Невероятно, но факт!
Главная / Космос / Бортовые солнечные энергетические установки

Бортовые солнечные энергетические установки

Развитие орбитальных средств различного назначения характеризуется ростом общего уровня их энергопотребления и соответственно энерговооруженности, а следовательно, и срока активного существования. В частности, уровень энергопотребления бортовой ретрансляционной аппаратуры и служебных систем коммуникационных геостационарных КА нового поколения будет составлять до 5-10 кВт при уровне энерговооруженности 1,4-2,0 Вт/кг, что примерно в 2-3 раза выше, чем соответствующие показатели отечественных аппаратов, находящихся в настоящее время в эксплуатации. Удельная мощность систем электроснабжения (СЭС), являющаяся обобщенным показателем их совершенства, за последние 10 лет возросла примерно в 1,5 раза (с 4-5 до 6-9 Вт/кг). Имеются принципиальные возможности дальнейшего увеличения удельной мощности СЭС в 2-3 раза за счет совершенствования систем генерации, накопления и преобразования энергии.

Важным направлением повышения эффективности целевого применения космических комплексов и систем, а также срока их активного существования является использование энергодвигательных систем на основе солнечных или ядерных энергоустановок и электрических ракетных двигателей. В частности, применение буксира с ЭРД позволяет в 2… 2,5 раза увеличить массу КА (целевого модуля) на геостационарной орбите (ГСО). Подобные перспективные средства межорбитальной транспортировки характеризуются значительными уровнями энергопотребления (40…100 кВт) и энергомассового совершенства бортовых ЭУ.

Для удовлетворения возрастающих требований к системам энергоснабжения необходимы:

  • повышение гарантированных удельных характеристик элементов СЭС в конце срока активного существования КА;
  • переход на элементы нового типа;
  • снижение уровня деградации СБ (начальных запасов ее мощности);
  • создание адаптивных систем преобразования электроэнергии, управления СЭС и контроля ее работы для обеспечения наиболее эффективного использования возможностей элементов данной системы;
  • повышение ресурса и стойкости СЭС при воздействии факторов космического пространства.

Проблема улучшения гарантированных удельных энергомассовых характеристик бортовых ЭУ, работающих с использованием солнечных батарей и химических источников тока, при одновременном увеличении их ресурса может решаться:

  1. дальнейшим совершенствованием традиционных СЭС и их элементов с целью достижения высоких удельных характеристик фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) на основе Si (170Вт/м2; 100 Вт/кг) и GaAs (220 Вт/м2; 60 Вт/кг), солнечных батарей (100-110 Вт/м2; 1,5-2,5 кг/м2 в конце ресурса, равного 10-15 годам на высоких орбитах, и 80-90 Вт/м2 после 5-7 лет работы на низких орбитах), а также совершенствованием существующих никель-кадмиевых аккумуляторов до достижения уровня удельной энергии 40-50 Вт*ч/кг при ресурсе до 5 лет на низких орбитах и 10-15 лет на ГСО;
  2. разработкой СБ на основе высокоэффективных ФЭП с повышейными КПД и радиационной стойкостью (в частности, у ФЭП на основе InP КПД > 20 %),а также панелей СБ с концентраторами солнечной энергии для эксплуатации на особо радиационно опасных орбитах. Ожидаемые удельные характеристики панели СБ с зеркальными концентраторами – 120-140 Вт/м2; 2-5 кг/м2 в случае деградации ФЭП на основе GaAs 2-3 % за 5 лет и на основе Si 15-20 % за 5 лет при ресурсе 10 лет. Для эксплуатации на высоких и менее радиационно опасных орбитах могут использоваться разрабатываемые СБ с линзовыми концентраторами (ожидаемые характеристики модуля с гетерогенными арсенид-галлиевыми ФЭП – 200 Вт/м2; 4 кг/м2);
  3. созданием СБ на основе сверхтонких ФЭП, гибких и бескаркасных панелей (достижением удельной массы панели СБ 1,5-2,5 кг/м2);
  4. разработкой накопителей энергии новых типов на основе электрохимических источников тока: никель-водородных аккумуляторных батарей (АБ) с общим газовым коллектором в целях достижения их удельной энергии 45-60 Вт*ч/кг и ресурса 25 000 циклов на низких орбитах и 10 лет на ГСО; серно-натриевых АБ с удельной энергией 110-140 Вт*ч/кг, удельной мощностью 120-180 Вт/кг и ресурсом 4000 циклов; регенеративных накопителей энергии на основе водородно-кислородной электрохимической системы для работы в составе СЭС и энергодвигательных систем с высокими удельными характеристиками (120 Вт*ч/кг) и длительным ресурсом (10 лет), а также разработкой СЭС на основе электромеханических накопителей энергии с удельной энергией 30 Вт*ч/кг для КА с длительным циклическим ресурсом (10 лет) и сильноточными нагрузками;
  5. разработкой адаптивных комплексов электропреобразующей аппаратуры, включая систему преобразования электроэнергии и управления электрическими ракетными двигателями (широкое применение которых предполагается для увеличения эффективности средств межорбитальной транспортировки КА и срока их активного существования), с удельной мощностью до 100 Вт/кг при ресурсе 10-15 лет.

Одним из перспективных направлений развития бортовых ЭУ является разработка солнечных газотурбинных установок (СГТУ) с электрической мощностью 10 кВт и выше, что обусловлено их следующими преимуществами:

  • более высоким КПД преобразования солнечной энергии в электрическую (25 % и в перспективе до 50 %);
  • меньшими габаритами СГТУ по сравнению с размерами ЭУ на базе СБ;
  • возможностью генерирования переменного тока повышенного напряжения;
  • длительным ресурсом работы (за счет применения газовых подшипников в опорах турбокомпрессора);
  • меньшей стоимостью энергоустановки;
  • перспективностью газотурбинных преобразователей энергии, которые могут использоваться совместно с ядерными и химическими источниками энергии;
  • возможностью применения теплового аккумулятора энергии.

В настоящее время в Исследовательском центре им. М.В. Келдыша совместно с другими предприятиями создается установка СГТУ-10 первого поколения (модуль мощностью 10 кВт) для орбитальных станций типа “Мир”, МКС. С помощью таких модулей можно получить электрическую мощность до 100 кВт. Уровни мощности в сотни и тысячи киловатт (для функционирования буксиров с ЭРД, выполнения лунной и марсианской программ) могут быть достигнуты с использованием СГТУ второго поколения (на основе высокотемпературных светоприемников и турбины, а также капельных холодильников-излучателей). Прогнозируемые удельные характеристики подобного СГТУ: мощность – 250-2500 кВт; удельная мощность – 100-250 Вт/кг. При высоких уровнях энергопотребления весьма перспективным представляется использование ядерных бортовых энергоустановок.

Основные направления развития орбитальных средств

Новые технологии, носящие революционный характер, существенным образом повлияют на облик, характеристики и стоимостные показатели орбитальных средств XXI в. Эксперты выделяют следующие основные направления, определяющие разработки перспективных КА: Бортовая обработка, источники питания, средства связи. Новые принципы использования КА, заключающиеся в оплате потребителями услуг только тогда, когда они ими пользуются, повлекли за собой необходимость создания бортовых средств…

Многоразовые транспортные космические системы

В настоящее время в мире существует одна действующая многоразовая космическая система – американская Space Shuttle. Регулярные эксплуатационные запуски МТКС начались в ноябре 1982 г. По состоянию на 1 января 1999 г. осуществлено 93 полета, один из которых (двадцать пятый) завершился катастрофой МТКС с утратой орбитальной ступени (ОС) Challenger. МТКС Space Shuttle представляет собой двухступенчатую ракетную…

Обеспечение надежности перспективных средств выведения

В настоящее время в ведущих ракетно-космических странах мира проводятся интенсивные работы по созданию перспективных средств выведения. Позади длительный, сорокалетний (1957-1997 гг.) период создания ракет-носителей на основе боевых ракет. Значительное числомодификаций базовых моделей, разработанных в отмеченный период, созданы путем модернизации отдельных элементов РН в рамках установленных компоновочных схем. Эволюционный период совершенствования РН завершается, потенциальные возможности старых…

Космические биология и медицина

Полеты человека в космос стали возможны благодаря созданию ракетно-космической техники и планомерным исследованиям в областях космических биологии и медицины – новых областях естествознания, изучающих особенности жизнедеятельности человека и других организмов при действии на них факторов космического пространства. Биологические исследования в процессе полетов ракет и первых искусственных спутников Земли открыли путь человеку в космос и во…

Электроракетные двигатели

Практические работы над электроракетными двигателями, начатые в 1970-е гг., были связаны с ограниченными возможностями бортовых энергоустановок КА, максимальная электрическая мощность которых составляла около 1 кВт. Такой уровень мощности и предъявляемые к ЭРД требования обусловили целесообразность разработки стационарных плазменных двигателей (СПД) на основе холловского ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов. Первые образцы СПД были выполнены в…

Существующая структура наземных комплексов и средств управления КА

Для управления космическими аппаратами различного назначения в Российской Федерации в основном используется наземный автоматизированный комплекс управления Минобороны. Кроме того, для управления некоторыми КА научного и социально-экономического назначения, обеспечения полетов КА пилотируемых программ и управления коммерческими КА используются комплексы и средства Росавиакосмоса, а также комплексы и средства ряда других государственных ведомств и коммерческих организаций. НАКУ МО…

В заключении о космосе

Одновременная смена веков и тысячелетий – уникальный временной период,который характеризуется определяющими историческими поворотами в развитии человечества. Такова “магия” чисел. В это время подводятся итоги деятельности в областях знаний, определяющих прогресс человечества, и оцениваются перспективы их последующего развития. Не миновала сия участь и космонавтику. Бурное развитие космонавтики во второй половине XX в. значительно ускорило научно-технический прогресс….

Средства связи

В настоящее время рынок телекоммуникаций развивается весьма динамично – его объем в 1998 г. превысил 1 трлн дол. При этом объем космического сегмента рынка телекоммуникаций составил примерно 27 млрд дол., или 2,3 % от всего мирового рынка. Однако в течение 10 лет прогнозируется рост удельной доли космического сегмента до 6 %. Это означает, что среднегодовые…

Комплексы управления КА США

В США средства управления КА военного и двойного назначения эксплуатируют МО, НАСА и Управление по исследованию атмосферы и океанов НОАА (NOAA) Министерства торговли. В США формальное разделение космической программы на гражданскую и военную произошло в начале 1960-х гг. К 1964 г. сформировался НКУ военной навигационной системы Transit. С запуском первых разведывательных КА типа Samos и…

Достигнутый уровень долговечности КА зарубежных стран

Анализ развития РКТ зарубежных стран в течение 1970-1990-х гг. позволяет сделать следующие выводы. В США для КС связи и ретрансляции, навигации, системы раннего предупреждения о ракетном нападении и радиотехнической разведки созданы КА с расчетными сроками активного существования 7…10 лет (DSCS-2, DSCS-3, Leasat, Fleetsatcom, TDRSS, Navstar). Это позволяет развертывать космические системы в штатном составе на весь…

Все права защищены ©2006-2020. Перепечатка материалов с сайта возможна только с указанием ссылки на сайт – Невероятно, но факт!.
Email: hi@poznovatelno.ru