Космічний апарат

Реферат: Космічний апарат містить систему терморегулювання з приладами для відбору, підводу і скидання тепла, систему електричного живлення, котра складається з сонячної батареї, комплексу автоматики і стабілізації напруги акумуляторних батарей, пристроїв контролю акумуляторних батарей, а також бортовий комплекс керування з бортовою обчислювальною машиною. Пристрої контролю акумуляторних батарей включені у канал обміну інформацією між комплексом автоматики і стабілізації напруги і бортовою обчислювальною машиною, котра оснащена програмою контролю струму навантаження і перерозподілу струмів розряду кожної акумуляторної батареї. При цьому струми розряду кожної акумуляторної батареї встановлюють, виходячи із співвідношення: Іроз.і=kІнCi/Σ Ci, де: Іроз.і - струм розряду і-ї акумуляторної батареї, А; k - коефіцієнт, який враховує різницю напруги навантаження і середньої розрядної напруги акумуляторних батарей; Ін - струм навантаження космічного апарата, А; Сі - поточна ємність і-ї акумуляторної батареї, Аг. UA 112839 U (12) UA 112839 U UA 112839 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до ракетно-космічної галузі, а саме до космічних апаратів, і може використовуватися для проектування систем електричного живлення космічних апаратів (КА). КА містить цільову апаратуру і системи забезпечення [див. книгу "Космические аппараты" под ред. К.П. Феоктистова, М., "Воениздат". - 1993. - С. 74]. Як цільова апаратура використовується переважно апаратура зв'язку. До систем забезпечення входять: система електричного живлення (СЕЖ), система орієнтації КА, бортовий комплекс керування, система терморегулювання (СТР) та інші системи в залежності від типу і призначення КА. До систем сучасних КА, які визначають строк активного існування КА, належать системи електричного живлення, у яких найбільш критичним ланцюгом є акумуляторні батареї (АБ). Для забезпечення ефективного використання АБ важливо проводити безперервний моніторинг поточного технічного стану, своєчасно проводити різні профілактичні заходи для відновлення енергетичних характеристик і забезпечити оптимальні режими заряду і розряду. Відомим є КА, що містить пристрої і прилади, котрі встановлені на обшивці стільникових панелей з вбудованим рідинним колектором і мають входи і виходи, з'єднані між собою трубами [див. патент РФ № 2.227.108, МПК B64G 1/10, B64G 1/50, 2003 р.]. Недоліком цього КА є його низькі експлуатаційні характеристики, тому що в ньому вирішуються питання забезпечення температурного режиму бортових пристроїв і приладів КА і не розглядаються питання підвищення ефективності його експлуатації за цільовим призначенням. Найближчим до запропонованого по технічному рішенню є вибраний як прототип КА, який втілений у патенті РФ № 2.164.881, МПК B64G 1/00, B64G 1/22, B64G 1/42, 1999 р. Цей КА включає відсік з цільовою апаратурою, герметичний відсік приладів, агрегатний відсік з комплексною рушійною установкою, систему терморегулювання з гідравлічними контурами і приладами для відбору, підводу і скидання тепла, у тому числі виконаними у вигляді термоплат зі штатними і технологічними гідравлічними каналами, систему електричного живлення, яка складається з сонячної батареї, встановленого у відсіку приладів комплексу автоматики і стабілізації напруги, розміщених у агрегатному відсіку нікель-водневих акумуляторних батарей, встановлених всередині кожної батареї датчиків тиску, чутливих до зміни поточної електричної ємності батарей, а також бортовий комплекс керування з бортовою обчислювальною машиною, причому вказані датчики тиску через пристрої перетворювання сигналу включені у канал обміну інформацією між вказаним комплексом автоматики і стабілізації напруги і бортовою обчислювальною машиною, яка оснащена програмою, що корегує режим роботи апарата в залежності від глибину розряду акумуляторних батарей і визначає сумарну глибину розряду. Недоліком цього КА є його невисокі експлуатаційні характеристики, тому що в ньому не вирішуються питання забезпечення оптимальних режимів заряду комплекту АБ при обмеженій надлишковості потужності сонячної батареї і розряду комплекту АБ з забезпеченням максимальної сумарної потужності, що знижує ефективність використання комплекту АБ і погіршує експлуатаційні можливості СЕЖ та КА у цілому. В основу корисної моделі поставлена задача створити удосконалену конструкцію космічного апарата, яка б дозволила підвищити його експлуатаційні характеристики шляхом уведення в неї нових елементів і технічних рішень, таких як: - пристрої контролю акумуляторних батарей включаються у канал обміну інформацією між комплексом автоматики і стабілізації напруги і бортовою обчислювальною машиною, котра оснащується програмою контролю струму навантаження і перерозподілу струмів розряду кожної акумуляторної батареї, при цьому струми розряду кожної акумуляторної батареї встановлюються, виходячи із співвідношення: Іроз.і=kІнСі/Σ Сі, де: Іроз.і - струм розряду і-ї акумуляторної батареї, А; k - коефіцієнт, який враховує різницю напруги навантаження і середньої розрядної напруги акумуляторних батарей; Ін - струм навантаження космічного апарата, А; Сі - поточна ємність і-ї акумуляторної батареї, Аг, що дозволяє підвищити ефективність використання комплекту АБ; - бортова обчислювальна машина оснащується програмою контролю величини надлишкової потужності сонячної батареї і керування струмами заряду кожної акумуляторної батареї, у межах величини надлишкової потужності сонячної батареї, при цьому струми заряду кожної акумуляторної батареї встановлюються, виходячи із співвідношення: Ізар.і=(Рнад/Uaб)/(СіΣ 1/Сі), 1 UA 112839 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 де: Ізар.і - струм заряду і-ї акумуляторної батареї, А; Рнад - надлишкова потужність сонячної батареї, Вт; Uaб - середня зарядна напруга акумуляторної батареї, В; Сі - поточна ємність і-ї акумуляторної батареї, Аг, що дозволяє поліпшити експлуатаційні можливості СЕЖ і КА у цілому. Поставлена задача вирішується таким чином, що у запропонованому КА, що містить систему терморегулювання з приладами для відбору, підводу і скидання тепла, систему електричного живлення, котра складається з сонячної батареї, комплексу автоматики і стабілізації напруги акумуляторних батарей, пристроїв контролю акумуляторних батарей, а також бортовий комплекс керування з бортовою обчислювальною машиною, згідно з корисною моделлю, в ньому пристрої контролю акумуляторних батарей включені у канал обміну інформацією між комплексом автоматики і стабілізації напруги і бортовою обчислювальною машиною, котра оснащена програмою контролю струму навантаження і перерозподілу струмів розряду кожної акумуляторної батареї, при цьому струми розряду кожної акумуляторної батареї встановлюють, виходячи із співвідношення: Іроз.і=kІнСі/Σ Сі, (1) де: Іроз.і - струм розряду і-ї акумуляторної батареї, А; k - коефіцієнт, який враховує різницю напруги навантаження і середньої розрядної напруги акумуляторних батарей; Ін - струм навантаження космічного апарата, А; Сі - поточна ємність і-ї акумуляторної батареї, Аг. Крім цього, бортова обчислювальна машина оснащена програмою контролю величини надлишкової потужності сонячної батареї і керування струмами заряду кожної акумуляторної батареї, у межах величини надлишкової потужності сонячної батареї, при цьому струми заряду кожної акумуляторної батареї встановлюють, виходячи із співвідношення: Ізар.і=(Рнад/Uaб)/(СіΣ 1/Сі), (2) де: Ізар.і - струм заряду і-ї акумуляторної батареї, А; Рнад - надлишкова потужність сонячної батареї, Вт; Uaб - середня зарядна напруга акумуляторної батареї, В; Сі - поточна ємність і-ї акумуляторної батареї, Аг. Дійсно, при наявності у складі КА бортового комплексу керування з бортовою обчислювальною машиною розрахунок необхідних режимів і керування розрядними і зарядними перетворювачами може бути реалізовано програмними засобами. Поточна ємність акумуляторних батарей (Сі) визначається за поточною напругою, для літійіонних АБ, або за тиском водню, для нікель-водневих АБ. Потужність навантаження розраховується, виходячи з напруги і струму навантаження. Надлишкова потужність сонячної батареї (Рнад) розраховується як різниця між потужністю сонячної батареї і потужністю навантаження. При цьому потрібно відмітити, що для паралельних (короткозамкнених або шунтових) перетворювачів поточна потужність сонячних батарей визначається перемноженням поточної напруги і струму, а для послідовних (серієсних) перетворювачів необхідно використовувати додатково коефіцієнти перерахунку. При наявності у комплекті акумуляторних батарей різниці у ступені їх зарядженості необхідно перерозподілити і розрядні струми кожної АБ таким чином, щоб усі АБ комплекту мали можливість підійти до свого повного розряду одночасно. Це дозволить СЕЖ забезпечити максимальну розрядну потужність усього комплекту АБ. Задача розподілу струмів розряду може вирішуватися за допомогою формули (1). Приклад У комплекті АБ дві АБ з поточною ємністю 20 і 30 Аг. Струм навантаження КА дорівнює 50 А. Коефіцієнт, який враховує різницю напруги навантаження і середньої розрядної напруги АБ, приймаємо рівним 1. Розраховуємо величину струмів розряду: Іроз.1=1-50-20/(20+30)=20 А, Іроз.2=30 А. Розряд у такому режимі потенційно дозволяє використовувати усю ємність комплекту акумуляторних батарей до повного їх розряду. Це підвищує ефективність використання комплекту ЛБ і підвищує експлуатаційні можливості СЕЖ і КА у цілому. 2 UA 112839 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Друга задача полягає в тому, що при наявності обмеженої величини надлишкової потужності сонячної батареї, недостатньої для штатного заряду усіх АБ комплекту, важливе значення набуває правильний розподіл наявної надлишкової потужності сонячної батареї для заряду кожної конкретної АБ. В основу цього розподілу повинно бути поставлено забезпечення максимальної розрядної потужності комплекту АБ у випадку переходу в будь-який момент СЕЖ у режим розряду (при нестачі або відсутності поточної потужності сонячної батареї). Таким чином, більш розряджена АБ повинна заряджатися більшим струмом у порівнянні з менш розрядженою АБ. Ця задача може вирішуватися за допомогою формули (2). У наведеному вище прикладі встановимо величину (Рнад) 800 Вт, а середню розрядну напругу акумуляторної батареї - 40 В. Розраховуємо величину струмів заряду: Ізар.1=(800/40)/{20(1/20+1/30)}=12 А, Ізар.2=8 А. Заряджання у такому режимі дозволить ефективно використовувати усю наявну надлишкову потужність сонячної батареї і при цьому нівелювати існуючий розбаланс усіх АБ комплекту по ємності. У міру заряджання співвідношення струмів заряду кожної АБ змінюється, доки не стане рівним один одному. Для пояснення конструкції КА і її роботи додаються креслення та його детальний опис. На кресленнях зображена функціональна схема автономної СЕЖ КА. У розглянутому прикладі використовують дві АБ і відповідну кількість зарядних і розрядних перетворювачів. Автономна СЕЖ КА містить сонячну батарею 1, підключену до навантаження 2, через перетворювач напруги 3, акумуляторні батареї 41-42, підключені через зарядні перетворювачі 51-52 до сонячної батареї 1, а через розрядні перетворювачі 61-62 до входу вихідного фільтра перетворювача напруги 3. При цьому навантаження 2 у своєму складі містить бортовий комплекс керування з бортовою обчислювальною машиною (не зображено), а також вимірювальний шунт 2-1 для контролю струму навантаження. Паралельно акумуляторним батареям 41-42 підключені пристрої контролю акумуляторних батарей 71-72, зв'язані входом з акумуляторними батареями 41-42 для контролю напруги і температури акумуляторів, а виходом - з навантаженням 2. У ланцюгу заряду-розряду акумуляторних батарей встановлені вимірювальні шунти 8 1-82. Кожний зарядний перетворювач 51-52 складається з регулюючого ключа 9, котрий керується схемою керування 10. Кожний розрядний перетворювач 61-62 складається з регулюючого ключа 11, котрий керується схемою керування 12 і вольтододаткового вузла 13. Перетворювач напруги 3 складається з регулюючого ключа 14, котрий керується схемою керування 15, вхідного фільтра - конденсатор 16 і вихідного фільтра на діоді 17, дроселі 19 і конденсаторі 18. Схеми керування: 10 зарядних перетворювачів 51-52, 12 розрядних перетворювачів 61-62, 15 перетворювачів напруги 3, виконані у вигляді широтно-імпульсних модуляторів, входом підключених до шин напруги, що стабілізують. Схеми керування 10 зарядних перетворювачів 5 152 додатково зв'язані з вимірювальними шунтами 81-82 і навантаженням 2. Робота запропонованого КА здійснюється наступним чином. У процесі експлуатації акумуляторні батареї 41-42 працюють в основному у режимі зберігання і періодичних дозарядів від сонячної батареї 1 через зарядні перетворювачі 5 1-52. Такий режим роботи дозволяє утримувати їх в постійній готовності на випадок аварійних ситуацій (втрата орієнтації КА на Сонце) або на проходження штатних тіньових ділянок орбіти. Живлення навантаження 2 здійснюють при цьому від сонячної батареї 1 через перетворювач напруги 3. Під час проходження тіньових ділянок орбіти або під час порушення орієнтації навантаження 2 живиться від акумуляторних батарей 4 1-42 через розрядні перетворювачі 61-62. Пристрої контролю 71-72 контролюють напругу, для літій-іонних АБ, або тиск водню, для нікель-водневих АБ і температуру акумуляторів АБ 41-42 і передають інформацію щодо їх стану в навантаження 2. У процесі експлуатації акумуляторних батарей, автоматично або, за результатами аналізу телеметричних даних, за командами з Землі через командно-вимірювальну радіолінію запускають програми щодо корегування поточних струмів розряду або струмів заряду у комплекті АБ в залежності від поточних ємностей АБ. 3 UA 112839 U 5 Система терморегулювання може виконуватися за патентами РФ № 2.156.211, 1999 р. або № 2.144.889, 1998 р. КА може виготовлятися за патентом РФ № 2.565.629, 2013 р., а перевірятися - за патентом РФ № 2.569.655, 2014 р. Таким чином, запропонований КА, який має просту і надійну конструкцію, забезпечує розширення його функціональних можливостей. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 25 30 35 1. Космічний апарат, що містить систему терморегулювання з приладами для відбору, підводу і скидання тепла, систему електричного живлення, котра складається з сонячної батареї, комплексу автоматики і стабілізації напруги акумуляторних батарей, пристроїв контролю акумуляторних батарей, а також бортовий комплекс керування з бортовою обчислювальною машиною, який відрізняється тим, що пристрої контролю акумуляторних батарей включені у канал обміну інформацією між комплексом автоматики і стабілізації напруги і бортовою обчислювальною машиною, котра оснащена програмою контролю струму навантаження і перерозподілу струмів розряду кожної акумуляторної батареї, при цьому струми розряду кожної акумуляторної батареї встановлюють, виходячи із співвідношення: Іроз.і=kІнCi/Σ Ci, де: Іроз.і - струм розряду і-ї акумуляторної батареї, А; k - коефіцієнт, який враховує різницю напруги навантаження і середньої розрядної напруги акумуляторних батарей; Ін - струм навантаження космічного апарата, А; Сі - поточна ємність і-ї акумуляторної батареї, Аг. 2. Космічний апарат за п. 1, який відрізняється тим, що бортова обчислювальна машина оснащена програмою контролю величини надлишкової потужності сонячної батареї і керування струмами заряду кожної акумуляторної батареї, у межах величини надлишкової потужності сонячної батареї, при цьому струми заряду кожної акумуляторної батареї встановлюють, виходячи із співвідношення: Ізар.і=(Рнад/Uaб)/(СіΣ 1/Сі), де: Ізар.і - струм заряду і-ї акумуляторної батареї, А; Рнад - надлишкова потужність сонячної батареї, Вт; Uaб - середня зарядна напруга акумуляторної батареї, В; Сі - поточна ємність і-ї акумуляторної батареї, Аг. 4 UA 112839 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5