СТЕНД ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2009 года по МПК B64G7/00 

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано при проектировании и наземной экспериментальной отработке системы электропитания (СЭП) космического аппарата (КА).

В космической технике среди прочих стоит задача по увеличению срока активного существования автоматических КА. При этом наблюдается тенденция возрастания величины среднесуточной электрической мощности, необходимой для нормального функционирования бортовой аппаратуры (БА) космического аппарата. Поэтому создание надежной СЭП с большим ресурсом работы является актуальной задачей.

Основным источником электрической энергии на КА являются электрические генераторы на основе фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), размещаемых на батарее солнечной (БС). На теневых участках орбиты КА бортовая аппаратура питается от аккумуляторных батарей (АБ), которые периодически заряжаются генерируемым БС током.

Необходимость непрерывного питания БА электроэнергией и поддержания стабилизированного напряжения обуславливает использование в СЭП комплекса автоматики и стабилизации напряжения (КАС), представляющего собой сложную электрическую и электронную аппаратуру.

Составные части СЭП КА в силу их специфичности проектируются и изготовляются различными предприятиями, затем поставляются на завод-изготовитель КА после проведения автономных и других видов испытаний. Для подтверждения работоспособности и заданных технических характеристик необходимо провести комплексные испытания СЭП до начала ее штатной эксплуатации. Технология проведения комплексных испытаний СЭП имеет свои особенности и, как правило, существенно отличается от традиционных методов, основанных на использовании штатного прибора в качестве объекта испытаний.

Наиболее простой способ комплексных испытаний СЭП - это проведение наземных электрических испытаний в составе штатного КА. При этом используются штатные АБ и КАС, а вместо БС - ее электронный имитатор. Нагрузкой является бортовая аппаратура, потребляющая электроэнергию как от имитатора батареи солнечной (ИБС), так и от АБ в зависимости от величины потребляемого тока. Комплексные испытания СЭП подобного типа являются частью испытаний всего КА (Козлов Д.И., Аншаков Г.П. и др. Конструирование автоматических КА. - М.: Машиностроение, 1996, 448 с., 2 гл.).

Частичное или полное ограничение комплексных испытаний СЭП, проводимых автономно вне штатного КА, оправдано только в том случае, если СЭП прошла летно-конструкторские испытания в составе других КА и не является новой разработкой. В противном случае (при проведении комплексных испытаний в составе штатного КА) при наличии неисправностей возможны большие затраты как трудовые, так и финансовые, связанные с демонтажом (монтажом) уже установленных на борт КА составных частей СЭП с соответствующей их отправкой на завод-изготовитель на ремонт.

Таким образом, для вновь проектируемых СЭП возникает необходимость проведения комплексных испытаний на специальных стендах.

Известен стенд для моделирования и испытаний системы электропитания вне штатного КА (например, разработанный по техническому заданию 353ЭУ46КС-651-1501 ТЗ-2, ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс», г.Самара, 2000 г.), содержащий имитатор нагрузки (ИН) БА, систему управления (СУ) с вычислительной машиной, вспомогательное оборудование, в том числе и средства обеспечения теплового режима (СОТР), АБ, ИБС, КАС, состоящий из зарядно-разрядных устройств (ЗРУ) и стабилизатора напряжения и автоматики (СНА), "плюсовые" и "минусовые" шины, соединяющие элементы КАС с имитатором нагрузки, АБ и ИБС с образованием соединенных параллельно с имитатором нагрузки подсистем "АБ+ЗРУ" и "ИБС+СНА".

На фиг.1 показано устройство прототипа. Известный стенд состоит из имитатора нагрузки 1, аккумуляторных батарей 2, имитатора батареи солнечной 3, комплекса автоматики и стабилизации напряжения, содержащего зарядно-разрядные устройства 4 и стабилизатор напряжения и автоматику 5, из "плюсовых" и "минусовых" шин 6, соединяющих элементы КАС с имитатором нагрузки 1, АБ 2 и ИБС 3 с образованием соединенных параллельно с ИН 1 подсистем "АБ+ЗРУ" и "ИБС+СНА", из системы управления 7 с вычислительной машиной и линиями (кабелями) информационной связи между СУ 7, ИН 1 и подсистемами ("АБ+ЗРУ" и "ИБС+СНА"), из вспомогательного оборудования, в том числе средств обеспечения теплового режима 8 элементов стенда (АБ 2, КАС и др.), а также из основания 9, служащего для формирования стенда во взаимосвязанную конструкцию.

В прототипе объектами моделирования (имитации) являются батарея солнечная и потребляющая электрическую энергию от СЭП бортовая аппаратура.

Моделирование и испытание СЭП с помощью известного стенда осуществляется следующим образом.

Планируемая циклограмма изменения потребляемого БА тока полностью воспроизводится имитатором нагрузки (ИН) 1. В зависимости от значения тока ИН 1, тока ИБС и режима работы КА (количества включенных подсистем "АБ+ЗРУ", работа на световом или теневом участке орбиты) имитатор нагрузки 1 может быть запитан только от АБ 4, только от ИБС 5 или одновременно от АБ 4 и ИБС 5.

Режимы работы стенда задаются системой управления 2.

Информация о параметрах СЭП, формируемая в КАС, о параметрах ИБС 5 и ИН 1 выводится на вычислительную машину системы управления 2. Имитатор батареи солнечной 5 работает в режиме источника тока, вольтамперная характеристика которого значительно отличается от вольтамперной характеристики штатной БС.

Последнее обстоятельство существенно снижает точность воспроизведения отдельных характеристик составных частей СЭП, а в некоторых случаях является причиной невозможности моделирования работы СЭП в целом.

Стоимость стенда, во многом, определяется стоимостью используемых полноразмерных АБ, изготавливаемых по штатной документации.

Задача коррекции вольтамперной характеристики ИБС и приближения ее к вольтамперной характеристике штатной БС технически решаема, однако стоимость стенда в этом случае еще существенно увеличится.

Таким образом, недостатком прототипа является его высокая себестоимость и относительно низкая точность моделирования.

Задачей изобретения является увеличение точности моделирования СЭП, а также снижение себестоимости изготовления и эксплуатации стенда.

Указанная задача решается тем, что в известный стенд для моделирования и испытаний СЭП КА, который состоит из имитатора нагрузки, аккумуляторных батарей, имитатора батареи солнечной, комплекса автоматики и стабилизации напряжения, содержащего зарядно-разрядные устройства и стабилизатор напряжения и автоматику, из "плюсовых" и "минусовых" шин, соединяющих элементы КАС с имитатором нагрузки, АБ и ИБС с образованием соединенных параллельно с ИН подсистем "АБ+ЗРУ" и "ИБС+СНА", из системы управления с вычислительной машиной и линиями информационной связи между СУ, ИН и подсистемами стенда, из вспомогательного оборудования, в том числе средств обеспечения теплового режима составных частей СЭП, а также из основания, служащего для формирования стенда во взаимосвязанную конструкцию, введены корректирующие устройства - физическая модель батареи солнечной и физические модели аккумуляторных батарей, выполненные с коэффициентами масштабирования по току и напряжению, которые через блоки сопряжения, служащие для изменения их режимов работы, подключены к общей цифровой шине, обеспечивающей скоростной информационный обмен с системой управления и объединяющей части стенда в логически и функционально согласованный контур, моделирующий выходные и иные характеристики реальной системы электропитания, а аккумуляторные батареи системы электропитания стенда выполнены в виде электронных имитаторов.

На фиг.2 показано устройство предлагаемого стенда для моделирования СЭП КА.

Стенд состоит из имитатора нагрузки 1, аккумуляторных батарей 2, выполненных в виде электронных имитаторов, имитатора батареи солнечной 3, комплекса автоматики и стабилизации напряжения, содержащего зарядно-разрядные устройства 4 и стабилизатор напряжения и автоматику 5, из "плюсовых" и "минусовых" шин 6, соединяющих элементы КАС с имитатором нагрузки 1, АБ 2 и ИБС 3 с образованием соединенных параллельно с ИН 1 подсистем "АБ+ЗРУ" и "ИБС+СНА", из системы управления 7 с вычислительной машиной и линиями (кабелями) информационной связи с ИН 1 и подсистемами ("АБ+ЗРУ" и "ИБС+СНА"), из вспомогательного оборудования, в том числе средств обеспечения теплового режима (СОТР) 8 элементов стенда, из корректирующих устройств - физической модели батареи солнечной (ФМ БС) 9, включающей малогабаритную батарею фотоэлектрическую и осветитель и физических моделей аккумуляторных батарей (ФМ АБ) 10, из блоков сопряжения (БлС) 11 и 12 физической модели батареи солнечной 9 и физических моделей аккумуляторных батареи 10, соответственно из общей цифровой шины 13, а также из основания (Осн.) 14, служащего для формирования стенда во взаимосвязанную конструкцию.

В данном стенде объектами моделирования (имитации), кроме батареи солнечной и бортовой аппаратуры (как в прототипе), являются также аккумуляторные батареи. Кроме этого, введены корректирующие устройства - физические модели аккумуляторных батарей 10 и физическая модель батареи солнечной 9, а также блоки сопряжения 11 и 12 этих корректирующих устройств с другим оборудованием стенда и цифровая шина 13.

Функционирование стенда в процессе моделирования (и испытаний) СЭП осуществляется следующим образом.

Производится засветка физической модели батареи солнечной 9, снимается ее вольт-амперная характеристика, которая масштабируется с учетом заданных коэффициентов и состояния (режима работы) ФМ БС 9 и по цифровой шине 13, через блок сопряжения 11 и СУ 7, передается для исполнения в имитатор батареи солнечной 3. Информация о значениях напряжений, а также емкостей и температур ФМ АБ 10 от блоков сопряжения 12 по цифровой шине 13 после соответственно масштабирования с заданным коэффициентом, а также преобразования по тарировочным характеристикам передается для установки в АБ 2 (выполненные в виде электронных имитаторов). Из системы управления стенда 7 в имитатор нагрузки 1 по цифровой шине 13 задаются значения тока, соответствующие току потребления бортовой аппаратуры. После включения ЗРУ 4 и СНА 5 комплекса автоматики и стабилизации напряжения, в зависимости от установленных значений напряжений на АБ 2 и токов на имитаторе нагрузки 1 и ИБС 3, устанавливаются токи заряда или разряда аккумуляторных батарей 2. КАС, в свою очередь, проводит авторегулирование потребляемой мощности ИБС 3 смещением напряжения рабочей точки вольтамперной характеристики последнего. Измеренные значения токов заряда (или разряда) АБ 2 и напряжения рабочей точки ИБС 3 по цифровой шине 13 от СУ 7 передаются в блоки сопряжения 11 и 12, которые изменяют режимы работы физической модели батареи солнечной 9 и физических моделей аккумуляторных батарей 10 соответственно.

Процесс моделирования повторяется в соответствии с изменяющимися циклограммами освещенности и нагрузки, а также условиями (режимами работы) ФМ БС 9.

Различные ВАХ для ИБС 3, в зависимости от освещенности и условий (режимов) работы БС, которую он имитирует, циклограммы нагрузки для ИН 1, управление работой СЭП (КАС), обмен данными между элементами стенда через цифровую шину 13 в соответствии с утвержденным протоколом информационного обмена, а также протоколирование результатов работы стенда реализуются с помощью вычислительной машины системы управления 7 средствами специального программного обеспечения.

Средства обеспечения теплового режима 8 обеспечивают нужную температуру элементов стенда: физических моделей аккумуляторных батарей 10, их блоков согласования 12, ЗРУ 4, СНА 5 и, при необходимости, других.

Увеличение точности моделирования работы СЭП КА достигается за счет использования ФМ БС 9 и ФМ АБ 10, поскольку они позволяют практически отслеживать вольтамперные характеристики БС и АБ, соответственно, используемых на штатном КА.

Снижение стоимости стенда обеспечивается путем замены штатных АБ на их электронные имитаторы и масштабные физические модели. Универсальные части стенда используются для моделирования и испытаний СЭП последующих изделий, что ускоряет окупаемость данного стенда и снижает себестоимость изготовления следующего.

Таким образом, предложенный стенд для моделирования системы электропитания КА позволяет увеличить точность моделирования и снизить затраты на изготовление и эксплуатацию стендов для экспериментальной отработки СЭП.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано при проектировании системы электропитания космического аппарата. Устройство содержит имитатор нагрузки, аккумуляторные батареи, имитатор батареи солнечной, комплекс автоматики и стабилизации напряжения, включающий зарядно-разрядные устройства и стабилизатор напряжения и автоматику, "плюсовые" и "минусовые" шины, систему управления с вычислительной машиной и линиями информационной связи между системой управления, имитатором нагрузки и подсистемами стенда, вспомогательное оборудование, основание, корректирующие устройства. Технический результат заключается в повышении точности моделирования системы электропитания. 2 ил.

Стенд для моделирования системы электропитания космического аппарата, содержащий имитатор нагрузки, аккумуляторные батареи, имитатор батареи солнечной, комплекс автоматики и стабилизации напряжения, включающий зарядно-разрядные устройства и стабилизатор напряжения и автоматику, "плюсовые" и "минусовые" шины, соединяющие элементы КАС с имитатором нагрузки, АБ и ИБС с образованием соединенных параллельно с ИН подсистем"АБ+ЗРУ" и "ИБС+СНА", систему управления с вычислительной машиной и линиями информационной связи между СУ, ИН и подсистемами стенда, вспомогательное оборудование, в том числе средства обеспечения теплового режима составных частей СЭП, а также основание, служащее для формирования стенда во взаимосвязанную конструкцию, отличающийся тем, что стенд снабжен корректирующими устройствами - физической моделью батареи солнечной и физическими моделями аккумуляторных батарей, выполненными с коэффициентами масштабирования по току и напряжению, которые через блоки сопряжения, служащие для изменения их режимов работы, подключены к общей цифровой шине, обеспечивающей скоростной информационный обмен с системой управления и объединяющей части стенда в логически и функционально согласованный контур, моделирующий выходные и иные характеристики реальной системы электропитания, а аккумуляторные батареи системы электропитания стенда выполнены в виде электронных имитаторов.