Известия РАН. Энергетика, 2019, № 5, стр. 20-25

ВВЕДЕНИЕ

Система электроснабжения (СЭС) возвращаемых космических аппаратов (ВКА) предназначена для хранения электрической энергии и эффективного обеспечения ею бортовых нагрузок при спуске, посадке и послепосадочном функционировании ВКА с сохранением при заданном ресурсе высоких показателей надежности, живучести и безопасности [1–7].

Авторами, с учетом многочисленных данных, была построена штатная усредненная циклограмма бортовых нагрузок ВКА. Данные в части интервалов времени, мощностей и энергоемкостей на циклограмме 1 являются приближенными [3–7]. Данная циклограмма представлена на рис. 1. Над каждым интервалом на рис. 1 указана вероятная мощность в Вт, потребляемая аппаратурой ВКА, а в скобках указана соответствующая расчетная затрачиваемая энергоемкость в Вт ч.

Рис. 1.

Штатная усредненная циклограмма бортовых нагрузок возвращаемых космических аппаратов.

Стоит отметить, что циклограмма 1 должна обеспечиваться без падения напряжения в СЭС ВКА ниже порогового значения 23–24 Вт [4].

Данное требование авторами уже освещалось в [5].

Данная циклограмма выполняется в случае отсутствия отклонения курса ВКА при спуске.

Но при двух несовместных отказах на борту ВКА, приводящих к существенному отклонению курса ВКА при спуске, его посадка с высокой степенью вероятности будет осуществлена вне запланированного квадрата.

При таком варианте развития событий экипаж ВКА может оказаться на большом расстоянии от групп поиска и спасения (ГПИС) и в суровых климатических условиях [1, 2].

С помощью бортовой радиоаппаратуры (БР), входящей в состав ВКА, экипаж корабля должен осуществлять сеансы связи с ГПИС.

В целях экономии электроэнергии, разрешаются только периодические короткие сеансы связи с ГПИС в течение двух суток после посадки ВКА.

Вид циклограммы бортовых нагрузок ВКА при наличии нештатной ситуации (НШС) при двух несовместных отказах на борту ВКА представлен на рис. 2. Отличие нештатной циклограммы 2 от штатной циклограммы 1 выражается в уширении интервала послепосадочных нагрузок ВКА [3, 4].

Рис. 2.

Нештатная усредненная циклограмма бортовых нагрузок возвращаемых космических аппаратов.

Для обеспечения нештатной циклограммы 2 в СЭС ВКА должна быть заложена дополнительная рассчитанная авторами энергоемкость не менее 1350 Вт ч, что предлагается осуществить с помощью введения в состав СЭС ВКА унифицированного резервного накопителя электрической энергии (УРНЭЭ) по типу “холодный резерв” (активируется по команде с пульта космонавтов или через автономный канал), допускающего установку в любой ВКА.

Введение в СЭС ВКА УРНЭЭ, по мнению авторов, положительно скажется на живучести СЭС ВКА с реализацией работоспособности СЭС ВКА при двух последовательных отказах основных накопителей электрической энергии (ОНЭЭ) в ее составе.

С учетом требования минимизации массы УРНЭЭ не предполагается реализация УРНЭЭ как третьего полноценного ОНЭЭ, но при двух отказах в СЭС, УРНЭЭ с энергоемкостью 1350 Вт ч, согласно циклограмме 2, сможет обеспечить лишь 45% нагрузки ВКА циклограммы 1 (см. рис. 1). Данное значение является недостаточным, поэтому емкость УРНЭЭ следует закладывать величиной не менее 2000 Вт ч для обеспечения спуска и посадки ВКА при двух отказах в СЭС ВКА.

Согласно вышеупомянутому можно перечислить следующие целевые назначения УРНЭЭ:

− электропитание 66.5% нагрузок ВКА по штатной циклограмме 1 при наличии двух последовательных отказов ОНЭЭ в СЭС ВКА (будет реализован спуск и посадка ВКА);

− электропитание послепосадочных нагрузок ВКА с учетом нештатной циклограммы 2 при наличии двух несовместных отказов на борту ВКА, приводящих к отклонению траектории полета ВКА.

ТРЕБОВАНИЯ К УРНЭЭ

С учетом всего вышеупомянутого авторами были сформированы требования к УРНЭЭ:

− гарантированная энергоемкость не менее 2000;

− гарантированная отдаваемая мощность не менее 2500 Вт в стационарном режиме и не менее 5000 Вт в импульсном (на рис. 1 два острых пика) при длительности импульса до 40 мс;

− минимальное напряжение в нагрузке 24 В;

− низкое тепловыделение не более 50 Вт течение 50 мин при отдаваемой мощности 2500 Вт в;

− вероятность безотказной работы не менее 0.9995;

− работоспособность при разгерметизации герметичного отсека (ГО) ВКА;

− минимизация массы;

− экологическая и пожарная безопасность использования;

− работа без стабилизатора выходного напряжения.

РАЗМЕЩЕНИЕ УРНЭЭ В ВКА

Размещение УРНЭЭ в негерметичных отсеках (НГО) ВКА авторами принято нецелесообразным, так как приводит к следующим проблемам:

− перекомпоновка приборов и агрегатов НГО каждого ВКА с разработкой и введением дополнительных силовых конструкций в НГО для крепления УРНЭЭ, что снимает букву “У” с аббревиатуры – “УРНЭЭ”;

− ужесточение требований к УРНЭЭ в части герметичности.

УРНЭЭ предполагается размещать в герметичном отсеке (ГО) ВКА, так как это позволит снизить требования к герметичности УРНЭЭ до минимума относительно требований к аппаратуре, размещаемой в НГО. Крепление УРНЭЭ в ГО может быть обеспечено без доработок силовой конструкции ГО с применением ременного типа крепежа, успешно используемого при доставке грузов средствами современных ВКА как на международную космическую станцию (МКС), так и с нее [3–7].

ВЫБОР ЭХС УРНЭЭ

При выборе электрохимической системы (ЭХС) для УРНЭЭ были проанализированы параметры перспективных современных ЭХС.

В табл. 1 представлены обобщенные данные проведенного анализа [8–12].

С учетом требований к УРНЭЭ, был выбран наиболее оптимальный вариант ЭХС, со следующими электрическими параметрами ячейки:

− удельная плотность энергии: до 130 Вт ч/кг;

− число циклов заряд/разряд до потери 20% емкости: 2000–7000;

− срок хранения: до 15 лет;

− саморазряд при комнатной температуре: 2% в месяц;

− напряжение максимальное в элементе: 3.65 В (полный заряд);

− напряжение минимальное: 2 В (полный разряд);

− напряжение рабочее: 3.0–3.3 В;

− минимальное рабочее напряжение разряда: 2.8 В;

− удельная мощность: >6.6 Вт/г (при экстремальном разряде током 60 С);

− диапазон рабочих температур: от –30°C до +55°C.

Вышеупомянутые параметры принадлежат литий-ферро-фосфатной (ЛФФ) ЭХС (LiFePO₄). ЛФФ ячейка была выбрана в качестве основы УРНЭЭ благодаря своим следующим положительным особенностям [8, 10]:

− высокая экологическая и пожарная безопасность (даже при механическом сквозном повреждении);

− стабильное напряжение разряда. Напряжение на выходе остается близко к 3.2 В во время разряда, пока заряд аккумулятора не будет исчерпан полностью, что позволяет отказаться от дополнительных устройств стабилизации напряжения;

− имеет более высокий пиковый ток (а, учитывая стабильность напряжения и пиковую мощность), чем у, к примеру, LiCoO₂;

− имеет большую удельную плотность энергии, чем у литий-титаната, из-за более высокого потенциала ячейки;

− термическая и химическая стабильность, что также существенно повышает безопасность батареи [8–12].

Такая ЭХС является оптимальной для космического использования и именно по такой ЭХС и предлагается разработать УРНЭЭ для ВКА.

РАЗРАБОТКА УРНЭЭ НА ОСНОВЕ ЯЧЕЕК LiFePO₄. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА

Разрабатывать УРНЭЭ предполагается по разработанной с учетом основных требований к нему принципиальной схеме, представленной на рис. 3.

Рис. 3.

Принципиальная схема унифицированного резервного накопителя электрической энергии (УРНЭЭ) для возвращаемого космического аппарата. 1 – датчик напряжения блока элементов ЛФФ; 2 – датчик тока на силовой шине “7”; 3 – индикатор телеметрический (напряжение, ток, температура, показатель заряда, показатель разряда УРНЭЭ); 4 – команда подключения УРНЭЭ к шинам СЭС ВКА; 5 – шины заряда УРНЭЭ током от 1 до 10 А; 6 – датчик температуры; 7 – силовые шины УРНЭЭ; Ns – количество последовательно соединенных ЛФФ ячеек в ветви; Np – количество параллельно-соединенных ветвей; 8 – корпус УРНЭЭ.

ВЫВОДЫ

Была проведена работа, в итоге которой получены:

− оценка нагрузки бортовых систем современных возвращаемых космических аппаратов (ВКА);

− по результатам оценки построены два варианта обобщенных циклограмм бортовых нагрузок ВКА (штатная и нештатная);

− составлен и представлен перечень основных требований к унифицированному резервному накопителю электрической энергии (УРНЭЭ) ВКА;

− проработан вопрос оптимального размещения УРНЭЭ в ВКА;

− проведен анализ современных перспективных электро-химических систем (ЭХС), согласно которому, с учетом всех требований к УРНЭЭ, была обосновано выбрана ЭХС на основе литий-феррофосфатных (ЛФФ) ячеек;

− разработана схема УРНЭЭ.