Расчет площади солнечных батарей космического аппарата

Прочностной расчет панелей солнечных батарей космических аппаратов

Авиационная и ракетно-космическая техника

Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов

Авторы

Хмельницкий Я. А. * , Салина М. С. ** , Катаев Ю. П.

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева, КНИТУ — КАИ, ул. Карла Маркса, 10, Казань, 420111, Россия

*e-mail: ya_khmelnitsky@mail.ru
**e-mail: 2707fm@mail.ru

Аннотация

Рассматривается напряженно-деформированное состояние панелей солнечных батарей при воздействии транспортных и эксплуатационных нагрузок, определяются формы и частоты собственных колебаний. Для анализа используется метод конечных элементов в среде MSC/Nastran. Для моделирования обшивок и сотового заполнителя выбран оболочечный элемент CQAD4 (Plate element).

Ключевые слова

Библиографический список

Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников. 2004. Т. 38. № 8. С. 937-948.

Фаренбрух А., Бьюб Р. Солнечные элементы: Теория и эксперимент / Пер. с англ. под ред. М.М. Колтуна. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 280 с.

Окорокова Н.С., Пушкин К.В., Севрук С.Д., Фармаковская А.А. Система электроснабжения космического аппарата c длительным сроком активного существования // Вестник Московского авиационного института. 2014. Т. 21. № 4. С. 115-122.

Хмельницкий Я.А., Ширина О.В. Ультралегкие каркасы солнечных батарей из углепластика для космических аппаратов // Новые материалы: Сборник трудов 2-го Междисциплинарного молодежного научного форума с международным участием (01–04 июня 2016, Сочи). – М.: Интерконтакт Наука, 2016. С. 28-30.

Бакулин В.Н., Борзых С.В., Ильясова И.Р. Математическое моделирование процесса раскрытия многозвенных солнечных батарей // Вестник Московского авиационного института. 2011. Т. 18. № 3. С. 295-302.

Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 360 с.

Братухин А.Г., Иванов Ю.Л., Марьин Б.Н. и др. Современные технологии авиастроения. – М.: Машиностроение, 1999. – 832 с.

Мэттьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы. Механика и технология. – М.: Техносфера, 2004. – 408 с.

Болотин B.B., Новичков Ю.Н. Механика многослойных конструкций. – М.: Машиностроение, 1980. – 375 с.

Kling D, Elsayed E.A. and Basily B.B. Manufacturing process for folded sheet material // Proceedings of the NSF Design and Manufacturing Research Conference, San Juan, 6-10 January 2002, pp. 1552-1562.

Roeseler W.G., Sarh B., Kismarton M.U. Composite structures: the first 100 years // 16th International Conference on Composite Materials, 2007, 10 p.

Гращенков Д.В., Чурсова Л.В. Стратегии развития композиционных и функциональных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 5. C. 231-242.

Туранов Р.А. Композиционные материалы с использование бора в авиастроении // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 8-2. С. 230-231.

Фитцер Э., Дифендорф Р., Калнин И. и др, Углеродные волокна и углекомпозиты: Пер. с англ. – М.: Мир, 1988. – 336 с.

Братухин А.Г. , Боголюбов В.С., Сироткин О.С. Технология производства изделий и интегральных конструкций из композиционных материалов в машиностроении. – М.: Готика, 2003. – 516 с.

Белов О.А., Бердникова Н.А., Бабкин А.В., Козлов М.В., Белов Д.А. Композитная формообразующая оснастка // Вестник Московского авиационного института. 2017. Т. 24. № 2. С. 115-122.

Катаев Ю.П. Соотношение между деформациями, скоростями деформаций и напряжениями при деформировании твердых и жидких сред // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. 2015. № 3. С. 49-55.

Саченков A.B. Теоретико-экспериментальный метод исследования устойчивости пластин и оболочек // Исследования по теории пластин и оболочек: сборник статей. Казань: Изд-во Казанского университета, 1970. Вып. 6-7. С. 391-433.

Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ. – М.: Мир, 1975. – 543 с.

Вахитов М.Б. Интегрирующие матрицы аппарат численного решения дифференциальных уравнений строительной механики // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 1966. № 3. С. 50-61.

Источник

Расчет параметров солнечных батарей

Для расчетов основных параметров СБ влияющих на конструкцию КА, его технических характеристик воспользуемся следующими формулами [«Конструирование автоматических космических аппаратов»авторы: Д.И. Козлов, Г.Н. Аншаков, В.Ф. Агарков, Ю.Г. Антонов §7.5]:

Расчет параметров СБ сводится к определению ее площади и массы.

Расчет мощности СБ производится по формуле:

(6)

где — мощность СБ; Р_н — среднесуточная мощность нагрузки (без учета собственных нужд СЭП); — время ориентации СБ на Солнце за виток; t_T— время, в течение которого СБ не освещена; — КПД регулятора избытка мощности СБ, равный 0,85; — КПД регулятора разряда БН, равный 0,85; _р.₃ — КПД регулятора заряда БН, равный 0,9; — КПД аккумуляторных батарей БН, равный 0,8.

Площадь солнечной батареи рассчитывается по формуле:

(7)

где – удельная мощность СБ, принимаемая:

120 Вт/м 2 при = 60 °С и 85 Вт/м 2 при = 110 °С для материала ФЭП КСП;

140 Вт/м 2 при = 60 °С и 100 Вт/м 2 при = 110 °С для материала ФЭП;

170 Вт/м 2 при = 60 °С и 160 Вт/м 2 при = 110 °С для материала ФЭП Ga – As; — коэффициент запаса, учитывающий деградацию ФЭП из-за радиации, равный 1,2 для времени работы два-три года и 1,4 для времени работы пять лет;

– коэффициент заполнения, вычисляемый по формуле 1,12; – КПД СБ = 0,97.

Масса СБ определяется исходя из удельных параметров. В имею­щихся в настоящее время конструкциях СБ удельная масса составля­ет = 2,77 кг/м 2 для кремниевых и = 4,5 кг/м 2 для арсенидгаллиевых ФЭП.

Масса СБ рассчитывается по формуле:

(8)

Для начала расчёта СЭП необходимо выбрать солнечные батареи. При рассмотрении различных СБ выбор пал на следующие: солнечные батареи организации ОАО «Сатурн» на основе GaAs фотопреобразователей со следующими характеристиками, информация взята с сайта [http://www.saturn.kuban.ru/solar_battery.html]:

Параметр СБ	СБ на основе GaAs ФП
Срок активного существования, лет
КПД при температуре 28 °C, %
Удельная мощность, Вт/м 2
Максимальная мощность, Вт/м 2
Удельная масса, кг/м 2	1.6
Толщина ФЭП, мкм	150 ± 20

Также для расчета понадобиться знать период обращения ИСЗ на низкой околоземной орбите, информация взята с сайта [https://ru.wikipedia.org/wiki/Низкая_околоземная_орбита]:

в диапазоне от 160 км период обращения около 88 минут;

до 2000 км период около 127 минут.

Для расчета возьмем усредненное значение – около 100 мин. При этом время освещенности солнечных панелей КА на орбите больше (около 60 мин), чем время нахождения их в тени около 40 мин.

Мощность нагрузки равна сумме требуемой мощности двигательной установки, целевой аппаратуры, мощности заряда и равна 220 Вт (значение взято с избытком 25 Вт).

Подставляя все известные значения в формулу [6], получаем:

,

после проведения расчетов, получим

.

Для определения площади панели СБ примем материал ФЭП Ga–Asпри рабочей температуре = 60 °С, работе спутника 2-3 года и воспульзуемся формулой [7]:

,

подставляя исходные данные, получим:

,

после проведения расчетов, получим

,

но с учетом не частого заряда аккумуляторной батареи, использования современных технологий в разработке других систем, а также с учетом того, что мощность нагрузки была взята с запасом около 25 Вт, возможно сократить площадь СБ до 3,6 м 2 .

Определим массу СБ для арсенидгаллиевых ФЭПприменяя формулу[8]:

,

подставляя исходные данные, получим:

,

после проведения расчетов, получим

.

Итого, можно сделать вывод о том, что на технические характеристики и возможности КА в значительной мере влияет система электропитания. Для увеличения эффективности СЭП нужно стремиться к уменьшению массы энергопотребляемой аппаратуры за счёт применения более эффективных солнечных и аккумуляторных батарей. Необходимо искать солнечные и аккумуляторные батареи с более высоким КПД и меньшими массовыми характеристиками. Также как видно вес АБ и СБ, сильно влияет на вес КА в общем, чем остальные системы, масса полной СЭП в нашем случае примерно 6-7 кг.

Из анализа параметров различных типов аккумуляторных и солнечных батарей можно сделать вывод, о стремлении уменьшения общей массы системы электропитания космического аппарата за счет уменьшения массы СБ и АБ, увеличения КПД и срока службы при нахождении новых конструктивных и технических решений в плане усовершенствования элементов системы электропитания и поиск максимально эффективных и надежных материалов.

В ходе выполнения расчетной части были получены следующие параметры: время разряда и заряда, емкости разряда, напряжение заряда, саморазряд, а также удельная энергия химического источника аккумуляторных батарей,мощность, площадь панелей и масса солнечных батарей.

Также были рассмотрены различные типы аккумуляторных батарей в зависимости от химических источников тока, а также солнечных батарей в зависимости от используемых материалов в качестве фотоэлектрического преобразователя, были приведены их модификации, особенности устройства и принципы работы. Установлены основные параметры солнечных и аккумуляторных батарей, по параметрам были определенны технические возможности типов солнечных и аккумуляторных батарей, непосредственно влияющие на технические характеристики космических аппаратов.

На сегодняшний день широкое распространение получили солнечные батареи использующие в качестве материала для фотоэлектрических преобразователей арсенидгаллия из-за высокой удельной мощности выхода, также наиболее перспективным считается никель-водородные аккумуляторные батареи, которые превосходят по многим показателям кадмиево-никелевые и серебрено-цинковые аккумуляторы.

Список использованных источников

1 Молдабеков М.М., Ахмедов Д.Ш., Алипбаев К.А., Елубаев С.А., Сухенко А.С. Об участии Казахстана в международном университетском проекте создания группировки наноспутников.// Материалы международной конференции «Космос на благо человечества – взгляд в будущее», г. Астана, 6-7 января 2011 г. – с. 17-19.

2 Быховский М. А. Развитие телекоммуникаций на пути к информационному обществу. Развитие спутниковых телекоммуникационных систем.

3 Талызин Н.В. «Спутники связи — Земля и Вселенная», 1977

4Конструктирование автоматических космических аппаратов // Д.И. Козлов, Г.П. Аншаков, В.Ф. Агарков и др.: Под ред. Д.И. Козлова – М.: Машиностроение. 1996-448 с., ил.

5 Основы проектирования летательных аппаратов (транспортные системы). Учебник для технических вузов // В.П. Мишин, В.К. Безвербатый, Б.М. Панкратов и др.: Под ред. В.П. Мишина. – М.: Машиностроение. 1985-360 с., ил.

6 Туманов А.В., Зеренцов В.В., Щеглов Г.А. Основы компоновки бортового оборудования космических аппаратов: учеб.пособие – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010-344 с.

7 Инженерный справочник по космической технике // А.А. Алатырцев, А.И. Алексеев, Ю.Н. Богданов и др.: Под ред. А.В. Солодов – М.: Военное издательство министерства обороны СССР, 1969-350 с.

8Никольский В.В. Основы проектирования автоматических космических аппаратов. Учебник. С-Пб.: БГТУ «Военмех», 2007. 230 с.

11Интернет-ресурс Берлинского технического университета:http://www.raumfahrttechnik.tu-berlin.de

11 Интернет-ресурс ОАО «Сатурн»: http://www.saturn.kuban.ru/

12 Интернет-ресурс Википедия. Информация о спутнике «Юбилейный»: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AE%D0%B1%D0%B8%D0%BB%D0%B5%D0%B9%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%28%D0%9A%D0%90%29

Спецификации (перечень сокращений, условных обозначений и т.д.)

Источник