ЄВРАЗІЙСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Їм. Л.М. Гумільова
Фізико-технічний факультет
Кафедра Космічна техніка та технології
ЗВІТ
ПО ВИРОБНИЧОМУ
ПРАКТИКА
АСТАНА 2016
Введение………………………………………………………………………...........3
1 Загальні відомостіпро енергопостачання космічних апаратів.……………....4
1.1 Первинні джерела електроенергії ………………………………4
1.2 Автоматика системи енергоживлення.............................................. ….5
2 Сонячні космічні енергоустановки …………..…………………..…......6
2.1 Сонячні батареї принцип дії та пристрій………….….....6
3 Електрохімічні космічні енергоустановки…………………………..12
3.1 Хімічні джерела струму………………………………………...13
3.2 Срібно-цинкові акумуляторні батареї…………………....15
3.3 Кадмієво-нікелеві акумуляторні батареї……………………16
3.4 Нікель-водневі акумуляторні батареї……………………..17
4 Вибір параметрів сонячних батарей та буферних накопичувачів...………...18
4.1 Розрахунок параметрів буферного накопичувача…………………………18
4.2 Розрахунок параметрів сонячних батарей……………………………..20
Заключение………………………………………………………………………….23
Список використаних джерел……………………………………………...24
Специфікації...……………………………………………………………………25
ВСТУП
Однією з найважливіших бортових систем будь-якого космічного апарату, яка насамперед визначає його тактико-технічні характеристики, надійність, термін служби та економічну ефективність, є система електропостачання. Тому проблеми розробки, дослідження та створення систем електропостачання космічних апаратів мають першорядне значення.
Автоматизація процесів управління польотом будь-яких космічних апаратів (КА) немислима без електричної енергії. Електрична енергія використовується для приведення в дію всіх елементів пристроїв та обладнання КА (рухова група, органів управління, систем зв'язку, приладового комплексу, опалення тощо).
В цілому, система електропостачання генерує енергію, перетворює і регулює її, запасає її для періодів пікового споживання або роботи в тіні, а також розподілять її за космічним апаратом. Підсистема електропостачання може також перетворювати та регулювати напругу або забезпечувати ряд рівнів напруги. Вона часто включає та вимикає апаратуру і, для підвищення надійності, захищає від короткого замиканнята ізолює несправності. Конструкція підсистеми залежить від космічної радіації, що спричиняє деградацію сонячних батарей. Термін служби хімічної батареї часто обмежує термін служби космічного апарату.
p align="justify"> Актуальними проблемами є вивчення особливостей функціонування джерел електроенергії космічного призначення. Вивчення та освоєння космічного простору вимагають розробки та створення космічних апаратів різного призначення. В даний час найбільше практичне застосуванняотримують автоматичні непілотовані космічні апарати для формування глобальної системизв'язку, телебачення, навігації та геодезії, передачі інформації, вивчення погодних умов та природних ресурсів Землі, а також дослідження далекого космосу. Для їх створення необхідно забезпечити дуже жорсткі вимоги щодо точності орієнтації апарату в космосі та корекції параметрів орбіти, що вимагає підвищення енергоозброєності космічних апаратів.
Загальні відомості щодо енергопостачання космічних апаратів.
Геометрію космічних апаратів, конструкцію, масу, термін активного існування багато в чому визначає система енергопостачання космічних апаратів. Система енергопостачанняабо інакше називається як система енергоживлення (СЕП) космічних апаратів - система космічного апарату, що забезпечує електроживлення інших систем, є однією з найважливіших систем. Вихід із ладу системи енергопостачання веде до відмови всього апарату.
До складу системи енергоживлення зазвичай входять: первинне та вторинне джерело електроенергії, що перетворюють, зарядні пристроїта автоматика управління.
1.1 Первинні джерела енергії
Як первинні джерела використовуються різні генератори енергії:
Сонячні батареї;
Хімічні джерела струму:
Акумулятори;
Гальванічні елементи;
Паливні елементи;
Радіоізотопні джерела енергії;
Ядерні реактори.
До складу первинного джерела входить не тільки власне генератор електроенергії, але й системи, що обслуговують його, наприклад система орієнтації сонячних батарей.
Часто джерела енергії комбінують, наприклад, сонячну батарею із хімічним акумулятором.
Паливні елементи
Паливні елементи мають високі показники за масогабаритними характеристиками та питомою потужністю порівняно з парою сонячні батареї та хімічний акумулятор, стійкі до перевантажень, мають стабільну напругу, безшумні. Однак вони вимагають запасу палива, тому застосовуються на апаратах із терміном перебування у космосі від кількох днів до 1-2 місяців.
Використовуються в основному водень-кисневі паливні елементи, так як водень забезпечує найвищу калорійність, і, крім того, вода, що утворилася в результаті реакції, може бути використана на пілотованих космічних апаратах. Для забезпечення нормальної роботи паливних елементів необхідно забезпечити відведення утворюються в результаті реакції води та тепла. Ще одним стримуючим фактором є відносно висока вартість рідкого водню та кисню, складність їх зберігання.
Радіоізотопні джерела енергії
Радіоізотопні джерела енергії використовують здебільшого у таких випадках:
Висока тривалість польоту;
Місії у зовнішні області Сонячної системи, де потік сонячного випромінювання малий;
Розвідувальні супутники з радаром бічного огляду через низькі орбіти не можуть використовувати сонячні батареї, але відчувають високу потребу в енергії.
1.2 Автоматика системи енергоживлення
До неї входять пристрої керування роботою енергоустановки, а також контролю за її параметрами. Типовими завданнями є: - підтримка в заданих діапазонах параметрів системи: напруги, температури, тиску, перемикання режимів роботи, наприклад, перехід на резервне джерело живлення; розпізнавання відмов, аварійний захист джерел живлення зокрема струму; видача інформації про стан системи для телеметрії та на пульт космонавтів. У деяких випадках можливий перехід з автоматичного на ручне керування або з пульта космонавтів, або з команд з наземного центру керування.
Подібна інформація.
Правовласник ілюстрації SPL
Для космічних польотів тривалістю кілька десятиліть - і навіть довше - знадобиться нове покоління джерел харчування. Оглядач вирішив розібратися, які варіанти мають конструктори.
Система харчування – життєво важлива складова космічного корабля. Ці системи повинні бути гранично надійними та розрахованими на роботу в жорстких умовах.
Сучасні складні апарати вимагають дедалі більше енергії – яким же бачиться майбутнє їхніх джерел живлення?
Середньостатистичний сучасний смартфон ледве може працювати добу на одній зарядці. А зонд "Вояджер", запущений 38 років тому, як і раніше, передає на Землю сигнали, вже покинувши межі Сонячної системи.
Комп'ютери "Вояджерів" здатні здійснювати 81 тисяч операцій в секунду - але процесор смартфона працює в сім тисяч разів швидше.
- Інші статті сайту BBC Future російською мовою
При конструюванні телефону, звичайно, мається на увазі, що він регулярно заряджатиметься і навряд чи опиниться за кілька мільйонів кілометрів від найближчої розетки.
Зарядити акумулятор космічного корабля, який за задумом повинен знаходитися в ста мільйонах кілометрів від джерела струму, не вийде - потрібно, щоб він був здатний або нести на борту батареї достатньої ємності для того, щоб працювати десятиліттями, або генерувати електроенергію самостійно.
Вирішити таке конструкторське завдання, виявляється, досить складно.
Деяким бортовим пристроям електрика потрібна лише іноді, але інші повинні працювати постійно.
Завжди повинні бути включені приймачі і передавачі, а в пілотованому польоті або на космічній станції - також системи життєзабезпечення та освітлення.
Правовласник ілюстрації NASA Image caption Двигуни у "Вояджерів" не найсучасніші, але вони успішно прослужили вже 38 роківЛікар Рао Сурампуді очолює програму енергетичних технологій у лабораторії реактивного руху при Каліфорнійському технологічному інституті у США. Вже понад 30 років займається розробкою систем електроживлення для різних апаратів НАСА.
За його словами, на енергетичну систему зазвичай припадає приблизно 30% усієї маси космічного апарату. Вона вирішує три основні завдання:
- вироблення електроенергії
- зберігання електроенергії
- розподіл електроенергії
Всі ці частини системи є життєво важливими для роботи апарату. Вони повинні мало важити, бути довговічними та мати високу "енергетичну щільність" - тобто виробляти багато енергії за досить невеликого об'єму.
Крім того, вони повинні бути надійними, тому що відправляти людину в космос для ремонту поломок дуже непрактично.
Система повинна не тільки виробляти достатньо енергії для всіх потреб, а й робити це протягом усього польоту – а він може тривати десятиліттями, а в майбутньому, можливо, і століттями.
"Розрахунковий термін експлуатації повинен бути тривалим - якщо щось поламається, лагодити буде нікому, - каже Сурампуді. - Політ до Юпітера займає від п'яти до семи років, до Плутона - понад 10 років, а щоб залишити межі Сонячної системи, потрібно від 20 до 30 років.
Правовласник ілюстрації NASA Image caption У місії НАСА з відхилення астероїдів буде використано новий тип живлення від сонячної енергії - ефективніший і довговічніший, ніж у попередниківЕнергетичні системи космічного корабля знаходяться в дуже специфічних умовах - вони повинні зберігати працездатність за відсутності гравітації, у вакуумі, під впливом дуже інтенсивної радіації (яка вивела б з ладу більшість звичайних електронних приладів) та екстремальних температур.
"Якщо сісти на Венеру, то за бортом буде 460 градусів, - розповідає фахівець. - А під час посадки на Юпітер температура буде мінус 150".
Апарати, що прямують до центру Сонячної системи, не мають недоліку в енергії, що їх фотоелектричні панелі.
Ці панелі на вигляд мало чим відрізняються від сонячних панелей, що встановлюються на дахах житлових будинків, але при цьому вони працюють з більш високою ефективністю.
Поряд із Сонцем дуже жарко, і фотоелектричні панелі можуть перегрітися. Щоб цього уникнути, панелі відвертають від Сонця.
На планетарній орбіті фотоелектричні панелі менш ефективні: вони виробляють менше енергії, оскільки іноді виявляються відгородженими від Сонця планетою. У таких ситуаціях необхідна надійна система накопичення енергії.
Атомне рішення
Така система може бути побудована на основі нікель-водневих акумуляторів, які витримують понад 50 тисяч циклів заряджання та працюють понад 15 років.
На відміну від звичайних батарей, які в космосі не працюють, ці батареї герметичні та можуть нормально функціонувати у вакуумі.
У міру віддалення від Сонця рівень сонячної радіації природним чином знижується: у Землі він становить 1374 Ват на квадратний метр, у Юпітера - 50, а у Плутона - всього один Ват на квадратний метр.
Тому якщо апарат вилітає за орбіту Юпітера, то на ньому використовуються атомні системи живлення.
Найпоширеніша з них - це радіоізотопний термоелектричний генератор (РІТЕГ), що застосовувався на зондах "Вояджер", "Кассіні" та на марсоході "К'юріосіті".
Правовласник ілюстрації NASA Image caption Як одне з можливих джерел живлення для тривалих місій розглядається покращений радіоізотопний генератор СтірлінгаУ цих джерелах живлення немає частин, що рухаються. Вони виробляють енергію завдяки розпаду радіоактивних ізотопів, таких як плутоній. Термін їхньої служби перевищує 30 років.
Якщо використовувати РІТЕГ не можна (наприклад, якщо для захисту екіпажу від радіації знадобиться занадто масивний для польоту екран), а фотоелектричні панелі не підходять через занадто велику відстань від Сонця, тоді можна застосувати паливні осередки.
Воднево-кисневі паливні осередки були використані в американських космічних програмах "Джеміні" та "Аполлон". Такі осередки не можна перезарядити, але виділяють багато енергії, а побічним продуктом цього процесу є вода, яку потім може пити екіпаж.
НАСА та лабораторія реактивного руху ведуть роботи зі створення більш потужних, енергоємних та компактних систем з високим робочим ресурсом.
Але новим космічним апаратам потрібно дедалі більше енергії: їхні бортові системи постійно ускладнюються та витрачають багато електрики.
Для тривалих польотів, можливо, будуть застосовуватись атомно-електричні рушії
Особливо це стосується кораблів, які використовують електричний привід - наприклад, іонний рушій, вперше застосований на зонді Deep Space 1 у 1998 році і з тих пір широко прижився.
Електричні двигуни зазвичай працюють за рахунок електричного викиду палива на високої швидкості, але є й такі, що розганяють апарат за допомогою електродинамічної взаємодії з магнітними полямипланет.
Більшість земних енергетичних систем не здатні працювати в космосі. Тому будь-яка нова схема перед встановленням на космічний апарат відбувається серію серйозних випробувань.
У лабораторіях НАСА відтворюються жорсткі умови, в яких має функціонувати новий пристрій: його опромінюють радіацією та піддають екстремальним перепадам температур.
До нових рубежів
Не виключено, що в майбутніх польотах будуть застосовуватися покращені радіоізотопні генератори Стірлінга. Вони працюють за схожим з РІТЕГ принципом, але набагато ефективніші.
Крім того, їх можна зробити досить малогабаритними – хоча при цьому конструкція додатково ускладнюється.
Для планованого польоту НАСА до Європи, одного з супутників Юпітера, створюються нові батареї. Вони здатні працювати при температурах від -80 до -100 градусів.
А нові літій-іонні акумулятори, над якими зараз працюють конструктори, матимуть удвічі більшу ємність, ніж нинішні. З їхньою допомогою астронавти зможуть, наприклад, провести вдвічі більше часу на місячній поверхні, перш ніж повертатися в корабель для підзарядки.
Правовласник ілюстрації SPL Image caption Для забезпечення енергією таких поселень, швидше за все, знадобляться нові типи пальногоКонструюються і нові сонячні батареї, які могли б ефективно збирати енергію в умовах низького освітлення та низьких температур – це дозволить апаратам на фотоелектричних панелях відлітати далі від Сонця.
На якомусь етапі НАСА має намір створити постійну базу на Марсі, а можливо, і на більш віддалених планетах.
Енергетичні системи таких поселень повинні бути набагато потужнішими, ніж ті, що використовуються в космосі зараз, і розраховані на набагато тривалішу експлуатацію.
На Місяці багато гелію-3 – цей ізотоп рідко зустрічається на Землі та є ідеальним паливом для термоядерних електростанцій. Проте поки що не вдалося досягти достатньої стабільності термоядерного синтезу для того, щоб застосовувати це джерело енергії в космічних кораблях.
Крім того, існуючі на сьогоднішній термоядерні реактори займають площу літакового ангару, і в такому вигляді використовувати їх для космічних польотів неможливо.
А чи можна застосовувати звичайні ядерні реактори - особливо в апаратах з електричними рушіями та в планованих місіях до Місяця та Марса?
Для колонії в такому разі не доведеться вести окреме джерело електрики – у його ролі зможе виступити корабельний реактор.
Для тривалих польотів, можливо, будуть застосовуватися атомно-електричні двигуни.
"Апарату Місії з відхилення астероїдів потрібні великі сонячні панелі, щоб він мав достатній запас електричної енергії для маневрів навколо астероїда, - говорить Сурампуді. - В даний час ми розглядаємо варіант сонячно-електричного рушія, але атомно-електричний обійшовся б дешевше".
Однак, найближчим часом ми навряд чи побачимо космічні кораблі на ядерній енергії.
"Ця технологія поки що недостатньо відпрацьована. Ми повинні бути абсолютно впевнені в її безпеці, перш ніж запускати такий апарат у космос", - пояснює фахівець.
Щоб переконатися, що реактор здатний витримати жорсткі навантаження космічного польоту, потрібні додаткові ретельні випробування.
Всі ці перспективні енергетичні системи дозволять космічним апаратам працювати довше і відлітати великі відстані - але поки що вони перебувають у ранніх стадіях розробки.
Коли випробування будуть успішно закінчені, такі системи стануть обов'язковою складовою польотів на Марс – і далі.
- Прочитати можна на сайті.
Розробка конкурентоспроможної космічної техніки вимагає переходу нові типи акумуляторів, відповідальних вимогам систем електропостачання перспективних космічних апаратів.
В наші дні космічні апарати використовуються для організації систем зв'язку, навігації, телебачення, вивчення погодних умов та природних ресурсів Землі, освоєння та вивчення далекого космосу.
Однією з головних умов до подібних апаратів є точна орієнтація у космосі та корекція параметрів руху. Це значно підвищує вимоги до системи електропостачання апарату. Проблеми енергоозброєності космічних апаратів, і, насамперед, розробки щодо визначення нових джерел електроенергії, мають першорядне значення світовому рівні.
В даний час основними джерелами електроенергії для космічних апаратів є сонячні та акумуляторні батареї.
Сонячні батареї за своїми характеристиками досягли фізичної межі. Подальше їх вдосконалення можливе при використанні нових матеріалів, зокрема арсеніду галію. Це дозволить у 2-3 рази збільшити потужність сонячної батареїабо зменшити її розмір.
Серед акумуляторних батарейДля космічних апаратів сьогодні широко використовуються нікель-водневі акумулятори. Однак енергомасові характеристики цих акумуляторів досягли свого максимуму (70-80 Вт * год / кг). Подальше їх покращення дуже обмежене і, крім того, потребує великих фінансових витрат.
У зв'язку з цим нині на ринку космічної техніки відбувається активне впровадження літій-іонних акумуляторів(Ліа).
Характеристики літій-іонних батарей набагато вищі порівняно з акумуляторами інших типів при аналогічному терміні служби та кількості циклів заряд-розряд. Питома енергія літій-іонних акумуляторів може досягати 130 і більше Вт*ч/кг, а коефіцієнт корисної дії енергії — 95%.
Важливим фактом є і те, що ЛІА одного типорозміру здатні безпечно працювати за їх паралельному з'єднанніу групи, таким чином, нескладно формувати літій-іонні акумуляторні батареї різної ємності.
Однією з головних відмінностей ЛІА від нікель-водневих батарей є наявність електронних блоків автоматики, які контролюють та керують процесом заряду-розряду. Вони також відповідають за нівелювання розбалансу напруг одиничних ЛІА, та забезпечують збирання та підготовку телеметричної інформації про основні параметри батареї.
Але все ж таки основною перевагою літій-іонних акумуляторів вважається зниження маси в порівнянні з традиційними батареями. За оцінками фахівців застосування літій-іонних акумуляторів на телекомунікаційних супутниках потужністю 15-20 кВт дозволить знизити масу батарей на 300 кг. Зважаючи на те, що вартість виведення на орбіту 1 кг корисної маси становить близько 30 тисяч доларів, це дозволить значно знизити фінансові витрати.
Одним з провідних російських розробників подібних акумуляторних батарей для космічних апаратів є ВАТ «Авіаційна електроніка та комунікаційні системи» (АВЕКС), що входить до КРЕТ. Технологічний процес виготовлення літій-іонних акумуляторів на підприємстві дозволяє забезпечити високу надійність та зниження собівартості.
