3.3 Критерии работоспособности сэс

Основное предназначение СЭС КА - надежное электроснабжение бортовых потребителей электроэнергией надлежащего качества в течение заданного срока существования КА. Как уже упоминалось, бортовые потребители условно подразделяются на дежурную нагрузку и сеансную нагрузку. Дежурная нагрузка связана с обеспечением существования КА. Сеансная нагрузка связана с выполнением КА его целевой задачи, для которой он и был запущен. Коэффициент обеспечения потребности сеансной нагрузки на некотором интервале наблюдения Т_ равен относительному промежутку времени в течение которого CЭC работает в режиме без ограничения нагрузки:

.

(3.17)

Где Т_РОН – суммарное время работы в режиме ОН на интервале времени Т_ .

Иначе говоря, при k_осн =1 обеспечивается все 100% сеансной нагрузки, система не заходит в режим ОН; при k_осн =0.5 СЭС 50% времени работает в режиме ОН; k_осн =0 СЭС работает только в режиме ОН.

Функциональный ресурс КА – это время, в течение которого СЭС обеспечивает на заданном уровне потребности сеансной загрузки. На интервале функционального ресурса КА считается полностью работоспособным. В практике отечественной космонавтики считается приемлемым кратковременное (на срок до нескольких суток) снижение параметра k_осн до уровня 0.7...0.9 (в зависимости от предназначения КА), также считается приемлемым на конец заданного ресурса КА значение k_осн в пределах 0.75…0.8. Таким образом, устойчивое снижение величины k_осн ниже уровня 0.75…0.8 означает исчерпание функционального ресурса КА.

После исчерпания функционального ресурса и до исчерпания полного ресурса КА остается еще некоторое время частично работоспособным, поскольку время от времени сеансная нагрузка еще может включаться.

Предполагаемый полный ресурс КА обусловлен исчерпанием ресурса химической батареи. В течение срока эксплуатации КА располагаемая емкость БХ непрерывно падает. При этом средняя мощность нагрузки остается практически постоянной, что обуславливает примерно постоянную величину абсолютной (в А·ч) глубины разряда БХ за повторяющийся цикл нагрузки (как правило – виток). Таким образом, относительная глубина разряда БХ за цикл нагрузки непрерывно падает в течение срока эксплуатации КА. Это означает, что непрерывно падает и минимальное напряжение до которого разряжается БХ за повторяющийся цикл нагрузки. Когда это минимальное напряжение начинает падать ниже ДМН – это приводит к систематическому включению РОН и еще некоторое время КА остается частично работоспособным. Когда же это минимальное напряжение U_БХmin приближается к нолю – это означает исчерпание ресурса БХ и исчерпание полного ресурса КА.

Этот процесс проиллюстрирован на рис. 3.3. В процессе эксплуатации располагаемая емкость БХ Q_{БХ_расп} постепенно уменьшается. При этом необходимо обеспечивать постоянную штатную глубину разряда q_.. Когда Q_{БХ_расп} становится сравнимой с q для обеспечения нормальной работы СЭС приходится прибегать к периодическому запрету сеансной нагрузки. Режим ОН начинает периодически включаться потому, что напряжение БХ начинает стабильно опускаться ниже уровня ДМН. Соответственно, если до этого времени k_осн был равен единице, то теперь его величина начинает постепенно падать. Когда она достигает уровня 0.75…0.8 – то это момент исчерпания функционального ресурса КА. Для грамотно спроектированной СЭС он должен совпадать с заданным ресурсом КА. Далее, некоторое время КА остается частично функциональным, поскольку хоть и время от времени все реже, но появляется возможность обеспечивать питание сеансной нагрузки. И наконец, через какое-то время Q_{БХ_расп} падает уже до такого уровня, что его становится недостаточно даже и для питания дежурной загрузки. Тогда минимальное напряжение на БХ за цикл нагрузки достигает нулевого уровня. Это момент исчерпания полного ресурса.

Энергобалансный расчет СЭС сводится к тому, чтобы с помощью энергобалансной модели СЭС, задавшись значениями установленной мощности БФ и установленной емкости БХ для заданного характера энергопотребления (циклограмма дежурной и сеансной загрузки) и заданного характера энергоприхода (орбита КА и способ ориентации БФ) составить прогноз изменения параметров k_осн и U_БХmin в течение предполагаемого срока жизни КА.

Для этого рассматривают серию последовательных моментов. Для каждого момента с учетом модели деградации рассчитываются значения располагаемой емкости БХ и располагаемой мощности БФ. Затем проводится численное интегрирование системы уравнений 3.1, 3.3, 3.5, 3.10-3.14, 3.16 на интервале достаточном, чтобы СЭС вышел на установившийся режим работы. Как правило, для этого достаточно несколько витков. Для установившегося режима работы находятся и фиксируются значения параметров k_осн и U_БХmin. Таким образом, получают ряд значений этих параметров для различных моментов срока жизни КА.

Если позволяют вычислительные мощности, то можно проинтегрировать состояние СЭС непрерывно на всем интервале предполагаемого времени жизни КА, заложив при этом и сезонное изменение длительности тени, характерное для большинства орбит.

Вообще-то картина, представленная на рисунке 3.3 достаточно упрошена в жертву наглядности. На ней не показано влияние на энергобаланс СЭС постоянного снижения располагаемой мощности БФ. Характер этого влияния подобен влиянию снижения располагаемой емкости БХ, однако совместное влияние этих двух факторов существенно усложняет картину.

Также, как уже упоминалось, для большинства орбит характерно сезонное изменение длительности тени (см. рис. 1.2). Изменение длительности тени приводит к тому, что регулярно изменяется потребная глубина разряда БХ для обеспечения нормальной работы СЭС. Она уменьшается с уменьшением длительности тени и опять возрастает при сезонном увеличении длительности тени. При этом при изменении длительности тени изменяется также и суммарный энергоприход от БФ в течение каждого витка. Таким образом верхний график на рис. 3.3 в реальности более похож на полет планера над горами, чем на размеренный спуск над равниною.

Как уже упоминалось, процессы деградации мощности БФ и емкости БХ в значительной степени носят случайный, стохастический характер. Деградация мощности БФ в наибольшей мере связана с бомбардировкой поверхности фотопреобразователей заряженными частицами, что создает дефекты кристаллической решетки, которые являются центрами рекомбинации электронно-дырочных пар. Следствием этого является уменьшение коэффициента собираемости и выхода по току. Также при этом уменьшается напряжение холостого хода фотопреобразователя.

Снижение емкости БХ обусловлено одновременным протеканием целого семейства процессов, основные из которых это (для НКГ и НВ БХ) – нескомпенсированный саморазряд никелевого электрода, разбаланс емкостей аккумуляторов, испарение электролита, закорачивание сепаратора металлическими микродендритами и др.

Поэтому говорить о более-менее точном прогнозе ожидаемой мощности БФ и емкости БХ через несколько лет работы затруднительно. Достаточно достоверно можно говорить только о предполагаемом интервале их значений в рамках между оптимистическим и пессимистическим прогнозом. Таким образом и при расчете k_осн и U_БХmin следует исходить из двух крайних возможных вариантов – оптимистического и пессимистического сценария деградации емкости БХ и мощности БФ, выполнив расчет для каждого из них (рис. 3.4).

Рис 3.3 – Взаимосвязь располагаемой емости БХ и критериев работоспособности СЭС

Рис 3.4 – Вероятностный прогноз ресурсных характеристик СЭС.

В результате этого расчета получаются не конкретные даты, но некоторые временные интервалы, в течение которых с приемлемой достоверностью следует ожидать исчерпания функционального и полного ресурсов. Для СЭС рационально спроектированной с точки зрения обеспечения положительного энергобаланса заданный ресурс, допуская некоторый возможный риск может находиться в пределах ожидаемого интервала исчерпания функционального ресурса и безусловно должен быть меньше пессимистического прогноза исчерпания полного ресурса.