Использование блоков суперконденсаторов в системе электроснабжения возвращаемого аппарата пилотируемого транспортного корабля

хаванов е.С.

беСчаСтный р.а.

фатеев д.а.

Для электропитания бортовых систем возвращаемого аппарата (ВА) пилотируемого транспортного корабля (ПТК) используется система электроснабжения (СЭС), штатное функционирование которой является фактором, определяющим безаварийное завершение полета с гарантированным выполнением целевых задач ВА ПТК (далее по тексту ВА) [1–5]. Основная задача, стоящая при создании СЭС ВА ПТК (далее по тексту СЭС) — обеспечение максимальной гарантии успешного выполнения миссии с доставкой экипажа на Землю с учетом ряда ограничений, к примеру, в отношении габаритных размеров, массы, сложностей компоновки и т. п.

Указанные ограничения приводят к необходимости поиска новых технических решений [1–5].

основные элементы и особенностиСэС ва Птк. Постановка задачи

Основными элементами СЭС являются:

• •    накопители электрической энергии (НЭЭ);

• •    соединительные кабели к электрическим нагрузкам ВА [1].

Электрические нагрузки ВА можно разделить на два типа:

• •    стационарные (питание бортовых приборов и оборудования ВА);

• •    импульсные (питание пиронитей пиросредств ВА) [4, 5].

При спуске ВА с орбиты Земли имеется важная особенность: при посадке на фоне стационарной потребляемой мощности ~3 кВт накладывается импульсная мощность до 3 кВт.

В импульсном режиме средства НЭЭ СЭС, помимо питания стационарной нагрузки, обеспечивают срабатывание двигателей мягкой посадки (ДМП) ВА, в частности, для поджига пиронитей пиросредств активации двигателей гашения горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ВА.

При этом величина энергии электрического импульса составляет единицы Вт·ч, что более чем на два порядка меньше той, что требуется для питания стационарной нагрузки. При этом суммарная мощность, снимаемая с НЭЭ, с учетом импульсной нагрузки может развиваться до 5–6 кВт и приводить к кратковременному снижению напряжения в СЭС, допустимое минимальное значение которого для электропитания стационарной нагрузки ВА составляет 23 В. Поэтому требуемая мощность должна обеспечиваться при напряжении не менее этого значения, что повышает требования к НЭЭ в части токов разряда.

При столь разнотипных нагрузках с использованием в основе СЭС первичных или вторичных НЭЭ не только снижается энергетическая эффективность СЭС, но и возникает необходимость в переразмеривании ее параметров в части:

• •    напряжения и токов разряда НЭЭ ВА, что ведет к увеличению энергоемкости НЭЭ выше требуемой и, как следствие, заметно повышает его массу и габаритные размеры;

• •    увеличения сечений силовых кабелей в СЭС и, соответственно, массы СЭС в целом.

Кроме того, повышение напряжения НЭЭ нецелесообразно по причине того, что максимальное напряжение аппаратуры регулирования и контроля двигательного отсека, от которой заряжается НЭЭ, составляет ~33 В, что близко к значению, максимально допустимому на пилотируемых космических аппаратах.

Повышение характеристик НЭЭ по току сопряжено с увеличением количества пар анод/катод в каждом элементе НЭЭ или с включением дополнительных параллельных цепей элементов. Этот метод по оценочным расчетам не отвечает требованиям минимизации массы и габаритов НЭЭ и СЭС в целом [4].

особенности решения,используемого для СэС ва Птк

В настоящее время в качестве НЭЭ ВА, с учетом максимальной удельной энергоемкости, выбраны одноразовые батареи (ОБ) [4] для обеспечения электропитания стационарных нагрузок ВА. Для обеспечения электропитания импульсной нагрузки, представляющей собой пиросредства в ДМП ВА, выбраны одноразовые источники тока (ИТ), гальванически развязанные от СЭС.

СЭС на основе ОБ с применением автономных ИТ имеет ряд важных особенностей:

• •    одноразовость ОБ и ИТ;

• •    отсутствие гальванической связи ОБ и ИТ;

• •    пассивация анодов ОБ и ИТ (нарастание оксидной пленки и необходимость проведения периодической депассивации (процесс удаления диэлектрической пленки с анода химического элемента посредством подключения большой нагрузки в импульсе);

• •    малый коэффициент полезного действия ОБ и ИТ (не более 0,8) и, как следствие, высокое тепловыделение;

• •    высокая токсичность составляющих ОБ и ИТ;

• •    необходимость введения диодной защиты для предотвращения заряда от шин СЭС (в части ОБ);

• •    СЭС гальванически развязана от импульсной нагрузки ВА.

Увеличение массы ВА с применением двух ИТ без учета массы кабелей составит не менее 12 кг.

На рис. 1 изображена схема размещения СЭС на основе ОБ и ИТ.

Рис. 1. Схема размещения СЭС на основе одноразовых батарей и одноразовых источников тока: 1 — команды управления из центральной вычислительной машины ВА (находится в блоке нагрузок ВА); 2 — пиросредства двигателей мягкой посадки (вертикальное гашение скорости); 3 — пиросредства двигателей мягкой посадки (горизонтальное гашение скорости); ВА — возвращаемый аппарат; КО — командный отсек; АО — агрегатный отсек; ДО — двигательный отсек; ЛБ1, 2, 3, 4 — литий-ионные батареи ДО; АРК — аппаратура регулирования и контроля ЛБ1, 2, 3, 4; ОБ1, 2 — одноразовые батареи ВА; ИТ1, 2 — одноразовые источники тока для активации пиросредств ДМП; БКПВ — блок коммутации питания ВА; БКПД — блок коммутации питания ДО; БУБК — блок управления бортовым комплексом; НВА — нагрузки ВА; НДО — нагрузки ДО

С учетом вышеупомянутых проблем, ставилась задача повышения эффективности СЭС для ВА с желательным снижением массы. Для решения данной задачи авторами была проработана идея построения СЭС с применением гибридного накопителя электрической энергии (ГНЭЭ) на основе современных литий-ионных аккумуляторов и суперконденсаторов с исключением ОБ и ИТ. Эта работа подробно освещена в соответствующей статье авторов [5].

особенности варианта построенияСэС на основе гнээ

Согласно работе [6], наилучшими НЭЭ для обеспечения их большой импульсной мощности являются суперконденсаторы.

Гибридный НЭЭ представляет собой управляемую связку блока суперконденсаторов (БСК) и блока литий-ионных аккумуляторных батарей (БЛИАБ). Все составляющие элементы ГНЭЭ многоразовые, что является его положительной особенностью. Коммутация шин БСК на внутренние силовые шины БЛИАБ выполняется по принципу «подхват» при превышении максимального тока разряда БЛИАБ. Предусмотрен также командный вариант активации режима «подхват» [5]. Применение ГНЭЭ в СЭС имеет следующие особенности:

• •    переразмеривание параметров БСК в составе ГНЭЭ в части емкости и максимальных токов разряда по причине необходимости, согласно схеме ГНЭЭ, обеспечения всего спектра нагрузок ВА на время импульса средствами БСК;

• •    большое количество управляющих элементов в ГНЭЭ, что повышает требования к надежности каждого из них для обеспечения вероятности безотказной работы ГНЭЭ не менее 0,999.

На рис. 2 представлена схема размещения СЭС на основе ГНЭЭ.

Рис. 2. Схема размещения СЭС на основе ГНЭЭ:

ГНЭЭ1, 2 — гибридные накопители электрической энергии

Примечание. См. обозначения к рис. 1.

бСк–кабель-вставка в СэС

Учитывая особенности ГНЭЭ, авторы провели проработку реализации идеи децентрализованного расположения отдельных БСК. С учетом сложностей компоновки ВА эта идея потребовала нестандартного технического решения, такого как децентрализованное размещение БСК на кабелях СЭС в составе БСК–кабель-вставок.

Поскольку максимальная импульсная мощность затрачивается при активации двух блоков пиросредств ДМП, был предложен вариант построения СЭС, предусматривающий две БСК–кабель-вставки.

На рис. 3 для наглядности представлен вид компоновки СЭС на основе децентрализованных БСК–кабель-вставок.

Рис. 3. Схема размещения СЭС на основе децентрализованных БСК–кабель-вставок: ЛИАБ1,2 — литий-ионные аккумуляторные батареи; В — БСК-кабель-вставки Примечание. См. обозначения к рис. 1.

На рис. 4 представлен вариант внешнего вида БСК–кабель-вставки. Принципиальная схема БСК–кабель-вставки представлена на рис. 5.

Рис. 4. Внешний вид БСК–кабель-вставки: 1 — кабель входной; 2 — разъем для заряда БСК; 3 — кабель на телеметрию; 4 — кабель выходной