Методика обеспечения полёта геостационарного спутника связи «Ямал-202» синергетическим ресурсом энергоёмкости никель-водородных аккумуляторов

При управлении полётом геостационарного спутника связи (ГСС) «Ямал-202» в системе электроснабжения (СЭС) энергетическим буфером между солнечными батареями (СБ) и бортовыми потребителями электроэнергии являются два модуля никель-водородных аккумуляторных батарей (МНВАБ). Аккумуляторы применяются также в качестве резервного источника электроэнергии при нештатных ситуациях, вызванных потерей ориентации СБ на Солнце и, как следствие, утратой источника электроэнергии для бортовых потребителей, при нахождении спутника на теневом интервале орбиты.

Модуль никель-водородных аккумуляторных батарей как объект управления представляет собой систему, состоящую из 18 однотипных никель-водородных аккумуляторов (НВА), каждый из которых содержит корпус – сосуд высокого давления ампульного вида. Внутри корпуса расположен аккумуляторный элемент (АЭ), состоящий из 10 параллельно включённых электрохимических групп (ЭХГ), каждая из которых содержит металлокерамический окисно-никелевый (положительный)

электрод (ОНЭ) из пористого никеля с внедрённым в него гидроксидом никеля Ni(OH) ₂ ; двух асбестовых мелкопористых матриц — сепараторов, закрывающих боковые поверхности ОНЭ; двух водородных (отрицательных) электродов (ВЭ), выполненных в виде никелевой сетки, покрытой фторопластом с внедрённым платиновым катализатором, закрывающих боковые поверхности матриц ¹ [1]. После изготовления все ЭХГ пропитываются 35–40%-м раствором электролита — щёлочью КОН. Каждая ЭХГ имеет дисковую форму для установки в цилиндрическую часть корпуса НВА. Через клеммы от электродов, выведенных на поверхность каждого из корпусов, производят последовательное соединение АЭ для получения необходимого напряжения. В свою очередь, корпуса НВА двухрядно размещены в цилиндрических ячейках общего корпуса модуля (установочной плиты), выполненного в виде параллелепипеда.

Для наблюдения за техническим состоянием МНВАБ снабжён следующими датчиками измерения:

• •    напряжения — подключены к выходным клеммам каждого НВА;

• •    температуры — установлены на поверхности корпусов трёх НВА;

• •    давления — встроены в корпуса четырёх НВА.

Контроль зарядно-разрядного тока МНВАБ и тока нагрузки производится датчиками из состава СЭС. Основные показатели энергетических характеристик модуля определены техническими условиями (ТУ) эксплуатации.

МНВАБ должен обеспечивать:

• •    напряжение более 28,1 В в течение срока эксплуатации при температуре МНВАБ 5...25 ° С на конец заряда током 15 А до верхнего уровня заряженности (ВУЗ);

• •    напряжение не менее 17,5 ± 0,2 В в конце разряда от ВУЗ при определении энергоёмкости;

• •    среднее разрядное напряжение не менее 22,1 В при определении энергоёмкости разрядным током 68,5 А от ВУЗ;

• •    напряжение не более 29,5 В при заряде током 7 А и температуре МНВАБ -5 ° С;

• •    напряжение не более 30,5 В при заряде током 15 А и температуре МНВАБ -5 ° С.

Кроме того, МНВАБ должен обеспечивать следующие уровни энергоёмкости:

• •    при заряде в начале эксплуатации: до ВУЗ — 2 800 Вт·ч; до нижнего уровня заряженности (НУЗ) — 2 550 Вт·ч;

• •    при заряде в конце эксплуатации : до ВУЗ — 2250 Вт·ч; до НУЗ — 2180 Вт·ч;

• •    в конце срока активного существования (САС) ГСС 12,25 лет, энергоёмкость при разряде от ВУЗ до напряжения 17,5 В должна быть не менее 2 080 Вт·ч.

В конце срока эксплуатации коэффициент полезного действия (КПД) МНВАБ должен быть не менее 0,75 при заряде током 12,0 ± 1,0 А и температуре 5.10 °С при завершении заряда от уровня заряженности 600 Вт·ч до 2 400 Вт·ч с последующим разрядом током 65 ±2,0 А при температуре МНВАБ 40 °С до уровня заряжен-ности 600 Вт·ч. Токи разряда/заряда должны быть следующими: при заряде малым током (3,0 ± 0,5 А) и номинальным током (16,0 ± 1,0 А); при разряде под нагрузкой — до 68,5 А; ток подзаряда 1,4 ± 0,2 А. Расчётная вероятность безотказной работы МНВАБ в течение 12,25 лет эксплуатации на геостационарной орбите при соблюдении технических условий (ТУ) эксплуатации должна составлять не менее 0,999. Критерием отказа является несоответствие текущих параметров заявленным энергетическим характеристикам модуля. Среднесуточная мощность тепловыделения в начале эксплуатации МНВАБ на теневых интервалах орбиты при проведении за сутки одного разряда с отдачей энергии 1 800 Вт·ч и заряда до ВУЗ должно быть не более 40 Вт при всех работоспособных НВА.

В конце эксплуатации тепловыделение при таких же условиях должно быть не более 70 Вт. Мощность тепловыделения при разряде в течение 1,2 ч с отдачей энергии 1 800 Вт·ч к концу эксплуатации на теневой орбите должна быть не более 420 Вт. Таким образом МНВАБ1 и МНВАБ2, являясь токопроизводящими системами, не могут функционировать без собственной автономной системы обеспечения теплового режима работы (АСОТР).

В процессе эксплуатации спутника объектом управления является единая сложная техническая система (СТС), состоящая из МНВАБ и АСОТР. На ГСС «Ямал-202» в составе АСОТР, разработанной специалистами РКК «Энергия», были применены контурные тепловые трубы (КТТ) [2, 3]. Общий вид структурно-функциональной схемы СТС представлен на рис. 1. Кроме этого, на рис. 1 представлено концептуальное описание алгоритма операционной модели автоматического управления КТТ при терморегулировании МНВАБ в соответствии с ТУ эксплуатации.

Функционально в средства обеспечения теплового режима каждого МНВАБ входят U -образная тепловая труба с аксиальными канавками (АТТ) и её электронагреватели (ЭН). Остальные элементы системы входят в состав АСОТР. АТТ предназначена для сбора избыточного тепла, выделяемого аккумуляторами МНВАБ, и его транспортировки к испарителям КТТ.

На каждой U -образной АТТ размещены два электронагревателя номинальной мощностью 10 Вт каждый для обеспечения работоспособности АТТ при наземной подготовке МНВАБ и компенсации утечек тепла при закрытых регулирующих клапанах КТТ в процессе лётной эксплуатации. Принцип работы КТТ основан на использовании фазовых превращений теплоносителя (испарение – конденсация) [2, 3].

На наружные поверхности радиационных панелей нанесено терморегулирующее покрытие типа К-208Ср, класса «солнечные отражатели». Регулирующий клапан каждого радиа- тора настраивается на температуру +(8±3) °С. При температуре испарителя меньше либо равной +5 °С клапан полностью закрыт (испаритель и конденсатор КТТ разъединены), при температуре испарителя больше либо равной +11 °С клапан полностью открыт (испаритель и соединены).

Для обеспечения первичного запуска КТТ в наземных условиях, а также для резервирования регулирующих клапанов в составе КТТ предусмотрены дополнительные средства управления:

• •    термоэлектрический модуль холодильный (ТЭМХ) номинальной мощностью 17 Вт, обеспечивающий управление КТТ путём обеспечения необходимой температуры теплоносителя в компенсационной полости на входе в испаритель;

• •    два электрических нагревателя испарителя номинальной мощностью 10 Вт каждый, размещённые на поверхности компенсационой полости, для обеспечения остановки КТТ и защиты НВАБ от переохлаждения. На рис. 2 представлены фотографии элементов СТС1 перед установкой на ГСС «Ямал-202».

Расчёт разрядной энергоёмкости МНВАБ W _р определяется по измеренным значениям тока и напряжения вольт-амперной характеристики, построенной по результатам теста при заряде до ВУЗ и разряде до 17,5 ± 0,2 В:

J

• W , = X I j U ср A t j , (1) j = 1 ^j

где j = 1, 2, …, J ; I_j , U _cp — значения тока и среднего разрядного напряжения на расчётном интервале A t j соответственно.

Текущий уровень энергоёмкости МНВАБ W _т определяется по следующему выражению:

W т = W р P т – P о / P max – P о ,

где Pmax, Pо, Pт — средние значения давления, рассчитанные по показаниям датчиков в четырёх «измерительных» НВА на моменты времени заряда до ВУЗ, окончания тестового разряда и текущие значения соответственно.

конденсатор

Рис. 2. Смонтированные модули никель-водородных аккумуляторных батарей и автономная система обеспечения теплового режима работы в общем корпусе перед установкой в отсек служебных систем геостационарного спутника связи «Ямал-202» (~2001 г.) [2]

Анализ текущего состояния модулей никель-водородных аккумуляторных батарей по результатам тестирования на начальном этапе полёта и постановка задачи

Для определения разрядной энергоёмкости МНВАБ ежегодно перед прохождением теневых интервалов орбиты проводятся плановые тестовые проверки, включающие заряд до ВУЗ и разряд до срабатывания датчика минимального напряжения.

Первая из них была проведена 12 марта 2004 г., по её результатам определены следующие значения:

• •    для МНВАБ1 W _р = 2 375 Вт·ч;

• •    для МНВАБ2 W = 2 470 Вт·ч. р₂

Как видно по результатам, указанные значения меньше приведённых в ТУ (2 800 Вт·ч) на момент начала эксплуатации — на ~425 и ~330 Вт·ч (на ~15 и ~12%) соответственно. Причины изначальных потерь энергоёмкости аккумуляторов до запуска спутника не являются предметом исследования данной статьи. Важно подчеркнуть, что при допустимой деградации в год по ТУ (с 2 800 до 2 080 Вт·ч за 12,25 лет) ~60 Вт·ч, на начало полёта в МНВАБ1 и МНВАБ2 был утрачен ресурс на ~7 и ~5 лет полёта ГСС соответственно.

В качестве основной причины потери энергоёмкости МНВАБ была определена пассивация активной массы ОНЭ. Пассивация связана с частичной кристаллизацией агломератов гидроокиси никеля и сращивания мелких кристаллов в более крупные [1]. Потери энергоёмкости, вызванные пассивацией активной массы, являются обратимыми. При проведении периодических восстановительных циклов с разрядом на полную глубину и последующей выдержкой в закороченном состоянии, характеристики АЭ в НВА восстанавливаются.

После прохождения теневых интервалов орбиты весной (март–апрель) 2004 г. были проведены по два восстановительных цикла в каждом модуле. До проведения указанных циклов энергоёмкость составляла:

– для МНВАБ1 W _р = 2 272 Вт·ч;

– для МНВАБ2 W = 2 270 Вт·ч.

р2

После проведения тестово-восстановительных циклов энергоёмкость составляла:

– для МНВАБ1 W _р = 2 396 Вт·ч;

– для МНВАБ2 W = 2 392 Вт·ч.

р2

Таким образом, восстановительные циклы позволили частично увеличить энергоёмкость МНВАБ1 при одновременном воссоздании той части её энергоёмкости, на которую модуль деградировал в результате циклирования работы НВА под нагрузкой на теневых интервалах орбиты. В МНВАБ2 потеря энергоёмкости от деградации, без учёта восстановленной части энергоёмкости в тестововосстановительных циклах, составила ~78 Вт·ч, что больше допустимого значения ~60 Вт·ч в год.

Было принято решение дальнейшую эксплуатацию МНВАБ в 2004 и 2005 гг. проводить без изменений требований к эксплуатационной документации, с поддержанием квази-стационарного сложного токопроизводящего процесса для получения энергоёмкости аккумуляторов в рамках допустимого диапазона основных параметров (тока, напряжения и температуры), заданных в ТУ на эксплуатацию. При этом решение базировалось на предположении, что рассматриваемый эффект деградации АЭ НВА будет носить затухающий характер. Это подтверждали результаты ранее проведённых исследований основных характеристик АЭ [1]. Они показали, что после определённого количества зарядно-разрядных циклов деградация (рост трещин и др.) пористой структуры ОНЭ, определяющей ресурс ЭХГ и АЭ в целом, перестаёт быть ощутимой. Эффект достигается в результате «наклёпа» (т. е. упрочнения) пористой структуры ОНЭ по причине механического воздействия на его материал изменениями объёма электрода при заряде и разряде НВА.

Констатация состояния энергоёмкости МНВАБ1 и МНВАБ2 с прогнозом их деградации на предстоящий период эксплуатации (с выпуском заключения) были произведены в июле 2006 г. после выполнения очередных тестововосстановительных циклов. Результаты приведены в табл. 1.

Таблица 1

Оценка энергоёмкости МНВАБ1 и МНВАБ2

с прогнозом её деградации на предстоящий период эксплуатации

Название	Энергоёмкость, июль 2006 г., Вт·ч	Прогноз изменения энергоёмкости на последующие годы эксплуатации, Вт·ч				Энергоёмкость по ТУ на конец САС, Вт·ч
		3 года	5 лет	7 лет	9,25 лет
МНВАБ1	2108	2024	1908	1912	1849	2080
МНВАБ2	2396	2256	2163	2067	1965
Сумма	4505	4280	4071	3973	3814	4160

Примечание . МНВАБ — модуль никель-водородных аккумуляторных батарей; САС — срок активного существования; ТУ — технические условия эксплуатации. Серым выделены значения, которые ниже указанных в ТУ.

Как видно из данных табл. 1, по завершении трёхлетнего срока эксплуатации (на конец 2006 г.), деградация МНВАБ1 по энергоёмкости ниже уровня, заявленного в ТУ на конец САС ГСС (отказ МНВАБ1 по формальному признаку).

Прогноз на последующие годы эксплуатации показал, что при соблюдении существующих условий эксплуатации, заданных в ТУ, ресурс аккумуляторов по энергоёмкости не позволит обеспечить выполнение программы полёта в полном объёме из-за отказа аккумуляторных батарей. При этом прогноз был верифицирован моделированием на наземном экспериментальном стенде разработчика системы.

Таким образом, на основе прогноза по статистически-экспериментальным данным было показано, что надёжность МНВАБ, прописанная в ТУ, не обеспечивает их устойчивого функционирования при выполнении указанных там же условий эксплуатации. Причинами являлись нерациональные, завышенные допуски на основные параметры функционирования (ток, напряжение, температура в зоне электрохимической реакции), в рамках которых системой управления согласно этим значениям формировались входные воздействия на систему МНВАБ. Также не учитывались возможности рационального использования временного и функционального факторов при совместном управлении с обеспечивающей АСОТР в различных температурных режимах эксплуатации МНВАБ в составе СТС (нерациональное использования АСОТР как обеспечивающей системы для управления параметрами производящей системы). В ситуационно изменяющихся условиях полёта не учитывались возмущающие воздействия внешних факторов через энергетические взаимосвязи и взаимодействия с другими бортовыми системами ГСС.

Перечисленные основные недостатки в управлении при эксплуатации привели к устойчивой нестационарности основного сложного токопроизводящего процесса в аккумуляторах модулей, от которого непосредственно зависит их энергоресурс. В свою очередь, за этим последовала стихийная самоорганизация указанного сложного процесса с повышенной деградацией НВА в составе МНВАБ в условиях многообразия ситуаций, складывающихся из различных внешних и внутренних воздействующих факторов.

Стихийность самоорганизации обусловлена тем, что процесс деградации происходил не по сценарию, прописанному в ТУ на эксплуатацию (не целенаправленно по изначальному замыслу), и приводил к отказу одного из МНВАБ.

Концептуальная постановка задачи: Перевести токопроизводящий процесс НВА в состояние квазистационарного режима с целенаправленной самоорганизацией, ориентированной на восстановление и поддержание энергоёмкости МНВАБ1 и МНВАБ2 на уровне, обеспечивающем выполнение программы полёта ГСС «Ямал-202».

Концептуальная модель токопроизводящего процесса никель-водородных аккумуляторов

Как будет показано далее, устранить нестационарность токопроизводящего процесса в НВА переводом в стационарный режим невозможно. Однако возможно сделать его квази-стационарным на определённых временных интервалах, определив при этом рациональные границы изменения параметров для целенаправленной самоорганизации путём воздействия на факторы, определяющие открытость НВА как системы.

Установление рациональных границ осуществляется на базе определённого в методологии синергетического подхода, включающего в себя методы познания, изучения и осознания происходящих в НВА процессов в различных режимах эксплуатации для построения методов управления при целенаправленной самоорганизации. При этом будем рассматривать НВА как систему (подсистему) в более общей системе (надсистеме) МНВАБ. В технической литературе по металлводо- родным электрохимическим системам для проведения исследований исходная целостность токопроизводящего процесса (ПW) в НВА подвергается членению (декомпозиции) на электродинамический (ПE), бародинамический (ПР) и породинамический (ПV) (образование и изменение объёма пор в материалах ЭХГ) процессы [1, 4, 5].

Электродинамический процесс в n -м

НВА, n ∈ 1, 18, в текущий момент времени τ сопровождается множеством параметров:

∏ _{E n} = i_n , u_n , t_n ,

где i_n ∈ I ; u_n ∈ U ; t_n ∈ T ; I , U , T — множества допустимых значений тока i , напряжения u и температуры t соответственно.

Бародинамический процесс в n -м НВА в текущий момент времени τ сопровождается множеством параметров парциальных давлений водорода p _H и кислорода p _O , а также температуры t :

∏ _{P n} = p _{(H2) n} , p _{(O2) n}

где p _{(H2) n} ∈ P _H2 ; p _{(O2) n} ∈ P _O2 ; P _H2 , P _O2 — множества рабочих значений парциальных давлений водорода и кислорода соответственно.

Породинамический процесс в n -м НВА сопровождается в текущий момент времени τ множеством параметров текущего порообразования p _ν и капиллярного давления жидкости p_r в ЭХГ при температуре t :

∏ _{V n} = p _{ν n} , p_{r n} , t_n ,

где pν ∈ PV ; pr ∈ PR; pν — обобщённый параметр порообразования, характеризующий эффект механического воздействия на поры ОНЭ, ВЭ и мат- рицы-сепаратора в токопроизводящем процессе, характеризуемый совокупностью следующих показателей пористости структуры: удельного объёма пор Vуд, см3/г; среднего радиуса пор rср, мкм; относительной пористости Ψ, %; доли пор с радиусом меньше 0,01 мкм nr < 0,01, %; удельной площади пор Sпор, м2/г [1, 6]; PV, PR — множества рабочих структурных значений пор и давления жидкости в ЭХГ соответственно.

Все декомпозированные процессы синергетически взаимосвязаны между собой и взаимосодействуют протеканию сложного токопроизводящего процесса в единой временной шкале. Взаимосвязь происходит через электрохими- ческую и тепловую энергию, массу гидроксида никеля и газовой водороднокислородной среды, а также материалы ВЭ и матриц-сепараторов т. е. в ЭХГ НВА существует постоянный энергетический и вещественный внутренний обмен в j-е моменты времени множества T(τ) τn( j) ∈ T(τ); j = 1, J при одной температуре T, tn( j) ∈ T, j = –1, J . Это доказано исследованиями ЭХГ, согласно которым, по мере протекания электрохимической реакции в режиме заряда, растёт удельный объём пор ОНЭ. В заряженном состоянии он составляет для конкретной группы примерно 126 мм3/г при 118 мм3/г в разряженном состоянии, что вызывает механическое воздействие на материал ОНЭ. Одновременно заряженному и разряженному состоянию соответствует разная пористость электрода [1]. В основном токовом зарядно-разрядном процессе кроме водорода, определяющего энергоёмкость НВА через его участие в электрохимической реакции, выделяется кислород, играющий отрицательную роль. Периодически накапливающийся кислород заполняет суммарный объём пор ОНЭ, снижает удельную рабочую поверхность электрода, повышает омические потери, что приводит к снижению электрической ёмкости АЭ. Пониженная температура приводит к более высокому зарядному и более низкому разрядному напряжению, что объясняется повышением внутреннего сопротивления всей ЭХГ в целом и кинетических ограничений электрохимических реакций. Со снижением температуры резко возрастает поляризация водородного электрода и уменьшается электрическая ёмкость. Ход разрядной кривой при низкой температуре напоминает разряд большим током [1]. Тем самым экспериментальными данными показано наличие протекающего кластера сложного нестационарного токопроизводящего процесса:

∏ _{W n} ⇔

R_n ^{( j )} ⊆ B_n ^{( j )} i_n , u_n × B_n ^{( j )}   p _{(H2) n} , p _{(O2) n} × B_n ^{( j )} p _{ν n} , p_{r n} ;   T , t_n ^{( j )} ∈ T ;   T ( τ ), τ _n ^{( j )} ∈ T ( τ ) ; j = ^– 1, J

где

R_n ^{( j )} ⊆ B ⁽ _n ^{j )} i_n , u_n × B ⁽ _n ^{j )} p _{(H2) n} , p _{(O2) n} × B ⁽ _n ^{j )} p _{ν n} , p_{r n} — график отношений между множествами базисных процессов, приведённых к единой температуре на текущие моменты времени τ _n ^{( j )} , представленный подмножеством декартова произведения булеанов B_n ^{( j )} множеств процессов.

Многообразие многопараметрического процесса, выстроенного на множествах (6), позволяет судить о наличии нелинейной открытой динамической системы, создать математическую модель которой очень сложно, и не менее сложно её верифицировать. На текущий момент такой модели в технической литературе по металл-водородным электрохимическим системам не существует.

Открытость системы обусловлена воздействием на протекающий в ней токопроизводящий процесс внешних воздействий: тока нагрузки (со стороны СЭС) и температуры (со стороны АСОТР). Нелинейность, неопределённость, постоянные изменения в технологии функционирования из-за открытости системы, привели к необходимости проведения разработчиком системы глубоких экспериментальных исследований АЭ и его элементов для дальнейшего использования полученных данных при создании и выработке методов управления НВА [1, 6]. Параметры токопроизводящего процесса, установленные в результате исследований, прототипированы для наблюдения и управления отдельными НВА и далее при их объединении в МНВАБ.

При исследовании ресурсоспособ-ности АЭ было установлено, что его ресурс определяет ОНЭ. Ресурсная работоспособность ВЭ и матриц-сепараторов была экспериментально подтверждена для условий работы АЭ в составе НВА на ГСС в течение ~50 лет [1]. Изучение поведения основных параметров кластера (6) в экспериментальных исследованиях токопроизводящего процесса при наземных ресурсных испытаниях НВА стало базой для построения методов обеспечения полёта ГСС синергетическим ресурсом энергоёмкости МНВАБ ² , совокупность которых составила методику.

Количество произведённой в АЭ электроэнергии зависит от массы гидроксида никеля Ni(OH) ₂ , задействованного в электрохимической реакции [1]. При этом задействование массы зависит от пропитки объёма раствором электролита-щёлочи КОН. Поэтому концептуально в данном методическом подходе в качестве комплексного показателя энергоёмкости АЭ принимается его электролитосодержание (рис. 3) [1, 6].

Основной задачей ресурсосбережения при управлении НВА является сохранение стабильного состояния электролита в АЭ, которое напрямую зависит от пористости структуры ОНЭ. Экспериментально показано, что в процессе зарядно-разрядного циклирования АЭ основные изменения происходят в пористой структуре ОНЭ, при несущественном изменении структуры матрицы-сепаратора и ВЭ (рис. 4). Породинамический процесс, характеризуемый увеличением удельного объёма пор и пористости при ресурсном циклировании, неизбежен и приводит к потере энергоёмкости АЭ по мере выработки ресурса НВА (деградации) [1, 6].

Происходит снижение доли заполненных электролитом активных пор ОНЭ и уменьшение задействованной в электрохимической реакции массы Ni(OH) ₂ . Разрушительное влияние породинамического процесса неизбежно, но его можно ослабить воздействием на механизм развития самого процесса.

Одним из основных факторов этого механизма является выделяющийся при заряде кислород [1,  6], кото рый в конце заряда создаёт давление большее, чем капилляр ное давление жидкости и давление водорода в замкнутом объёме НВА, pО ≿ pr ≿ pН . Поэтому «…ОНЭ в конце каждого заряда испытывает внутреннее избыточное давление, максимум которого наступает в первые моменты разряда, когда давление

Рис. 3. Зависимость электрической ёмкости аккумуляторного элемента (АЭ)

от электролитосодержания [1]

Рис. 4. Изменение структурных характеристик окисно-никелевого элект- рода (ОНЭ) при ресурсном циклировании [1, 6]

водорода, окружающего батарею, начинает падать » [1]. С увеличением количества циклов проявляются усталостные дефекты в материале электрода в виде трещин и изменения пористости (набухания электрода), приводящие к потере энергоёмкости аккумулятора [6] (рис. 5).

Кроме ранее указанного механического влияния, связанного с разным удельным объёмом ОНЭ в заряженном и разряженном состояниях (126 и 118 мм3/г соответственно), фазовые переходы являются другим существенным фактором механического воздействия, влияющего на пористость материала ОНЭ [1,  6]. Гидроокись ни келя в окисленном состоянии находится в двух фазах — гамма и бета, с удельными объёмами 0,26 и 0,24 см3/г. В зарядно-разрядных циклах происходит образование и увеличение доли гамма-фазы, которая за счёт объёмного расширения оказывает механическое воздействие на материал ОНЭ и становится одной из причин набухания электрода. Величина такого воздействия зависит от глубины зарядноразрядного цикла.

Комплексная оценка влияния изменения удельных объёмов ОНЭ на энергоёмкость АЭ проведена путём ресурсных испытаний, которые позволили определить скорость деградации энергоёмкости АЭ ( dW ) в зависимости от глубины разряда при циклировании для различных значений остаточной энергоёмкости ( C _н ) (рис. 6) [1, 6].              ^н

Отсутствие математических моделей в виде уравнений математической физики не позволяет провести исследование перечисленных

Рис. 5. Влияние накопленного кислорода на энергоёмкость аккумуляторных элементов при различном электролитосодержании [6]

Рис. 6. Графики зависимостей скорости деградации энергоёмкости аккумуляторного элемента от глубины разряда при циклировании [6]

процессов для принятия оптимального решения поиском экстремальных значений параметров, определяющих энергоёмкость. Поэтому на базе методического подхода к результатам испытаний НВА производится построение концептуальной модели, представленной пакетом следующих множеств элементов (6), приведённых к виду параметров управления МНВАБ в соответствии с ТУ:

I = I i n , I = { i I i >  0, i < 68,5};

n = 1

и = I u n , u = { u I u >  ° , u <  31} ;

n = 1

p_х = ( p _{(H2) x}+p _{(O2) x} );

P = P_х , х = {1, 2, 3, 4} ;

p_х = p_х | p_х > 0, p_х ≤ 65 ;

- .ax = S P m ..x, х /4

х = 1

P t = S P t, /4

х = 1 ^х

P о = S p о х / ⁴ ; х = 1 ^х

T = T_z , z = {1, 2, 3} ;

T_z = t_z | t_z > –5, t_z < 30 ;

— = S к /3, z = 1

где p _max , p _τ , p ₀ — максимальное, текущее и начал ^х ьное ^х зна ^х чения давления в x -м НВА.

В пакете (7) значения части параметров определяют по показаниям датчиков измерительной информации ( I , u_n , t_z , p_x ). При этом в процессе эксплуатации МНВАБ измеряют текущие p _τ и начальные p ₀ значения давле ^х ний в четырёх ^х НВА x = {1, 2, 3, 4} в местах установки соответствующих датчиков. При проведении тестово-восстановительных циклов МНВАБ после глубокого разряда НВА с последующей выдержкой в закороченном состоянии измеренные начальные значения давлений принимаются примерно равными парциальным давлениям кислорода p ₀ ≈ p _{(O )} . Разница между текущими измерен ^х ными з ^x начениями давления и давлением в конце глубокого разряда определяет текущие парциальные давления водорода, p (H₂) _x ≈ p_x – p (O₂) _x .

Подмножества Tz , Tz , Tz тепловых процессов в зонах электрохимической реакции ЭХГ формируются по температурным датчикам, установленым на корпусах НВА. При этом вводится допущение о примерном равенстве температуры на корпусе НВА и в зоне электрохимической реакции. К клеммам каждого НВА подключены датчики напряжения, по показаниям которых формируется множество U.

Недоступные прямому наблюдению при эксплуатации НВА параметры породинамического процесса p _ν , p_r отслеживаются методом синерге ⁿ тичес ⁿ ких наблюдений одних параметров через другие, находящиеся в синергетически информационной взаимосвязи [7]. Суть метода заключается в установлении пористой структуры ОНЭ по результатам предварительных исследований на ресурс АЭ — аналогов с построением порограмм (графиков появления и изменения объёмов пор в материале ОНЭ) для различных условий эксплуатации, определяемых открытостью системы (множествами параметров тока I и температуры T_z ) [6]. Далее путём сопоставления текущих значений тока и температуры, при определённой ресурсной наработке НВА в процессе эксплуатации, по ранее полученным экспериментальным соотношениям проводят порометрический анализ текущих состояний электродов и сепаратора через примерное распределение пор по радиусу ЭХГ. Для ресурсного сохранения ОНЭ в АЭ, а следовательно, МНВАБ через НВА, целями концептуального моделирования токопроизводящего процесса при управлении СТС, состоящей из МНВАБ и АСОТР, являются:

• •    минимизация выделения кислорода при эксплуатации НВА в различных режимах функционирования МНВАБ;

• •    минимизация глубины разряда МНВАБ при циклировании под токовой нагрузкой.

Определим критерии концептуального моделирования МНВАБ как целей, измеряемых в определённых шкалах оценки выделения кислорода и тока нагрузки I _н , с постановкой задачи :

f p(O2)n → min; f(Iн) → min, где f p(O2)n , f(Iн) управления.

целевые функции

Управление токопроизводящим процессом никель-водородных аккумуляторов

Границы шкал в постановке задачи (8) отражают идеальные недостижимые цели, так как предельными в обоих случаях являются нулевые значения, что не соответствует природе самого процесса. Поэтому решения должны оцениваться степенью достижения цели, т. е. необходимо производить поиск не оптимального, а наиболее рационального решения. Поиском таких решений занимается синергетическая теория управления (СТУ). По словам родоначальника СТУ Г. Хакена, «…кибернетика занимается разработкой алгоритмов и методов, позволяющих управлять системой для того, чтобы та функционировала заранее заданным образом. В синергетике мы изменяем управляющие параметры более или менее непредсказуемым образом и изучаем самоорганизацию системы, т.е. различные состояния, в которые она переходит под воздействием “рычагов управления”…» [8].

В СТУ выявляются макроскопические свойства нестационарного процесса, которые характеризуются параметрами порядка самоорганизации [9]. Именно относительно этих параметров формируются остальные параметрические компоненты, отражающие свойства процесса. В данном процессе параметром порядка является ток аккумуляторных батарей , определённый на множестве I . Согласно ТУ эксплуатации МНВАБ, в зависимости от выбранного режима, указанное множество состоит из следующих подмножеств:

I =   I н ,   I р ,   I др ,   I з ,   I пз ,   I с ,                 (9)

где I _н — ток нагрузки, I _н = { i | i > 20; i ≤ 68,5}; I _р — ток разряда, I _р = { i | i > 0; i < 10}; I _з — ток заряда, I _з = { i | i ≥ 3,5; i ≤ 17}; I _др — ток доразряда, I _др = { i | i > 0; i < 0,1}; I _пз — ток подзаряда, I _пз = { i | i ≥ 1,2; i ≤ 1,6}; I _с — ток саморазряда, I _с = { i | i > 0; i ≤ 0,5}.

На базе подмножеств параметра порядка многообразие сложного процесса, построенного на множествах параметров управления, пакет (7) представляется в виде множеств вариантов многообразия:

И н = к н ( U , P x , T n , P V , P r ), T ( т ) н} ; И з = { 4 з ( U , ^Р х , T n , P V , P r ), T ( т ) з} ; И р =к р ( U , P x , T n , P V , P r ), T 4); ^Идр = к др ( ^U , ^P X , T n , ^P V , P r ), ^T ( т ) др} ; И пз = к пз ( U , P x , T n , P V , P r ), T (тЦ И с = к с ( U , P x , T n , P V , P r ), T ( T )J.

Каждому варианту определён интервал целенаправленной самоорганизации токопроизводящего процесса. Для ресурсосбережения МНВАБ выставляются требования выбора вариантов целенаправленной самоорганизации с учётом постановки задачи (8). С точки зрения СТУ «рычагами управления» в вариантах являются:

• •    ток нагрузки при проведении зарядно-разрядных циклов. При заданном интервале времени работы под нагрузкой минимальное значение тока соответствует наиболее рациональному управлению;

• •    температура в зоне электрохимической реакции при заряде и подзаряде. По результатам исследований наиболее рациональной является температура в интервале 10...15 ° С при заряде и 10...22 ° С при подзаряде [1, 6]. Повышение температуры ОНЭ приводит к раннему началу выделения кислорода и большему количеству его накопления;

• •    температура в зоне электрохимической реакции при разряде и дораз-ряде. По результатам исследований наиболее рациональной является температура в интервале 15...22 ° С при разряде и 10...15 ° С при доразряде (рис. 7) [1, 6]. Показателем является глубина разряда АЭ (см. рис. 6). При хранении НВА в составе МНВАБ происходит саморазряд аккумуляторов, который зависит от температуры АЭ (рис. 8).

Снижение температуры обуславливает уменьшение скорости саморазряда, что способствует уменьшению количества задействованного в ОНЭ гидроксида никеля при фазовых переходах (от гамма- к бета-фазе) и тем самым — уменьшению механического воздействия на поры. При хранении наиболее целесообразным является температурный диапазон на корпусах НВА 5^15 ° С.

Рис. 7. Графики разрядных характеристик аккумуляторного элемента при

различных температурах [1, 6]

Рис. 8. Зависимость саморазряда никель-водородного аккумулятора от температуры при 24 ч хранения [6]

с критериальной оценкой энергоёмкости МНВАБ. Совокупность таких методов, представленных далее, образует методику управления электрохимическими процессами в НВА.

Построение методов управления энергоёмкостью никель-водородных аккумуляторов

Внешнюю среду для СТС, включающей подсистемы МНВАБ и АСОТР, формируют бортовые системы (БС) спутника. Таким образом, СТС является подсистемой в надсистеме ГСС. Существуют энергетическая и информационная взаимосвязь между МНВАБ и БС ГСС по току нагрузки через СЭС. Такая же энергетическая связь существует между генераторами солнечной энергии — солнечными батареями — и аккумуляторами.

Формирование тепловой внешней среды зависит от температуры в отсеке служебных систем, где расположена СТС, и освещённости радиационных панелей (РП) Солнцем (внешнего теплового потока на панели). При этом мощность холодильника, определяемая разностью отражаемого и поглощаемого РП теплового

Таким образом, для каждого варианта многообразий (10) самоорганизации протекания электрохимической реакции в АЭ существуют различные методы со своими вариантами управления НВА с целеполаганием, направленным на сохранение энергоресурса аккумулятора. Для выбора конкретного метода (способа) и варианта его применения осуществляется параметрический анализ потока, по мере увеличения продолжительности нахождения ГСС на орбите уменьшается. Вызвано это деградацией терморегулирующего зеркального покрытия РП, приводящей к увеличению коэффициента поглощения солнечного излучения АS. Согласно прогнозу, значение АS на момент завершения 21-летнего полёта увеличилось более чем в три раза [10]. Изначальная излучательная способность радиационной поверхности при температуре испарителя +5 °С и двух работающих КТТ мощностью 100 Вт, постепенно уменьшается и составляет на текущий момент примерно две трети от исходной. Таким образом, существует непрерывная, постоянно изменяющаяся синергетическая взаимосвязь (энергетическая и информационная) между СТС, БС спутника и потоком тепловой энергии от Солнца. При этом в любой момент ситуация на борту может потребовать подключения аккумуляторов в качестве вторичных источников питания.

Плановые подключения МНВАБ к работе производятся в начале теневых интервалов орбиты. Ситуация на борту спутника меняется по мере его затенения Землёй от Солнца, что изменяет продолжительность и величину воздействия на СТС внешних факторов — тока нагрузки и температуры. Освещённость РП Солнцем зависит от времени года. В момент зимнего солнцестояния освещённость РП с южной стороны ГСС происходит под углом ~22,5 ° при полном затенении РП с северной стороны. И, наоборот, в момент летнего солнцестояния РП с северной стороны освещена под углом ~22,5 ° при полном затенении РП с южной стороны спутника. В течение года происходит изменение освещённости панелей в пределах указанного диапазона, при «нулевой освещённости» в дни осеннего и весеннего равноденствия.

Из вышеизложенного следует, что воздействие внешних факторов на СТС постоянно изменяется во времени. За счёт оперативной постоянной связи наземного комплекса с бортовым комплексом управления, от принятия решения о применении заранее подготовленного сценария до его выполнения проходят секунды.

Подготовка сценариев производится методом прототипирования. Согласно рассматриваемому подходу в качестве прототипов используются результаты натурно-аналогового ретроспективного моделирования процессов. В тех же целях используются результаты анализа телеметрической информации предыдущих интервалов управления системой. В целях получения аналога для разработки сценария осуществляется анализ поведения СТС при ситуациях в ГСС на предшествующих витках и вводятся поправки в модель ситуации на текущем витке.

Таким образом, в целом нестационарный процесс открытой нелинейной СТС разбивается на отдельные квази-стационарные процессы с временными участками вариантного поведения (10), где система для наблюдения полностью определена, т. е. полностью известно входное воздействие на систему, построенное на бинарном отношении управляющих и возмущающих воздействий. Любое изменение во множествах управляющих и возмущающих воздействий переводит систему в новое вариантное состояние, которое оперативно идентифицируется по результатам наблюдения. При этом целенаправленные изменения входных воздействий направлены на получение синергетического ресурса энергоёмкости МНВАБ за счёт перехода к наиболее рациональному управлению в текущей ситуации.

Методы получения синергетического ресурса энергоёмкости никель-водородных аккумуляторов

Метод аккумулирования тепловой энергии на борту ГСС перед теневым интервалом орбиты [11]. Одним из наиболее существенных факторов, определяющим деградацию НВА и МНВАБ в целом, принято считать глубину их ресурсного циклирования под нагрузкой. Результаты указанного циклирования при ресурсных исследованиях, представленные на рис. 6 (см. с. 33), прототипируют для случаев работы МНВАБ1 и МНВАБ2 под токовой нагрузкой при прохождении ГСС теневых интервалов орбиты. Исходя из концептуальной постановки задачи (8), наиболее рациональным является управление СТС при минимальных токовых нагрузках. При этом минимизировать ток нагрузки до нуля принципиально невозможно, так как это значит обесточить работающие БС и полезную нагрузку. Таким образом, постановка задачи интерпретируется в минимизацию тока нагрузки на МНВАБ1 и МНВАБ2 при сохранении функциональности работающих БС и полезной нагрузки с обеспечением номинальных температурных условий экс п-луатации ГСС.

Решением задачи в данной постановке является метод аккумулирования тепловой энергии на борту ГСС в приборных панелях, элементах конструкции и рабочем теле электро-ракетных двигателей за счёт синергетической взаимосвязи между электрическим и тепловым видами энергии. Натурно-аналоговое ретроспективное моделирование и анализ функциональных состояний БС и полезной нагрузки ГСС на теневых интервалах орбиты показал, что существенная доля потребления электроэнергии МНВАБ1 и МНВАБ2 (от 15 до 22% в зависимости от продолжительности интервала) приходится на питание ЭН СОТР спутника.

СОТР ГСС поддерживает в допустимом диапазоне температурный режим в зонах размещения БС на приборных панелях, агрегатном оборудовании двигательной установки и на элементах конструкции. При этом нагрев в местах размещения БС обеспечивается за счёт работы основных и резервных ЭН мощностью ~10 Вт каждый. Теплоперенос энергии между зонами приборных панелей осуществляется посредством тепловых труб. На рис. 9 показана структурно-функциональная схема ЭН. На температурном графике (рис. 10) представлен принцип построения алгоритма управления основным и резервным ЭН.

Техническая суть метода состоит в следующем:

• 1)    перед началом теневого интервала орбиты, когда приход электроэнергии осуществляется от СБ, температурные уставки (признаки алгоритма управления) на работу основных и резервных ЭН в местах обогрева повышаются до верхней границы допустимого диапазона;

• 2)    при входе в теневой интервал орбиты уставки на включение и отключение ЭН понижаются. Это минимизирует время работы ЭН во время теневого интервала орбиты, при этом используется накопленная в ГСС тепловая энергия;

• 3)    после выхода на световую часть орбиты все уставки управления ЭН возвращаются к значениям, обеспечивающим номинальное управление СОТР.

Таким образом, на всех интервалах орбиты, включая теневые, температура во всех местах обогрева ГСС остаётся в допустимом диапазоне. На теневом интервале снижается расход электроэнергии на обогрев и, как следствие, нагрузка на МНВАБ1 и МНВАБ2.

В табл. 2 представлен фрагмент настройки алгоритма работы электронагревателя по разработанному методу в местах обогрева (всего — 33) в сутки с теневым интервалом ~71 мин (5 марта 2024 г.).

а)                                                      б)

Рис. 9. Структурно-функциональная схема электронагревателя: a — общая схема; б — геометрическое расположение нагревательных элементов; 1 — основание; 2 — связующий слой; 3 — нагревательный элемент (плоская лента); 4 — изолирующий слой (накладка); 5 — гибкие токовыводы; 6 — контактные площадки; 7 — поверхность нагрева; L _ЭО , Н _ЭО — длина и ширина зоны электрообогрева; А _П , L _СП — характерные размеры нагревательного элемента: ширина ленты и межленточное расстояние (рисунок из архива АО ГКС)

Рис. 10. Принцип управления электронагревателями (ЭН) в зоне обогрева (рисунок создан авторами)

Таблица 2

№	ЭН	Номинал температуры включения ЭН в зоне, °С				Ширина зоны нечувствительности для ЭН на вкл., °С				Ширина зоны нечувствительности для ЭН на откл., °С
		до тени	2 мин до тени	10 мин в тени	15 мин после тени	до тени	2 мин до тени	10 мин в тени	15 мин после тени	до тени	2 мин до тени	10 мин в тени	15 мин после тени
1.	ЭНСС1	10	2	2	3	1	3	3	2	1	4	5	8
2.	ЭНСС2	17	6	6	6	1	4	4	5	1	2	7	9
3.	ЭНСС3	16	3	3	6	1	3	3	3	1	5	5	9
4.	ЭНСС4	–	–3	–3	–1	–	3	3	3	–	2	7	9
5.	ЭНПС1	–	19	19	19	–	3	3	3	–	4	4	5
6.	ЭНПС2	15	4	4	8	1	3	3	3	1	5	5	8
7.	ЭНПС3	10	0	0	0	1	3	3	3	1	2	11	11
8.	ЭНПС4	3	–4	–4	–1	1	2	2	3	1	3	5	5
9.	ЭНПС5	–	0	0	–1	–	3	3	3	–	5	5	7
10.	ЭНПС6	–	0	0	0	–	3	3	3	–	5	5	7
33.	ЭНШБ2	–	6	6	4	–	3	3	2	–	5	5	3

Настройка электронагревателей системы обеспечения теплового режима

Примечание . ЭН — электронагреватель; ЭНСС — ЭН служебных систем; ЭНПС — ЭН отсека полезной нагрузки; ЭНШБ — ЭН шаробаллонов.

На рис. 11 и 12 представлены графики измеренных значений средних температур в зонах обогрева 1, 2, 3 северной панели отсека служебных систем (СС) 4 и 5 марта 2024 г. без применения и с применением метода соответственно. Допустимый рабочий диапазон температур в зонах от -10 до +35 °С. Как видно из графиков на рис. 11, при использовании метода значительно сократилось время работы основных ЭН (резервные ЭН не включались) на теневом интервале орбиты. Так, в зоне СС1

общая продолжительность работы одного ЭН сократилась с ~59 до ~31 мин (сокращение потребляемой энергоёмкости ~5 Вт·ч). Аналогично в зонах обогрева СС2 и СС3 — с ~70 до ~62 мин (~1,5 Вт·ч) и с ~58 до ~38 мин (~3,3 Вт·ч) соответственно. Такое сокращение характерно для всех 33 мест обогрева ЭН СОТР.

При этом исходная суммарная энергоёмкость двух аккумуляторных модулей перед началом каждого теневого интервала составляла ~4 300 Вт·ч. Как видно из графиков на рис. 12, для случая подробно рассмотренного примера (4 и 5 марта 2024 г.), синергетический ресурс суммарной энергоёмкости аккумуляторов составил ~500 Вт·ч. Указанное значение характерно для ситуаций, связанных с управлением ГСС при прохождении интервалов теневых орбит максимальной продолжительности (70...72 мин). В других ситуациях синергетический ресурс энергоёмкости составил, соответственно, ~440 Вт·ч (продолжительность тени ~58 мин, 24 и 25 февраля 2024 г.) и ~390 Вт·ч (продолжительность тени ~59 мин, 21 и 22 марта 2024 г.). При этом в каждом случае применения метода рассматривался свой квази-стационарный сложный процесс управления ГСС на витке, для которого использовался индивидуальный вариант настройки алгоритмов работы ЭН.

На рис. 13 представлен график изменения остаточной заряженности МНВАБ1 и МНВАБ2 в зависимости от продолжительности теневых интервалов орбиты с 15 февраля по 30 марта 2024 г. Очевидно, что получение синергетического эффекта стало возможным за счёт взаимодействия двух бортовых систем — СЭС и СОТР — через существующую взаимосвязь между электрической и тепловой видами энергии.

На рис. 14 и 15 приводится оценка эффекта от уменьшения токовой нагрузки по параметру напряжения в виде характерных графиков его изменения на МНВАБ1 при прохождении теневых интервалов орбиты 4 и 5 марта 2024 г. без применения и с применением метода аккумулирования тепловой энергии на борту ГСС.

Высокое остаточное напряжение после выхода ГСС из тени Земли позволяет получить большую электрическую мощность от модулей. Это способствует повышению живучести спутника при нештатной потере ориентации СБ на Солнце. Резервное время его существования будет определяться при зафиксированной токовой нагрузке продолжительностью токопроизводящих процессов в МНВАБ1 и МНВАБ2 в зависимости от остатков мощности до падения напряжения в каждом модуле к значениям ~17,5 В.

Определим примерный уровень уменьшения степени деградации аккумуляторов МНВАБ за счёт уменьшения глубины циклирования при их работе под нагрузкой во время прохождения ГСС теневых интервалов орбиты. Для этого используем экспериментальные данные зависимости степени деградации от глубины разряда при циклировании, представленные на рис. 6 (см. с. 33). К моменту прохождения теневых интервалов орбиты зимой–осенью 2024 г., энергоёмкость аккумуляторов каждого модуля составляла ~2 150 Вт·ч, что означает ~77% номинальной начальной энергоёмкости 2 800 Вт·ч. Для дальнейшей оценки используем экспериментальный график, соответствующий С _н ≈ 80%.

В рассмотренном примере прохождения теневых интервалов орбиты 4 и 5 марта 2024 г. без применения и с применением метода аккумулирования тепловой энергии на борту ГСС, имеем остаточные уровни заря-женности аккумуляторов каждого модуля ~1 250 и ~1 000 Вт·ч. В процентном отношении от исходной заряженности ~2 150 Вт·ч, с учётом остаточных энергоёмкостей, глубина разряда составила ~42 и ~53%, что соответствует уровням деградации ~0,0025 и ~0,0035 %/цикл (см. рис. 6, с. 33).

В принятой градуировке шкал, при максимально возможной деградации 0,008 %/цикл, уменьшение степени деградации составляет ~12,5%. Для каждого прохождения теневого интервала орбиты эффект от применения метода всегда будет положительным, но разным, зависящим от варианта управления СОТР и другими БС, продолжающими работать на теневом интервале. Выбор варианта осуществляется эвристическим и эмпирическим способами по результатам анализа параметра токовой нагрузки с использованием данных ретроспективного натурного моделирования работы всех БС ГСС на предыдущих теневых интервалах орбиты. Рассмотренный пример соответствует ситуации,

О ^       оо       оо 1                                                                                  1                                                                                  1 НС кинэьопош инод -rh—г 1 1 О Fz^Z L T^ZL : L V7 L :9£ZL ;i£Zl i 3 и S’ t^      ^      ю      ^      со CM n—Ft- 1 1 1 1 ES^ZL E^TZL TL7L =80:ZL TOT L EOOTL :SS:9L EW9L >3 F F 6 § & s ? ° § з ® F а © <3 V© '3 « 2 2 § § 1 = Q F F ^1: 1 1 1 0V:9L ST9L EZ?9L TS^L 7 i J I r | 1 1 1 1 :6L:9L ;

О}       оо г*       го ю ^ со с^ ^       о

1

1

1 1 1 с SJ' 1 1 1 1 1 1 1 SJ 1. Г ' 1 1 1 ••«Г* 1 1 1 Г 1 1 1 1 1 1 1 /1 r 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

ь-.

■ ^ —■

1 1 1 1 1 1 1 1 -к 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 “Г 1 1 1 1 1 “1“ 1 1 1 "’И4 к 1 -г1 1. ^ ’ 1 1 .Дг f “ 1 1 1

ж м « . — -“

— — “"1

E8L7L Eiz^ZL Е LL7L Е 80:Z L Е WZ L Е JOZ L E8S:9L E9S:9L EZS:9L E6^9L E9V:9L EZ^9L E 8£:9L ES£:9L EZ£:9L E8?9L ESS9L EZ?9L E6L9L :9L:9L E8L9L E 0 L:9L EZ0:9L s E£0:9L ^ E00:9L « E9S:SL & :£S:SL EOS:SL E 9V:S L E 8^5 L E Liz^L E8£:SL 9£:SL EHESL EZ^SL E6?SL EZ?SL ES?SL - ги1 6L:SL EZWL EZTSL 1 80:S L SO:SL t LO:SL E ZS:td E LWL = 8Z^l

^oo^x^^m^cocN^ooi оог^гою ^сосм^о^смсо ^^^^^^^^^^^^            III

□о ‘всШвсЬшмэх

когда расход электроэнергии из аккумуляторов близок к максимальному при наибольших по продолжительности теневых интервалах орбиты. Статистическая обработка результатов определила промежуток эфективности использования метода от ~8 до ~14% для различных по продолжительности интервалов орбиты.

Методы рационального управления энергоёмкостью никельводородных аккумуляторов при проведении тестово-восстановительного цикла. Проведение тестово-восстановительного цикла (ТВЦ) МНВАБ направлено на восстановление массы гидроксида никеля, участвующего в электрохимической реакции, и, тем самым, на восстановление энергоёмкости аккумуляторов (рис. 16, с. 46). Востановление производится за счёт снятия пассивации активной массы гидроксида никеля ОНЭ и уменьшения массы кислорода в газовом объёме НВА, препятствующего электрохимической реакции [1].

При этом производится управление вариантами (10) наиболее рациональным образом через разработку индивидуальных тестовых циклограмм, учитывающих текущую ситуацию на борту спутника. Начальным шагом в этом направлении является выбор даты проведения ТВЦ, которая соответствует условию получения максимальной мощности холодильника РП АСОТР.

Такому условию соответствует дата нахождения ГСС

Рис. 14. Напряжение модуля № 1 никель-водородных аккумуляторных батарей (МНВАБ1) на теневом интервале орбиты с использованием метода аккумулирования тепла (рисунок создан авторами)

Время, ч:мин

Рис. 15. Напряжение модуля № 1 никель-водородных аккумуляторных батарей (МНВАБ1) на теневом интервале орбиты без использования метода аккумулирования тепла (рисунок создан авторами)

на орбите, когда РП АСОТР полностью находится в тени, создаваемой конструкцией спутника, т. е. полностью закрыт от Солнца.

Для примера применения метода рассмотрим циклограмму ТВЦ, разработанного для МНВАБ1 и проведённого 21–25 октября 2024 г. (рис. 16). На рисунке цифрами обозначены временные границы интервалов инвариантов поведения параметра порядка — тока i модуля аккумуляторных батарей в ТВЦ:

0–1 — вариант процесса дозаряда током i = 15±1 А. Входным дополнительным внешним воздействием на процесс является температура на корпусах НВА, которая обеспечивается настройкой работы АСОТР в рациональном температурном диапазоне 5... 15 ° С. Процесс заряда до ВУЗ завершается по результатам контроля давления и температуры НВА. При этом по алгоритму работы СЭС рассчитываются текущие значения приведённого к температуре давления согласно выражению P = P _c /[293 /(273 + t _c )], где P _c — среднее значение давления, измеренного в четырёх НВА; t _c — среднее значение температур, измеренных датчиками ТАК11, ТАК13, ТАК14 (см. рис. 1, c. 26). Предельно допустимым на текущий момент было принято экспериментально установленное значение ~58 кгс/см ² , соответствующее началу бародинамического перегиба на графике уровня заряженности МНВАБ ~(0,95...1,00) С _н ;

1–2 — вариант процесса разряда током i = 40±2 А. Температура на корпусах НВА поддерживается в рациональном диапазоне 15...22 ° С. Завершение разряда по срабатыванию датчика минимального напряжения 17,5±0,2 В. Уровень энергоёмкости МНВАБ составляет ~1 806 Вт·ч;

2–3 — пауза, ток разряда 0. Продолжительность паузы выбирается из условия понижения температуры на корпусах НВА до 10-15 ° С. Обеспечение оптимальных температурных условий для доразряда на тарированном разрядном сопротивлении (РС) — резисторе;

3–4 — вариант процесса дораз-ряда МНВАБ током i < 0,1 А с выдержкой при накоротко замкнутом на РС до полного прекращения электрохимического процесса и перехода к баро- и породинамическому процессам. Происходит освобождение ОНЭ от О2, накопленного во время предыдущей эксплуатации, за счёт его вытекания из пор и частичного восстановления воды: 2Н2 + О2 = 2Н2О. Выдержку прекращают при снижении напряжения на одном из НВА до ~0,3 В;

4–5 — вариант процесса заряда МНВАБ током i = 15±1 А от нулевого уровня энергоёмкости до ВУЗ. Поддержание температуры на корпусах НВА в рациональном температурном диапазоне 5...15 ° С;

5–6 — вариант процесса подзаряда малым током i = 1,4±0,2 А до детекции напряжения на НВА [5], соответствующей перегибу на графиках напряжения, после достижения верхней точки или экспериментально установленного ограничения продолжительности режима не более 48 ч. Выполнение условия поддержания температурного режима по среднему значению температур корпусов меньше 22 ° С на всём интервале. Перезаряд отдельных НВА составляет ~1,10...1,15 С _н ;

6–7 — вариант процесса разряда током i = 40±2 А до срабатывания датчика минимального напряжения 17,5±0,2 В. Температура на корпусах НВА поддерживается в рациональном диапазоне 15...22 ° С. Уровень энергоёмкости МНВАБ составляет ~2 407 Вт·ч;

7–8 — вариант процесса заряда МНВАБ током i = 15±1 А от уровня энергоём- кости при минимальном напряжении 17,5±0,2 В до ВУЗ. Поддержание температуры на корпусах НВА в рациональном температурном диапазоне 5...15 °С;

8–9 — вариант процесса повторного подзаряда малым током i = 1,4±0,2 А до детекции напряжения на НВА при поддержании температурного режима по среднему значению измеренных температур корпусов меньше 22 ° С на всём интервале. Перезаряд отдельных НВА составляет ~1,10...1,15 С _н ;

9–10 — вариант зачётного тестового разряда МНВАБ током i = 40±2 А до срабатывания датчика минимального напряжения 17,5±0,2 В. Температура на корпусах НВА поддерживается в рациональном диапазоне 15...22 ° С. Уровень энергоёмкости МНВАБ составляет ~2 191 Вт·ч;

10–11 — вариант процесса заряда МНВАБ током i = 15±1 А при минимальном

КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ № 4(51)/2025

начальном напряжении 17,5±0,2 В до ВУЗ по завершении ТВЦ. Поддержание температуры на корпусах НВА в рациональном температурном диапазоне 5...15 ° С.

Поддержание рациональных значений температуры в различных вариантах токопроизводящего процесса при проведении теста осуществляется периодическим подключением конденсатора РП к охлаждению теплоносителя в КТТ посредством включений ТЭМХ. По сравнению с начальным периодом эксплуатации АСОТР продолжительность и частота включения ТЭМХ увеличились. Связано это с тем, что мощность холодильника РП по мере пребывания ГСС на орбите постепенно уменьшалась из-за деградации терморегулирующего покрытия.

В результате проведения ТВЦ получен синергетический ресурс энергоёмкости МНВАБ ~300 Вт·ч. До проведения ТВЦ энергоёмкость аккумуляторов модуля составляла ~1 806 Вт·ч, а после ТВЦ стала ~2 100 Вт·ч.

Метод обеспечения рациональных температурных условий для сохранения разрядной энергоёмкости МНВАБ в вариантах саморазрядного процесса [12]. Большую часть полётного времени ГСС аккумуляторы находятся не под нагрузкой, а в режиме готовности к применению, в заряженном состоянии. Указанному состоянию соответствует вариант само-разрядного процесса, которым можно управлять воздействием на внешние факторы, влияющие на электрохимический процесс. При отсутствии токовой нагрузки основным фактором является внешнее температурное воздействие. Поддержание температуры в зоне электрохимической реакции в наиболее рациональном диапазоне 5... 15 ° С приводит к уменьшению скорости саморазряда. Кроме того, что сам процесс проходит с минимальным выделением кислорода, сокращается необходимое количество подзарядов для поддержания МНВАБ на верхних уровнях заря-женности. В совокупности это уменьшает механическую нагрузку на ОНЭ и тем самым способствует продлению его ресурса.

Поддержание температур в рациональном диапазоне производится ситуационно, в зависимости от состояния, в котором находится надсистема — ГСС. В свою очередь, ситуация зависит от освещённости спутника со стороны северной и южной панелей, в одной плоскости с которыми находятся РП АСОТР МНВАБ1 и МНВАБ2. По мере увеличения освещённости РП уменьшается мощность холодильника, и наоборот — она увеличивается по мере затенения РП элементами конструкции спутника. Поэтому продолжительность задействования КТТ для охлаждения МНВАБ каждый раз меняется. На тепловую модель поведения СТС (МНВАБ+АСОТР) в процессе саморазряда существенно влияет подзаряд аккумуляторов. В результате метод обеспечения рациональных температурных условий является ситуационным. Он состоит в наблюдении за температурой в контролируемой зоне установленных датчиков с периодическим подключением КТТ путём включения–выключения ТЭМХ1 и ТЭМХ2 (рис. 17).

На рис. 17 в виде двух наложенных прямоугольных импульсов показано время включения ТЭМХ1 и ТЭМХ2 (продолжительность работы 10 мин). При этом момент времени определяется при условии устойчивого роста температур в НВА. Учитывая открытость системы, указанному росту могли способствовать различные температурные процессы, происходящие в надсистеме — конструкционных элементах ГСС. Суточно-сезонная освещённость спутника Солнцем приводила к ситуационному нагреву элементов его конструкции, на которых были установлены элементы СТС (см. рис. 1, с. 26). За счёт теплопередачи часть тепловой энергии разогревала НВА. Тепловое излучение от находящихся рядом приборов также могло повлиять на повышение температуры. Кроме того, внутренняя нестацио-нарность сложного токопроизводящего процесса (6) приводит к наличию токов саморазряда. При отсутствии внешней токовой нагрузки выделившаяся электрохимическая энергия преобразуется в тепловую.

Концептуальная модель ситуационного управления функциональным состоянием СТС при решённой задаче

оперативной идентификации ситуации позволяет выбирать и осуществлять оперативные решения. При этом выбор варианта проактивного управления базируется на анализе результатов моделирования поведения системы в аналогичных ситуациях на предыдущих витках. В конкретном случае решение принималось, исходя из условия предотвращения выхода за верхний допустимый температурный диапазон 15 ° С текущего значения при устойчивом градиенте роста ~2 ° С в час.

Метод обеспечения начальных рациональных температурных условий эксплуатации МНВАБ при переходе от варианта саморазряд-ного процесса к вариантам разрядного и зарядного процессов. Снабжение ГСС электроэнергией при прохождении теневых интервалов орбиты обеспечивается вариантами разрядного и зарядного процессов МНВАБ1 и МНВАБ2. На рис. 18 представлены графики изменения энергетических характеристик МНВАБ1 в течение суток с теневым интервалом орбиты ~72 мин. Разряд аккумуляторов начинается в начале теневого интервала и заканчивается при его завершении. После этого производится заряд до ВУЗ. Как видно из графика, в начале аккумулирования тепловой энергии ток нагрузки увеличился на ~30 А при энергообеспечении от СБ. Как только спутник начал полёт на теневом интервале, ток нагрузки был уменьшен на ~60 А перенастройкой рабочих диапазонов ЭН.

На теневом интервале орбиты расход электроэнергии из модуля составил ~1 000 Вт·ч. При КПД ≈ 0,75 (определяется при выполнении ТВЦ), в тепловую энергию трансформировалось ~250 Вт·ч энергоёмкости аккумуляторов. Следовательно, мощность тепловыделения составляла ~210 Вт на интервале продолжительностью ~1,2 ч. В свою очередь, ранее оценённая мощность холодильника РП составляет ~70 Вт, что в три раза меньше тепловыделения в НВАБ. Часть оставшейся тепловой энергии разогревает теплоноситель и элементы конструкции АСОТР. Таким образом, увеличивается интегральная мощность холодильника, которую обеспечивает АСОТР за счёт нагрева элементов конструкции КТТ и РП (см. рис. 1, с. 26).

Наиболее теплонапряжённой для НВА является работа под нагрузкой на теневом интервале орбиты. При этом наблюдение за тепловыми процессами показывает, что запаса интегральной мощности холодильника АСОТР достаточно для поддержания рационального температурного диапазона в НВА. Как видно из температурных графиков, построенных по показаниям датчиков, размещённых на РП, и графика среднего значения показаний температурных датчиков, расположенных на поверхности НВА (рис. 19), в критической точке терморегулирования температура на РП меньше на ~20 ° С, чем на НВА.

Аналогичным образом определяется мощность тепловыделения для варианта заряда МНВАБ1 током 16,0±1,0 А (с 17:00 до 19:47) до ~2 080 Вт·ч, с последующим выбором варианта подзаряда током 1,4±0,2 А.

Анализа температурных графиков на текущем витке достаточно для принятия решения по управлению СТС на следующем витке при аналогичной ситуации в БС ГСС и т. д. При этом принятую в качестве эталона натурную тепловую модель поведения СТС в случае необходимости корректируют выбором поправок времени включения ТЭМХ1 и ТЭМХ2.

В конкретной ситуации наиболее целесообразным решением является плавный температурный переход в НВА между вариантами саморазряда и разряда в пределах наиболее целесообразного диапазона. Для обеспечения такого перехода предварительно до начала интервала задействуются КТТ и РП путём включений ТЭМХ1 и ТЭМХ2 (рис. 1 и 19), где введены обозначения включений в виде двух наложенных прямоугольных импульсов, ширина которых определяет продолжительность работы ТЭМХ (~10 мин перед началом теневого интервала).

Обсуждение результатов применения методов

По результатам анализа ТВЦ МНВАБ1, проведённого 21–25 октября 2024 г., энергоёмкость составила ~2191 Вт·ч, а энергоёмкость

STXWGl и TTXW61 кинэьошмя инод

МНВАБ2 после ТВЦ, проведённого 12–17 августа 2024 г., ~2209 Вт·ч. При этом в конце зачётных зарядов напряжение МНВАБ1 и МНВАБ2 имело значения ~27,14 и ~27,35 В соответственно.

Применение методики отсчитывается от первоначального использования метода аккумулирования тепловой энергии при прохождении спутником теневых интервалов орбиты осенью 2006 г. и далее — до текущего момента полёта ГСС. При этом исходная энергоёмкость МНВАБ1 и МНВАБ2 составляла ~2 108 и ~2 392 Вт·ч соответственно.

По техническим условиям эксплуатации, гарантированная суммарная энергоёмкость двух МНВАБ на конец САС ГСС (12,5 лет — август 2016 г.) должна была быть не менее 4 160 Вт·ч. (2 080 Вт·ч по каждому модулю). С момента начала применения методики и до текущего момента энергоёмкость каждого модуля не опускалась ниже указанного уровня. Более того, за последние шесть лет наблюдений происходит небольшой рост энергоёмкости при незначительном увеличении напряжений на НВА. В 2023 г. при проведении ТВЦ МНВАБ1 и МНВАБ2 значения напряжения были идентичны соответствующим значениям ТВЦ 2024 г., т. е. ~27,14 В и ~27,35 В. Увеличение напряжения, которое фиксировалось на уровне третьего знака после запятой в отдельных НВА при проведении ТВЦ МНВАБ, начиная с 2007 г., указывает на имевшиеся незначительные увеличения пористой среды ОНЭ. Об этом можно судить по анализу полученной при наземных испытаниях экспериментальной зависимости напряжения от электролитосодержания (рис. 20) [1, 6].

Породинамический процесс включает в себя три разных механизма порообразования. Первые два механизма изменения пористой структуры (выделение кислорода и фазовые переходы между бета- и гамма-фазами гидроокиси никеля) вызваны механическим действием на материал пористой части ОНЭ. Они сопровождаются упрочнением пористой структуры из-за эффекта «наклёпа». Применение методов рационального управления энергоёмкостью МНВАБ привело к постепенному затуханию указанного поро- образования, до завершения указанного эффекта. Об этом можно судить по данным анализа ТВЦ за последние ~6 лет, где заметного роста напряжения на отдельных НВА не наблюдается. Синергетические наблюдения пористости ОНЭ через напряжение на НВА и энергоёмкость АЭ видимого изменения не показывают, что свидетельствует о стабильности электролитосодержания (рис. 20). В свою очередь, оценка электролитосодержания через напряжение говорит о неизменной энергоёмкости, которой отвечает (см. рис. 4, с. 32) предельно упрочнённое состояние пористости ОНЭ.

Увеличению энергоёмкости МНВАБ способствует третий механизм порообразования — условно «положительная» деградация АЭ из-за коррозии ОНЭ [1], приводящая к образованию дополнительной активной массы гидроксида никеля при следующей реакции: Ni + 2H ₂ O = Ni(OH) ₂ + H ₂ . Коррозия ОНЭ приводит к увеличению пористости среды и тем самым увеличивает дефицит электролита, но при этом приводит и к некоторому росту располагаемой ёмкости из-за увеличения активной массы гидроксида.

Впервые в космическом полёте экспериментально показано, что суммарный эффект от коррозии ОНЭ НВА является положительным при его оценке по критериальной шкале энергоёмкости. Наиболее вероятно, что дальнейший ресурс энергоёмкости МНВАБ в целом будет определяться продолжительностью процессов коррозии до разрушения ОНЭ в НВА. Самоорганизация процессов коррозии в сложном токопроизводящем процессе (6) находится в энергетической и вещественной синергетической взаимосвязи с электрохимическим и бародинамическим процессами. Поэтому при соблюдении принятых методов управления энергоёмкостью МНВАБ рациональность в постановке задачи (8) распространяется и на третий механизм порообразования.

Если взять за основу прогнозные значения энергоёмкости МНВАБ до начала проведения методических мероприятий (см. табл. 1, с. 29) и сравнить их с данными, полученными при проведении ТВЦ МНВАБ в 2024 г., можно определить условные значения полученного синергетического ресурса энергоёмкости

Электролитосодержапие, %

Рис. 20. Зависимость напряжения конца заряда от электролитосодержания окисно-никелевого электрода при заряде до 1,2С _н остаточной энергоёмкости [1, 6]

для МНВАБ1 ~350 Вт·ч и МНВАБ2 ~250 Вт·ч. Условность заключается в том, что он базируется на изначально не подтверждённом прогнозе. На основе опыта, исходя из осознания ситуации на текущий момент времени, в условиях эксплуатации на момент прогноза спутник прекратил бы своё существование до срока 9,25 лет. Объясняется это тем, что после пятилетнего срока эксплуатации энергоёмкость НВА находилась бы на уровне (~65...70%) С _н (см. табл. 1, с. 29). При сохранении существовавших токовых нагрузок (~68 A) на теневых интервалах орбиты энергоёмкости модулей было бы недостаточно для обеспечения работы БС, и скорость деградации была бы запредельна (см. рис. 6, с. 33). То есть МНВАБ отказали бы не по формальному признаку, прописанному в ТУ (по достижении энергоёмкости 2 080 Вт·ч), а физически, после разрушения структуры ЭХГ в АЭ НВА примерно через 5 лет полёта ГСС. На токовые нагрузки (~68 A) при ~30% общей деградации работа модулей не рассчитывалась.

Заключение

Впервые в мировой практике инновационными методами управления обеспечен 22-летний срок эксплуатации металл-водородных электрохимических систем на борту ГСС «Ямал-202». Данный результат был достигнут благодаря применению когнитивного интеллекта для разработки методов построения алгоритмов управления [13, 14], направленных на получение синергетического ресурса энергоёмкости аккумуляторов из состава сложной открытой нелинейной технической системы, состоящей из модуля никель-водородных аккумуляторов и автономной системы обеспечения теплового режима, построенной на базе контурных тепловых труб.

Построение методов производилось на базе синергетической теории управления динамическими системами через взаимосвязь параметра порядка — тока аккумуляторов — с параметрами бортовых систем надсистемы — ГСС «Ямал-202».