СПОСОБ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2022 года по МПК B64G1/44 

Изобретение относится к области космической техники, а именно к системам электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА), и может быть использовано при эксплуатации солнечных панелей (СП) - панелей солнечных батарей (СБ) - СЭП 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 данные измерений фактического выходного тока СБ, генерируемого фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) под воздействием солнечного излучения, при этом СБ выставляются 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), 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 зависящей от состояния СБ в целом, а напряжение 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 эффективности панели СБ в ходе полета КА. Меньшие значения фактических выходных токов СБ по отношению к заданным проектным или исходным значениям означают деградацию СБ. Недостатком способа является то, что он не предусматривает проведение замера тока СБ при одинаковых внешних полетных условиях, что необходимо для обоснованности дальнейшего сравнения результатов выполненных замеров.

Известен способ оценки состояния СБ КА с инерционными исполнительными органами (патент РФ №2655089 по заявке №2017104052, приоритет от 07.02.2017 - прототип), включающий ориентацию СБ нормалью к рабочей поверхности на Солнце, измерение тока СБ и оценку состояния СБ по результатам сравнения значений тока, измеренных на текущем и предыдущих этапах полета, согласно которому выполняют построение и поддержание в орбитальной системе координат ориентации КА, при которой воздействующий на КА внешний возмущающий момент за виток достигает минимального значения, последовательно разворачивают СБ в фиксированные положения, текущее из которых выбирается из условия минимизации угла между нормалью к рабочей поверхности СБ и направлением на Солнце, на последовательных витках орбиты в моменты касания верхней границы атмосферы Земли видимым с КА диском Солнца на восходе Солнца измеряют значения тока СБ и угла между направлением на Солнце и нормалью к плоскости орбиты КА, при этом на витках, на которых достигает локального минимума модуль угла где λ* - угол между нормалью к плоскости орбиты и нормалью к рабочей поверхности СБ в фиксированном положении СБ, в котором нормаль к рабочей поверхности СБ составляет острый угол с направлением полета и отстоит от направления в надир на угол, ближайший к сумме углов Q_Z+Q_a+Q_S, в поддерживаемой ориентации КА; Q_Z и Q_S - значения угловых полурастворов видимых с КА дисков Земли и Солнца, соответственно; Q_a - угол возвышения верхней границы атмосферы над видимым с КА горизонтом Земли; фиксируют измеренное значение тока СБ I и определяют на момент измерения тока значение расстояния от Земли до Солнца D_I и значение угла между нормалью к рабочей поверхности СБ и направлением на Солнце α_I, в ходе полета повторяют вышеописанные действия и оценку состояния СБ непосредственно по началу светового участка орбиты выполняют по результатам сравнения полученных на текущем и на предыдущих этапахполета значений контрольного параметра, определяемого по формуле где D_ср - среднее расстояние от Земли до Солнца.

Данный способ обеспечивает минимизацию влиянии подсветки от Земли при выполнении оценки состояния СБ по результатам прямого замера тока СБ непосредственно в начале светового участка орбиты на фоне штатного полета КА с инерционными исполнительными органами в базовой (дежурной) ориентации.

Недостаток способа-прототипа связан с тем, что он не обеспечивает условия для оценки эффективности отдельной солнечной панели на основе данных о суммарном токе солнечных панелей СЭП КА, полученных при проведении режимов по оценке эффективности панелей СБ СЭП КА.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание условий для высокоточной оценки эффективности панелей СБ СЭП КА в полете.

Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в повышении точности оценки эффективности солнечных панелей по данным о суммарном токе солнечных панелей СЭП КА за счет определения производительности каждой отдельной солнечной панели.

Технический результат достигается тем, что в способе оценки эффективности солнечных панелей системы электропитания космического аппарата, включающем поворот солнечных панелей до положений, определяемых из условия минимизации значения угла между нормалью к лицевой поверхности солнечной панели и направлением на Солнце, измерение генерируемого солнечными панелями тока и определение текущего значения светового потока от Солнца на орбите космического аппарата и углов его падения на плоскость поверхности солнечных панелей, дополнительно разворачивают космический аппарат до полной освещенности фотоэлектрических преобразователей солнечных панелей Солнцем и выполняют поворот не менее чем n-1 солнечной панели, где n≥2 - общее количество солнечных панелей, до положения, при котором угол между направлением на Солнце и нормалью к тыльной поверхности солнечной панели менее заданного острого угла, измерение суммарного тока солнечных панелей выполняют на интервалах времени, когда точки пересечения линии видимого с космического аппарата горизонта Земли с плоскостями, в которых лежат солнечные панели, находятся на теневой части поверхности Земли и определяемая составляющая измеренного тока от освещения солнечных панелей уходящим от Земли световым потоком не превышает погрешности измерения тока, а эффективность отдельной солнечной панели оценивают величиной тока солнечной панели при освещении лицевой поверхности панели солнечным излучением эталонной яркости по нормали к поверхности панели, при этом данную величину определяют по измерениям суммарного тока солнечных панелей, выполненным на упомянутых интервалах времени при не менее η различных комбинаций описанных положений солнечных панелей с учетом текущего значения светового потока от Солнца и углов его падения на плоскость поверхности солнечных панелей, причем в каждой паре солнечных панелей хотя бы в одной из комбинаций к Солнцу обращена лицевая сторона одной и тыльная сторона другой солнечной панели.

Суть предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 представлена схема, поясняющая определение точек пересечения линии видимого с КА горизонта Земли с плоскостями, в которых лежат солнечные панели; на фиг. 2 представлены возможные схемы освещения солнечных панелей. На фиг. 1 и 2. введены следующие обозначения:

О - центр Земли;

А - солнечные панели СЭП КА;

S - направление на Солнце;

N_1/2^{ЛИЦ/ТЫЛ} - нормаль к лицевой/тыльной поверхности первой/второй солнечной панели соответственно; γ - заданный острый угол;

1 - теневая часть поверхности Земли;

2 - линия видимого с КА горизонта Земли;

3 - плоскости, в которых лежат солнечные панели;

4 - точки пересечения линии видимого с КА горизонта Земли с плоскостями, в которых лежат солнечные панели (данные точки находятся на теневой части поверхности Земли).

Поясним предложенные в способе действия.

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

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

В предложенном техническом решении для решения поставленной задачи определяют текущее значение расстояния от Земли до Солнца и по определенному текущему расстоянию от Земли до Солнца определяют текущее значение светового потока солнечного излучения на орбите КА.

Разворачивают КА до полной освещенности фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечных панелей Солнцем - т.е. до исключения затенения ФЭП солнечных панелей элементами конструкции КА.

Для обеспечения освещенности солнечных панелей Солнцем (необходимой для штатной работы СЭП КА) выполняют поворот солнечных панелей до положений, определяемых из условия минимизации значения угла между нормалью к лицевой поверхности солнечной панели и направлением на Солнце. Данное положение каждой солнечной панели может быть описано условием

где α_лиц - значение угла между направлением на Солнце и нормалью к лицевой поверхности солнечной панели; γ - заданный острый угол.

Дополнительно выполняют поворот не менее чем n-1 солнечных панелей, где n≥2 (n=2, 3, …) - общее количество солнечных панелей, до положения, когда выполняется условие

где α_гыл - значение угла между направлением на Солнце и нормалью к тыльной поверхности солнечной панели; γ - заданный острый угол.

Измерение суммарного тока солнечных панелей выполняют на интервалах времени, когда точки пересечения линии видимого с космического аппарата горизонта Земли с плоскостями, в которых лежат солнечные панели, находятся на теневой части поверхности Земли и определяемая составляющая измеренного тока от освещения солнечных панелей уходящим от Земли световым потоком не превышает погрешности измерения тока.

Эффективность каждой отдельной солнечной панели оценивают величиной параметра, определяемого как ток солнечной панели при освещении лицевой поверхности панели солнечным излучением эталонной яркости по нормали к поверхности панели

Значение данного параметра определяют по измерениям суммарного тока солнечных панелей, выполненным на упомянутых интервалах времени (т.е. на интервалах, когда выполняются оба следующих условия:

- точки пересечения линии видимого с КА горизонта Земли с плоскостями, в которых лежат солнечные панели, находятся на теневой части поверхности Земли;

- текущее измеренное значение суммарного тока солнечных панелей не превышает задаваемую величину, определяемую из условия, что определяемая (рассчитываемая с учетом ТМИ тока солнечных панелей) составляющая текущего измеренного тока солнечных панелей от освещения солнечных панелей уходящим от Земли световым потоком не превышает погрешности измерения тока - т.е. составляющая тока, генерируемая за счет указанного освещения, ≤d, где d - погрешность измерения тока);

при не менее n, где n - общее количество солнечных панелей, различных комбинаций упомянутых описанных положений солнечных панелей с учетом текущего значения светового потока от Солнца и углов его падения на плоскость поверхности солнечных панелей.

При этом упомянутое множество из n комбинаций описанных положений солнечных панелей составлено таким образом, что в каждой паре солнечных панелей хотя бы в одной из комбинаций панели ориентированы так, что Солнце освещает лицевую сторону одной и тыльную сторону другой солнечной панели. На фиг. 2 представлены возможные n комбинаций описанных положений солнечных панелей, применимые для случая, когда общее количество солнечных панелей СЭП КА равно 2 (т.е. для n=2).

Например, значение данного контрольного параметра может быть определено выражением ЕF(В_ЭТАЛОН)=KP, где Ρ - площадь лицевой поверхности ФЭП солнечных панелей; K - коэффициент генерации тока при освещении лицевой поверхности ФЭП солнечных панелей, определяемый из соответствия измеренных значений тока солнечных панелей I_ТМИ их модельным значениям, определяемым как ток, генерируемый за счет освещения солнечных панелей световым потоком от Солнца:

где В_ТЕК, В_ЭТАЛ0Н - текущее и эталонное значения интенсивности (яркости) солнечного излучения на орбите КА; - освещенная Солнцем площадь соответственно лицевой и тыльной поверхности j-ro элемента ФЭП солнечных панелей; - углы между направлением на Солнце и нормалью к соответственно лицевой и тыльной поверхности j-ro элемента ФЭП солнечных панелей; K_ТоЛ - коэффициент эффективности тыльной поверхности ФЭП относительно лицевой поверхности ФЭП солнечных панелей (определяется по результатам наземных измерений и рассматривается как заданная постоянная величина).

Отметим, что (3) получено исходя из того, что составляющая тока солнечных панелей, генерируемая за счет освещения солнечных панелей световым потоком, уходящим от Земли, принимается равной нулю (что соответствует условию, когда данная составляющая не превышает погрешности измерения генерируемого солнечными панелями тока). В общем случае, в правую часть (3) могут быть добавлены члены, описывающие модельную составляющую тока солнечных панелей, генерируемую за счет освещения солнечных панелей световым потоком, уходящим от Земли, что формально может повысить точность получаемого решения.

Таким образом, коэффициент генерации тока при освещении лицевой поверхности ФЭП солнечных панелей K определяется по соотношениям (3), полученным для всех моментов времени в течении указанных временных интервалов, на которых реализованы n, где n - общее количество солнечных панелей, различных комбинаций упомянутых описанных условиями (1). (2) положений солнечных панелей. Указанное определение может быть выполнено с использованием известных математических методов, описанных, например, в книге Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 509 с.).

Таким образом, использование измерений тока солнечных панелей, выполненных при описанном положении солнечных панелей и на указанном временном интервале, обоснованно обеспечивает минимизацию влияния подсветки от Земли на генерацию тока солнечных панелей с двусторонней светочувствительностью, а именно указанная минимизация достигается за счет того, что вклад подсветки от Земли в генерируемый ток солнечных панелей, определяемый величиной составляющей тока, генерируемой за счет освещения солнечных панелей уходящим от Земли световым потоком, настолько мал, что не превышает погрешность измерения тока солнечных панелей - значит им можно обосновано как пренебречь, так и учитывать по приближенным расчетным моделям без потери точности получаемого решения. В свою очередь, это минимизирует (устраняет) вызываемую данной подсветкой неопределенность в определяемое (рассчитываемое с учетом ТМИ тока солнечных панелей) значение предложенного контрольного параметра.

Описанный поворот солнечных панелей в положение, при котором точки пересечения линии видимого с КА горизонта Земли с плоскостями расположения солнечных панелей находятся на теневой части поверхности Земли, обеспечивает то, что в данном положении у солнечных панелей освещена только лицевая поверхность, а тыльная поверхность солнечных панелей не освещена (т.е. на тыльную поверхность солнечных панелей не поступает никакой световой поток).

Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.

При эксплуатации в открытом космосе солнечные панели СЭП КА подвергаются воздействию факторов открытого космического пространства, что приводит к их постепенной деградации. Контроль эффективности солнечных панелей, в частности, связан с получением текущих значений параметров производительности солнечных панелей и количественных оценок их текущей эффективности.

Предлагаемое техническое решение повышает точность оценки эффективности солнечных панелей по данным о суммарном токе солнечных панелей СЭП КА, полученным при проведении режимов оценки эффективности солнечных панелей СЭП КА, за счет определения производительности каждой отдельной солнечной панели.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает условия для контроля производительности солнечных панелей с двусторонней светочувствительностью по результатам замера тока, генерируемого полным набором ФЭП солнечных панелей при устоявшемся температурном режиме и минимальном влиянии на генерацию тока подсветки солнечных панелей уходящим от Земли световым потоком, определяемой из условия, что величина составляющей тока солнечных панелей, генерируемой за счет освещения солнечных панелей уходящим от Земли световым потоком, не превышает погрешность измерения тока солнечных панелей.

Данный технический результат повышает точность оценки эффективности солнечных панелей СЭП КА в полете, в том числе обеспечивает поучение точных оценок эффективности (производительности) отдельных солнечных панелей, входящих в состав СЭП КА, в которых предусмотрено получение ТМИ суммарного тока всех солнечных панелей и не предусмотрено получение ТМИ тока отдельных панелей СЭП КА.

При этом предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить максимально одинаковые условия замеров тока солнечных панелей, по которым осуществляется оценка эффективности солнечных панелей СЭП КА, при этом реализуется использование измерений тока, генерируемого полным набором ФЭП солнечных панелей, что обеспечивает максимальную достоверность получаемых данных по производительности солнечных панелей.

Максимально одинаковые условия замеров тока солнечных панелей, используемых для оценки эффективности панелей СЭП КА, позволяют повысить точность последующего их использования, в том числе обеспечивают обоснованность сравнения характеристик эффективности (производительности) солнечных панелей, получаемых по результатам целевой обработки и анализа данных измеренного тока, и обоснованность суждений об изменениях и текущей эффективности (производительности) солнечных панелей СЭП КА.

Знание текущих значений параметров эффективности (производительности) каждой отдельной солнечной панели СЭП КА необходимо как для более точного моделирования функционирования СЭП КА в полете (в частности для точного прогнозирования генерации тока солнечных панелей при решении различных задач управления полета КА, в том числе для оптимального управления угловым положением солнечных панелей СЭП КА), так и для точного анализа эффектов фактической деградации солнечных панелей КА (что важно как с точки зрения прогнозирования состояния и производительности данных конкретных солнечных панелей на последующие этапы полета данного КА, так и с точки зрения получения технических и технологических данных для совершенствования технологии разработки СЭП КА).

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 электроснабжению космического аппарата (КА). Способ включает измерения текущего солнечного потока, углов его падения на поверхности солнечных панелей (СП) и тока, генерируемого СП. При этом разворачивают лицевую поверхность (ЛП) СП близко к направлению на Солнце, а КА - в положение полной освещенности ЛП Солнцем. Не менее n-1 СП из их общего числа n разворачивают так, чтобы угол между направлением на Солнце и нормалью к тыльной поверхности СП был менее заданного острого угла. Суммарный ток СП измеряют на интервалах времени, когда точки пересечения линии видимого с КА горизонта Земли с плоскостями, в которых лежат СП, находятся на теневой части поверхности Земли, а составляющая тока от освещения СП исходящим от Земли световым потоком не превышает погрешности измерения тока. Эффективность отдельной СП оценивают величиной ее тока, полученной по измерениям суммарного тока СП на упомянутых интервалах времени в не менее, чем n различных комбинациях указанных положений СП. Причем хотя бы в одной из комбинаций к Солнцу обращена ЛП одной СП и тыльная сторона другой СП. Технический результат состоит в определении характеристик отдельных СП. 2 ил.

Способ оценки эффективности солнечных панелей системы электропитания космического аппарата, включающий поворот солнечных панелей до положений, определяемых из условия минимизации значения угла между нормалью к лицевой поверхности солнечной панели и направлением на Солнце, измерение генерируемого солнечными панелями тока и определение текущего значения светового потока от Солнца на орбите космического аппарата и углов его падения на плоскость поверхности солнечных панелей, отличающийся тем, что дополнительно разворачивают космический аппарат до полной освещенности лицевой поверхности фотоэлектрических преобразователей солнечных панелей Солнцем и выполняют поворот не менее, чем n-1 солнечных панелей, где n>2 - общее количество солнечных панелей, до положений, в которых угол между направлением на Солнце и нормалью к тыльной поверхности солнечной панели менее заданного острого угла, при этом измерение суммарного тока солнечных панелей выполняют на интервалах времени, когда точки пересечения линии видимого с космического аппарата горизонта Земли с плоскостями, в которых лежат солнечные панели, находятся на теневой части поверхности Земли, и определяемая составляющая измеренного тока от освещения солнечных панелей уходящим от Земли световым потоком не превышает погрешности измерения тока, а эффективность отдельной солнечной панели оценивают величиной тока солнечной панели при освещении ее лицевой поверхности солнечным излучением эталонной яркости по нормали к поверхности панели, при этом указанную величину тока определяют по измерениям суммарного тока солнечных панелей, выполненным на упомянутых интервалах времени в не менее, чем n различных комбинациях указанных положений солнечных панелей с учетом текущего значения светового потока от Солнца и углов его падения на плоскость поверхности солнечных панелей, причем в каждой паре солнечных панелей хотя бы в одной из комбинаций к Солнцу обращена лицевая сторона одной и тыльная сторона другой солнечной панели.