Энергобаланс научно-энергетического модуля при его автономном полете и интеграции в Российский сегмент Международной космической станции

В настоящее время РКК «Энергия» работает над созданием научно-энергетического модуля (НЭМ), который планируется ввести в состав Российского сегмента Международной космической станции (РС МКС) [1].

Выбор проектных параметров системы электроснабжения (СЭС) космического аппарата (КА) осуществляется на основании возможности реализации задач, ставящихся перед ней. Системы электроснабжения кораблей и модулей РС МКС в его текущей конфигурации, в т. ч. солнечные батареи (СБ), спроектированы, исходя из задачи обеспечения энергопитания собственных бортовых систем. Задача обеспечения электроэнергией других объектов станции не ставилась. При этом, для оценки характеристик спроектированной СЭС достаточно было проведения традиционного расчета энергобаланса, который сводился к определению энергопотребления бортовых систем кораблей и модулей и энергоприхода (от СБ в автономном полете или по цепям объединенного питания при полете в составе МКС) для различных режимов функционирования.

Иначе обстоит дело с НЭМ, основной задачей которого является обеспечение электроэнергией РС МКС в целом. Основные проектные характеристики модуля, и особенно его СЭС, выбраны, исходя из потребностей РС МКС в электроэнергии. Так, ключевыми требованиями к модулю [1, 2] являются генерация электроэнергии среднегодовой мощностью не менее 18 кВт в начале эксплуатации и передача электроэнергии номинальным напряжением 120±2 В общей мощностью не более 12 кВт при полете в составе РС МКС из СЭС НЭМ в системы электропитания служебного модуля (СМ) и МЛМ по внешним фидерам, соединяемым при внекорабельной деятельности. В условиях затенения СБ элементами конструкции МКС для выполнения указанных требований максимальная выходная мощность СБ должна составлять ~50 кВт. Для достижения этой величины разработаны [3] СБ с КПД фотоэлектрических преобразователей 28,5% и площадью 203,5 м2. Требуемые характеристики СЭС НЭМ на теневом участке орбиты обеспечивают 12 никель-водородных аккумуляторных батарей (НВАБ) суммарной емкостью ~40 кВт∙ч. Таким образом, обеспечивается решение целевой задачи — обеспечение РС МКС электроэнергией.

Но для решения целевой задачи НЭМ должен выполнить основную служебную функцию — интегрироваться в РС МКС, для чего необходимо обеспечить энергобаланс при автономном полете НЭМ. При этом целесообразно использовать имеющиеся для выполнения целевой функции средства СЭС без размещения дополнительных «одноразовых» элементов.

Солнечные батареи НЭМ обеспечат энергонезависимость РС МКС. Но из-за значительной площади СБ, наряду с необходимостью их укладки под обтекателем ракеты космического назначения (РКН) при выведении модуля, в развернутом виде они не рассчитаны на нагрузки, которые возникают при автономном полете и стыковке НЭМ к РС МКС. Поэтому развертывание СБ НЭМ возможно только в составе РС МКС, что делает автономный полет НЭМ уникальным в сравнении с транспортными кораблями и модулями РС МКС, на которых СБ раскрываются уже на первых витках после отделения от ракеты-носителя. Единственным путем решения этой проблемы без размещения дополнительных средств было предусмотреть в схеме укладки СБ в транспортное положение возможность энергоприхода от внешних панелей (рис. 1).

В этих условиях расчет энергобаланса автономного полета НЭМ должен учитывать ряд нюансов, не существенных при аналогичных расчетах предшествующих модулей РС МКС. К таким нюансам можно отнести:

• •    точный прогноз светотеневой обстановки и угла β (между плоскостью орбиты НЭМ и направлением на Солнце);

• •    циклограмму автономного полета НЭМ, учитывающую изменение его ориентации;

• •    циклограмму интеграции НЭМ в РС МКС (в т. ч. стыковку и перестыковку НЭМ с осевого на боковой порт узлового модуля (УМ), развертывание СБ НЭМ).

Рис. 1. НЭМ на этапе автономного полета

расчетная модель

Показателем соблюдения энергобаланса на борту НЭМ является текущий уровень электрической емкости его аккумуляторных батарей (АБ) W . Суммарная электрическая емкость АБ НЭМ на момент перехода на бортовое питание на стартовом комплексе ( W ₀) составляет 39,60 кВт∙ч. При нахождении НЭМ на теневом участке витка или при недостатке мощности СБ на освещенном участке питание бортовых систем НЭМ осуществляется от АБ и, как следствие, происходит их разряд. Заряд АБ осуществляется от СБ на освещенном участке витка в случае, если мощность СБ превышает электропотребление бортовых систем.

Расчет производится для следующих этапов полета НЭМ:

• •    выведение (СБ НЭМ расположены под обтекателем, энергоприход отсутствует);

• •    автономный полет (энергоприход от внешних панелей СБ, находящихся в зачекованном состоянии; НЭМ в инерциальной ориентации; внешние панели СБ обращены на Солнце);

• •    сближение, причаливание, стыковка (энергоприход от внешних панелей СБ, находящихся в зачекованном состоянии; НЭМ в орбитальной ориентации; энергоприход от внешних панелей СБ зависит от угла β);

• •    перестыковка НЭМ с осевого на боковой порт УМ (полет НЭМ в составе МКС; энергоприход от внешних панелей СБ зависит от угла β);

• •    раскрытие и выдвижение СБ (полет НЭМ в составе МКС; энергоприход от внешних панелей СБ зависит от угла β).

Система энергоснабжения НЭМ состоит из следующих составных частей (рис. 2):

• •    СБ (2 шт.);

• •    НВАБ (12 шт.)

• •    аппаратура регулирования и контроля.

Энергия, получаемая от АБ при разряде батареи на i -м интервале, рассчитывается по предложенной авторами формуле:

А ^ (разряд.) = ( ^P™ — ^P , общ )----- 1= ( t , - t, .,)■ (1)

η АБр η ЗРУ

Тогда энергия, восполняемая в АБ при заряде на -м интервале, рассчитывается по формуле:

^А ^ (заряда) = ( Р сБ120 — ^АБз Л t . — t - -1 ), (²) где P _СБ120 — генерируемая мощность СБ на шине 120 В на -ом участке; P _общ — общая мощность нагрузки на шине 120 В на -ом интервале; η_АБз — КПД АБ по току на заряде; η_АБр — КПД АБ по напряжению на разряде; η_ЗРУ — КПД в каналах заряда-разряда; t — время конца -го интервала; t _–1 — время начала -го интервала (соответствуют концу ( – 1)-го интервала).

Таким образом, для определения величины изменения уровня заряда АБ за -й интервал времени необходимо знать генерируемую мощность СБ на шине 120 В и общую мощность нагрузки на шине 120 В (потребление бортовых систем) на этом интервале.

Рис. 2. Состав системы электроснабжения НЭМ с основными характеристиками

Определение генерируемой мощности СБ. По заказу РКК «Энергия» на факультете вычислительной математики и кибернетики МГУ им. М.В. Ломоносова в рамках составной части ОКР «МКС/ СПО/МГУ» разработано «Специальное программное обеспечение для расчета затенения солнечных батарей КА РС МКС» (СПО). В СПО реализована разработанная РКК «Энергия» методика [4] точного расчета мощности СБ с учетом затенения батарей планетой и конструктивными элементами КА, вольтампер-ных характеристик ФЭП и блокирующих диодов, раскладки ФЭП на панелях СБ и схемы их электрического соединения.

Таким образом, с использованием СПО определяется P_{i СБ120} (генерируемая мощность СБ на шине 120 В на i -ом участке) для расчета по формулам (1) и (2).

Расчет нагрузки на СЭС НЭМ. Циклограмма автономного полета НЭМ разработана на этапе эскизного проекта и подлежит уточнению при формировании программы полета модуля перед его запуском. В соответствии с разработанной циклограммой, автономный полет НЭМ включает следующие участки:

• •    выведение на опорную околоземную орбиту;

• •    полет после отделения от ракеты-носителя (с учетом корректирующих импульсов и сеансов связи);

• •    сближение и причаливание к РС МКС;

• •    стыковка к надирному порту УМ;

• •    перестыковка с надирного на боковой порт УМ.

Мощность нагрузки на СЭС НЭМ (на шине 120 В) на i-м участке автономного полета НЭМ рассчитывается, исходя из электропотребления составных частей бор товых систем (приборов, агрегатов и пр.):

р

P = PiБС iобщ     П 120/28,5 ’

-

где P_{i БС} — потребление бортовых систем НЭМ; п₁₂₀ / _{28 5} — КПД преобразователей напряжения.

Полученные значения P_{i общ} для расчетов по формулам (1) и (2) в привязке к циклограмме автономного полета НЭМ приведены на рис. 3.

Учет влияния изменения угла в . Изменение угла между плоскостью орбиты НЭМ и направлением на Солнце (угол в) приводит к изменению длительности теневого участка орбиты, а, следовательно, оказывает значительное влияние на энергобаланс НЭМ. На момент проведения расчета запуск НЭМ предполагалось осуществить в конце 2019 г., поэтому учитывался прогноз изменения угла в на 2019 г. (рис. 4).

На рис. 4 указаны также ограничения американской стороны на угол в при стыковке объектов к МКС: |р| < 60°.

По предоставленному прогнозу угла в получена зависимость [5] длительности теневого участка орбиты НЭМ на этапе автономного полета (ттени) от в:

т

тени

= T др

^ϕ π

где ф = arcos(

cosβ1 cosβ

);

R в1 = arcsin( R + н );

e

Рис. 3. Нагрузка на шине 120 В системы электроснабжения НЭМ на различных участках полета модуля

T _др — драконический период орбиты НЭМ (принят 92 мин); R_e — экваториальный радиус Земли; H — высота орбиты НЭМ.

Из формулы (3) видно, что изменение высоты орбиты НЭМ в процессе его автономного полета оказывает несущественное влияние на расчет длительности теневого участка, так как это изменение значительно меньше экваториального радиуса Земли. В связи с этим, для расчета достаточно использовать в качестве Н высоту круговой орбиты МКС (≈419 км).

Таким образом, определяется длительность теневого участка орбиты τ_тени, учитываемая при задании длительности расчетных интервалов ( t_i – t_{i –1}).

Отмечено, что график изменения угла β в интервале дат с 1 ноября по 31 декабря

2019 г. проходит свою полную фазу. То есть, характер изменения энергобаланса возможно понять, анализируя этот интервал. Таким образом, целесообразно проведение расчета энергобаланса для дат запуска НЭМ, лежащих в упомянутом интервале.

результаты проведенного расчета

В результате проведенного расчета получен график зависимости уровня заряжен-ности АБ НЭМ на момент окончания развертывания СБ от даты старта модуля (рис. 5). В расчете также учитывалась возможность осуществления повторной стыковки НЭМ в случае промаха при первой попытке и ограничения на β при стыковках объектов к МКС.

Рис. 4. Прогноз изменения угла в на 2019 г.: И — ограничение со стороны Американского сегмента Международной космической станции.

Рис. 5. Заряженность аккумуляторных батарей (АБ) НЭМ к моменту окончания развертывания солнечных батарей (СБ)

В результате проведенной работы:

• •    разработана методика, позволяющая с высокой точностью рассчитывать энергобаланс КА, стыкуемых к МКС;

• •    показано, что штатная программа полета НЭМ может быть реализована с точки зрения энергобаланса при любых углах β;

• •    выданы следующие рекомендации по возможным мерам предотвращения нештатной ситуации (при повторной стыковке модуля), связанной с полным исчерпанием емкости АБ до перевода СБ в рабочее положение:

• 1)    наложение дополнительного ограничения на даты старта НЭМ. При этом, в случае возникновения нештатных ситуаций, приводящих к увеличению времени перестыковки, раскрытия и выдвижения СБ, сохраняется вероятность полного исчерпания емкости АБ;

• 2)    доработка электрических схем системы управления бортовым комплексом и СЭС НЭМ для обеспечения возможности питания бортовых систем НЭМ от РС МКС при нахождении НЭМ на осевом порте УМ (до начала перестыковки). При этом практически исключается вероятность полного исчерпания емкости АБ до окончательного развертывания СБ. Однако появляется необходимость доработки существующей материальной части и изготовления новой;

• 3)    проработка возможности раскрытия СБ НЭМ сразу после стыковки модуля к осевому порту УМ (перестыковка с раскрытыми СБ). Реализация данного варианта позволит избежать упомянутой нештатной ситуации путем заряда АБ, вплоть до W ₀, до начала операций

перестыковки. Кроме того, раскрытая СБ гарантирует энергоприход в процессе перестыковки.

По результатам дальнейшей проработки, в т. ч. расчета нагрузок на СБ в процессе перестыковки НЭМ, принято решение о реализации рекомендации № 3.