Автономная система энергоснабжения космических аппаратов

Автономная система энергоснабжения космических аппаратов

Реферат

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для обеспечения электропитания космических аппаратов (КА) и станций. Система энергоснабжения предназначена для применения на космических аппаратах и станциях в условиях космического пространства.

Подавляющее большинство систем космического аппарата требуют электропитания, в качестве источника электроэнергии обычно используется связка из солнечных батарей и химических аккумуляторов. Реже используются иные источники, такие как топливные элементы, радиоизотопные батареи, ядерные реакторы, одноразовые гальванические элементы.

Система энергоснабжения космического аппарата (СЭП) - система космического аппарата, обеспечивающая электропитание других систем, является одной из важнейших систем, во многом именно она определяет геометрию космических аппаратов, конструкцию, массу, срок активного существования. Выход из строя системы энергоснабжения ведет к отказу всего аппарата.

В настоящее время самым распространенным первичным источником электроэнергии являются солнечные батареи, на сегодняшний день считающиеся одним из самых надежных и достаточно хорошо отработанных вариантов обеспечения космического аппарата энергией.

Но и у солнечной батареи есть недостатки, она со временем деградируют под действием следующих факторов:

- метеорная эрозия, уменьшающая оптические свойства поверхности фотоэлектрических преобразователей;

- радиационное излучение, понижающее фото-ЭДС, особенно при солнечных вспышках и при полете в радиационном поясе Земли;

- термические удары из-за глубокого охлаждения конструкции на затененных участках орбиты, нагрева на освещенных, и наоборот. Это явление разрушает крепление отдельных элементов батареи, соединения между ними.

Существует ряд мер по защите батарей от этих явлений. Время эффективной работы солнечных батарей один из лимитирующих факторов, определяющих время активного существования космического аппарата.

При затенении батарей в результате маневров или входа в тень планеты выработка энергии фотоэлектрическими преобразователям прекращается, поэтому систему энергопитания дополняют химическими аккумуляторами (буферные химические батареи).

Но космический аппарат объединяет в себе различные системы, обязательные для сохранения работоспособности КА, и существует возможность использовать их для решения дополнительных задач параллельно с решением главной. Так жидкостную систему терморегулирования КА при незначительной доработке можно использовать как дополнительную систему энергоснабжения, а при определенных условиях эксплуатации и как основную. Поэтому в качестве ближайшего аналога для заявляемой автономной системы энергоснабжения космических аппаратов предлагается использовать эндотермическую систему терморегулирования космических аппаратов (RU 2463222, от 25.05.2011), содержащую корпус, контур охлаждения и обогрева, теплообменники, радиатор, магнитогидродинамический насос, резервуар теплоносителя, управляющий клапан, травящий клапан и токопроводящий экзотермический теплоноситель.

Недостатком известных автономных систем электропитания КА является использование только первичного источника электроэнергии (солнечной батареи и др.) и незадействование других систем используемых КА для производства электроэнергии, что становится наиболее актуально с возрастающим энергопотреблением приборов и устройств полезной нагрузки.

Задачей заявляемого изобретения является использование системы терморегулирования для получения дополнительной электроэнергии и, как следствие, повышение эффективности и увеличение мощности автономной системы электроснабжения КА.

В предлагаемом изобретении требуемый технический результат достигается тем, что в существующую жидкостную систему терморегулирования, содержащую корпус, внутри которого расположен контур охлаждения и обогрева, состоящий из последовательно соединенных теплообменника с резервуаром теплоносителя, имеющего управляющий клапан, радиатора с травящим клапаном, магнитогидродинамического насоса для циркуляции теплоносителя в конуре, после теплообменника введена турбина, соединенная с электрогенератором, который через систему управления соединен с аккумуляторной батареей и нагрузкой.

Автономная система энергоснабжения космических аппаратов показана на Фиг. 1., где:

1 - корпус;

2 - магнитогидродинамический насос;

3 - турбина;

4 - радиатор;

5 - резервуар теплоносителя;

6 - управляющий клапан;

7 - травящий клапан;

8 - контур охлаждения и обогрева;

9 - электрогенератор;

10 - система управления;

11 - нагрузка;

12 - аккумуляторная батарея;

13 - теплообменник.

Система работает следующим образом: в корпусе КА тепло от греющихся блоков аппаратуры КА передается теплоносителю, циркулирующему по внутреннему контуру охлаждения и обогрева (8). Нагретый теплоноситель после теплообменников (13) подается МГД-насосом (2) на лопатки турбины (3), приводя ее в движение. Турбина (3) соединена с электрогенератором (9) и при работе приводит его в движение, вследствие чего вырабатывается электроэнергия, поступающая в систему управления (10), которая в зависимости от существующих на данный момент времени потребностей распределяет ее или на нагрузку (11), которой являются все системы и устройства КА, потребляющие электроэнергию. При отсутствии потребности электроэнергия накапливается в аккумуляторной батарее (12). Отработанный нагретый теплоноситель поступает на радиатор (4), излучающий тепло в наружное пространство и охлаждающий теплоноситель. Далее цикл повторяется. Для предотвращения выхода системы из строя дополнительно введен резервуар теплоносителя (5) с управляющим клапаном (6). При понижении давления в системе клапан (6) обеспечивает дополнительную подачу теплоносителя, при повышении его происходит стравливание избыточного давления через клапан (7).

В качестве теплоносителя предлагаем использовать жидкости с низкой температурой кипения, например аммиак с добавлением H₂O, чтобы жидкость стала токопроводящей, для работы МГД-насоса.

Автономная система энергоснабжения космических аппаратов, содержащая корпус, внутри которого расположен контур охлаждения и обогрева, состоящий из последовательно соединенных теплообменника с резервуаром теплоносителя, имеющего управляющий клапан, радиатора с травящим клапаном, магнитогидродинамического насоса для циркуляции теплоносителя в конуре, отличающаяся тем, что в контур охлаждения и обогрева после теплообменника введена турбина, соединенная с электрогенератором, который через систему управления соединен с аккумуляторной батареей и нагрузкой.