СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2003 года по МПК B64G1/44 B64G1/22 

Изобретение относится к космической энергетике и, в частности, к гибким солнечным батареям (СБ), преимущественно на основе аморфного кремния, формируемым центробежными силами и предназначенным, главным образом, для тяжелых спутников связи (ТСС) на высокой (геостационарной) орбите, а также платформ дистанционного зондирования Земли (ПДЗЗ).

Повышение эффективности ТСС и ПДЗЗ связано с ростом их энерговооруженности до 120-140 кВт в перспективе использования в 2010-2020 гг. Возможности носителей при выведении на геостационарную орбиту КА с энергоустановками мощностью 120 кВт и более требуют высокой удельной мощности этих установок и компактности в транспортном положении.

В настоящее время на спутниках связи используются планарные СБ с кремниевыми фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП), имеющие КПД 12-14%. Современные конструкции облегченных сотопанелей с кристаллическим кремнием позволяют иметь удельную мощность до 40 Вт/кг, что практически приближается к предельно возможным характеристикам кремниевых СБ.

Возможным направлением в совершенствовании СБ является переход на 2-3-х каскадные ФЭП из арсенида галлия с КПД 25-28%, что в 2 раза больше, чем у кремниевых ФЭП. При этом достигается удельная мощность 80 Вт/кг. Этим путем идут многие зарубежные фирмы, создающие связные КА. Однако такие ФЭП на порядок дороже кремниевых ФЭП. Поэтому для экономии затрат, связанных с применением ФЭП на основе GaAs, рассматриваются схемы с использованием концентраторов солнечной энергии, однако их удельные характеристики относительно низки, а стоимость высока.

Широкий комплекс, в том числе и финансовых, требований к энергоснабжению ТСС и ПДЗЗ может быть успешно удовлетворен пленочными СБ с ФЭП на базе аморфного кремния.

Известно применение таких СБ на борту ТСС и платформ (см., например, патент US 5527001 А). Однако используемый при этом стержневой трансформируемый каркас не обеспечивает в реальных космических условиях надежного натяжения пленочной поверхности СБ и сохранения ее плоской формы.

В то же время имеется целый ряд отечественных и зарубежных разработок крупногабаритных динамических (в частности, центробежных) конструкций, способных обеспечить надежные развертывание и формостабилизацию гибких (пленочных) поверхностей в условиях космоса (см. SU 1815925 A1; SU 1758988 A1; RU 1713221 С; RU 2053940 С1; RU 2104231 С1 и др.).

Такие СБ представляют собой бескаркасные, формируемые центробежными силами крупногабаритные космические конструкции, обладающие высокой надежностью автономной работы на ресурс 15 лет, прогнозируемой деградацией в 20% на конец ресурса в 15 лет, в несколько раз меньшей стоимостью по сравнению с СБ из кристаллического кремния на каркасе из сотовых панелей.

Масса СБ на мощность 120 кВт с агрегатом ее раскрытия и токоподводами, по оценкам, составляет величину порядка 400 кг, а удельная мощность не менее 300 Вт/кг. СБ имеют относительно простую конструкцию с возможностью быстрого изготовления, а также наземной и орбитальной отработки. При этом имеется возможность использовать вращающуюся СБ в качестве силового гироскопа и передать ей частично функции системы управления.

Наиболее близким аналогом является СБ, содержащая пленочное основание и установленные на нем модули ФЭП, между которыми предусмотрены перегибы основания для укладки батареи в транспортное положение, барабан для намотки сложенной батареи, снабженный средствами вращения вокруг его продольной оси для развертывания батареи в рабочее положение и фиксаторами батареи в транспортном положении (заявка FR 2152364).

В рабочем положении СБ имеет параболическую форму и может использоваться одновременно как направленная радиоантенна. Перегибы основания образуют многослойные гофры единой пленочной поверхности.

Недостатком известной СБ является ее относительная конструктивная сложность и невысокая надежность развертывания (роспуска) в рабочее положение и обеспечения требуемой формы поверхности. Кроме того, очевидны потери лучистого энергосбора вследствие кривизны поверхности СБ.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационных качеств, в том числе надежности перевода СБ из транспортного в рабочее положение.

Данная задача решается тем, что в известной солнечной батарее космического аппарата (КА), содержащей гибкое основание и установленные на нем модули фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), между которыми предусмотрены перегибы основания для укладки батареи в транспортное положение, барабан для намотки сложенной батареи, снабженный средствами вращения вокруг его продольной оси для развертывания батареи в рабочее положение и фиксаторами батареи в транспортном положении, указанное гибкое основание выполнено в виде отдельных секторов, образующих в развернутом положении круговую плоскую поверхность, перпендикулярную указанной продольной оси (оси вращения), а перегибы пленочного основания осуществляются с образованием ребер, параллельных центральной радиальной образующей каждого сектора, обеспечивая укладку батареи по схеме "гармошка" и намотку сложенных секторов на барабан.

При этом в предлагаемой СБ соседние секторы могут быть снабжены элементами связи друг с другом в нескольких точках вдоль их внешних кромок.

Кроме того, в предлагаемой СБ указанные секторы могут закрепляться равномерно в окружном направлении на поверхности указанного барабана в районе внутренних концов своих центральных радиальных образующих.

Модули ФЭП могут выполняться в виде прямоугольных пластинок с тонкой подложкой из нержавеющей стали, покрытых аморфным кремнием.

Барабан СБ может быть установлен непосредственно на КА или на выносной конструкции, связанной с КА.

Модули ФЭП могут коммутироваться так, что каждый сектор обеспечивает требуемое напряжение для соответствующей ему бортовой аппаратуры КА и снабжен средствами передачи этого напряжения данной аппаратуре.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена конструкция СБ.

На фиг.2 представлен единичный сектор СБ.

На фиг. 3 представлены линии перегибов и элементы связей с соседними секторами и барабаном.

На фиг.4 показаны особенности укладки СБ в транспортное положение.

На фиг.5 представлена укладка секторов на барабан.

На фиг.6 изображен барабан с уложенной на нем СБ.

На фиг.7 представлен вариант компоновки СБ на ТСС.

На фиг. 8 представлен вариант компоновки СБ в развернутом (рабочем) состоянии на КА.

Предложенная СБ содержит гибкое основание, выполненное в виде отдельных секторов 1, с закрепленными на его поверхности модулями ФЭП 5, при этом сектора 1 в исходном транспортном положении уложены по линиям перегиба 6 по схеме "гармошка" и намотаны на барабан 2. Сектора связаны между собой по их внешним кромкам с помощью элементов связи 3 в нескольких точках. Все сектора 1 закреплены с помощью связей 4 равномерно в окружном направлении на поверхности барабана 2 в районе внутренних концов своих центральных радиальных образующих. Барабан снабжен средствами вращения 8 вокруг его продольной оси для развертывания СБ в рабочее положение и фиксаторами 9 СБ в транспортном положении. Каждый сектор снабжен средствами передачи электрического напряжения 10 со своих модулей ФЭП 5 на соответствующую бортовую аппаратуру КА.

В транспортном состоянии сектора с ФЭП укладываются по варианту укладки типа "гармошка" с перегибами по гибкому основанию и образованием ребер 7, параллельных центральной радиальной образующей каждого сектора (Фиг.4, 5). Сложенные секторы наматываются на один барабан 2 (Фиг.6). После укладки на барабан 2 соседние секторы связываются в нескольких точках между собой посредством элементов связи 3, а с барабаном - посредством связей 4 (Фиг.5). Конструктивно барабан 2 с узлом вращения 8 СБ может быть выполнен, как показано на Фиг.8. Устройство содержит фиксаторы 9 СБ на барабане в уложенном состоянии и средства передачи электрического напряжения 10 с модулей ФЭП 5 на соответствующую бортовую аппаратуру КА.

Работа предлагаемой СБ осуществляется следующим образом. После раскрутки вокруг продольной оси средствами вращения 8 барабана 2 с уложенными на него секторами 1 происходит расчековка фиксаторов 9 положения СБ в транспортном состоянии. После этого сектора 1 разворачиваются из укладки типа "гармошка" под действием центробежных сил в промежуточном положении в гофрированную по линиям перегиба 6 поверхность, образуя ребра 7, параллельные центральной радиальной образующей каждого сектора, и в конечном рабочем положении - в плоскую круговую поверхность из отдельных секторов 1, связанных между собой элементами связи 3 в нескольких точках, а с барабаном - посредством связей 4. После раскрытия СБ ее вращение сохраняется, поддерживая плоскую форму СБ. После ориентации СБ на Солнце электроэнергия от вращающейся СБ передается через средства передачи электрического напряжения 10 с модулей ФЭП 5 на соответствующую бортовую аппаратуру КА.

Возможны два варианта компоновки СБ. В одном из них две одинаковые круговые батареи, вращающиеся в разные стороны для компенсации кинетического момента, располагаются по разные стороны от ТСС на жестких, например углепластиковых, штангах (см. Фиг. 7). ТСС обычно снабжен также большими трансформируемыми радиоантеннами. Эта компоновочная схема является традиционной и используется на большинстве КА. Во втором варианте компоновки СБ имеется одна круговая батарея с маховиком, например в виде круговой тросовой системы, вращающимся в сторону, противоположную вращению СБ, для компенсации кинетического момента.

В предпочтительном примере исполнения дисковая батарея выполнена из отдельных 8- и или 12-ти секторов 1, связанных по внешним углам (Фиг.1), а также в нескольких (2-х или 3-х) точках по боковым радиальным образующим соседних секторов. Сектора набираются из ФЭП 5, состоящих из подложки из нержавеющей стали толщиной 12 микрон с покрытием из аморфного кремния толщиной 3 микрона. Ширина единичного ФЭП 50 мм, длина 350 мм. Единичные ФЭП наклеиваются параллельно центральной радиальной образующей сектора на стеклошелк толщиной 20 микрон и коммутируются между собой для набора напряжения 120 В (Фиг.2). Один ФЭП 5 имеет напряжение 1,3 В. Для набора принятого уровня напряжения 120 В осуществляется коммутация единичных ФЭП по схеме с возможно минимальной длиной коммутирующих связей между единичными элементами и суммирующего токоподвода к потребителю электроэнергии КА, а также исключением возможного магнитного момента цепей. На Фиг.2 представлен вариант диагонально-шахматной коммутации, когда соединяются разноименные полюса единичных элементов и общая цепь приводится в основание сектора. В транспортном состоянии сектора с ФЭП укладываются по варианту укладки типа "гармошка" с перегибами по гибкому основанию и образованием ребер 7, параллельных центральной радиальной образующей каждого сектора (Фиг.4, 5). Затем сложенные секторы наматываются на один барабан 2 (Фиг.6). Диаметр барабана (700 мм) определяется минимально допустимым радиусом перегиба пленки аморфного кремния, при котором не происходит ее растрескивания.

При уровне энерговыделения 100 Вт/м² для суммарной мощности 120 кВт в варианте двух СБ требуются два диска диаметром по 30 м. В варианте одной СБ требуется один диск диаметром 40 м.

Вариант однопозиционной установки и развертывания СБ на КА (ТКА "Прогресс") показан на Фиг.8. Здесь барабан 2 с уложенной на него СБ выводится из КА через люк стыковочного агрегата. Барабан 2 с средствами вращения 8 выдвигается с помощью штанги и производится раскрутка и регулируемый роспуск СБ в рабочее положение.

При развертывании в рабочее положение СБ закручивается в оптимальном режиме регулирования угловой скорости с помощью средств вращения 8.

Выбор угловой скорости вращения СБ определяется прочностными характеристиками материалов и элементов крепления СБ, наличием энергопитания электроприводов при начальном раскрытии СБ, допустимой амплитудой бегущей по круговой поверхности СБ волны от сил Кориолиса, возникающей при переориентации КА и накладывающей ограничения на угловую скорость переориентации СБ, а также технологическими ограничениями, связанными с эффектом "слипания" элементов СБ в укладке типа "гармошка" в период хранения. Последний эффект может оказаться значительным, определяется только экспериментально на конечной стадии создания и отработки изделия и требует запаса по мощности электропривода. На основании предшествующего эксперимента по КЭ "Знамя" принимается угловая скорость вращения СБ ω= 0,1 рад/с. При этом элементы крепления и конструкции СБ будут иметь запас прочности, составляющий несколько порядков.

При выбранной геометрии и вышеприведенной конструкции СБ из нержавеющей стали толщиной 12 микрон, наклеенной на стеклошелк толщиной 20 микрон (ρ=2,2 кг/м³), и угловой скорости вращения СБ имеет:
Момент инерции J=M•R_к ²/2 - 10⁴ кг•м²
Кинетическая энергия E = Jω²/2 - 50 Дж
Кинетический момент К=Jω - 10³ кг•м²/с
При толщине стали 20 микрон характеристики в 1,5 раза выше. При этом может быть использован электропривод постоянного тока мощностью порядка 10 Вт с запасом по мощности на эффект "слипания". Время раскрытия при этом составит τ ≅ 100.

Как видно, вращающаяся СБ имеет значительный вращательный кинетический момент. Если СБ установлена непосредственно на КА, то этот кинетический момент СБ компенсируется маховиком противовращения. Последний может быть выполнен, в типичном варианте СБ, в виде двух симметрично расположенных грузов массой 1,8 кг на нитях из стали длиной 10 м, поперечным сечением 3 мм², вращающихся с угловой скоростью 10 рад/с, что компенсирует кинетический момент СБ К=3,6 кг•м²/с.

Следует учесть, что при ориентации СБ на Солнце при суточном движении СБ по геостационарной орбите за счет солнечного давления происходит деформация круговой орбиты, рост апогея и уменьшение перигея. Необходима коррекция орбиты. Оценка показывает, что известные плазменные двигатели способны осуществить такую коррекцию с затратой нескольких сотен килограммов рабочего тела на всю программу.

Жесткость вращающейся СБ определяет амплитуду ее колебаний, возникающих при необходимости переориентации СБ на геостационарной орбите для ориентации на Солнце при годовом движении Земли вокруг Солнца. В суточном движении СБ вокруг Земли переориентации СБ не требуется. Годовая орбитальная угловая скорость Ω=2•10^-7 рад/с. В общем случае необходимо численное решение задачи нахождения форм и частот колебаний гибкого вращающегося диска в сложном движении. Для проектного анализа в случае требования малой амплитуды бегущей по вращающейся поверхности волны достаточно оценить угол отклонения α амплитуды волны от плоского состояния.

Оценки дают значения α=4•10^-5 рад =1,4•10^-1 минут. Амплитуда отклонения края СБ от плоскости составит α•R_к= 9•10^-2 мм. Столь малая величина амплитуды отклонения указывает на большой запас по жесткости конструкции при выбранных параметрах и указывает на возможность осуществления более быстрых маневров. Период бегущей по поверхности СБ волны T = α/Ω = 200 c. Таким образом имеется возможность подбора динамических параметров, при которых вращающаяся СБ с точки зрения управления КА аналогична жесткой статической конструкции, поскольку угол амплитуды отклонения α=4•10^-5 рад =1,4•10^-1 мин на порядок меньше требуемой точности управления КА.

Наличие на борту ТСС двух противовращающихся СБ с компенсированным кинетическим моментом позволяет управлять положением СБ в пространстве и поддерживать их ориентацию на Солнце. Для этого необходимо осуществить "излом" оси между вращающимися СБ и управлять углом "излома", организуя возникающую при этом прецессию системы двух вращающихся СБ по требуемому для ориентации на Солнце закону.

Для прецессии с вышеприведенной годовой орбитальной угловой скоростью Ω и принятой угловой скоростью вращения СБ ω угол "излома" γ, имеющий порядок величины γ = Ω/ω, составляет γ=10^-6 рад.

Гироскопический момент, который необходимо при этом преодолевать, будет иметь величину порядка M = JΩω = 2•10^-4 H•м.
Технологическая готовность предлагаемой СБ соответствует современному уровню производства в космической технике.

Источники информации
1. FR 2152364 (SCHEEL H. W.); 27.04.1973 (прототип).

2. US 5527001 A (TELEDESIC CORP.); 18.06.1996.

3. 1815925 A1 (Долгопрудненское КБ Автоматики); 30.04.1995.

4. SU 1758988 A1 (НПО "Энергия"); 20.06.1995.

5. RU 1713221 С (Долгопрудненское КБ Автоматики); 27.01.1995.

6. 2053940 С1 (НПО "Энергия"); 10.02.1996.

7. RU 2104231 С1 (МТУСИ); 10.02.1998.

Изобретение относится к космической энергетике и, в частности, к гибким солнечным батареям, преимущественно на основе аморфного кремния, формируемым центробежными силами. Такие солнечные батареи предназначены, главным образом, для тяжелых спутников связи на геостационарной орбите, а также для космических платформ дистанционного зондирования Земли. Согласно изобретению солнечная батарея содержит гибкое основание и установленные на нем модули фотоэлектрических преобразователей, между которыми предусмотрены перегибы основания для укладки батареи в транспортное положение. Барабан для намотки сложенной солнечной батареи снабжен средствами вращения. При этом гибкое основание выполнено в виде отдельных секторов, образующих в развернутом положении круговую плоскую поверхность, перпендикулярную оси вращения барабана солнечной батареи. Указанные перегибы пленки производятся по ребрам, параллельным центральной радиальной образующей каждого сектора. Укладка секторов происходит по схеме "гармошка" с последующими их равномерным закреплением и намоткой на барабан. Барабан может быть установлен непосредственно на космическом аппарате или на выносной конструкции, связанной с аппаратом. Изобретение направлено на повышение эксплуатационных качеств, в том числе надежности перевода солнечной батареи из ее транспортного положения в рабочее. 5 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Солнечная батарея космического аппарата, содержащая гибкое основание и установленные на нем модули фотоэлектрических преобразователей, между которыми предусмотрены перегибы основания для укладки батареи в транспортное положение, барабан для намотки сложенной батареи, снабженный средствами вращения вокруг его продольной оси для развертывания батареи в рабочее положение и фиксаторами батареи в транспортном положении, отличающаяся тем, что указанное гибкое основание выполнено в виде отдельных секторов, образующих в развернутом положении круговую плоскую поверхность, перпендикулярную указанной продольной оси, указанные перегибы основания осуществляются с образованием ребер, параллельных центральной радиальной образующей каждого сектора, обеспечивая укладку секторов по схеме "гармошка" и намотку сложенных секторов на барабан. 2. Солнечная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что соседние указанные секторы снабжены элементами связи друг с другом в нескольких точках вдоль их внешних кромок. 3. Солнечная батарея по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что указанные секторы закреплены равномерно в окружном направлении на поверхности указанного барабана в районе внутренних концов своих центральных радиальных образующих. 4. Солнечная батарея по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что модули фотоэлектрических преобразователей выполнены в виде прямоугольных пластинок с тонкой подложкой из нержавеющей стали, покрытых аморфным кремнием. 5. Солнечная батарея по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что указанный барабан установлен непосредственно на космическом аппарате или на выносной конструкции, связанной с космическим аппаратом. 6. Солнечная батарея по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что модули фотоэлектрических преобразователей коммутируются так, что каждый сектор обеспечивает требуемое напряжение для соответствующей ему бортовой аппаратуры космического аппарата и снабжен средствами передачи этого напряжения данной аппаратуре.