Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

А. С. Аникин

ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Учебное пособие

Томск, 2014

Содержание

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Одним из главных достижений человечества является освоение околоземного пространства, сопровождаемое бурным развитием электротехники и радиоэлектронных устройств, для решения задачи навигации и беспроводной передачи информации. Важным узлом любой радиоэлектронной аппаратуры является источник электропитания, который поддерживает требуемые значения тока и напряжения питания входящих в неё электронных устройств. Надёжность источника электропитания влияет на качество функционирования радиоэлектронной аппаратуры в целом.

Источник электропитания разрабатывается отдельно для каждого сложного радиоэлектронного устройства, что связано с особенностями его устройства, а также среды, в которой должна работать аппаратура. Так, применение негерметичных аппаратных платформ в новейших спутниках «ГЛОНАСС» вынуждает учитывать температурное и радиационное влияние на аппаратуру, в частности, на систему электропитания. С другой стороны, усложнение радиоэлектронной аппаратуры, устанавливаемой на современные спутники, требует более энергоёмких и высоковольтных систем электропитания, разработка которых сопряжена с конструктивными ограничениями при обеспечении допустимой массы и габаритных размеров космического аппарата.

В данном учебном пособии показаны общие структурные схемы систем электропитания космических аппаратов и краткие сведения входящих в них, элементах, а также о применяемых в них источниках электроэнергии.

Содержание глав 1-4 составлено по материалам книг Попова В.П. «Основы теории цепей», Ефимова И.П. «Источники питания РЭА», а также книги «Датчики: справочное пособие» под ред. В.М. Шарапова.

Материалы глав 5-7 заимствованы из книги М.В. Лукьяненко «Источники энергии систем электроснабжения космических аппаратов».

Глава 8 составлена по материалам книги Гущина В.Н. «Основы устройства космических аппаратов», а в главе 9 упомянуты материалы книги А.Н. Кириллина «Космическое аппаратостроение: научно-технические исследования и практические разработки ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» и монографии «Системы электропитания космических аппаратов» под редакцией М.Ф. Решетнёва.

Учебное пособие предназначено для студентов радиотехнических специальностей с целью формирования у них общих сведений о построении и функционировании систем электропитания космических аппаратов.

* На обложке: солнечная батарея спутника «ГЛОНАСС-М»

(http://vestnik-glonass.ru/news/tech/rossiya_vyvedet_na_orbitu_15_sputnikov_glonass_m_k_2017_godu/) ,

космический аппарат «ФОТОН-М»

(http://ria56.ru/posts/65467667546754.htm),

и аккумуляторная батарея спутника «ЯМАЛ-200» (http://www.federalspace.ru/2011/).

4

ВВЕДЕНИЕ

Бортовое радиоэлектронное оборудование космического аппарата предназначено для решения многих задач: определения местоположения и параметров движения для наземных, водных и воздушных объектов, дистанционного зондирования поверхности Земли, оценка параметров атмосферы, передача информации для абонентской связи. Ясно, что космический аппарат лишён возможности подключения к наземной электрической сети и для обеспечения электротехнических устройств электрическим током на борту спутникового аппарата необходима система электропитания.

Система электропитания космического аппарата – совокупность первичного и вторичного источников, а также накопителей и преобразователей электроэнергии, зарядных устройств и автоматики, взаимосвязанных между собой для обеспечения электрической энергией бортовых электро- и радиотехнических устройств космического аппарата. Система электропитания космического аппарата влияет на его внешний вид, конструкцию, массу, срок активного существования.

В современных космических аппаратах системы электропитания содержат следующие основные элементы: источник энергии (в основном, солнечная батарея), накопитель энергии (как правило, аккумуляторные батареи), согласующие устройства (регуляторы и стабилизаторы напряжения и тока), а также устройство автоматического управления указанными блоками для поддержания необходимого качества электроснабжения бортовой аппаратуры.

Принципиальными элементами системы электропитания являются:

–аккумуляторные и солнечные батареи;

–датчики электрической ёмкости батареи;

–комплекс автоматики, обеспечивающий совместную работу солнечной батареи и аккумуляторной батареи на бортовую нагрузку;

–устройства заряда аккумуляторных батарей от солнечной батареи;

–бортовой комплекс управления с бортовой электронной вычислительной машиной, осуществляющий коррекцию режима работы космического аппарата в зависимости от глубины разряда аккумуляторных батарей.

Комплекс автоматики и стабилизации (КАС) напряжения, в свою очередь, состоит из стабилизатора напряжения и автоматики (СНА), зарядных устройств (ЗУ) и разрядных устройств (РУ), образующих зарядно-разрядные устройства (ЗРУ). Количество ЗРУ равно количеству аккумуляторных батарей.

Основными задачами системы электропитания являются:

стабилизация тока и входного напряжения;

обеспечение заряда аккумуляторной батареи;

стабилизация выходного напряжения;

обеспечение защиты аккумулятора от перезаряда и переразряда.

Таким образом, система электропитания космических аппаратов является сложным устройством, которое состоит из подсистем и обеспечивает стабилизированным током и напряжением различные бортовые электро- и радиотехнические устройства космического аппарата.

Для построения систем электропитания космического аппарата необходимо знать режимы работы, а также энергетические параметры входящих в него устройств.

5

1. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ РЭА: ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Рассмотрим сначала источники питания (ИП) радиоэлектронной аппаратуры. Для работы большинства электронных устройств необходимо наличие одного или нескольких источников питания постоянного тока [1].

Все ИП можно разделить на две группы: источники первичного электропитания и источники вторичного электропитания. Радиоэлектронная аппаратура (РЭА) может иметь в своём составе: ИП первой группы; ИП второй группы; ИП первой и второй групп одновременно [1]. Как первичные, так и вторичные источники питания могут являться источниками тока или источниками напряжения. Рассмотрим понятия источников напряжения и тока подробнее.

1.1. Источники напряжения и тока

Рассмотрим сначала идеализированные источники тока и напряжения первичного электропитания.

Источник первичного электропитания1 – это устройство, которое отдаёт запасённую энергию для обеспечения работы подключенных к ним устройств или участков электрической цепи [2]. С точки зрения теории цепей источники питания

– активные элементы.

Идеализированный источник напряжения (источник напряжения, источник э.д.с.) представляет собой идеализированный активный элемент, напряжение на зажимах которого не зависит от протекающего через него тока или сопротивления подключённого устройства или электрической цепи (рисунок 1.1). Напряжение на зажимах идеализированного источника напряжения равно электродвижущей силе и может быть произвольной функцией времени (например, быть постоянной во времени) [2].

Рисунок 1.1. Условное графическое изображение источника напряжения (а), внешняя характеристика источника постоянного напряжения (б), идеальный

источник напряжения с нагрузкой (в) [2] В условном графическом изображении идеального источника напряжения

стрелка внутри кружка указывает направление э.д.с. и для источников постоянного напряжения она направлена от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с более высоким потенциалом. Напряжение на внешних зажимах направлено от зажима с более высоким потенциалом к зажиму с меньшим потенциалом [2].

Внешней характеристикой источника электрической энергии называется зависимость напряжения на его зажимах от тока источника тока. В частности, для источника постоянного напряжения внешняя характеристика является прямой линией, параллельной оси токов [2].

1 Более подробную информацию об источниках тока и напряжения можно найти в [2]

6

Если подключить к источнику э.д.с. сопротивление нагрузки Rн, то согласно закону Ома, ток, протекающий через нагрузку Rн и выделяемая в нагрузке мгновенная мощность окажутся равными [2]:

i u Rн e t Rн ,

и

С уменьшением сопротивления нагрузки Rн ток i и выделяемая в ней мгновенная мощность неограниченно возрастают. Из-за этого идеальный источник напряжения иногда называют источником бесконечной мощности (случай Rн = 0 не рассматривается, так как возникает противоречие).

Идеальный источник тока – это идеализированный активный элемент, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах или сопротивления подключённого устройства или электрической цепи (рисунок 1.2). Ток источника тока может быть произвольной функцией времени, в частности, не зависеть от времени.

Двойная стрелка на условном графическом изображении источника тока показывает направление тока внутри источника и совпадает с направлением перемещения положительных зарядов внутри источника, т.е. с направлением от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим потенциалом [2].

Рисунок 1.2. Условное графическое изображение источника тока (а), внешняя характеристика источника постоянного тока (б), идеальный источник тока с

нагрузкой (в) [2]

Если подключить к внешним зажимам источника тока сопротивление нагрузки Rн, то напряжение на сопротивлении нагрузки и выделяемая в нагрузке мгновенная мощность будут равны [2]:

u i Rн j t Rн ,

и

pi2 Rн j2 t Rн .

Сувеличением Rн напряжение на нагрузке и выделяемая в ней мгновенная мощность неограниченно увеличиваются, поэтому источник тока является

источником бесконечной мощности (случай Rн →∞ не рассматривается, так как возникает противоречие).

Идеализированные источники тока и напряжения рассматриваются как упрощённые модели реальных источников энергии. При определённых условиях, в достаточно узком диапазоне токов и напряжений, внешние характеристики ряда

7

реальных источников энергии могут приближаться к характеристикам идеализированных активных элементов [2].

Внешняя характеристика гальванического элемента в области малых токов имеет вид, близкий к внешней характеристике источника напряжения, а внешняя характеристика выходного каскада на транзисторе в определённом диапазоне напряжений приближается к внешней характеристике источника тока [2].

В то же время свойства реальных источников энергии значительно отличаются от свойств идеализированных активных элементов. Реальные источники энергии обладают конечной мощностью. В реальных источниках напряжения ток короткого замыкания имеет конечное значение, а в реальных источниках тока конечное значение имеет напряжение холостого хода [2].

Внешняя характеристика реальных источников энергии, как правило, не параллельна оси токов или оси напряжений (рисунок 1.3), а пересекает эти оси в двух характерных точках, соответствующих режимам холостого хода и короткого замыкания. Иногда в источниках энергии применяют специальные виды защиты, исключающие работу в предельных режимах или в одном из них [2].

Р

исунок 1.3. Внешняя характеристика линеаризованного источника энергии (а), последовательная схема замещения источника энергии (б), параллельная схема

замещения источника энергии (в) [2]

Реальные источники энергии, имеющие линейную внешнюю характеристику, называют линеаризованными источниками энергии. Линеаризованный источник энергии может быть представлен цепью, состоящей из идеализированного источника напряжения E и внутреннего сопротивления Ri или идеализированного источника тока J и внутренней проводимостью Gi. Напряжение на выходе реального источника энергии как функция тока может быть записана как

[2]:

uuх i ui х uх i Ri ,

k

где uх – напряжение реального источника энергии в режиме холостого хода (сопротивление нагрузки стремится к бесконечности);

iк – ток реального источника энергии в режиме короткого замыкания (сопротивление нагрузки стремится к нулю).

Из этого выражения видно, что напряжение линеаризованного источника энергии состоит из двух составляющих. Первая uх имеет размерность напряжения и не зависит от тока, протекающего через источник. Её можно интерпретировать как напряжение некоторого идеального источника напряжения с э.д.с равной uх. Вторая составляющая Ri = (uх /iк) прямо пропорциональна току. Её можно рассматривать как падение напряжения на некотором сопротивлении, через которое протекает ток

8

источника. Предыдущей схеме можно поставить в соответствие последовательную схему замещения [2].

Величину Ri называют внутренним сопротивлением реального источника энергии. С уменьшением Ri внешняя характеристика линеаризованного источника приближается к внешней характеристике идеального источника напряжения.

Идеальный источник напряжения можно рассматривать как источник энергии, внутреннее сопротивление которого равно нулю [2].

Выразим ток реального источника энергии как функцию напряжения [2]:

Первая составляющая тока линеаризованного реального источника тока представляет собой ток некоторого идеального источника тока J = iк. Вторая составляющая Gi = (iк/uх) прямо пропорциональна напряжению на зажимах реального источника тока. Её можно интерпретировать как ток, протекающий внутри источника через некоторую внутреннюю проводимость, к которой приложено напряжение u. Предыдущему выражению можно поставить в соответствие схему параллельную замещения [2].

С уменьшением внутренней проводимости реального источника тока Gi внешняя характеристика линеаризованного источника энергии приближается к внешней характеристике идеального источника тока. Идеальный источник тока можно рассматривать как источник энергии с бесконечно малой внутренней проводимостью либо с бесконечно большим внутренним сопротивлением [2].

От последовательной к параллельной схеме замещения реального источника энергии можно переходить при конечном значении внутреннего сопротивления.

Для реальных источников, в которых напряжение и ток являются производными функциями времени, представленные выше выкладки аналогичны.

Внутреннее сопротивление реального источника энергии является лишь параметром абстрактной модели двухполюсника, то есть физического «резистора» как электронного компонента внутри двухполюсников обычно нет.

Формально, в реальных гальванических элементах внутреннее сопротивление представляет собой суммарное сопротивления плюсового стержня (углерода, стали), самого корпуса (цинка и никеля), а также самого электролита (соли) и поглотителя водорода (в солевых элементах).

В иных источниках внутреннее сопротивление обусловлено сопротивлением обмоток и контактов.

Контактные разности потенциалов имеют иную природу возникновения напряжения и являются неомическими, то есть здесь затраты энергии идут на работу выхода носителей заряда.

Реальным источником тока можно назвать источник энергии, внутреннее сопротивление которого значительно превышает сопротивление нагрузки.

Реальным источником напряжения является источник энергии, внутреннее сопротивление которого значительно меньше сопротивления нагрузки.

Примеры реальных источников тока и напряжения приведены в таблице 1.1.

9

Таблица 1.1. Примеры реальных источников напряжения и тока