cum ar fi plutoniul. Durata lor de viață depășește 30 de ani.

Dacă este imposibil să utilizați un RTG (de exemplu, dacă este nevoie de un ecran prea masiv pentru zbor pentru a proteja echipajul de radiații), iar panourile fotovoltaice nu sunt potrivite datorită unei distanțe prea mari de Soare, atunci pot fi utilizate pilele de combustibil.

Pilele de combustibil hidrogen-oxigen au fost utilizate în programele spațiale americane Gemini și Apollo. Aceste celule nu pot fi reîncărcate, dar eliberează multă energie, iar un produs secundar al acestui proces este apa, pe care echipajul o poate bea apoi.

NASA și Jet Propulsion Laboratory lucrează pentru a crea sisteme mai puternice, mai mari din punct de vedere energetic și compacte, cu o durată de viață ridicată.

Dar noile nave spațiale au nevoie de tot mai multă energie: sistemele lor de la bord devin constant complexe și consumă multă energie electrică.

Pentru zborurile pe termen lung, este posibil să fie utilizate elice atomico-electrice

Acest lucru este valabil mai ales pentru navele care utilizează o acționare electrică - de exemplu, dispozitivul de propulsie ionică, utilizat pentru prima dată pe sonda Deep Space 1 în 1998 și de atunci a devenit răspândit.

Motoarele electrice funcționează în general emițând electric combustibil la viteza mare, dar există și acelea care accelerează aparatul prin intermediul interacțiunii electrodinamice cu câmpurile magnetice ale planetelor.

Majoritatea sistemelor energetice ale Pământului nu sunt capabile să funcționeze în spațiu. Prin urmare, orice schemă nouă trece printr-o serie de teste serioase înainte de a fi instalată pe o navă spațială.

Laboratoarele NASA recreează condițiile dure în care noul dispozitiv va trebui să funcționeze: este iradiat cu radiații și supus unor schimbări extreme de temperatură.

Spre noi frontiere

Este posibil ca în zborurile viitoare să fie utilizate generatoare de radioizotopi Stirling îmbunătățite. Lucrează pe un principiu similar cu RTG, dar mult mai eficient.

În plus, pot fi făcute foarte mici - deși designul este și mai complicat.

Se construiesc baterii noi pentru zborul planificat al NASA către Europa, una dintre lunile lui Jupiter. Vor putea funcționa la temperaturi cuprinse între -80 și -100 grade.

Și noile baterii litiu-ion la care lucrează în prezent designerii vor avea o capacitate de două ori mai mare decât cele actuale. Cu ajutorul lor, astronauții pot, de exemplu, să petreacă de două ori mai mult pe suprafața lunară înainte de a se întoarce la navă pentru a se reîncărca.

Drepturile de autor asupra imaginii SPL Legenda imaginii Pentru a furniza energie unor astfel de așezări, este probabil că vor fi necesare noi tipuri de combustibil.

De asemenea, sunt proiectate noi panouri solare care ar putea colecta eficient energie la lumină scăzută și la temperaturi scăzute - acest lucru va permite dispozitivelor de pe panourile fotovoltaice să zboare departe de Soare.

La un moment dat, NASA intenționează să stabilească o bază permanentă pe Marte - și posibil pe planete mai îndepărtate.

Sistemele energetice ale acestor așezări ar trebui să fie mult mai puternice decât cele utilizate astăzi în spațiu și proiectate pentru o funcționare mult mai lungă.

Există o mulțime de heliu-3 pe Lună - acest izotop se găsește rar pe Pământ și este combustibilul ideal pentru centralele termonucleare. Cu toate acestea, nu a fost încă posibil să se obțină o stabilitate suficientă a fuziunii termonucleare pentru a utiliza această sursă de energie în nave spațiale.

În plus, reactoarele termonucleare existente în prezent ocupă zona unui hangar de aeronavă și, în această formă, este imposibil să le folosești pentru zboruri spațiale.

Este posibil să se utilizeze reactoare nucleare convenționale - în special în vehiculele cu propulsie electrică și în misiunile planificate pe Lună și Marte?

În acest caz, colonia nu trebuie să ruleze o sursă separată de electricitate - reactorul unei nave își poate juca rolul.

Pentru zborurile pe termen lung, este posibil să se utilizeze propulsori atomico-electrici.

"Misiunea de deviere a asteroizilor are nevoie de panouri solare mari pentru a avea suficientă putere electrică pentru a manevra în jurul asteroidului", spune Surampudi. "În prezent, avem în vedere un sistem de propulsie solar-electric, dar atom-electric ar fi mai ieftin".

Cu toate acestea, este puțin probabil să vedem nave spațiale cu energie nucleară în viitorul apropiat.

"Această tehnologie nu este încă suficient dezvoltată. Trebuie să fim absolut siguri de siguranța acesteia înainte de a lansa un astfel de dispozitiv în spațiu", explică specialistul.

Sunt necesare teste riguroase suplimentare pentru a se asigura că reactorul este capabil să reziste rigorilor zborului spațial.

Toate aceste sisteme de energie promițătoare vor permite navelor spațiale să dureze mai mult și să zboare pe distanțe lungi - dar până acum sunt în stadiile incipiente ale dezvoltării.

Când testele vor fi finalizate cu succes, astfel de sisteme vor deveni o componentă obligatorie a zborurilor către Marte - și nu numai.

O puteți citi pe site.