СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ УСТАНОВЛЕННОЙ НА КОСМИЧЕСКОМ АППАРАТЕ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ С ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТЬЮ ТЫЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2018 года по МПК B64G1/44 

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

Одной из составляющей контроля текущей производительности СБ КА является контроль основных электрических характеристик СБ - выходного тока, напряжения и мощности СБ. На стадии проектирования и изготовления СБ осуществляется теоретический расчет выходных параметров СБ, который может быть основан на методе перемещений вольт-амперной характеристики, учитывающем различные влияния окружающей среды и параметров нагрузки на характеристики СБ (Система электроснабжения КА. Техническое описание. 300ГК.20Ю.0000-АТО. РКК «Энергия», 1998; Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. Москва, Энергоатомиздат, 1983, стр. 49, 54).

Недостаток указанного способа контроля текущей производительности СБ заключается в том, что используемые в расчетах модели факторов космического полета имеют ограниченную точность, что не позволяет получить достоверные данные о реальных характеристиках СБ в полете, учитывающих процесс «деградации» СБ.

Для контроля фактических характеристик СБ в полете используются измерения фактического выходного тока СБ, генерируемого фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) под воздействием солнечного излучения, при этом СБ выставлены таким образом, чтобы световой поток поступал перпендикулярно рабочей поверхности СБ (Елисеев А.С. Техника космических полетов. Москва, «Машиностроение», 1983, стр. 190-194; Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. Москва, Энергоатомиздат, 1983, стр. 57; патент РФ №2353555 по заявке №2006131395/11, приоритет от 31.08.2006 - прототип), для чего разворачивают панели СБ в рабочее положение, соответствующее совмещению нормали к их освещенной рабочей поверхности с направлением на Солнце, и контроль текущей производительности панели СБ осуществляют по результатам сравнения измеренных значений тока с задаваемыми значениями - текущая эффективность СБ оценивается по отношению измеренных фактических выходных параметров СБ к их номинальным значениям - проектным или некоторым исходным значениям, например, измеренным на предыдущих этапах полета.

Выбор силы тока в качестве контролируемой выходной характеристики СБ вызван тем, что его сила является переменной величиной, напрямую зависит от состояния СБ в целом, а напряжение на СБ является достаточно стабильной величиной и определяется в основном физическими свойствами используемых для изготовления СБ фотоэлектрических преобразователей, при этом режим работы ФЭП еще на стадии проектирования СБ задается таким образом, чтобы генерируемая мощность (как произведение силы тока и напряжения) была максимально возможной.

Данный способ обеспечивает контроль суммарной эффективности панели СБ в ходе полета КА. Меньшие значения фактических выходных токов от СБ по отношению к заданным проектным или исходным значениям означают «деградацию» СБ.

Недостаток способа-прототипа связан с тем, что он не предусматривает проведение замера тока от СБ при одинаковых внешних полетных условиях, что необходимо для обоснованности дальнейшего сравнения результатов выполненных замеров.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение точности оценки текущей эффективности СБ в ходе полета КА.

Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в обеспечении одинаковых условий замера тока от СБ при выполнении сеансов оценки эффективности СБ по результатам прямого замера электрического тока, генерируемого СБ на фоне полета КА в орбитальной ориентации.

Технический результат достигается тем, что в способе определения производительности установленной на космическом аппарате солнечной батареи с положительной выходной мощностью тыльной поверхности, включающем поворот панели солнечной батареи в положения, при которых ее рабочая поверхность ориентируется нормалью на Солнце, измерение значений тока от солнечной батареи, контроль текущей производительности солнечной батареи по результатам сравнения текущих измеренных значений тока и значений тока, измеренных на предыдущих этапах полета, дополнительно измеряют вектор направления на Солнце в инерциальной системе координат, определяют значения угла между направлением на Солнце и нормалью к плоскости орбиты космического аппарата на моменты прохождения подсолнечной точки витков орбиты γ_S, определяют текущую величину изменения угла между направлением на Солнце и нормалью к плоскости орбиты за виток Δγ, поддерживают орбитальную ориентацию космического аппарата, при которой ось вращения солнечной батареи, совпадающая с осью раскрытия солнечной батареи, перпендикулярна плоскости орбиты, измеряют ток от солнечной батареи на световом участке витка орбиты, на котором выполнено условие , и повторяют измерения тока на следующем световом участке, при этом последовательно разворачивают солнечную батарею в дискретные положения, в которых значение угла между нормалью к рабочей поверхности солнечной батареи и направлением на Солнце составляет величину менее фиксированного значения; и измеряют моменты времени переориентации солнечной батареи в данные дискретные положения, с учетом которых определяют текущие значения угла между нормалью к рабочей поверхности солнечной батареи и направлением на Солнце, определяют текущее значение расстояния от Земли до Солнца, в ходе полета повторяют вышеописанные действия и контроль производительности панели солнечной батареи выполняют по результатам сравнения полученных для упомянутых пар последовательных световых участков витков орбиты осредненных значений тока от солнечной батареи, умноженных на квадрат определенного на моменты соответствующих измерений тока текущего значения расстояния от Земли до Солнца и отнесенных к квадрату среднего расстояния от Земли до Солнца и определенным на моменты соответствующих измерений тока текущим значениям косинуса угла между нормалью к рабочей поверхности солнечной батареи и направлением на Солнце.

Суть предлагаемого изобретения поясняется на фиг. 1 и 2, на которых соответственно представлен пример схемы расположения направления на Солнце относительно плоскости орбиты на двух витках измерения тока от СБ и пример схемы расположения точек орбиты, в которых измеряется ток от СБ, относительно подсолнечной точки витка.

На фиг. 1 и 2 введены обозначения:

A - орбита КА;

О - центр Земли;

N_ОРБ - вектор нормали к плоскости орбиты КА;

S, S₁ - вектора направления на Солнце на моменты прохождения подсолнечной точки первого и последующего витков измерения тока от СБ, соответственно;

γ_S= угол между направлением на Солнце и нормалью к плоскости орбиты КА на момент прохождения подсолнечной точки витка орбиты;

Δγ - величина изменения угла между направлением на Солнце и нормалью к плоскости орбиты КА за виток;

R - радиус-вектор КА;

N_СБ - вектор нормали к рабочей поверхности СБ;

S_ПР - проекция вектора направления на Солнце на плоскость орбиты;

С - подсолнечная точка витка орбиты;

T_jik, J=1, …, 5 - точки витка, в которых измеряется ток от СБ.

Для наглядности на фиг. 1 представлен случай, когда вектор нормали к плоскости орбиты КА и вектора направления на Солнце на моменты прохождения подсолнечной точки первого и следующего витков измерения токов от СБ лежат в одной плоскости.

Поясним предложенные в способе действия.

На многих КА, например, на международной космической станции (МКС), система управления положением СБ предусматривает выставку СБ в заданные дискретные положения, фиксированные в связанной с КА системе координат, а поворот СБ между данными положениями выполняется с заданной угловой скоростью вращения СБ. При этом для выполнения различных полетных операций предусмотрены различные режимы управления ориентаций СБ, в том числе режим автоматического наведения (отслеживания) СБ на Солнце и режим выставки СБ в заданное положение (такие положения выбираются из перечня упомянутых заданных дискретных положений СБ, фиксированных в связанной с КА системе координат). При этом в режиме автоматического наведения (отслеживания) СБ на Солнце система управления автоматически выбирает момент начала поворота СБ для перевода СБ из текущего фиксированного положения СБ в последующее.

Таким образом, в произвольный текущий момент времени СБ находится или в одном из фиксированных положений (в этом случае оно является текущим дискретным фиксированным положением СБ), или в процессе перехода между двумя дискретными фиксированными положениями. При этом в режиме автоматического наведения (отслеживания) СБ на Солнце моменты нахождения панели СБ в одном из дискретных положений определяются по измерениям текущей ориентации КА и измерениям положения Солнца путем определения моментов начала и окончания поворотов СБ с учетом логики автоматического управления СБ в данном режиме.

Считаем, что на этапе выведения КА СБ находятся в сложенном состоянии и раскрываются (развертываются) на орбите, при этом ось раскрытия СБ совпадает с осью вращения СБ. При этом после раскрытия СБ последовательные сегменты СБ могут быть расположены с некоторыми остаточными (технологическими) углами между собой (например, «гармошкой»).

В предложенном техническом решении для решения поставленной задачи измеряют вектор направления на Солнце в инерциальной системе координат, определяют значения угла между направлением на Солнце и нормалью к плоскости орбиты КА на моменты прохождения подсолнечной точки витков орбиты γ_S, определяют текущую величину изменения угла между направлением на Солнце и нормалью к плоскости орбиты за виток Δγ, поддерживают штатную орбитальную ориентацию КА, при которой ось вращения солнечной батареи, совпадающая с осью раскрытия СБ, перпендикулярна плоскости орбиты, измеряют ток от СБ на световом участке витка орбиты, на котором выполнено условие

и повторяют измерения тока на следующем световом участке. При этом реализуют штатный режим автоматического наведения (отслеживания) СБ на Солнце: последовательно разворачивают СБ в дискретные положения, в которых значение угла между нормалью к рабочей поверхности СБ и направлением на Солнце составляет величину менее фиксированного значения, равного, например, 360°/N, где N - число дискретных положений СБ, и измеряют моменты времени переориентации СБ в данные дискретные положения, с учетом которых определяют текущие значения угла между нормалью к рабочей поверхности СБ и направлением на Солнце.

На фиг. 2 показано положение вектора N_СБ нормали к рабочей поверхности СБ, направленное в момент прохождения подсолнечной точки витка по вектору S_ПР проекции вектора направления на Солнце на плоскость орбиты. Показанное положение N_СБ может быть реализовано как одним из дискретных положений СБ, так и промежуточным положением между дискретными положениями СБ в момент поворота СБ.

Условие (1) означает, что между двумя последовательными витками, на которых измеряют ток панели СБ, Солнце переходит через плоскость орбиты, в которой вращается нормаль к рабочей поверхности СБ.

Определяют текущее значение расстояние от Земли до Солнца.

Контроль производительности панели СБ выполняют по результатам сравнения полученных для упомянутых пар последовательных световых участков витков орбиты осредненных значений тока от СБ, умноженных на квадрат определенного на моменты соответствующих измерений тока текущего значения расстояния от Земли до Солнца и отнесенных к квадрату среднего расстояния от Земли до Солнца и определенным на моменты соответствующих измерений тока текущим значениям косинуса угла между нормалью к рабочей поверхности солнечной батареи и направлением на Солнце. Например, осредняют значения тока от СБ, полученные на каждой вышеописанной паре последовательных световых участков витков орбиты, по формуле

где D_ср - фиксированное номинальное (среднее) значение расстояния от Земли до Солнца;

D_k - текущее значение расстояния от Земли до Солнца во время k-й пары упомянутых последовательных световых участков;

I_jik - измеренные значения тока в j-ой точке i-го светового участка k-й пары упомянутых последовательных световых участков;

γ_jik - значения угла между нормалью к рабочей поверхности солнечной батареи и направлением на Солнце в j-й точке i-го светового участка k-й пары упомянутых последовательных световых участков;

jik, j=1, …, М - задаваемые точки i-го светового участка k-й пары упомянутых последовательных световых участков.

На фиг. 2 показаны М=5 точек jik, j=1, …, М, в которых берутся измерения тока от СБ, и показано, что данные точки одинаково расположены относительно подсолнечной точки витка С на всех описанных световых участках измерения тока от СБ.

В соотношении (2) деление на текущие значения косинуса угла между нормалью к рабочей поверхности СБ и направлением на Солнце обеспечивает одинаковые условия замера тока от СБ в части учета изменений тока от СБ, вызванных отклонением направления солнечного излучения от нормали к СБ. При этом учитывается, что текущий ток I от СБ определятся выражением (Грилихес В.А., Орлов П.П., Попов Л.Б. Солнечная энергия и космические полеты. Москва, Наука, 1984, стр. 109; Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. Москва, Энергоатомиздат, 1983)

I=I_MAXcosα,

где I_МАХ - максимальный ток, вырабатываемый при ориентации освещенной рабочей поверхности панели СБ перпендикулярно солнечным лучам; α - угол между направлением на Солнце и нормалью к рабочей поверхности СБ.

В соотношении (2) умножение на квадрат текущего значения расстояния от Земли до Солнца обеспечивает одинаковые условия замера тока от СБ в части учета изменений тока от СБ, вызванных отклонением текущего значения внеатмосферной интенсивности солнечной радиации от фиксированного номинального (среднего) значения. При этом учитывается, что текущее значение внеатмосферной интенсивности солнечной радиации с достаточной степенью точности обратно пропорционально значению расстояния от Земли до Солнца (Макарова Е.А., Харитонов А.В., Распределение энергии в спектре Солнца и солнечная постоянная, М., 1972; Поток энергии Солнца и его изменения, под ред. О. Уайта, пер. с англ., М., 1980; Кмито А.А., Скляров Ю.А., Пиргелиометрия, Л.)

,

В_ср - фиксированное номинальное (среднее) значение внеатмосферной интенсивности солнечной радиации;

В_k - текущее значение внеатмосферной интенсивности солнечной радиации во время k-й пары упомянутых последовательных световых участков.

Использование описанных двух последовательных витков, между которыми Солнце переходит через плоскость орбиты КА, в которой вращается нормаль к рабочей поверхности СБ (ось вращения и ось раскрытия СБ перпендикулярны плоскости орбиты), обеспечивает измерение тока в моменты, когда направление на Солнце перпендикулярно оси раскрытия СБ (с точностью отклонения направления на Солнце от плоскости орбиты). Это обеспечивает одинаковые условия освещения Солнцем последовательных сегментов «гармошки» СБ, расположенных с технологическими углами между собой.

Использование для измерения тока от СБ двух световых участков, а именно, двух световых участков на двух последовательных витках орбиты, позволяет обеспечить осреднение влияния подсветки СБ уходящим (отраженным) от Земли излучением.

Действительно, например, для КА, движущегося по околокруговой орбите высотой 300-400 км (например, МКС) при положении Солнца, близком к плоскости орбиты, продолжительность светового участка витка составляет порядка 56 минут (порядка 2/3 периода обращения КА), что соответствует длине трассы КА на поверхности Земли более 25 тыс. км. При этом в каждый момент времени видимая с КА подстилающая поверхность составляет площадь более 12 млн км².

При пролете над освещенной подстилающей поверхностью СБ КА подсвечиваются уходящем (отраженным) от Земли излучением, при этом яркость излучения зависит от вида/типа подстилающей поверхности. Использование двух световых участков обеспечивает получение измерений тока над более чем 50 тыс. км трассы полета, что позволяет обоснованно заключить о прохождении КА над многообразными видами/типами подстилающей поверхности. Таким образом обеспечивается осреднение влияния подсветки СБ уходящим от Земли излучением.

В ходе полета повторяют вышеописанные действия на различных этапах полета КА, для каждого этапа полета получают осредненное на описанной паре последовательных световых участков витков орбиты значение тока, рассчитываемое по соотношению (2), и контроль текущей производительности панели СБ осуществляют по результатам сравнения получаемых осредненных значений.

Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.

При эксплуатации в открытом космосе СБ подвергаются воздействию факторов открытого космического пространства, что приводит к их постепенной «деградации». Контроль производительности панели СБ, в частности, связан с получением текущих значений параметров производительности панели СБ и количественных оценок ее текущей эффективности.

Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить одинаковые условия замера тока от СБ при выполнении сеансов оценки эффективности СБ по результатам прямого замера электрического тока, генерируемого СБ на фоне штатного полета КА в орбитальной ориентации.

При этом обеспечиваются одинаковые условия замера тока от СБ с учетом изменений тока от СБ, вызванных как отклонением направления солнечного излучения от нормали к СБ, так и вызванных изменениями текущего значения внеатмосферной интенсивности солнечной радиации, технологическими углами между последовательными сегментами «гармошки» СБ и подсветкой СБ уходящим от Земли излучением.

Одинаковые условия замера тока от СБ при выполнении сеансов оценки эффективности СБ позволяют обоснованно сравнивать получаемые измерения и судить по ним об изменениях и текущей производительности СБ.

Знание текущих значений параметров производительности СБ необходимо для более точного моделирования функционирования СЭС КА в полете, например, для прогнозирования генерации тока СБ при решении различных задач управления полета КА. Таким образом, получаемый технический эффект повышает эффективность контроля производительности СЭС КА, в том числе повышает точность оценки текущей эффективности СБ в ходе штатного полета КА.

Данный технический результат достигается путем определения значений предложенных углов, измерения ток от СБ в предложенные моменты времени в предложенной штатной ориентации КА при предложенной ориентации СБ и выполнения контроля производительности панели СБ по результатам сравнения полученных осредненных значений тока от СБ, взятых с учетом предложенной зависимости от предложенных параметров.

В настоящее время технически все готово для реализации предложенного способа. Промышленное исполнение существенных признаков, характеризующих изобретение, не является сложным и может быть выполнено с использованием существующих технических средств.

Изобретение относится к солнечным батареям (СБ) космических аппаратов (КА). Способ включает измерение вектора направления на Солнце в инерциальной системе координат, угла между направлением на Солнце и нормалью к плоскости орбиты КА, а также изменения данного угла за виток. При некотором условии, зависящем от этих угловых величин, измеряют ток от СБ на световом участке витка орбиты. Поддерживают орбитальную ориентацию КА, при которой ось вращения СБ, совпадающая с осью раскрытия СБ, перпендикулярна плоскости орбиты. Повторяют измерения тока на следующем световом участке, при этом разворачивают СБ в дискретные положения с заданной точностью ориентации на Солнце. Контроль производительности СБ выполняют из сравнения значений тока СБ для пар последовательных световых участков, где ток осредняют с учетом определяемого расстояния от Земли до Солнца и точности ориентации СБ на Солнце. Технический результат состоит в обеспечении одинаковых условий измерения тока от СБ в ходе штатного полета КА. 2 ил.

Способ определения производительности установленной на космическом аппарате солнечной батареи с положительной выходной мощностью тыльной поверхности, включающий поворот панели солнечной батареи в положения, при которых ее рабочая поверхность ориентируется на Солнце, измерение значений тока от солнечной батареи, контроль текущей производительности солнечной батареи по результатам сравнения текущих измеренных значений тока и значений тока, измеренных на предыдущих этапах полета, отличающийся тем, что дополнительно измеряют вектор направления на Солнце в инерциальной системе координат, определяют значения угла между направлением на Солнце и нормалью к плоскости орбиты космического аппарата на моменты прохождения подсолнечной точки витков орбиты , определяют текущую величину изменения угла между направлением на Солнце и нормалью к плоскости орбиты за виток Δγ, поддерживают орбитальную ориентацию космического аппарата, при которой ось вращения солнечной батареи перпендикулярна плоскости орбиты, измеряют ток от солнечной батареи на световом участке витка орбиты, на котором выполнено условие

,

и повторяют измерения тока на следующем световом участке, при этом последовательно разворачивают солнечную батарею в дискретные положения, в которых значение угла между нормалью к рабочей поверхности солнечной батареи и направлением на Солнце составляет величину менее фиксированного значения, и измеряют моменты времени переориентации солнечной батареи в данные дискретные положения, по которым определяют текущие значения угла между нормалью к рабочей поверхности солнечной батареи и направлением на Солнце, определяют текущее значение расстояния от Земли до Солнца, в ходе полета повторяют вышеописанные действия, и контроль производительности панели солнечной батареи выполняют по результатам сравнения полученных для пар упомянутых последовательных световых участков витков орбиты осредненных значений тока от солнечной батареи, умноженных на квадрат определенного на моменты соответствующих измерений тока текущего значения расстояния от Земли до Солнца и отнесенных к квадрату среднего расстояния от Земли до Солнца и определенным на моменты соответствующих измерений тока текущим значениям косинуса угла между нормалью к рабочей поверхности солнечной батареи и направлением на Солнце.