Способ управления энергообеспечением космического аппарата и система для его реализации

Способ управления энергообеспечением космического аппарата и система для его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области электротехники и космической техники, в частности к способу и системе энергообеспечения космического аппарата (КА).

Из уровня техники известны энергосистемы КА, работа которых построена только на бортовых источниках электрической энергии, являющихся источниками первичной энергии. Такие энергосистемы устанавливаются в основном на КА, выполняющие программу полета в течение нескольких суток, при этом их полет ограничивается запасами энергии на борту, например, первый космический пилотируемый корабль «Восток» (см. Космические аппараты, под общей редакцией К.П.Феоктистова, Москва, Военное издательство, 1983).

В связи с увеличением сроков активного существования космических аппаратов появились способы и устройства управления энергообеспечением космического аппарата.

В известном «Способе управления энергообеспечением космического аппарата» (см. патент Российской Федерации №2291819 по заявке от 24.01.2005 №2005101575/11, МПК B64G 1/42, B64G 1/44) преобразуют световую энергию в электрическую на борту КА, аккумулируют электрическую энергию путем преобразования в другие виды энергии, например в энергию химических связей, осуществляют контроль за бортовым энергопотреблением, в случае превышения электропотребления над электроэнергией, преобразованной из светового вида, для энергообеспечения КА используют аккумулируемую электроэнергию.

В анализируемом техническом решении осуществляется также аккумулирование теплового (отключение группы электронагревателей в зонах аккумулирования тепловой энергии - на солнечной стороне) и механического вида (в форме сжатых газов - для работы РД на теневом участке орбиты не требуется производить дополнительных затрат электроэнергии для разогрева рабочего тела в теплообменниках-газофикаторах, если газ-насыщенный пар был заранее подготовлен для работы РД) энергии.

Недостатком известного из уровня техники технического решения является расходование основного ресурса («старения») основных бортовых источников энергии. Это приводит к уменьшению значения разрядной энергии, которую они могут отдавать бортовым потребителям. Вследствие чего КА теряет способность решать целевые задачи.

Энергетические системы КА при его электроснабжении от бортовых источников энергии относятся к критичным системам. Если в целом срок существования КА на орбите может быть определен десятками лет, то при его энергообеспечении только от бортовых источников энергии указанный срок может определяться часами.

Технический результат в предлагаемом способе управления энергообеспечения КА и устройстве для его реализации - расширение функциональных возможностей энергообеспечения КА, достигаемое за счет увеличения суммарной мощности энергии, поступающей из первого или второго приемника энергии, включаемых блоком анализа энергопотребления в случае снижения уровня электрической энергии, получаемой КА для обеспечения выполнения программы полета и оптимального расходования электрической энергии. При этом увеличение массы системы электроснабжения (на массу приемников) компенсируется уменьшением количества резервных бортовых источников.

На фиг.1 представлена схема энергоснабжения управления полетом КА, которая содержит следующие элементы:

1 - гравитационное и магнитное поле Земли;

2 - потоки высокоэнергетических протонов;

3 - лучистая энергия Солнца;

4 - канал приема электрической энергии в диапазоне частот от лазерного до микроволнового радиочастотного, а также на основе других источников электромагнитной энергии, например, основе релятивистских пучков;

5 - канал приема электрической энергии (например, кабель с электропроводящими жилами, оптическое волокно и т.д.) для приема электрической энергии от внешних источников электрической энергии, размещенных на пристыкованном КА-электростанции;

6 - кинетическая энергия корпуса КА;

7 - фотоэлектрический преобразователь солнечной батареи;

8 - энергия химических связей;

9 - тепловая энергия бортовой аппаратуры и элементов конструкции;

10 - энергия сжатых газов;

11 - первый приемник энергии, предназначенный для соединения с каналом приема электромагнитной энергии, например, в диапазоне от лазерного до микроволнового радиочастотного или на основе релятивистских пучков и т.д.;

12 - второй приемник энергии, вход которого соединен с каналом приема электрической энергии, например, электрическим кабелем, оптическим волокном и т.д., а выход - с бортовыми источниками энергопотребления КА;

13 - блок анализа энергопотребления КА и передачи сигналов о состоянии энергосистемы.

Блок 13 периодически опрашивает состояние источников энергии: блоки 7, 8, 10. С указанных блоков формируется сигнал об обобщенном состоянии энергосистемы: «Нормальное состояние энергосистемы» или «Минимально допустимый уровень энергосистемы». Во втором случае блок 13 передает соответствующий сигнал о минимально допустимом уровне энергопотребления.

В зависимости от местоположения КА возможно два варианта пополнения электроэнергии.

По первому варианту КА-электростанция, размещенная в зоне прямой видимости определяет местоположение КА, включает систему слежения за движением КА, а затем передает электромагнитную энергию, например, в диапазоне от лазерного до микроволнового радиочастотного или на основе релятивистских пучков электронов высоких энергий и т.д., на приемник этой энергии, размещенный на КА. При пополнении энергосистемы КА до уровня «Нормальное состояние энергосистемы» блок 13 формирует сигнал на отключение внешнего источника энергообеспечения и КА-электростанция прекращает подачу электромагнитной энергии и слежение за перемещением КА.

По второму варианту КА-электростанция, получив сигнал «Минимально допустимый уровень энергосистемы» КА, приближается к КА и пристыковывает разъем кабеля с токопроводящими жилами или разъем волоконно-оптический кабеля ко второму приемнику энергии 12 и пополняет систему энергообеспечения КА до уровня «Нормальное состояние энергосистемы». По достижении указанного уровня формируют соответствующий сигнал в блоке 13 на отключение системы энергоснабжения от КА-электростанции и отстыковывают разъем кабеля энергообеспечения от КА, затем КА-электростанцию перемещают на дежурную орбиту. Таким образом, осуществляют пополнение системы энергообеспечения КА и продление срока активного функционирования космического аппарата.

Для реализации первого варианта энергоснабжения возможно использование устройства для передачи электрической энергии, защищенной патентом Российской Федерации №2366058 (заявка от 16.05.2008 №2008119174/09, «Способ и устройство для передачи энергии»).

Способ передачи электроэнергии включает генерирование высокочастотных электромагнитных колебаний в передатчике с несущей частотой в диапазоне частот 1 кГц - 100 МГц, модулирование и передачу радиосигнала в передающую антенну, передачу радиосигнала в виде радиоволн к приемной антенне и возбуждение в ней гармонических электрических колебаний и передачу их в приемник потребителя, генерирование высоковольтных высокочастотных электромагнитных колебаний, модуляцию и передачу электрической энергии в виде радиосигналов производят в режиме резонанса напряжений.

Высокочастотные электромагнитные колебания несущей частоты создают путем воздействия магнитного поля постоянных магнитов на уединенную емкость в виде изолированного проводящего тела и присоединяют уединенную емкость к токосъемному электроду, усиливают по напряжению и току высокочастотные электромагнитные колебания в спиральном волноводе путем подачи на вход спирального волновода электромагнитных колебаний от токосъемного электрода через воздушный зазор к приемному электроду внешней ветви спирального волновода и воздействию на спиральный волновод магнитным полем постоянных магнитов, присоединяют внутреннюю ветвь спирального волновода к электронному модулятору и передают модулированную электрическую энергию в виде радиосигнала от передающего электрода через пространство, окружающее электрод, к приемнику потребителя.

Однако указанное устройство не позволяет его использовать для энергоснабжения КА, так как направление канала приема электрической энергии 4 в диапазоне частот от лазерного до микроволнового радиочастотного, а также на основе других источников электромагнитной энергии, например, основе релятивистских пучков приемника 11, установленного на КА, не совпадает с проводящим каналом энергетического излучения от КА-электростанции.

Технический результат заявляемой системы заключается в расширении функциональных возможностей энергообеспечения КА путем обеспечения совпадения в пространстве направления (4) приемного канала приемника 11, размещенного на КА, и канала 43, проводящего электрическую энергию от КА-электростанции.

Технический результат достигается тем, что система для передачи электрической энергии включает (см. фиг.2) устройство для передачи электрической энергии, содержащее задающий генератор 14 несущей частоты, выполненный в виде механизма вращения 15 с закрепленным на валу 16 изолятором 17. К изолятору 17 прикреплена уединенная емкость 18. Поверхность уединенной емкости 18 расположена в полюсном пространстве источника магнитного поля 19 постоянного магнита. В точке центра вращения уединенной емкости 20 прикреплен токосъемный передающий электрод 21, который проходит через полость 22 источника магнитного поля 19. Токосъемный передающий электрод 21 направлен через воздушный зазор 22 в сторону приемного электрода 23 внешней ветви 25 спирального волновода 27 с помощью электрической шины 24. Спиральный волновод 27 установлен в межполюсном пространстве источников магнитного поля постоянных магнитов 26, 29. Центральная ветвь 28 спирального волновода 27 с помощью проводника 31, проходящего через полость 30 источника магнитного поля 29, присоединена к входу 32 электронного модулятора 33, выход 34 которого подключен с помощью электрической шины 35 к месту соединения 36 контактной втулки 37 передающего трубчатого электрода 38. Передающий трубчатый электрод 38 присоединен через электрический изолятор 39 к экранирующей коробке 31, содержащей активный элемент 42 (например, лазер или волновой генератор) и отверстие 40. Электромагнитные волны расходятся в пространство от передающего трубчатого электрода 38 по проводящему каналу 43 -каналу приема электрической энергии (в диапазоне частот от лазерного до микроволнового радиочастотного, а также на основе других источников электромагнитной энергии, например, основе релятивистских пучков), совмещаемым с каналом приема электрической энергии (канал 4) первого приемника энергии, установленного на КА (11).

Устройство для передачи электрической энергии размещено на платформе 44 КА-электростанции с возможностью ориентирования указанного устройства в трех плоскостях X, Y, Z с помощью ракетных двигателей 45, 46, 47, которые вращательным движением платформы 44 по трем осям X, Y, Z совмещают проводящий канал 43 КА-электростанции с каналом приема электрической энергии 4 первого приемника энергии 11 на КА.

На платформе 44 размещен на расстоянии L1 от центра проводящего канала 43 лазерный дальномер 48, который оптически связан с уголковым отражателем 49, находящимся на расстоянии L2 от центра проводящего канала 4 первого приемника энергии 11. В зависимости от прогнозируемого количества КА-электростанций, находящихся в зоне видимости на рабочих орбитах, на поверхности КА могут быть размещены от 1 до N уголковых отражателей 49 и приемников энергии 11, на расстоянии L2 друг от друга. Механизм вращения 15 соединен с валом с помощью муфты 15. Блок управления 50 соединен входами-выходами с ракетными двигателями 45, 46, 47, лазерным дальномером 48, муфтой 51, блоком анализа энергопотребления КА и передачи сигналов о состоянии энергосистемы 13.

Система работает следующим образом

При снижении уровня энергообеспечения до порогового значения блок анализа энергопотребления КА и передачи сигналов о состоянии энергосистемы 13 вырабатывает сигнал «Минимальный уровень энергосистемы», который поступает с КА на первый вход-выход блока управления 50 КА-электростанции, находящейся в зоне видимости КА. Блок управления 50 определяет навигационные параметры КА и наводит платформу на КА с помощью ракетных двигателей 45, 46, 47 по сигналам, поступающим со второго, третьего и четвертого входа-выходов блока управления 50. По команде, поступающей с пятого входа-выхода блока управления 50, включают лазерный дальномер 48, сигнал от которого поступает на уголковый отражатель 49. Отраженный от уголкового отражателя 49 сигнал возвращается в лазерный дальномер и поступает на пятый вход-выход блока управления 50, который определяет точные координаты КА и в случае необходимости вырабатывает корректирующие сигналы на блоки 45, 46, 47. Если расстояние L1 и L2 равны между собой, то от шестого входа-выхода блока 50 поступает сигнал на блок 51 - муфту, которая соединена с механизмом вращения 15 блока 14 - задающего генератора несущей частоты. Если расстояние L1 и L2 не равны между собой, то вносится соответствующая поправка в блок 47, а затем поступает сигнал на муфту 51, соединенную с механизмом вращения 15. Магнитное поле постоянного магнита 19 воздействует на уединенную емкость 18. На уединенной емкости 18 генерируются высокочастотные электромагнитные колебания с амплитудами напряжений, прямо пропорциональных секториальной скорости V_s геометрических точек поверхности вращения уединенной емкости (V_s=uR, где u - орбитальная скорость точки, R - радиус вращения точки), что создает концентрический градиент напряжения, емкостные реактивные токи и токи смещения в пространстве, окружающем поверхность уединенной емкости 18, которые возрастают от центра вращения к краю поверхности уединенной емкости. Изменяя расстояние воздушного зазора 22 между токосъемным электродом 21, проходящим через полость 20 постоянного магнита 19, и приемным электродом 23 внешней ветви 25 спирального волновода 27, подбирают частоту резонанса напряжений в спиральном волноводе 27. Передачу электроэнергии от центральной ветви 28 спирального волновода 27 с помощью проводника 31 через полость 30 постоянного магнита 33 к входу 32 электронного модулятора 33 и от выхода 34 электронного модулятора 43 с помощью электрической шины 35 к месту подсоединения 36 контактной втулки 37 передающего трубчатого электрода 38 активного элемента 42, заключенного в экранирующую рубашку 41, содержащую отверстие 40, осуществляют с помощью емкостных реактивных токов и токов смещения в пространстве, окружающем электрод 38, от проводящего канала 43, образуемого активным элементом 42, в режиме резонанса напряжений, при согласовании частот уединенной емкости 18 с резонансными частотами спирального волновода 27, изменяя воздушный зазор 22.

Механизм вращения 15 имеет номинальную мощность 10 кВА, количество оборотов 10-100 с^-1. Уединенная емкость 18 выполнена из медной пластины толщиной 0,005 м в виде диска диаметром 1 м, крепится к валу 18 механизма вращения 15. При вращении уединенной емкости 18 в полюсном пространстве источника магнитного поля 19 с площадью поверхности полюса Sп=1 м² и индукцией магнитного поля В=9·10^-4 Тл, на токосъемном передающем электроде 21 генерируются высокочастотные электромагнитные колебания с номинальной частотой fн=1 кГц-100 МГц. Энергия передается от токосъемного передающего электрода 21 через воздушный зазор 22 на приемный электрод 23 внешней ветви 25 спирального волновода 27 в виде искрового разряда электрического тока силой до 1000 А. Спиральный волновод 27 выполнен из медной ленты толщиной 0,001 м и шириной 0,05 м, с изоляцией между витками 0,001 м. Изменяя зазор между токосъемным электродом 21 и приемным электродом 23, получают частоту резонанса уединенной емкости 18 и спирального волновода 24 при непрерывном искровом разряде в воздушном зазоре 22 между передающим электродом 21 и приемным электродом 23.

Особенностью спирального волновода, расположенного в межполюсном пространстве постоянных магнитов, является его способность работать в режиме резонанса напряжений, накачивая электромагнитную энергию с последующим освобождением запасенной энергии. По существу генератор высокочастотных высоковольтных электромагнитных колебаний 14, выполненный в виде резонансной системы 15-31 с открытым генерирующим контуром, представляет собой аналог мазера, работающего в диапазоне частот 10 кГц-100 МГц при максимально возможной мощности с модуляцией высокочастотных электромагнитных колебаний. Накачка электромагнитной энергии в спиральном волноводе происходит следующим образом. При подаче электроэнергии от токосъемного передающего электрода 21 на приемный электрод 23 внешней ветви 25 спирального волновода 27 с частотой электромагнитных колебаний от 1 кГц до 100 МГц спиральный волновод 27 становится спиральным резонатором в режиме резонанса напряжений. Энергия от КА-электростанции поступает по энергетическому каналу 43, совпадающему с приемным каналом 4, в приемник 11 КА. Бортовая система энергообеспечения пополняет энергообеспечение до требуемого значения. В результате блок 13 вырабатывает сигнал «Нормальное состояние энергосистемы», который передает его на первый вход-выход блока управления 50.

Блок управления 50 формирует команды со второго, третьего, четвертого, пятого, шестого входов-выходов на отключение системы. Происходит отключение системы, обеспечивающей совпадение приемного канала КА и канала, проводящего энергетическую энергию от КА энергоснабжения, а также отключают устройство для передачи электрической энергии.

1. Способ управления энергообеспечением космического аппарата, включающий преобразование световой энергии в электрическую энергию на борту космического аппарата, аккумулирование на борту электрической энергии путем преобразования в другие виды энергии, контроль энергопотребления на борту космического аппарата и в случае его превышения над электроэнергией, преобразованной из световой энергии, использование аккумулируемой энергии для энергообеспечения космического аппарата, трансформируют другие виды энергии от внешних источников, воздействующих на космический аппарат, в виды энергии, потребляемые на борту космического аппарата, контролируют изменение параметров космического аппарата в результате воздействия на него указанными видами энергии от внешних источников, прогнозируют интервалы времени, на которых электропотребление превышает преобразуемую световую энергию в электрическую, для указанных интервалов времени определяют виды потребляемой энергии и ее количество, получаемые от преобразования электрической энергии и до начала интервалов времени превышения потребляемой электроэнергии над электрической энергией, преобразованной из световой энергии, аккумулируют трансформируемые виды энергии от внешних источников, соответствующие видам потребляемой энергии на указанном интервале, при этом время начала аккумулирования указанных трансформируемых видов энергии определяют, исходя из потребляемого количества и скорости аккумулирования энергии с учетом изменения параметров космического аппарата в результате воздействия указанных видов энергии от внешних источников, далее в процессе прохождения прогнозируемого интервала в первую очередь производят расход аккумулированных трансформированных видов энергии, получаемых от преобразования электрической энергии, и по мере необходимости производят расход аккумулированных видов энергии на борту космического аппарата, преобразуя их в электрическую энергию, отличающийся тем, что, если энергопотребление космического аппарата снижается ниже предельного уровня, то вырабатывают команду на подключение дополнительного источника внешней электромагнитной энергии, обеспечивают сопряжение приемного канала и канала, проводящего электрическую энергию, пополняют электромагнитной энергией систему энергоснабжения до требуемого уровня, а затем отключают дополнительный источник внешней электромагнитной энергии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что внешнюю электромагнитную энергию передают в диапазоне от лазерного до микроволнового радиочастотного излучения, а также с помощью релятивистских пучков электронов высоких энергий.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что внешнюю энергию получают по кабелю с токопроводящими жилами или волоконно-оптическому кабелю от космического аппарата-электростанции, например, атомной электростанции, размещенной на космическом аппарате.

4. Система для передачи электрической энергии, содержащая устройство для передачи электрической энергии, например в диапазоне частот 1 КГц - 100 МГц, состоящее из источника электрической энергии, генератора электрических колебаний с самовозбуждением, преобразующего энергию электрического тока в энергию электрических колебаний, усилителя мощности этих колебаний, модулятора и антенны, причем генератор электрических колебаний выполнен в виде механизма вращения вала, на котором закреплена на изоляторе уединенная емкость, уединенная емкость расположена в полюсном пространстве источника магнитного поля постоянных магнитов в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции, к центру вращения уединенной емкости присоединен токосъемный передающий электрод, направленный через воздушный зазор на приемный электрод внешней ветви спирального волновода, спиральный волновод установлен в межполюсном пространстве источников магнитного поля постоянных магнитов, к внутренней ветви спирального волновода присоединен электронный модулятор, передающий модулированную электрическую энергию в виде радиосигнала через антенну в виде передающего трубчатого электрода с активным элементом к антенне приемника радиосигналов потребителя, отличающаяся тем, что устройство для передачи электрической энергии размещено на платформе космического аппарата-электростанции с возможностью ориентирования платформы в трех плоскостях X, Y, Z с помощью соответствующих ракетных двигателей до совмещения проводящего канала космического аппарата-электростанции с каналом приема электрической энергии первого приемника энергии, размещенного на космическом аппарате, причем на платформе также размещен на расстоянии L1 от центра проводящего канала лазерный дальномер, который оптически связан с уголковым отражателем, размещенным на космическом аппарате на расстоянии L2 от центра проводящего канала первого приемника энергии, также на платформе размещены блок управления и муфта, соединенная с механизмом вращения и шестым входом-выходом блока управления, первый вход-выход которого соединен с входом-выходом блока анализа энергопотребления космического аппарата и передачи сигналов о его состоянии, второй, третий и четвертый входы-выходы соединены с соответствующими ракетными двигателями, а пятый вход-выход соединен с лазерным дальномером.

5. Система для передачи электрической энергии по п.4, отличающаяся тем, что на поверхности космического аппарата размещены N лазерных уголковых отражателей и N приемников электрической энергии на расстоянии L2 друг от друга, причем число N выбирают, исходя из возможности энергообеспечения от космических аппаратов-электростанций, расположенных на рабочих орбитах, находящихся в зоне видимости.