СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2008 года по МПК B64G1/44 B64G1/24 

Изобретение относится к области космической техники, а именно к системам электроснабжения (СЭС) космических аппаратов (КА), и может быть использовано при управлении положением панелей их солнечных батарей (СБ).

Для обеспечения высокой эффективности работы СБ на большинстве КА устанавливают систему их автоматической ориентации на Солнце (см. [1], стр.190-194; [2], стр.57). В состав такой системы, принятой за аналог, входят солнечные датчики, логически преобразующие устройства и электрические приводы, управляющие положением СБ. При работе системы панели СБ ориентируются таким образом, что угол между нормалью к их освещенной рабочей поверхности и направлением на Солнце составляет минимальную величину, что обеспечивает максимальный приход электроэнергии от СБ.

Недостаток указанной системы управления положением СБ КА заключается в том, что в ней не предусмотрены операции выставки СБ в фиксированные расчетные положения, например, для защиты от негативного воздействия факторов внешней среды (ФВС). В виде ФВС могут выступать потоки высокоэнергетических частиц солнечного излучения или потоки газов, выходящих из работающих двигателей ориентации КА.

Наиболее близким из аналогов, принятым за прототип, является система управления положением СБ КА, описанная в [3], стр.6.

Блок-схема системы содержит СБ, на жесткой подложке корпуса которой расположен блок фотоэлектрических батареи (БФБ), устройство поворота СБ (УПСБ); усилительно-преобразующее устройство (УПУ); блок управления ориентацией СБ по направлению на Солнце (БУОСБС); блок разворота СБ в заданное положение (БРСБЗП); блок регуляторов тока (БРТ), блок АБ (БАБ); зарядное устройство для АБ (ЗРУ АБ); блок формирования команд на заряд АБ (БФКЗ АБ); датчик тока нагрузки (ДТН); блок управления системой энергоснабжения (БУСЭС); шина электроснабжения (ШЭ). При этом выход БФБ соединен с входом БРТ. Выход БРТ соединен с ШЭ. БАБ своим входом через ЗРУ АБ соединен с ШЭ. ЗРУ АБ подключено своим первым входом к ШЭ, а ко второму входу ЗРУ АБ подключен выход ДТН, вход которого подключен, в свою очередь, к ШЭ. БАБ своим выходом подключен к первому входу БФКЗ АБ, а ко второму входу указанного блока подключен первый выход БУСЭС. Выход БФКЗ АБ подключен к третьему входу ЗРУ АБ. Второй и третий выходы БУСЭС подключены, соответственно, к первым входам БУОСБС и БРСБЗП. Выход УПСБ соединен со вторыми входами БУОСБС и БРСБЗП. Выходы БУОСБС и БРСБЗП соединены, соответственно, с первым и вторым входами УПУ, выход которого, в свою очередь, соединен с входом УПСБ. Причем УПСБ механически соединено с СБ.

Суть действий, реализуемых данной системой, заключается в следующем. Для максимизации прихода электроэнергии от СБ осуществляют разворот панелей СБ в рабочее положение, соответствующее совмещению нормали к их освещенной рабочей поверхности с плоскостью, образуемой осью вращения панелей СБ и направлением на Солнце. Далее определяют момент времени начала негативного воздействия ФВС на рабочую поверхность СБ и осуществляют разворот панелей СБ на задаваемый угол между нормалью к их освещенной рабочей поверхности и направлением на Солнце до момента времени начала воздействия указанных факторов и возвращение панелей СБ в рабочее положение после окончания указанного воздействия.

Система работает следующим образом.

Электроэнергия, вырабатываемая БФБ, передается от СБ на БРТ. Далее электроэнергия от БРТ поступает на ШЭ СЭС. На теневой части орбиты (при отсутствии тока от СБ) ЗРУ АБ, за счет разряда блока АБ, компенсирует дефицит электроэнергии на борту КА. Наряду с этим, ЗРУ АБ осуществляет заряд БАБ через БФКЗ АБ. При этом для проведения зарядно-разрядных циклов в ЗРУ АБ используется информация от ДТН.

Одновременно с работой в режиме электроснабжения КА система решает задачи управления положением плоскостей панелей СБ. В зависимости от выполняемой программы полета КА приоритет на управление СБ отдается одному из блоков БУОСБС или БРСБЗП.

По команде с БУСЭС блок БУОСБС осуществляет управление ориентацией СБ на Солнце. Входной информацией для алгоритма управления СБ являются: положение единичного вектора направления на Солнце относительно связанных с КА осей координат; положение СБ относительно корпуса КА, получаемое в виде текущих измеренных значений угла α между текущим положением нормали к рабочей поверхности СБ и направлением на Солнце с датчиков угла (ДУ), установленных на УПСБ. При ориентации СБ на Солнце α≈0. Выходной информацией алгоритма управления являются команды на вращение СБ относительно оси выходного вала УПСБ и команды на прекращение вращения. ДУ УПСБ выдают дискретные сигналы о положении СБ. Величина дискреты определяет точность ориентации СБ.

БРСБЗП управляет СБ при помощи БУСЭС по программным уставкам. Алгоритм управления СБ по программным уставкам позволяет устанавливать батарею в любое требуемое положение, задаваемое требуемым значением угла α=α₂. При этом для контроля угла разворота в БРСБЗП используется также информация с ДУ УПСБ.

УПУ играет роль интерфейса между БУОСБС, БРСБЗП и УПСБ.

Известно (см. [2], стр.272), что солнечное излучение, поступающее к Земле, отражается от ее поверхности, от облаков, рассеивается атмосферой. Энергия отраженного излучения, сосредоточенная в спектральном диапазоне области чувствительности солнечных элементов СБ, воспринимается СБ и увеличивает их выходную мощность.

Таким образом, на освещенной части орбиты КА на СБ кроме прямого солнечного излучения попадает отраженное от Земли излучение. Способ и система, принятые за прототип, имеют существенный недостаток - они не позволяют увеличивать приход электроэнергии за счет дополнительного использования отраженного от Земли солнечного излучения.

Задачей, стоящей перед предлагаемой системой, является увеличение прихода электроэнергии от СБ за счет дополнительного использования отраженного от Земли солнечного излучения, поступающего на рабочую и тыльную поверхности панелей СБ, с учетом возможного затенения поверхности СБ элементами конструкции КА.

Технический результат достигается тем, что в систему управления положением солнечных батарей космического аппарата, включающую солнечную батарею, имеющую положительную выходную мощность тыльной поверхности, с блоком установленных на ней фотоэлектрических батарей, устройство поворота солнечных батарей, усилительно-преобразующее устройство, блок управления ориентацией солнечных батарей по направлению на Солнце, блок разворота солнечных батарей в заданное положение, блок регуляторов тока, датчик тока, блок управления системой электроснабжения, при этом выход блока фотоэлектрических батарей соединен с входом блока регуляторов тока, выход которого соединен с входом датчика тока, а выходы блоков управления ориентацией солнечных батарей по направлению на Солнце и разворота солнечных батарей в заданное положение соединены, соответственно, с первым и вторым входами усилительно-преобразующего устройства, выход которого соединен с входом устройства поворота солнечных батарей, выход которого соединен с входами блоков управления ориентацией солнечных батарей по направлению на Солнце и разворота солнечных батарей в заданное положение, причем устройство поворота солнечных батарей механически соединено с солнечной батареей, дополнительно введены блок измерения высоты орбиты космического аппарата, блок измерения ориентации космического аппарата, блок измерения угла возвышения Солнца над видимым с космического аппарата горизонтом Земли, блок задания максимального значения тока, вырабатываемого солнечными батареями под воздействием прямого солнечного излучения, блок определения моментов попадания отраженного от Земли излучения на рабочую поверхность солнечных батарей, блок определения моментов попадания отраженного от Земли излучения на тыльную поверхность солнечных батарей, блок определения моментов генерации солнечными батареями дополнительной электроэнергии под воздействием отраженного от Земли излучения, блок определения угла поворота солнечных батарей, блок определения площади освещенной солнечным излучением части рабочей поверхности солнечных батарей, два ключа и элементы НЕ и ИЛИ, при этом выход датчика тока соединен с первыми входами блока определения угла поворота солнечных батарей и блока определения моментов генерации солнечными батареями дополнительной электроэнергии под воздействием отраженного от Земли излучения, выход и со второго по четвертый входы которого соединены соответственно с входом элемента НЕ и выходами блока задания максимального значения тока, вырабатываемого солнечными батареями под воздействием прямого солнечного излучения, элемента ИЛИ и блока определения площади освещенной солнечным излучением части рабочей поверхности солнечных батарей, первый и второй входы и выход которого также соединены соответственно с выходами блока измерения ориентации космического аппарата, устройства поворота солнечных батарей и вторым входом блока определения угла поворота солнечных батарей, выход и с третьего по восьмой входы которого соединены соответственно с вторым входом блока разворота солнечных батарей в заданное положение и выходами устройства поворота солнечных батарей, блока задания максимального значения тока, вырабатываемого солнечными батареями под воздействием прямого солнечного излучения, блока измерения высоты орбиты космического аппарата, блоков определения моментов попадания отраженного от Земли излучения на рабочую и на тыльную поверхности солнечных батарей и блока измерения угла возвышения Солнца над видимым с космического аппарата горизонтом Земли, выход которого также соединен с первыми входами блоков определения моментов попадания отраженного от Земли излучения на рабочую и на тыльную поверхности солнечных батарей, вторые входы которых соединены с выходом блока измерения высоты орбиты космического аппарата, при этом выходы блоков определения моментов попадания отраженного от Земли излучения на рабочую и на тыльную поверхности солнечных батарей также соединены соответственно с разными входами элемента ИЛИ, а выход блока управления системой электроснабжения соединен с информационными входами первого и второго ключей, управляющие входы которых соединены с выходами соответственно элемента НЕ и блока определения моментов генерации солнечными батареями дополнительной электроэнергии под воздействием отраженного от Земли излучения, причем выходы первого и второго ключей соединены соответственно с вторым входом блока управления ориентацией солнечных батарей по направлению на Солнце и девятым входом блока определения угла поворота солнечных батарей.

Предлагаемое изобретение применяется к классу КА, СБ которых могут затеняться элементами конструкции КА, а также СБ которых имеют положительную выходную мощность при освещении со стороны тыльной поверхности панелей СБ.

В предлагаемом техническом решении достигается увеличение тока, вырабатываемого СБ, имеющими положительную выходную мощность тыльной поверхности панелей СБ, за счет дополнительного использования отраженного от Земли солнечного излучения, попадающего на рабочую и тыльную поверхности панелей СБ. Для этого при нахождении КА на освещенной части витка орбиты ориентируют нормаль к рабочей поверхности на СБ на Солнце и определяют интервалы времени, когда солнечное излучение, отраженное от Земли, поступает или на рабочую, или на тыльную поверхности панелей СБ. После чего поворачивают СБ таким образом, чтобы обеспечить максимальную выработку электроэнергии от суммарного освещения СБ прямым солнечным излучением, поступающим на рабочую поверхность панелей СБ, и отраженным от Земли излучением, поступающим на рабочую или на тыльную поверхности панелей СБ.

Суть предлагаемого изобретения поясняется на фиг.1-8, на которых представлено: на фиг.1 и 2 - схемы освещения СБ прямым и отраженным от Земли солнечным излучением для случаев, когда отраженное от Земли излучение поступает соответственно на рабочую и на тыльную поверхности панелей СБ; на фиг.3 и 4 - схемы освещения СБ в предлагаемой системе; на фиг.5 - схема геометрического построения, поясняющая определение вводимого далее угла γ; на фиг.6 - схема геометрического построения, поясняющая определение освещенной площади рабочей поверхности СБ с учетом затенения СБ; на фиг.7 - блок-схема предложенной системы; на фиг.8 - график прихода электроэнергии от СБ российского сегмента (PC) международной космической станции (МКС).

Поясним действия, реализуемые предлагаемой системой.

На фиг.1-4, поясняющих описываемые схемы освещения СБ, все построения выполнены в плоскости, образованной радиус-вектором КА и направлением на Солнце, и введены обозначения:

Р - СБ КА;

N - нормаль к рабочей поверхности панелей СБ;

S, PC, ВС^* - вектора направления на Солнце;

О - центр Земли;

ОР - радиус-вектор КА;

Z - Земля;

OB - радиус Земли;

В - точка, от которой поток отраженного излучения поступает на КА;

ϕ - угол между направлениями от КА на Солнце и на точку В;

MM^* - линия горизонта в точке В;

δ_s и δ - угол падения и угол отражения от Земли солнечного излучения, поступающего на КА;

PD - направление от КА на горизонт Земли;

В^* - точка касания Земли линией PD;

g - угол возвышения Солнца над видимым с КА горизонтом Земли;

Q_z - угол полураствора видимого с КА диска Земли;

γ - угол между направлениями РО и РВ;

Q_sb - угол полураствора зоны чувствительности рабочей поверхности панелей СБ, измеряемый от нормали N (обозначен только на фиг.1 и 3);

α - угол между N и S (обозначен только на фиг.3 и 4);

На фиг.2 и 4 дополнительно обозначено:

N_O - нормаль к тыльной поверхности панелей СБ;

S_O - противосолнечное направление;

μ - угол между направлением N_o и направлением от КА на точку В;

Q_O - угол полураствора зоны чувствительности тыльной поверхности панелей СБ, измеряемый от нормали N_o.

Рассматриваем текущую ориентацию СБ, при которой нормаль к рабочей поверхности СБ N совмещается с направлением на Солнце S (при этом N_o совмещена с S_o).

Используем понятие зон чувствительности каждой из рассматриваемых поверхностей панелей СБ - областей, определяемых конструктивными особенностями элементов СБ, при освещении со стороны которых СБ способна вырабатывать электрический ток. Задаем зону чувствительности каждой поверхности панелей СБ значением угла полураствора зоны, отсчитываемым от нормали к рассматриваемой поверхности СБ:

Q_sb - угол полураствора зоны чувствительности рабочей поверхности панелей СБ, Q_sb<90°,

Q_o - угол полураствора зоны чувствительности тыльной поверхности панелей СБ, Q_o<90°.

При освещении СБ извне данных областей генерируемый ток отсутствует или пренебрежительно мал.

Поступление отраженного от Земли излучения на КА возможно только на освещенной части орбиты, при этом расположение точки отражения (точка В) определяется соотношением углов падения δ_s и отражения δ солнечного излучения от Земли (см. [4], стр.39-52; [5]).

После выхода КА из тени Земли на освещенную часть орбиты и перед входом КА в тень Земли отраженное от Земли излучение попадает на рабочую поверхность панелей СБ (случай А, представленный на фиг.1).

Данный участок орбиты определяется условиями:

С учетом понятия зоны чувствительности СБ, отраженное от Земли излучение используется рабочей поверхностью панелей СБ для выработки электроэнергии при выполнении условия:

Поскольку всегда

то попадание отраженного от Земли излучения на рабочую поверхность СБ и его использование для выработки электроэнергии осуществляется также при условии

При нахождении КА на средней части освещенного участка орбиты отраженное от Земли излучение воздействует на тыльную поверхность панелей СБ (случай В, представленный на фиг.2). Данный участок орбиты определяется условиями:

С учетом понятия зоны чувствительности СБ, отраженное от Земли излучение используется тыльной поверхностью панелей СБ для выработки электроэнергии при выполнении условия:

Поскольку (см. фиг.2)

то (8) принимает вид

Для определения угла ϕ можно использовать разные методики.

Из равенства сумм углов, составляющих угол ОРС, следует:

В случае А значения углов g и ϕ близки и можно использовать формулу:

В случае В угол γ мал и значения углов ϕ и (Q_z+g) близки, поэтому можно использовать формулу:

Угол полураствора видимого с КА диска Земли Q_z определяется из треугольника ОРВ^*:

где обозначено: R_e - радиус Земли, Н_о - высота орбиты КА.

Можно использовать и более сложную методику определения угла ϕ, одним из возможных вариантов которой является следующая вычислительная процедура.

На фиг.5, поясняющей определение угла γ, дополнительно обозначено:

К - вершина прямого угла прямоугольного треугольника ОРК.

Угол γ определяется из прямоугольных треугольников ОРК и ОВК:

Подставляя в (11) выражения (14), (18) и выразив ϕ, получаем соотношение для точного определения угла ϕ:

Угол ϕ связан с углами δ, δ_s соотношением, получаемым из равенства углов при секущей РВ параллельных прямых PC и ВС^*:

В случае, когда характер поверхности отражения позволяет предположить равенство углов падении и отражения:

(20) и (19) принимают вид:

Значение ϕ, удовлетворяющее уравнению (23), находится методом итераций по следующей процедуре.

Обозначим решение данного уравнения относительно ϕ как ϕ_о и обозначим функцию, стоящую в правой части (23), как:

На первой итерации в функцию (24) подставляем значение ϕ, равное ϕ₁ - некоторому начальному приближению искомого значения ϕ_о. В случае А в качестве начального приближения удобно взять значение угла g, в случае В - значение суммы (Q_z+g).

Выполняем последовательно для шагов i=1, 2, 3,... итерационный процесс, на каждом i-м шаге которого находим ϕ_i+1 - новое приближение к искомому значению ϕ_о - по формуле

с учетом областей определения угла ϕ: (2) - в случае А и (7) - в случае В. При этом каждое новое приближение будет ближе к искомому значению ϕ_о, чем предыдущее.

Итерационный процесс останавливаем, когда разность между полученным новым приближением ϕ_i+1 и предыдущим приближением ϕ_i будет меньше требуемой точности вычислений ε (требуемой точности вычисления значения ϕ_о):

т.к. в дальнейшем каждое новое приближение будет отличаться от предыдущего приближения на величину, меньшую ε. При этом искомое значение ϕ_о, к которому сходится последовательность последовательных приближений ϕ_i+1, i=1, 2, 3,..., также отличается от последнего полученного приближения на величину не более ε. Таким образом, искомое значение ϕ_о с учетом требуемой точности вычислений получено:

Данный итерационный процесс достаточно быстро сходится к искомому решению - например, для случая управления ориентацией СБ PC МКС, описанного далее в качестве иллюстрации применения данного технического предложения, искомое значение ϕ с точностью 1° достигается уже на 4 шаге итерационного процесса.

При отсутствии попадания на СБ отраженного от Земли солнечного излучения, ток I, вырабатываемый СБ, определятся выражением (см. [6], стр.109):

где I - текущий ток, вырабатываемый СБ;

I_{s_max} - ток, вырабатываемый СБ при ориентации освещенной рабочей поверхности панелей СБ перпендикулярно солнечным лучам при отсутствии попадания отраженного от Земли излучения на поверхность панелей СБ и при отсутствии затенения рабочей поверхности СБ элементами конструкции КА.

Принимаем, что вырабатываемый СБ ток пропорционален площади поверхности панелей СБ, на которую падает излучение, воздействующее на солнечные элементы СБ. Обозначим:

p_s - плотность потока солнечного излучения;

S_s - площадь части рабочей поверхности панелей СБ, на которую поступает солнечное излучение;

р_о - плотность потока отраженного от Земли излучения;

S_o - площадь части поверхности панелей СБ, на которую поступает отраженное от Земли излучение.

Рассмотрим сначала случай А, когда отраженное от Земли излучение поступает на рабочую поверхность СБ (фиг.1 и 3).

В предлагаемой системе на этом участке орбиты отклоняем нормаль к рабочей поверхности СБ N от направления S в сторону, с которой на СБ поступает отраженное от Земли излучение, на расчетное значение угла α между N и S (фиг.3), обеспечивающее максимальную генерацию СБ электроэнергии от суммарного воздействия на рабочую поверхность СБ прямого солнечного излучения и отраженного от Земли излучения. Данная ориентация СБ осуществляется поворотом N от S в сторону центра Земли (в сторону, с которой на СБ поступает отраженное от Земли излучение) на расчетное значение угла α, определяемое следующим образом.

При отклонении N от S в сторону, с которой на СБ поступает отраженное от Земли излучение, на угол α, сумма Р эффективных значений потоков прямого солнечного излучения и отраженного от Земли излучения, поступающих на рабочую поверхность панелей СБ, рассчитывается по формуле (см. [2], стр.57):

Формулу для расчета значения угла α, доставляющего максимум (29), получаем приравнивая нулю производную данного выражения по α:

Выразим р_оS_о из соотношения (29):

Подставив (33) в (32) получаем:

Обозначим:

S_{s_max} - максимальная площадь рабочей поверхности панелей СБ.

Под воздействием суммарного излучения Р СБ генерируют текущий ток I, под воздействием потока излучения (p_sS_{s_max}) СБ генерируют ток, равный I_{s_max}. При этом

Соотношение (34) с учетом (36) принимает вид:

Теперь рассмотрим случай В, когда отраженное от Земли излучение поступает на тыльную поверхность СБ (фиг.2 и 4).

В предлагаемой системе на этом участке орбиты отклоняем нормаль к тыльной поверхности СБ N_o от направления S_o в сторону, с которой на СБ поступает отраженное от Земли излучение, на расчетное значение угла α между N_o и S_o (фиг.4), обеспечивающее максимальную генерацию СБ электроэнергии от суммарного воздействия на рабочую поверхность СБ прямого солнечного излучения и на тыльную поверхность СБ - отраженного от Земли излучения. Данная ориентация СБ осуществляется поворотом N_o от S_o в строну центра Земли (в сторону, с которой на СБ поступает отраженное от Земли излучение), что эквивалентно повороту N от S в сторону от центра Земли (или в сторону направления радиус-вектора КА), на расчетное значение угла α, определяемое следующим образом.

При отклонении N_o от S_o в сторону, с которой на СБ поступает отраженное от Земли излучение, на угол α, угол μ между направлением N_o и направлением на источник поступающего на СБ отраженного от Земли излучения (точка В), определяется соотношением:

В этом случае сумма Р эффективных значений потоков излучения, поступающих на рабочую поверхность панелей СБ (прямое солнечное излучение) и тыльную поверхность панелей СБ (отраженное от Земли излучение), рассчитывается по формуле:

Формулу для расчета значения угла α, доставляющего максимум (40), получаем приравнивая нулю производную данного выражения по α:

Выразим p_oS_o из соотношения (40):

Используя (36) получаем:

Таким образом, получены уравнения (37) и (46) для нахождения оптимальных углов поворота СБ α для случаев А и В. Решение данных уравнений относительно α осуществляем методом итераций по следующей процедуре.

Представим уравнения (37) и (46) в виде, соответственно:

Обозначим функции, стоящие в правой части (47) и (48), как:

Обозначим решение рассматриваемого уравнения как α_о.

На первой итерации в функцию (49) подставляем значение α, равное α₁ - начальному приближению искомого значения α_o, в качестве которого берем 0° (можно взять, также, текущее значение угла между N и S):

Выполняем для шагов i=1, 2, 3,... итерационный процесс, на каждом i-м шаге которого находим α_i+1 - новое приближение к искомому значению α_o - по формуле:

При этом каждое новое приближение будет ближе к искомому значению α_о, чем предыдущее. Итерационный процесс останавливаем, когда разность между полученным новым приближением α_i+1 и предыдущим приближением α_i будет меньше требуемой точности вычислений ε:

т.к. в дальнейшем каждое новое приближение будет отличаться от предыдущего приближения на величину, меньшую ε. При этом искомое значение α_o, к которому сходится последовательность последовательных приближений α_i+1, i=1, 2, 3,..., также отличается от последнего полученного приближения на величину не более ε.

Таким образом, искомое значение α_о с учетом требуемой точности вычислений получено:

Учет отраженного от Земли излучения необходимо производить при выполнения условия

когда за счет попадания отраженного от Земли излучения на рабочую или тыльную поверхности панелей СБ, текущее значение тока от СБ превосходит максимально возможное значение тока, полученное при условии отсутствия попадания отраженного от Земли излучения на СБ, умноженное на коэффициент, учитывающий текущее возможное затенение рабочей поверхности СБ элементами конструкции КА.

Текущее значение площади S_s рассчитывается следующим образом. На фиг.6, поясняющей необходимые геометрические построения, обозначено:

X_sb, Y_sb - оси координат связанной с СБ декартовой системы координат, ось X_sb направлена по нормали к рабочей поверхности СБ.

P₁P₂ - рабочая поверхность СБ;

K₁K₂ - элемент конструкции КА, затеняющий рабочую поверхность СБ;

P₁P_p - часть рабочей поверхности СБ, затененная элементом K₁K₂;

Р_рР₂ - освещенная часть рабочей поверхности СБ;

P_k - крайняя точка проекции элемента K₁K₂ на рабочую поверхность СБ.

Рассмотрим рабочую поверхность СБ прямоугольной формы. Координаты точек P₁ (0; у₁) и Р₂ (0; у₂) в связанной с СБ системе координат постоянны, а значение всей площади рабочей поверхности СБ S_{s_max} задается формулой:

где L - линейный размер СБ вдоль оси Z_sb связанной с СБ декартовой системы координат.

По измерениям параметров ориентации КА и положению СБ относительно КА определяем координаты элементов конструкции КА, затеняющих рабочую поверхность СБ, в связанной с СБ системе координат. Обозначим полученные координаты крайней точки затеняющего элемента K₁K₂ в связанной с СБ системе координат как К₂ (х_k; у_k).

Тогда координаты точки Р_k равны (0; у_k), а координата у_р точки Р_р (0; у_р) - точки, разделяющей освещенную и затененную части рабочей поверхности СБ, - определяется по формуле

Текущее значение площади S_s рассчитывается по формуле:

Блок-схема предложенной системы, представленная на фиг.7, содержит следующие блоки:

1 - СБ; 2 - БФБ; 3 - УПСБ; 4 - УПУ; 5 - БУОСБС; 6 - БРСБЗП; 7 - БРТ;

8 - ДТ; 9 - БУСЭС;

10 - блок измерения высоты орбиты космического аппарата (БИВОКА);

11 - блок измерения ориентации космического аппарата (БИОКА);

12 - блок измерения угла возвышения Солнца над видимым с космического аппарата горизонтом Земли (БИУВСВГЗ);

13 - блок задания максимального значения тока, вырабатываемого солнечными батареями под воздействием прямого солнечного излучения (БЗМТВСБВПСИ);

14 - блок определения моментов попадания отраженного от Земли излучения на рабочую поверхность солнечных батарей (БОМПОЗИРПСБ);

15 - блок определения моментов попадания отраженного от Земли излучения на тыльную поверхность солнечных батарей (БОМПОЗИТПСБ);

16 - блок определения моментов генерации солнечными батареями дополнительной электроэнергии под воздействием отраженного от Земли излучения (БОМГСБДЭВОЗИ);

17 - блок определения угла поворота солнечных батарей (БОУПСБ);

18 - блок определения площади освещенной солнечным излучением части рабочей поверхности солнечных батарей (БОПОСИРПСБ);

19, 20 - первый и второй ключи;

21 - элемент НЕ;

22 - элемент ИЛИ,

при этом выход БФБ (2) соединен с входом БРТ (7). Выход БРТ (7) соединен с входом ДТ (8). Выходы БУОСБС (5) и БРСБЗП (6) соединены соответственно с первым и вторым входами УПУ (4). Выход УПУ (4) соединен с входом УПСБ (3). Выход УПСБ (3) соединен с первыми входами БУОСБС (5) и БРСБЗП (6). Выход ДТ (8) соединен с первыми входами БОУПСБ (17) и БОМГСБДЭВОЗИ (16). Выход и со второго по четвертый входы БОМГСБДЭВОЗИ (16) соединены соответственно с входом элемента НЕ (21) и с выходами БЗМТВСБВПСИ (13), элемента ИЛИ (22) и БОПОСИРПСБ (18). Первый и второй входы и выход БОПОСИРПСБ (18) также соединены соответственно с выходами БИОКА (11), УПСБ (3) и вторым входом БОУПСБ (17). Выход и с третьего по восьмой входы БОУПСБ (17) соединены соответственно с вторым входом БРСБЗП (6) и выходами УПСБ (3), БЗМТВСБВПСИ (13), БИВОКА (10), БОМПОЗИРПСБ (14), БОМПОЗИТПСБ (15), БИУВСВГЗ (12). Выход БИУВСВГЗ (12) также соединен с первыми входами БОМПОЗИРПСБ (14) и БОМПОЗИТПСБ (15). Вторые входы БОМПОЗИРПСБ (14) и БОМПОЗИТПСБ (15) соединены с выходом БИВОКА (10). Выходы БОМПОЗИРПСБ (14) и БОМПОЗИТПСБ (15) также соединены соответственно с разными входами элемента ИЛИ (22). Выход БУСЭС (9) соединен с информационными входами первого и второго ключей (19) и (20). Управляющие входы первого и второго ключей (19) и (20) соединены с выходами соответственно элемента НЕ (21) и БОМГСБДЭВОЗИ (16). Выходы первого и второго ключей (19) и (20) соединены соответственно с вторым входом БУОСБС (5) и девятым входом БОУПСБ (17).

На фиг.7 также пунктиром показана механическая связь УПСБ (3) с корпусом СБ (1) через выходной вал привода СБ.

Система работает следующим образом.

Электроэнергия от БФБ (2) поступает на БРТ (7), далее от которого она поступает на ШЭ СЭС КА. При этом БРТ (7) соединен с ДТ (8), который измеряет текущее значение тока, вырабатываемого СБ.

В БИВОКА (10) измеряется значение высоты орбиты КА.

В БИОКА (11) измеряются параметры ориентации КА.

В БИУВСВГЗ (12) определяется значение угла возвышения Солнца над видимым с КА горизонтом Земли.

В БОМПОЗИРПСБ (14) определяются моменты времени, в которые возможно попадание отраженного от Земли излучения на рабочую поверхность панелей СБ. Для этого осуществляется проверка выполнения условия (5). В данном блоке может быть реализована также более сложная вычислительная схема, включающая вычисление угла ϕ по формуле (12) или по вычислительной процедуре (23)-(27) и проверку условия (3). При выполнении условий (5), (3) блок БОМПОЗИРПСБ (14) генерирует команду, поступающую на первый вход элемента ИЛИ (22).

В БОМПОЗИТПСБ (15) определяются моменты времени, в которые возможно попадание отраженного от Земли излучения на тыльную поверхность панелей СБ. Для этого осуществляется проверка выполнения условия (6). В данном блоке также может быть реализована более сложная вычислительная схема, включающая вычисление угла ϕ по формуле (13) или по вычислительной процедуре (23)-(27) и проверку условия (10). При выполнении условий (6), (10) блок БОМПОЗИТПСБ (15) генерирует команду, поступающую на второй вход элемента ИЛИ (22).

При поступлении команды на любой из двух входов элемента ИЛИ (22) на выходе элемента ИЛИ (22) генерируется команда, поступающая на соответствующий вход БОМГСБДЭВОЗИ (16). Отметим, что блоки БОМПОЗИРПСБ (14) и БОМПОЗИТПСБ (15) не могут одновременно генерировать команды, т.к. в них проверяется выполнение взаимоисключающих геометрических условий.

В БОПОСИРПСБ (18) определяется площадь той части рабочей поверхности СБ, которая в текущий момент времени освещена прямым солнечным излучением. По входной информации о параметрах ориентации КА, поступающей от БИОКА (11), и угле положения СБ относительно КА, поступающей с УПСБ (3), блок БОПОСИРПСБ (18) реализует вычислительную процедуру (56)-(57).

В БОМГСБДЭВОЗИ (16) определяются моменты использования СБ отраженного от Земли излучения - моменты генерации СБ дополнительной электроэнергии под воздействием отраженного от Земли излучения. Данные моменты соответствуют одновременному выполнению условия (54) и условий попадания отраженного от Земли излучения на рабочую или тыльную поверхности панелей СБ (выполнение последних условий осуществляется в блоках БОМПОЗИРПСБ (14) и БОМПОЗИТПСБ (15)). При одновременном выполнении условия (54) и поступлении сигнала от элемента ИЛИ (22) блок БОМГСБДЭВОЗИ (16) генерирует команду, поступающую на вход элемента НЕ (21) и управляющий вход ключа (20).

При невыполнении условия (54) или непоступлении сигнала от элемента ИЛИ (22) на выходе БОМГСБДЭВОЗИ (16) команда не генерируется. Тогда элемент НЕ (21) генерирует команду, поступающую на управляющий вход ключа (19). При этом ключ (20) закрыт, а ключ (19) открыт.

При таком состоянии ключей (19) и (20) команда управления с БУСЭС (9) через открытый ключ (19) поступает в блок БУОСБС (5), который осуществляет управление ориентацией СБ (1) на Солнце. БУОСБС (5) может быть реализован на базе системы управления движением и навигацией (СУДН) КА (см. [7]). Входной информацией для алгоритма управления СБ являются: положение единичного вектора направления на Солнце относительно связанных с КА осей координат, определяемое алгоритмами кинематического контура СУДН; положение СБ относительно корпуса КА, получаемое в виде текущих измеренных значений угла α с ДУ УПСБ (3). Выходной информацией алгоритма управления являются команды на вращение СБ относительно оси выходного вала УПСБ (3), команды на прекращение вращения. ДУ УПСБ (3) выдают сигналы о положении СБ (1).

Когда БОМГСБДЭВОЗИ (16) выдает команду, поступающую на управляющий вход ключа (20) и на элемент НЕ (21), то элемент НЕ (21) не генерирует команду на управляющем входе ключа (19). При этом ключ (20) открыт, а ключ (19) закрыт.

При таком состоянии ключей (19) и (20) команда управления с БУСЭС (9) через открытый ключ (20) поступает в БОУПСБ (17).

При поступлении команды с БУСЭС (9) на вход БОУПСБ (17) блок БОУПСБ (17) в зависимости от команд, поступивших от блоков БОМПОЗИРПСБ (14) и БОМПОЗИТПСБ (15), рассчитывает угол поворота СБ α=α_о по вычислительным процедурам (47)-(53). При этом осуществляется также вычисление угла ϕ по формулам (12), (13) или (19), (23)-(27). Для вычислений используются значения α, I, I_{s_max}, S_s, g, Н_о, поступающие от УПСБ (3), ДТ (8), БЗМТВСБВПСИ (13), БОПОСИРПСБ (18), БИУВСВГЗ (12), БИВОКА(10).

При поступлении на БОУПСБ (17) команды от БОМПОЗИРПСБ (14) рассчитанное значение угла поворота α=α_о выдается от БОУПСБ (17) в БРСБЗП (6) вместе с командой на реализацию разворота СБ (1) до положения α_z=α_o путем отворота нормали N от направления S в сторону к центру Земли.

При поступлении на БОУПСБ (17) команды от БОМПОЗИТПСБ (15) рассчитанное значение угла поворота α=α_o выдается от БОУПСБ (17) в БРСБЗП (6) вместе с командой на реализацию разворота СБ (1) до положения α_z=α_o путем отворота нормали N от направления S в сторону от центра Земли (в сторону к направлению радиуса-вектора КА).

БРСБЗП (6) управляет СБ (1) по программным уставкам. Алгоритм управления СБ (1) по программным уставкам позволяет устанавливать батарею в любое задаваемое положение α=α_z. При этом для контроля угла разворота в БРСБЗП (6) используется информация с ДУ УПСБ (3).

Реализация блоков БОМПОЗИРПСБ (14), БОМПОЗИТПСБ (15), БОМГСБДЭВОЗИ (16), БОУПСБ (17), БОПОСИРПСБ (18) возможна как на базе аппаратно-программных средств центра управления полетом (ЦУП) КА, так и на борту КА. Примером реализации БУСЭС (9) могут служить радиосредства служебного канала управления (СКУ) бортовыми системами КА «Ямал-100», состоящие из земной станции (ЗС) и бортовой аппаратуры (БА) (см. описание в [8, 9]). В частности, БА СКУ совместно с ЗС СКУ, решает задачи выдачи в бортовую цифровую вычислительную систему (БЦВС) КА цифровой информации (ЦИ) и последующего ее квитирования. БЦВС, в свою очередь, осуществляет управление блоками БУОСБС (5), БОУПСБ (17), БРСБЗП (6).

УПУ (4) играет роль интерфейса между БУОСБС (5), БРСБЗП (6) и УПСБ (3) и служит для преобразования цифровых сигналов в аналоговые и усиление последних.

БИВОКА (10), БИОКА (11), БИУВСВГЗ (12) могут быть выполнены на базе датчиков и аппаратуры СУДН КА (см. [7], [10]). Реализация БЗМТВСБВПСИ (13), БОМПОЗИРПСБ (14), БОМПОЗИТПСБ (15), БОМГСБДЭВОЗИ (16), БОУПСБ (17), БОПОСИРПСБ (18) может быть произведена на базе БЦВС. Ключи (19), (20), элемент НЕ (21), элемент ИЛИ (22) могут быть выполнены в виде элементарных аналоговых схем. СБ (1), БФБ (2), УПСБ (3), УПУ (4), БУОСБС (5), БРСБЗП (6), БРТ (7), ДТ (8) могут быть выполнены на базе элементов СЭС (см. [11]).

Таким образом, рассмотрен пример реализации основополагающих блоков системы, по результатам которых принимается решение и реализуются предложенные операции.

Опишем технический эффект предлагаемых изобретений.

Предлагаемые технические решения обеспечивают максимальную генерацию электроэнергии от суммарного воздействия на СБ прямого солнечного излучения, поступающего на рабочую поверхность панелей СБ, и отраженного от Земли излучения, поступающего на рабочую или тыльную поверхности панелей СБ, с учетом возможных затенений рабочей поверхности СБ элементами конструкции КА. При этом увеличение прихода электроэнергии от СБ достигается за счет увеличения использования рабочей и тыльной сторонами поверхностей панелей СБ отраженного от Земли излучения путем выполнения в предложенные интервалы времени предложенных отворотов СБ от направления на Солнце в заданную сторону, определяемую направлением поступления на КА отраженного от Земли излучения, на расчетный угол, определяемый по предложенной методике.

Для иллюстрации на фиг.8 представлен график прихода электроэнергии от СБ PC MKC I(А) от времени t (с) в течение витка орбиты при поддержании ориентации СБ на Солнце: 02.02.2004 г., виток 1704, время 17.35-19.06 ДВМ, ориентация ИСК (см. [12]). На графике указан уровень тока I_{s_max} и отмечены интервалы времени Т₁, Т₂, расположенные в начале и в конце освещенной части витка орбиты и соответствующие моментам выполнения условия (3), и интервал времени Т_о, расположенный в средней части освещенного участка орбиты и соответствующий моментам выполнения условия (10). График иллюстрирует, что на данных интервалах выполняется условие (54), т.е. на поверхности панелей СБ дополнительно попадает отраженное от Земли излучение и выполнение поворота СБ на расчетный угол α=α_о позволяет увеличить выработку СБ электроэнергии под воздействием суммарного излучения, поступающего на поверхности панелей СБ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Елисеев А.С. Техника космических полетов. М.: Машиностроение, 1983.

2. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. М.: Энергоатомиздат, 1983.

3. Ковтун B.C., Соловьев С.В., Заикин С.В., Городецкий А.А. Способ управления положением солнечных батарей космического аппарата и система для его осуществления. Описание изобретения к патенту РФ №2242408 по заявке 2003108114/11 от 24.03.2003 г.

4. Крошкин М.Г. Физико-технические основы космических исследований. - М.: Машиностроение. 1969.

5. Кондратьев К.Я. Актинометрия. - М.: Гидрометеоиздат. 1965.

6. Грилихес В.А., Орлов П.П., Попов Л.Б. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984.

7. Система управлением движением и навигации КА. Техническое описание. 300ГК.12Ю. 0000-АТО. РКК «Энергия», 1998.

8. Земная станция служебного канала управления КА «Ямал». Руководство по эксплуатации. ЗСКУГК.0000-0РЭ. РКК «Энергия», 2001.

9. Бортовая аппаратура служебного канала управления КА «Ямал». Техническое описание. 300ГК.15Ю. 0000А201-ОТО. РКК «Энергия», 2002.

10. Инженерный справочник по космической технике. Изд-во МО ССР, М., 1969.

11. Система электроснабжения КА. Техническое описание. 300ГК.20Ю. 0000-АТО. РКК «Энергия», 1998.

12. Рулев Д.Н., Стажков В.М., Корнеев А.П., Пантелеймонов В.Н., Мельник И.В. Оценка эффективности работы солнечных батарей российского сегмента международной космической станции по данным телеметрической информации// Труды XXXIX Чтений, посвященных разработке научного наследия и развитию идей К.Э.Циолковского (Калуга, 14-16 сентября 2004 г.). Секция «Проблемы ракетной и космической техники». - Казань: Казанский государственный университет им. В.И.Ульянова-Ленина. 2005.

Изобретение относится к электроснабжению космических аппаратов (КА) посредством солнечных батарей (СБ), дающих полезную мощность как с рабочей, так и с тыльной их поверхности. Предлагаемая система содержит устройство поворота СБ, усилительно-преобразующее устройство, блок управления ориентацией СБ по направлению на Солнце, блок разворота СБ в заданное положение, блок регуляторов тока, датчик тока, блок управления системой электроснабжения. В систему дополнительно введены блоки измерения: высоты орбиты КА, ориентации КА и угла возвышения Солнца над видимым с КА горизонтом Земли. Предусмотрен блок задания максимального значения тока, вырабатываемого СБ под воздействием прямого солнечного излучения. Введены также блоки определения: моментов попадания отраженного от Земли излучения на рабочую поверхность СБ, моментов попадания отраженного от Земли излучения на тыльную поверхность СБ, моментов генерации СБ дополнительной электроэнергии под воздействием отраженного от Земли излучения, угла поворота СБ и площади освещенной солнечным излучением части рабочей поверхности СБ. В схему включены также два ключа и элементы НЕ и ИЛИ. Технический результат изобретения состоит в увеличении выхода электроэнергии СБ путем более полной утилизации отраженного от Земли солнечного излучения, поступающего на рабочую и тыльную поверхности СБ, с учетом возможного затенения поверхности СБ элементами конструкции КА. 8 ил.

Система управления положением солнечных батарей космического аппарата, имеющих блоки установленных на них фотоэлектрических батарей с положительной выходной мощностью тыльной поверхности, содержащая устройство поворота солнечных батарей, усилительно-преобразующее устройство, блок управления ориентацией солнечных батарей по направлению на Солнце, блок разворота солнечных батарей в заданное положение, блок регуляторов тока, датчик тока, блок управления системой электроснабжения, при этом выход блока фотоэлектрических батарей соединен с входом блока регуляторов тока, выход которого соединен с входом датчика тока, а выходы блоков управления ориентацией солнечных батарей по направлению на Солнце и разворота солнечных батарей в заданное положение соединены соответственно с первым и вторым входами усилительно-преобразующего устройства, выход которого соединен с входом устройства поворота солнечных батарей, выход которого соединен с входами блоков управления ориентацией солнечных батарей по направлению на Солнце и разворота солнечных батарей в заданное положение, причем устройство поворота солнечных батарей механически соединено с указанной солнечной батареей, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены блок измерения высоты орбиты космического аппарата, блок измерения ориентации космического аппарата, блок измерения угла возвышения Солнца над видимым с космического аппарата горизонтом Земли, блок задания максимального значения тока, вырабатываемого солнечными батареями под воздействием прямого солнечного излучения, блок определения моментов попадания отраженного от Земли излучения на рабочую поверхность солнечных батарей, блок определения моментов попадания отраженного от Земли излучения на тыльную поверхность солнечных батарей, блок определения моментов генерации солнечными батареями дополнительной электроэнергии под воздействием отраженного от Земли излучения, блок определения угла поворота солнечных батарей, блок определения площади освещенной солнечным излучением рабочей поверхности солнечных батарей, два ключа и элементы "НЕ" и "ИЛИ", при этом выход датчика тока соединен с первыми входами блока определения угла поворота солнечных батарей и блока определения моментов генерации солнечными батареями дополнительной электроэнергии под воздействием отраженного от Земли излучения, выход и входы - со второго по четвертый - которого соединены соответственно с входом элемента "НЕ" и выходами блока задания максимального значения тока, вырабатываемого солнечными батареями под воздействием прямого солнечного излучения, элемента "ИЛИ" и блока определения площади освещенной солнечным излучением части рабочей поверхности солнечных батарей, первый и второй входы и выход которого также соединены соответственно с выходами блока измерения ориентации космического аппарата, устройства поворота солнечных батарей и вторым входом блока определения угла поворота солнечных батарей, выход и входы - с третьего по восьмой - которого соединены соответственно со вторым входом блока разворота солнечных батарей в заданное положение и выходами устройства поворота солнечных батарей, блока задания максимального значения тока, вырабатываемого солнечными батареями под воздействием прямого солнечного излучения, блока измерения высоты орбиты космического аппарата, блоков определения моментов попадания отраженного от Земли излучения на рабочую и на тыльную поверхности солнечных батарей и блока измерения угла возвышения Солнца над видимым с космического аппарата горизонтом Земли, выход которого также соединен с первыми входами блоков определения моментов попадания отраженного от Земли излучения на рабочую и на тыльную поверхности солнечных батарей, вторые входы которых соединены с выходом блока измерения высоты орбиты космического аппарата, при этом выходы блоков определения моментов попадания отраженного от Земли излучения на рабочую и на тыльную поверхности солнечных батарей также соединены соответственно с разными входами элемента "ИЛИ ", а выход блока управления системой электроснабжения соединен с информационными входами первого и второго ключей, управляющие входы которых соединены с выходами соответственно элемента "НЕ" и блока определения моментов генерации солнечными батареями дополнительной электроэнергии под воздействием отраженного от Земли излучения, причем выходы первого и второго ключей соединены соответственно с вторым входом блока управления ориентацией солнечных батарей по направлению на Солнце и девятым входом блока определения угла поворота солнечных батарей.