Проблемы проектирования и создания систем электроснабжения для крупных космических станций

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Проблемы выбора источников электрической энергии
2. Проблемы проектирования линий электропередач
3. Проблемы проектирования преобразователей и распределителей электрической энергии
Список литературы
Введение
Перспектива создания в будущем крупной космической станции во многом зависит от ее системы электроснабжения, которая существенно влияет на общую массу станции, надежность, управление и стоимость. Большие размеры, множество потребителей, обеспечение возможности дальнейшего совершенствования космической станции выдвигают требования, существенно отличающиеся от тех, которые предъявлялись к другим космическим системам энергоснабжения. Несмотря на то, что такая система может иметь большие размеры, она должна быть способна хорошо адаптироваться к постоянно меняющимся нагрузкам; что делает ее более похожей на автономную наземную энергетическую установку, чем на типичную систему электроснабжения космического аппарата, имеющую определенный, неменяющийся состав потребителей.
Проблемам проектирования и создания систем электроснабжения для крупных космических станций посвящено немало научных статей, в которых рассматриваются источники электрической энергии, линии электропередач, преобразователи и распределители электороэнергии.
1. Проблемы выбора источников электрической энергии.
В основном, в качестве возможных источников электрической энергии рассматривают следующие [1]: фотоэлектронные с электрохимическим накоплением энергии; источники построенные на динамическом преобразовании солнечной энергии с термическим накоплением энергии; атомные энергетические установки [2].
Для фотоэлектронного преобразования солнечной энергии используются большие (8x8 см) кремниевые элементы, которые устанавливаются на гибкие развертываемые панели.
Для накопления энергии применяют топливные элементы, никель- кадмиевые и никель-водородные батареи.
Топливные элементы накапливают избыточную электрическую энергию, получаемую от солнечных батарей, посредством генерации кислорода и водорода в процессе электролиза воды. Электроэнергия затем может быть получена из тепловой, которая выделяется при соединении накопленного кислорода и водорода. Такой метод накопления электрической энергии значительно гибок и топливные элементы значительно легче батарей, но имеет низкую эффективность и надежность.
Никель-кадмиевые батареи изготавливаются на основе хорошо отработанной технологии. Они уже давно успешно используются в космических аппаратах, хотя низкая глубина разряда приводит к значительному увеличению их массы.
Никель-водородные батарей были выбраны для космических платформ, так как они более надежны, чем топливные элементы, и при этом на 50 % легче, чем никель-кадмиевые батареи. В настоящее время никель-водородные батареи используются на геостационарных орбитах. Но что на низкой орбите, где будет располагаться космическая станция, они будут испытывать гораздо больше циклов заряда-разряда в год. Проведенные испытания показали, что время работы никель- водородных батарей на низкой околоземной орбите составляет около пяти лет.
Несмотря на то, что фотоэлектронные источники широко используются в космосе, солнечные динамические энергоустановки оказались более эффективными и менее дорогими. Принцип работы солнечных динамических установок заключается в следующем: солнечные лучи фокусируются параболическим отражателем на приемнике, который нагревает рабочее тело, приводящее в действие двигатель или турбину.
Затем механическая энергия преобразуется генератором в электрическую. Для накопления термической энергии используется соль, которая расплавливается в приемнике.
Во время затемнения соль остывает и отдает тепло для расширения рабочего тела. Отражатель состоит из изогнутых треуголных пластин, с зеркальной поверхностью, установленных на гексогональных конструкциях соединенных 14-ти футовыми штангами с космической платформой.
Эффективность солнечной динамической энергоустановки составляет 20-30 %; для сравнения, эффективность кремниевых фотоэлементов составляет 14 %.
Эффективность термического накопителя более 90 %, аккоммуляторных батарей - 70-80 %, топливных элементов - 55 %. Более высокая эффективность позволяет уменьшить площадь собирателя солнечной энергии, что облегчает решение проблем динамики станции. Меньшее лобовое сопротивление особенно важно при размещении станции на низкой высоте - при том же расходе топлива и на той же орбите увеличивается время жизни станции.
Несмотря на то, что в настоящее время солнечные динамические энергоустановки еще не используются в космосе, уже существует мощная технологическая база, разработанная для применения в наземных и аэровоздушных условиях. В качестве рабочего тела применяют толиен (органический цикл Ранкина с температурой подачи в турбину 750F) или гелий-ксенон (цикл Брайтона с температурой подачи в турбину 1300F) . Установки с органическим циклом Ранкина мощностью от нескольких киловатт до нескольких сотен киловатт используются в наземных условиях. Установки с циклом Брайтона используются для электроснабжения систем управления газовых турбин; многие из них имеют тысячи часов наработки.
В программе НАСА 1960 г. была испытана установка с рабочим циклом Брайтона, которая тестировалась 50,000 часов. Эта же установка затем была успешно испытана в вакуумной камере.
2. Проблемы проектирования линий электропередач.
Применение атомных энергетических установок связано со многими проблемами. Однако, уже существует проект ядерной космической электростанции SP - 100, которая разрабатывается для обеспечения энергией пилотируемой космической платформы LEO [2]. Для уменьшения воздействия на астронавтов радиации, SP - 100 устанавливается на расстояние 1 - 5 км от платформы. Преимущество этого метода заключается в том, что значительно уменьшается масса защитной оболочки реактора, а следовательно и общая масса системы. Однако, при этом возникает проблема передачи энергии от источника до платформы на расстояние от 1 до 5 км.
После термоэлектрического преобразования SP - 100 генерирует напряжение 200 В постоянного тока. Это достаточно высокое напряжение, чем необходимое для большинства потребителей космической платформы, но недостаточно высокое для допустимой массы соединительного кабеля. Для уменьшения необходимой массы соединительного кабеля необходимо высоковольтное преобразование. В некоторых работах показано, что возможно соединить SP - 100 с космической платформой с помощью кабелей с коаксиальной оболочкой, которая служит для полной изоляции проводника от космической плазмы.
Эта оболочка необходима, так как поведение космической плазмы сильно зависит от напряженности электрического поля вблизи проводника. Эксперимент SPEAR показал что возможно оставить высоковольтный кабель незащищенным, и это не приведет к разрыву проводника, но напряженность электрического поля не должна превышать 400 В/см.
Напряженность электрического поля вблизи кабеля, связывающего SP - 100 с космической платформой, будет составлять 20 - 100 кВ/см.
Однако, при этом появляются новые проблемы: коаксиальная оболочка имеет большую площадь поверхности, и, следовательно, будет подвергаться воздействию метеоритов.
Кроме того вблизи ядерного реактора уровень радиации высок.
Это вызывает возникновение в кабеле вихревых токов, что приводит к нагреву кабеля и уменьшению проводимости.
В процессе проектирования была разработана конструкция, позволяющая компактно разместить в одной защитной оболочке(метеоритный бампер) несколько коаксиальных высоковольтных кабелей. Для увеличения защищенности кабеля и уменьшения его массы, применяется газовое охлаждение. При применении газового охлаждения в одном метеоритном бампере располагается четыре коаксиальных кабеля, и этот бампер имеет диаметр в четыре раза меньший чем, бампер с двумя коаксиальными кабелями и с полимерной изоляцией.
3. Проблемы проектирования преобразователей и распределителей электрической энергии.
Система электроснабжения и подсистемы распределения космической станции, как указывалось ранее, должны быть удобными в эксплуатации, хорошо приспосабливаться к изменению типа и величины нагрузки, и иметь возможность дальнейшего расширения. Высокая потребляемая мощность станции - 75 кВт с возможным увеличением до 300 кВт - требует более высокого распределительного напряжения, чем 28В, которое обычно используется в космических аппаратах.
Точные расчет системы показал, что распределительное напряжение должно быть 440 В. При выборе частоты тока были рассмотрены в качестве возможных частот - 20 кГц, 400 Гц, и постоянный ток.
Постоянный ток имеет преимущества в подключении к определенным потребителям, но напряжение переменного тока можно легко изменить.
В самолетах обычно применяется переменный ток частотой 400 Гц. Но в космических условиях возникает ряд проблем - акустические шумы, электромагнитная интерференция и другие.
Высоковольтные 20 кГц волновые системы пока еще не применялись в космической и аэровоздушной технике, но их применение очень перспективно. При применении высокой частоты, компоненты систем электроснабжения становятся меньше в размерах, легче, более эффективными, особенно, когда применяется резонансное преобразование переменного тока в постоянный, постоянного в переменный, постоянного в постоянный, или переменного в переменный.
Высоковольтным 20 кГц системам электроснабжения посвящен ряд работ [3,4,5], в которых рассматриваются различные проблемы проектирования таких систем - конфигурация системы, преобразователи, влияние электромагнитной интерференции, минимизация гармонических искажений в преобразователях.
Важной проблемой проектирования высокочастотных систем электроснабжения является минимизация количества преобразования электроэнергии при передаче ее от источника к потребителю. Каждое преобразование энергии увеличивает сложность системы, ее массу, искажает форму волны, увеличивает потери энергии. Наиболее оптимальный вариант, когда используется только два преобразования постоянного тока в переменный, для передачи энергии от источника к потребителю, и переменного тока в постоянный, для определенных потребителей. Для второго преобразования большое значение имеет стандартизация напряжений потребителей.
Список литературы
1. Ronald L. Thomas, Power is the keystone, Aerospace America, Sept., 1986.
2. David J. Bents, Power transmission studies for thedered SP-100, Lewis Research Center, Cleveland, Ohio 44135.
3. Irving G. Hansen, Gale R. Sandberg, Space station 20-kHz power management and distribution system. Lewis Research Center, Cleveland, Ohio 44135.
4. Louis F. Lollar, Roberts E. Kapustka, Minimizing the total distortion for a 3 kW, 20 kHz AC to DC converter using spice, NASA/Marshal Spase Flight Center, Huntaville, Alabama.
5. Irving G. Hansen, Frederick J. Wolff, 20kHz space station power system, Lewis Research Center, Cleveland, Ohio 44135.