Экспериментальный модуль солнечной батареи с концентратором: идея, конструкция, методика летных испытаний

Введение. Очевидно, что в ближайшее десятилетие для решения прикладных задач в околоземном космосе основным источником энергии по-прежнему будут солнечные батареи. Это оправдывает усилия, направленные на поиск путей дополнительного повышения их характеристик.

Для его преодоления необходимо создание упреждающего задела. Одним из наиболее перспективных способов повышения характеристик солнечных батарей является разработка новых конструкций с концентраторами солнечного света.

Применение концентраторов обеспечивает улучшение базовых показателей солнечной батареи:

• –    повышение удельной мощности (Вт/м², Вт/кг);

• –    снижение удельной стоимости S (руб./Вт).

Конечной целью этих усилий является достижение конкурентных преимуществ солнечных батарей (БС) для КА, разрабатываемых в ОАО «ИСС».

Для оценки практически реализуемых характеристик необходима разработка макетных образцов, проведение испытаний. Для оценки стойкости характеристик концентраторов солнечного света к факторам космического пространства (ФКП) необходимо проведение летного эксперимента [1].

В качестве первого шага по исследованию БС с концентраторами в ОАО «ИСС» было принято решение о проведении натурного эксперимента ЭМБС на КА «Юбилей-ный-2», запуск которого запланирован на начало 2011 г.

КА «Юбилейный-2» – микроИСЗ с одноосной системой ориентации на Землю и с неориентированной солнечной батареей. Внешний вид КА показан на рис. 1. Очевидно, что в условиях подобного КА проведение качественного летного эксперимента со статусом летной квалификации инновационных конструкций БС с концентраторами солнечного света не представляется возмож- ным. Основным преимуществом использования КА «Юбилейный-2» для проведения летного эксперимента является высокая оперативностьи дешевизна.

Рис. 1. Внешний вид КА «Юбилейный-2»

На выходные характеристики панели БС с концентраторами в общем случае влияют:

• –    воздействие факторов космического пространства, приводящие к ухудшению оптических характеристик отражателей и снижению мощности самих ФП;

• –    конструктивные отклонения размеров и углов от теоретических;

• –    отклонение лучей Солнца от нормали к поверхнос-тиФЭП.

Учитывая ограниченные возможности, предоставляемые КА для проведения летного эксперимента (неориентированные БС, ограничения по объему ТМ-измере-нийит. п.), перед летным экспериментом ставятся следующие задачи:

• –    определение принципиальной возможности проведения летных экспериментов с солнечными батареями на КА типа «Юбилейный»;

  – качественная оценка работоспособности отражателей и стабильность их оптических характеристик в условиях космоса при воздействии внешних факторов: радиации, ультрафиолета, микрометеоритов, загрязнения собственной атмосферой КА и т. п.

Внешний вид ЭМБС. Состав. Вид 3D-модели ЭМБС приведен на рис. 2.

Рис. 2. Вид 3D-модели ЭМБС

Внешний вид изготовленного модуля приведен на рис. 3.

Рис. 3. Внешний вид ЭМБС

ЭМБС состоит из следующих частей:

• 1)    испытуемая часть, включающая в себя:

• –    каркас;

• –    плоские отражатели;

• –    8 ФЭП из трехкаскадного арсенида галлия размером 10 х 10, соединенных последовательно;

• 2)    контрольная часть, состоящая из аналогичной цепочки ФЭП, но без отражателей;

• 3)    блок-резисторов;

• 4)    два датчика температуры;

• 5)    соединители:

• – силовой соединитель;

  – соединительдля передачи данных с датчиков температуры.

Особенности конструкции. Выбор профиля концентратора ограничивался габаритами углепластикового каркаса, который имеет размеры профиля 30(высота) х 50 (ширина).

При проведении расчетов были определены наиболее оптимальные профили концентраторов, позволяющие получитьмаксимальные коэффициенты концентрации при данных габаритах.

Оптимальным представляется вариант с плоским составным концентратором с углами наклона плоскостей 60 ° и 65 ° (рис. 4).

Рис. 4. Вариант с плоским составным концентратором

Для уменьшения зависимости выходных характеристик модуля от точности ориентации и ввиду отсутствия необходимости в получении максимальных удельных характеристик (в рамках эксперимента) была установлена линия из ФЭП с габаритами меньшими, чем зона, на которую происходит концентрация света. При таком исполнении весьотражающий свет при точности ориентации не хуже 5° гарантированно попадает на ФЭП.

Общий вид модуля представлен на рис. 5.

Электрический интерфейс. При проведении эксперимента необходимо получитьданные о значениях следующих параметров:

– напряжение испытуемого образца U _и;

– напряжение контрольного образца U _к;

– температура испытуемого образца;

– температура контрольного образца.

Примерный вид ВАХ ЭМБС приведен на рис. 6.

Функциональная электрическая схема ЭМБС представлена на рис. 7.

Методика летного эксперимента. Из-за неориентиру-емой БС проведение эксперимента значительно усложняется.

Рис. 6. Вид ВАХ ЭМБС

ОАО «ИСС» была проведена проработка возможности проведения эксперимента в отсутствии ориентируемой солнечной батареи. Далее приводятся результаты проработки.

При отклонении нормали к поверхности ФЭП от нормали на Солнце даже на малые углы происходит значительное уменьшение коэффициента концентрации. Поэтому точностьориентации панели с концентратором на Солнце при проведении эксперимента должна быть не менее 5°.

Учитывая требования по точности ориентации к условиям проведения эксперимента, а также конструктивные особенности КА «Юбилейный-2», наиболее приемлемым вариантом проведения экспериментов является установка модулей с концентраторами (ЭМБС) на торцевую частьКА по оси «+ X » (см. рис. 1).

При этом съем ТМИ имеет смысл производитьтоль-ко в 10 витков до витка с максимальной тенью Земли и 10 витков после витка с максимальной тенью Земли.

Вэти20витковКА «Юбилейный-2» находится в диапазоне ±3,4 мин (±10°) от точки, ближней к Солнцу (рис. 8).

Данный диапазон витков является максимальным, внутри которого теоретически возможно получение точности ориентации лучше 5°.

Причем в двух крайних витках диапазона точность ориентации лучше 5° возможна в случае выполнения следующих условий:

– при отклонении аппарата в момент времени –3,4 мин на угол +5° (исходя из допуска на точностьориентации);

– при отклонении аппарата в момент времени +3,4 мин на угол –5°.

Эти случаи являются максимально благоприятными, так как происходит компенсация отклонения орбитального угла углом максимального отклонения от ориентации на Землю.

Очевидно на практике точностьориентации лучше 5° не будет достигаться внутри всего диапазона ±10°. Поэтому при обработке данных предполагается отбра-сыватьзначительную частьиз них, установив порог по значениям.

Выводы. Проведение летного эксперимента с ЭМБС запланировано в течении срока активного существования КА. По результатам, полученным в ходе летных испытаний, будет сделан вывод о работоспособности отражателей и стабильности их оптических характеристик в условиях космоса.

Данные, полученные в ходе испытаний, будут использованы для планирования экспериментов с более представительными образцами БС наКАс ориентированными солнечными батареями.

Библиографическая ссылка

1. Кудряшов В. С., Базилевский А. Б. Конспект лекций программы учебного семинара по теме «Разработка СЭП с повышенной мощностью иКПДдляКА» /ОАО ИСС. Красноярск, 2004.

Рис. 8. КА «Юбилейный-2»

Рис. 7. Электрическая схема ЭМБС

P. I. Melnikov, V. S. Kudryashov, V. I. Kuzoro, E.A. Shangina

SOLAR BATTERIES EXPERIMENTAL UNIT WITH CONCENTRATOR: IDEA, CONSTRUCTION, METHODOLOGY OF FLIGHT TESTS

In the article we describe experimental unit of solar battery with plane concentrator of sun light, and give description of methodology of flight tests on spacecraft «Jubilee-2».

С. В. Поленга, Ю. П. Саломатов

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ДЛЯ СЕТЕЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ*

Рассматриваются принципы создания отражательных антенных решеток на основе микрополосковых элементов. Приводятся результаты экспериментального исследования созданного прототипа ОАР.

В спутниковых системах связи необходимо использо-ватьантенные системы с высоким коэффициентом усиления. Традиционно в таких случаях используются зеркальные антенны (ЗА) или антенные решетки. Применение ЗАвряде случаев затруднено или невозможно из-за громоздкой формы рефлектора, также ЗА является сложной в производстве, особенно в области высоких частот и специальных форм диаграмм направленности (ДН). В результате развился новый тип антенн, который лишен некоторых недостатков параболических зеркальных антенных систем – отражательных антенных решеток (ОАР)

Подобно параболическому рефлектору, ОАР могут достигатьоченьвысокой эффективности (> 50 %) для больших апертур [1], так как нет необходимости использовать делители мощности, подводящие цепи и другие элементы с возможными потерями. С другой стороны, возможна реализация ОАР с отклонением главного лепестка на большой угол от перпендикулярного направления, а также с диаграммой направленности (ДН) специальной формы.

Направление на спутник может бытьзадано на стадии проектирования антенны, таким образом ОАР могут крепиться непосредственно на выбранную стену здания. В таком случае снижаются затраты на поддерживающие конструкции, уменьшаются ветровые нагрузки на плос-костьантенны, уменьшается влияние осадков, возможно использование обтекателя, имитирующего стену здания или рекламный плакат, таким образом ОАР не портит эстетический вид города.

Возможно сегментирование плоскости ОАР на отдельные подрешетки. Данная особенностьпозволяет значи- тельно облегчить транспортировку антенн с большими размерами. Транспортировка ЗА с размерами более 2 м затруднительна в регионы с ограниченной транспортной сетью, где потребность в антенных системах с высоким коэффициентом усиления особенно высока. Также возможно создание разворачиваемых конструкций для мобильного применения.

Благодаря малой толщине рабочего слоя ОАР, она может бытьустановлена на имеющуюся поверхностьбез значительного увеличения габаритов и веса общей системы.

ОАР с сотнями или тысячами микрополосковых элементов могут производиться по имеющейся дешевой и точной технологии химического травления, что экономически целесообразно для ОАР с большими апертурами.

Другой важной особенностью данного типа антенн является возможность формирования ДН специальной формы, а также контурных диаграмм, используя известные техники фазового синтеза. Подобно параболическому рефлектору могут бытьпостроены антенные системы с несколькими лучами, соответственно с несколькими облучателями, расположенными в фокальной области.

Для реализации электронного сканирования луча в элементы ОАР могут быть включены электронные фазовращатели. С такими возможностями ОАР нет необходимости в использовании сложных диаграммообразующих схем с высокими потерями и дорогостоящих усилителей в традиционных фазированных антенных решетках.

В настоящее время все большее распространение получают системы спутниковой связи и телевидения. Со-