Энергобалансный расчет системы электроснабжения космического аппарата

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Национальный аэрокосмический университет

им. Н.Е.Жуковского

"Харьковский авиационный институт"

Ю.А.Шепетов

ЭНЕРГОБАЛАНСНЫЙ РАСЧЕТ

СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Методическое пособие для курсового и дипломного проектирования

Утверждено методической комиссией университета

__ ____________ 2008 года (протокол №__)

Харьков "ХАИ" 2008

Содержание

1. Исходные данные для энергобалансного расчет системы электроснабжения космического аппарата. 3

1.1. Сведения о характере энергопотребления нагрузки. 3

1.2. Сведения о назначении КА и его заданном ресурсе. 4

1.3. Сведения о параметрах орбиты КА.. 4

1.4. Сведения о первичном источнике энергии для энергоустановки КА.. 6

1.5. Тип первичного преобразователя энергии. 6

1.6. Тип накопителя энергии. 6

1.7. Дополнительные данные о конструкции СЭС.. 8

2. Статический энергобалансный расчет. 9

3. Динамический энергобалансный расчет системы электроснабжения. 14

3.1 Типовая логика работы СЭС (состояния СЭС) 14

3.2 Структура динамической энергобалансной модели СЭС.. 18

3.3 Критерии работоспособности СЭС.. 22

Приложение 1. Практическое заниятие "Методика оценки энергобалансного состояния СЭС с помощью динамической модели". 28

Приложение 2. Практическое заниятие  "Прогноз ресурса ЭУ КА по энергобалансной МОДЕЛИ". 34

1. Исходные данные для энергобалансного расчет системы электроснабжения космического аппарата 

1.1. Сведения о характере энергопотребления нагрузки

Характер энергопотребления нагрузки может быть представлен циклограммой нагрузки (рис.1.1) – зависимостью мощности, потребляемой нагрузкой W_н от времени на протяжении некоего повторяющегося цикла.  В зависимости от длительности цикла нагрузки различают витковую, суточную и пр. циклограммы нагрузки. В некоторых случая циклограмма нагрузки может быть представлена зависимостью тока нагрузки I_н от времени.

Рис. 1.1 – Пример циклограммы нагрузки (витковой).

В настоящее время строго детерминированные циклограммы нагрузки уже почти не используются. В самом деле – очень трудно предсказать, что скажем через три года после запуска именно на этом витке и именно в это время должен включится в работу тот или иной потребитель электроэнергии на борту КА. Для описания характера энергопотребления нагрузки чаще всего используют параметры:

- средняя мощность нагрузки - W_{н ср};

- пиковая мощность нагрузки - W_{н пик} (при этом оговаривается максимальная длительность пикового потребления в течения скажем, витка или суток – например 3 раза в сутки по 10 минут, два раза за виток длительностью до 5 минут и т.п.); пиковую мощность также еще называют сеансной мощностью или мощностью сеансного режима; отдельно различают мощность сеансной нагрузки W_сеанс= W_{н пик} - W_{н деж} ;

- дежурная мощность – W_{н деж} – под дежурной мощностью понимают мощность потребления в отсутствие сеансной нагрузки;

- в некоторых случаях оговаривается аварийная дежурная мощность нагрузки – W_{н деж ав} – это такая минимально необходимая мощность энергопотребления, необеспечение которой неминуемо приведет к выходу из строя жизненно важных систем КА или даже к потере всего КА.

Принято считать, что КА функционален (т.е. способен выполнять свои задачи) если СЭС обеспечивает 100 % потребности дежурной нагрузки и по крайней мере 75-80% потребности сеансной нагрузки (состояние на конец заданного ресурса). Также КА полностью неработоспособен, если СЭС даже не обеспечивает потребности аварийной дежурной мощности нагрузки.

1.2. Сведения о назначении КА и его заданном ресурсе

Сведения о назначении КА нужны для принятия решения о выборе расчетного витка, с учетом допустимости или недопустимости кратковременных ограничений на работу сеансной нагрузки в периоды максимальной длительности тени.

Поскольку вследствие деградационных процессов с течением времени работы КА постепенно падает выходная мощность генератора (например, фотоэлектрической батареи - БФ) и накопителя (например, батареи химических аккумуляторов – БХ), то сведения о ресурсе нужны для принятия решения о необходимом запасе установленной мощности БФ и установленной емкости БХ.

Установленная мощность БФ – это максимальная мощность которую способна генерировать недеградировавшая БФ при работе в номинальных условиях.

Установленная емкость  БХ – это номинальная разрядная емкость недеградировавшей БХ.

1.3. Сведения о параметрах орбиты КА

Сведения о параметрах орбиты КА важны в том случае, если в качестве источника первичной энергии используется Солнце. В условиях орбитального полета КА имеет место чередование теневых и освещенных участков орбиты. Продолжительность теневых участков определяет необходимую емкость БХ.

При этом следует учитывать, что вследствие непараллельности плоскости экватора и плоскости эклиптики происходит сезонное изменение продолжительности тени. На сезонное изменение продолжительности тени также оказывает заметное влияние прецессия плоскости орбиты вследствие несферичности Земли. Более подробно эти вопросы изложены в [1].