ОАО "НПЦ "Полюс" с 1970-х гг. занимается разработкой и изготовлением комплексов автоматики и стабилизации напряжения (КАС) для систем электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА). Существенным фактором успешного развития данного научно-технического направления предприятия стало долголетнее плодотворное сотрудничество с ОАО "ИСС" имени академика М.Ф. Решетнёва" (г. Железногорск), НПО имени С.А. Лавочкина (г. Химки), ГРЦ КБ имени академика В.Н. Макеева (г. Миасс), ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс" (г. Самара), ОАО "Сатурн" (г. Краснодар), ОАО "НПП "Квант" (г. Москва).

За прошедшие годы в ОАО "НПЦ "Полюс" создано более 20 типов КАС для КА различного назначения: связи и телевещания, дистанционного зондирования Земли, космического мониторинга природной среды, исследования дальнего космоса. Функциональные возможности бортовых систем, эффективность первичных и вторичных источников питания, а также срок активного существования КА во многом определяются структурной схемой СЭП.

Основной СЭП, применяемой в разработках ОАО "НПЦ "Полюс", является параллельно-последовательная структура (рис.1), в которой шины источников энергии и нагрузки разделены между собой преобразующими устройствами (ЗУ, РУ, СН), что дает возможность максимально полно использовать ресурсы первичных и вторичных источников энергии.

Эффективность работы СЭП зависит в первую очередь от текущих эксплуатационных характеристик солнечных батарей (СБ), которые во многом определяют как уровень энерговооруженности КА, так и срок его активного существования. В большинстве спутниковых систем США и Западной Европы для регулирования напряжения на нагрузке до сих пор применяются шунтовые ограничители параллельного типа, в которых независимо от режима работы СЭП на шинах СБ поддерживается стабильное напряжение, равное напряжению на нагрузке.

Рис.1. СЭП с параллельно-последовательным регулированием мощности (параллельно-последова-тельная структура): СБ - солнечная батарея; ЗУ - зарядное уст-ройство; СН - стабилизатор напряжения; РУ - разрядное устройство; Н - нагрузка; АБ - акку-муляторная батарея.

С учетом сроков службы современных КА до 10 - 15 лет, а также воздействия факторов космического пространства при проектировании СБ предусматривается запас напряжения с целью обеспечения бортовой нагрузки на конец срока эксплуатации. При его расчете учитываются деградация, а также суточные и сезонные изменения температуры и освещенности СБ. Максимально полное использование возможностей СБ по генерации энергии реализуется с помощью экстремального регулирования её мощности.

Впервые эксперимент по такому регулированию был проведен на КА "Фобос" в 1988 г. при перелете к Марсу, что позволило увеличить мощность, генерируемую СБ, на 20 %. СЭП с экстремальным регулятором мощности (ЭРМ) СБ штатно эксплуатировались на геостационарных связных КА "Галс" (1994 г.), "Экспресс" (1996 г.), "Экспресс-А" (2000 г.), "Молния" (2001 г.) [4]. Высокая эффективность режима ЭРМ, подтвержденная летной эксплуатацией, сделала его использование практически стандартным. В настоящее время ЭРМ СБ применяется более чем на 40 КА российской спутниковой группировки: аппаратах навигационной системы "Глонасс", малых космических аппаратах 14Ф132, спутниках дистанционного зондирования Земли "Ресурс-ДК", "Ресурс-П" и др.

Суть экстремального регулирования мощности заключается в том, что при изменяющихся условиях эксплуатации рабочее (текущее) напряжение СБ поддерживается с помощью силовых устройств СН и ЗУ на уровне оптимального значения, при котором СБ генерирует максимально возможную в данных условиях мощность [4]. Принцип работы функциональной схемы (рис.2) поясняется диаграммами (рис.3,4).

Рис.2. Функциональная схема СЭП с ЭРМ: С1…С3 - сумматоры; УОН1… УОН3 - усилители сигнала ошибки; К1, К2 - компараторы; ИОН1…ИОН3 - источники опорного напряжения; ГПН - генератор пилообразного напряжения; Н - нагрузка.

При экстремальном регулировании используется известный в теории автоматического регулирования шаговый способ поиска экстремума. Алгоритм работы ЭРМ при этом следующий:

вычисляется и запоминается значение мощности, генерируемой СБ;

солнечная батарея космический аппарат

ЭРМ, воздействуя на силовые преобразующие устройства СЭП, изменяет (увеличивая либо уменьшая) напряжение СБ на некоторое значение;

вычисляется значение мощности, генерируемой СБ при измененном напряжении;

сравниваются запомненное и вновь вычисленное значения мощности СБ.

Если в результате изменения напряжения СБ её мощность возросла, то на следующем цикле (шаге) работы ЭРМ напряжение СБ изменяется в прежнем направлении, если, наоборот, уменьшилась - то в противоположном. Таким образом, в каждый момент времени определяется рабочая точка ВАХ (рис.3), в которой энергия, генерируемая СБ, максимальна, и соответственно происходит воздействие на силовые преобразователи СЭП с целью поддержания напряжения СБ в этой точке.

В основу управления СЭП разработок ОАО "НПЦ "Полюс" заложен зонный принцип управлениями силовыми блоками, в соответствии с которым ЭРМ воздействует на систему управления силовыми модулями (СН, ЗУ), обеспечивая смещение рабочей точки.

При недостатке мощности СБ рабочая точка смещается от оптимального значения (точка О) в зону стабилизации СН (точка С). Ток заряда АБ при этом отсутствует, стабилизация выходного напряжения обеспечивается стабилизаторами напряжения. При дальнейшем уменьшении мощности СБ либо увеличении мощности нагрузки рабочая точка смещается в диапазон стабилизации РУ, при этом происходит разряд АБ.

При избытке мощности СБ положение рабочей точки смещается в зону работы ЗУ (точка В). Выходное напряжение стабилизируется СН, при этом выполняется заряд АБ.

Рис.3. Вольт-амперная и вольт-ваттная характеристики СБ.

Рис.4. Зонный принцип при экстремальном регулировании с помощью СН и ЗУ.

Характеристики СЭП с ЭРМ для КА "Ресурс-ДК1" и для КА спутниковой группировки "Глонасс" (14Ф113 и 14Ф143) представлены ниже:

Оценка результатов работы СЭП с ЭРМ показала, что экстремальное регулирование позволяет увеличить отбор энергии от СБ до 15 %. Особенно это проявляется в момент выхода КА из тени, когда температура и освещенность СБ низки и положение точки экстремума мощности значительно отличается от положения рабочей точки, стабилизируемой зарядными устройствами при выключенном ЭРМ, что обеспечивает более эффективное восполнение емкости АБ (рис.5) [2].

Рис.5. График изменения мощности СЭП, поступающей на заряд АБ, при включенном (1) и выключенном (2) ЭРМ.

Для малых космических аппаратов метод регулирования мощности СБ имеет ряд особенностей вследствие сложной пространственной архитектуры этих батарей, поскольку из-за экономии массы и высоких требований по минимизации габаритов данные аппараты чаще всего имеют неориентированные СБ, расположенные на корпусе и откидных панелях. Усложнение конструкции приводит к параллельной работе большого количества фотопреобразователей, что обусловливает существенное различие температурных условий их работы. Разброс значений оптимального напряжения U_опт. секций СБ составляет от долей вольта до десятков вольт. Поэтому на суммарной вольт-амперной характеристике, кроме основного экстремума, в котором сосредоточена основная мощность СБ, может быть несколько локальных экстремумов со значительно меньшей мощностью.

Основным условием корректной работы шагового ЭРМ является отсутствие таких локальных экстремумов [3]. Если условие единственности экстремума не соблюдается, то ЭРМ может распознавать локальный экстремум как абсолютный, что приведет к отклонению от оптимального режима работы СБ.

В настоящее время СЭП с ЭРМ широко применяются как на отечественных, так и на зарубежных КА. В случае неориентированных СБ возможно решить проблемы возникновения локальных экстремумов на суммарной вольт-амперной характеристике посекционным управлением регуляторами напряжения. Подобная архитектура СЭП позволит избежать таких экстремумов и максимально полно использовать мощность всех секций СБ.

Использование ЭРМ при небольших аппаратных затратах позволяет получить максимальную эффективность СБ, что подтверждается успешной многолетней летной квалификацией.

На сегодняшний день в ОАО "НПЦ "Полюс" продолжаются исследования по поиску оптимальных алгоритмов работы ЭРМ СБ и схемотехнических решений, обеспечивающих повышение эффективности работы ЭРМ для КА с неориентирован-ными СБ.

Литература

Литература