ВВС-ЛабРабота-10-СЭП_КА

Курс "Введение с специальную технику"

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10

Расчет технических характеристик компонентов системы энергопитания КА

В данной лабораторной работе ознакомимся с видами и устройством систем энергопитания (СЭП) КА и рассчитаем проектные характеристики элементов системы на основе солнечной энергоустановки.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1) Принцип работы и виды систем энергопитания:

Целью СЭП является обеспечение электрической энергией всех приборов и механизмов КА, которым она требуется для функционирования. В общем виде структуру СЭП КА можно представить как на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема СЭП

Источник электрической энергии - это устройство на борту КА, которое преобразует доступные в космическом пространстве виды энергии (солнечной, тепловой, атомной и ядерной) в электрическую энергию. Соответственно, в настоящее время, на борту КА используются следующие виды источников электропитания:

1)химические источники электропитания;

2)фотоэлектрические преобразователи (солнечные батареи);

3)атомные и ядерные источники электропитания.

Принцип работы химических источников электропитания основан на образовании свободных электронов e и накоплении их на одном из двух электродов при протекании химических реакций между веществами внутри источника. К примеру, рассмотрим устройство никель-кадмиевой химической батареи (см. рис. 2).

Рисунок 2 - Устройство никель-кадмиевой химической батареи (1 - электрод, 2 - электрод,

3 - корпус, 4 - пробка)

1

Курс "Введение с специальную технику"

В никель-кадмиевой батарее (см. рис. 2) химическая реакция протекает между кадмиевыми решетками и раствором гидрата окиси никеля, в который погружена решетка. Упрощенно химическую реакцию можно записать следующим образом:

При этом на электродах никель-кадмиевой батареи образуется разность потенциалов, и если подключить данную батарею в электрическую цепь, то она будет являться электродвижущей силой (ЭДС), а в цепи возникнет постоянная сила электрического тока разряда I разр (см. рис. 3а).

Рисунок 3 - Электрическая цепь постоянного тока

Если к электродам химической батареи подключить зарядное устройство, которое создаст

Химическая батарея, которая может как разряжаться, так и заряжаться с помощью электричества называется - аккумуляторной батареей (АБ) или аккумулятором.

Для аккумуляторных батарей, которые используются на КА, важными характеристиками являются следующие:

масса аккумуляторной батареи M АБ [кг.];

емкость аккумуляторной батареи CАБ [Ампер·час] (это величина, которая характеризует количество электрической энергии вмещаемой в аккумуляторную батарею);

количество циклов заряда и разряда аккумуляторной батареи N АБ и т.д.

Принцип работы солнечных батарей основан на возникновении силы электрического тока при попадании солнечного света на фоточувствительные полупроводники (фотоэлектрические преобразователи), из которых состоит указанная солнечная батарея. На рисунке 4 приведен пример устройства панели кремниевой солнечной батареи.

2

Курс "Введение с специальную технику"

Рисунок 4 - Устройство солнечной батареи (1 - противоотражающее покрытие, 2 - стекло,

3 - фильтр ультрафиолетовых лучей, 4 - слой эпоксидного клея, 5 - кремний n-типа, 6 - кремний p-типа, 7 - клей, 8 - эпоксидная изоляция, 9, 11 - пластины анодированного алюминия, 10 - алюминиевые соты)

Для удобства проведения проектных расчетов используют следующие характеристики солнечных батарей:

масса солнечных батарей MСБ [кг.];

площадь солнечных батарей SСБ [м2];

электрическая мощность солнечных батарей NСБ [Вт.];

удельная мощность солнечных батарей NСБуд [Вт/м2];

удельная масса солнечных батарей MСБуд [кг/Вт].

Для оценки проектных характеристик солнечных батарей КА на первоначальных этапах проектирования можно воспользоваться следующими выражениями:

за период времени T .

α

K

n α

cos α

cos αср

Рисунок 5 - Определение проектных характеристик солнечной батареи

3

Курс "Введение с специальную технику"

Принцип работы атомных и ядерных источников электрической энергии основан на выделении тепла при протекании атомной или ядерной реакции с последующим преобразованием полученной тепловой энергии в электрическую.

Ядерные энергоустановки нашли свое применение на КА, которые совершают свой полет в области низкого солнечного излучения и с длительным сроком существования. примером таких КА являются межпланетные автоматические станции для изучения Юпитер и более далеких планет.

На рисунке 6 приведен пример ядерного источника энергии на базе радиоизотопного топлива. Указанная ядерная энергоустановка использовалась на нескольких навигационных КА производства США.

Рисунок 6 - Изотопный генератор электрической энергии (1 - внешний корпус, 2 - внутренний контейнер, 3 - ампула с изотопом, 4 - термоэлектрические полупроводниковые преобразователи, 5 - радиатор системы охлаждения)

2) Устройство системы энергопитания на базе солнечной энергоустановки:

Наиболее широкое применение на КА нашли системы энергопитания на базе солнечной энергоустановки. Указанная энергоустановка включает в свой состав:

панели солнечных батарей;

систему распределения электричества между приборами на борту КА;

зарядно-разрядное устройство (основным компонентом которого являются аккумуляторные батареи);

Упрощенная схема структуры солнечной энергоустановки представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Структура СЭП КА на базе солнечной энергоустановки

4

Курс "Введение с специальную технику"

Аккумуляторные батареи введены в состав солнечной энергоустановки с той целью, чтобы производить электрическую энергию на теневых участках полета (когда солнечный свет не попадает на солнечные батареи). На освещенных участках полета КА аккумуляторные батареи подзаряжаются, в результате этого обеспечивается требуемое распределение электрической энергии на борту КА на всем интервале его существования.

Считаем что все приборы на каждом витке включаются в момент времени t 0 .

Требуется определить: необходимую площадь солнечных батарей SСБ ; массу солнечных батарей MСБ ; ёмкость аккумуляторных батарей CАБ ; массу аккумуляторных батарей M АБ .

Солнечные батареи

Рисунок 8 - Схема КА Таблица 1 - Энергопотребление приборов

Решение:

1) Рассчитаем период обращения проектируемого КА используя выражениеиз предыдущих лабораторных работ:

электрическая энергия, потребленная приборами за период T .

Учитывая то, что энергия равняется произведению мощности на время, получаем выражение:

4)Определим массу солнечных батарей из выражений (3):

MСБ NСБуд SСБ MСБуд 140 3 0,02 8,4 кг.

5)Определим время пребывания КА в тени Земли:

tтени 0,3 T 0,3 5419,7 1625,9 сек.

6)Определим время работы каждого из приборов в тени Земли:

t1тени t1 T tтени 5000 5419,7 1625,9 1206,2 сек,t2тени t2 T tтени 4000 5419,7 1625,9 206,2 сек,

t3тени t3 T tтени 1500 5419,7 1625,9 2293,2 0 сек, значит t3тени 0 сек.t2тени t2 T tтени 5000 5419,7 1625,9 1206,2 сек,

7)Определим суммарную энергию, потребляемую приборами на теневом участке:

Eтени 4 Ni tiтени (30 1206,2 100 206,2 500 0 40 1206,2) 105054 Дж.

i 1

8)Определим необходимую емкость аккумуляторных батарей из выражения (6):

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что входит в состав системы энергопитания КА?

2.Объясните принцип работы химического источника питания.

3.Что такое аккумуляторная батарея?

4.Объясните принцип работы солнечных батарей.

5.Объясните принцип работы ядерного источника питания?

6

Курс "Введение с специальную технику"

6.Что входит в состав солнечной энергоустановки?

7.Для чего требуется аккумуляторная батарея в солнечной энергоустановке?

8.Что такое cos ср ?

9.Объясните, что такое ёмкость аккумуляторной батареи.

10.Что нужно сделать, чтобы увеличить мощность солнечной энергоустановки на теневых участках?

11.Что нужно сделать, чтобы увеличить мощность солнечной установки в целом?

ЗАДАНИЕ

1) Имеется проектируемый околоземный КА. Высота круговой орбиты КА равна Hорб . В бортовой состав КА входят 10 электрических приборов, характеристики энергопотребления

Примечание: В таблице Т - это период обращения КА

7