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.

Носители тяжелого класса

Носителями тяжелого класса из числа зарубежных стран располагают США, страны Европейского космического агентства (ЕКА) и Япония. Первые тяжелые носители были созданы американцами в 1964-1967 гг. для обеспечения лунной программы Apollo. Самый мощный из них Saturn-5 позволял выводить на околоземную орбиту высотой 500 км полезный груз массой около 120 т. С завершением программ Apollo и Skylab…

Средства управления КА Китая

Китай эксплуатирует КА военного и двойного применения для связи, метеообеспечения, ДЗЗ, а также запускает экспериментальные КА, в том числе военные. Для управления этими КА предназначен многопунктный, организационно единый НКУ, эксплуатируемый Китайским объединением по запускам, слежению, телеметрии и управлению КА. Это объединение подчинено Комитету по оборонной науке, технике и оборонной промышленности (КОНТОП) Госсовета. В состав НКУ…

Оптимизация стратегий развертывания и восполнения многоспутниковых космических систем по критериям надежности и стоимости

В конце 1970-х гг. в нашей стране и в США было начато решение задачи по разработке и развертыванию глобальных навигационных систем ГЛОНАСС и Navstar. B составе которых должны были функционировать 24 полноразмерных КА (21 основной + 3 резервных). Существенное увеличение числа КА в системе значительно усложнило решение задачи развертывания в установленные сроки. В 1990-е гг….

Разгонные блоки ракет-носителей

Важнейшей составной частью системы средств выведения являются разгонные блоки (РБ), называемые также межорбитальными буксирами. Разгонные блоки обеспечивают перемещение выводимых полезных грузов с орбиты на орбиту или направление их на отлетные и межпланетные траектории. Для этого РБ должны иметь возможность выполнять один или несколько маневров, связанных с изменением скорости полета, для чего в каждом случае предполагается…

Основные направления развития космодромов России

Существующая система средств выведения имеет в своем составе КРК легкого, среднего и тяжелого классов, базирующиеся на отечественном космодроме Плесецк и космодроме Байконур, расположенном на территории Республики Казахстан. Переход под юрисдикцию бывших республик СССР объектов космической инфраструктуры поставил перед Россией ряд проблем: обеспечение независимости в осуществлении космической деятельности, и в первую очередь в военной области; рациональное…

Перспективы развития программного обеспечения космической деятельности

Сложность объектов ракетно-космической техники обусловлена многообразием решаемых ими задач научного, социально-экономического и оборонного характера. В перспективе многофункциональные объекты РКТ по своим возможностям будут приближаться к автоматическим летающим роботам, а их группировки и комплексы управления — к большим пространственно распределенным интеллектуальным системам. Такие системы топологически могут быть представлены в виде наземно-космической интеллектуальной информационной сети. Интеллектуальность сети,…

Тяжелые носители Европейского космического агентства

При создании европейских носителей использовался принцип постепенного совершенствования существующих систем, считающийся традиционным в самолетостроении. Это показывают различные модификации РН, в том числе РН Ariane-4. В отличие от них тяжелая Ariane-5 — новый шаг вперед во всех отношениях, поэтому эта РН, как предполагают западноевропейские специалисты, должна стать первой моделью новой серии. С помощью РН Ariane-5 предусматривается…

Средства управления КА Японии

Национальное управление Японии по космосу NASDA (НАСДА) разрабатывает и эксплуатирует КА связи, ДЗЗ, метеообеспечения и другие, имеющие двойное назначение. Научные КА ведет Институт авиационно-космических исследований ISAS (ИСАС). Обе организации имеют собственные ЦУ КА и КИПы. Однако на некоторых КИПах, расположенных вне территории Японии, по-видимому, установлены средства обеих организаций, которые при необходимости используются совместно. Здесь НКУ…

Развитие и совершенствование методологии задания требований, оценки, контроля и обеспечения качества и надежности космических систем и их составных частей

Существенное возрастание сложности РКТ, разработка КА длительного функционирования и высокие требования к безотказности внесли принципиальные изменения в методологию обеспечения и контроля их надежности. Основное внимание при обеспечении и контроле надежности РКТ было направлено на анализ причин потенциальных и имевших место при испытаниях отказов, разработку эффективных мероприятий по их предупреждению. Основные принципы современной методологии обеспечения и…

Ракеты-носители, создаваемые на базе снимаемых с вооружения МБР

Ракета-носитель «Старт-1» создана Научно-техническим центром (НТЦ) «Комплекс» Московского института теплотехники (МИТ), который хорошо известен как создатель межконтинентальных баллистических ракет, в том числе МБР «Тополь» (SS-25), ставшей прообразом нового носителя. РН «Старт-1» предназначена для вывода малых космических аппаратов на низкие околоземные орбиты. Уже было проведено два успешных пуска этой ракеты-носителя с космодрома Свободный с экспериментальным КА…

Все права защищены ©2006-2021. Перепечатка материалов с сайта возможна только с указанием ссылки на сайт – Невероятно, но факт!.
Email: hi@poznovatelno.ru. Карта сайта
 

Невероятно, но факт!