№ 1
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2009
УДК 621.356
© 2009 г. ЖЕЛЕЗНЯКОВ А.Г., КОВТУН B.C., САГИНА Ж.В.
ХАРАКТЕРИСТИКИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ НА ЗАВЕРШАЮЩЕМ ЭТАПЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГЕОСТАЦИОНАРНОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
Приведены сведения о результатах длительной эксплуатации на геостационарной орбите никель-водородных аккумуляторных батарей в общем корпусе в составе информационного космического аппарата "Ямал-100", запущенного в 1999 г., сделаны выводы о перспективах использования никель-водородных аккумуляторных батарей с общим корпусом для космических аппаратов с функционированием более 10 лет.
В сентябре 1999 г. на геостационарную орбиту ракетой "Протон" был выведен космический аппарат (КА) "Ямал-100". Технические решения, осуществленные в процессе создания КА "Ямал-100", были обусловлены ходом развития и эксплуатации западных и американских спутников связи, результатами проектных изысканий российских специалистов и достижениями новейших технологий в области космической техники.
Одним из таких достижений было использование на борту КА разработанного модуля никель-водородных аккумуляторов (МНВА), включающего в себя две никель-водородные аккумуляторные батареи в общем корпусе (НВАБ) и средства термоста-тирования в виде радиационного теплообменника (РТО) [1]. Электрическая разрядная мощность каждой из двух НВАБ составляла 1,5 кВт при энергоемкости 1900 Вт ■ ч. Разработка МНВА была осуществлена РКК "Энергия" и Уральским электрохимическим комбинатом.
Разработка аккумуляторных батарей в общем корпусе позволила (по сравнению с использовавшимися ранее аккумуляторами в индивидуальных корпусах) повысить на 20-30% удельные энергомассовые характеристики и в три раза повысить показатель энергоемкости на единицу объема [1].
Разработанный МНВА обеспечил номинальные температурные условия для режимов заряда, разряда и хранения НВАБ в процессе летной эксплуатации в течение восьми с половиной лет полета КА "Ямал-100". Кроме того, МНВА обеспечил температурные условия для проведения автономной наземной отработки НВАБ и подготовку батарей на стартовой позиции перед запуском КА.
Преимущества вновь разработанной НВАБ в общем корпусе по сравнению с применяемыми ранее металл-водородными аккумуляторами:
- высокие удельные энергомассовые характеристики и показатели энергоемкости на единицу объема;
- минимальное тепловыделение за счет высокого КПД;
- надежность работы, вычисленная по оценкам утечки водорода в процессе эксплуатации и выбору запаса прочности корпуса при изготовлении (до четырех единиц);
- продолжительный ресурс эксплуатации при номинальной нагрузке;
- удобство контроля и управления при эксплуатации;
- относительная технологическая простота изготовления.
При производстве НВАБ использован ряд новых технологий и материалов:
- разработанные нанотехнологии изготовления катализатора водородного электрода, переработки асбеста и оксида магния для электролитосодержащего сепаратора и режимов формирования пористой заготовки оксидно-никелевого электрода на основе нанопорошков никеля;
- разработанный композиционный материал на основе армированного полисуль-фона и технологические режимы опрессовки электродов и сепаратора по внутренней и наружной окружностям;
- применение титанового корпуса НВАБ, не имеющего аналога в мировой практике, эксплуатирующегося в условиях переменного давления водорода от 0,2 до 7,0 МПа;
- практически абсолютная герметичность корпуса НВАБ, заполненного водородом, за счет разработанных технологических процессов, обеспечивающих сварку стальных датчиков давления и тоководов с титановым корпусом;
Состав МНВА и особенности разработанной конструкции НВАБ в общем корпусе приведены в [1].
Основные результаты эксплуатации модуля никель-водородных аккумуляторов в составе космического аппарата "Ямал-100"
В течение восьми с половиной лет штатной эксплуатации МНВА для текущего анализа и диагностики проводился ряд технических мероприятий:
- функциональное исследование тепловых процессов, протекающих в НВАБ, позволяющее обеспечивать оптимальное управление энергоресурсами НВАБ [2];
- оперативный контроль герметичности НВАБ, по чувствительности соизмеримый с методами наземного контроля [3, 4];
- анализ ресурсосберегающих условий эксплуатации НВАБ по направлениям: режимы заряда и разряда НВАБ; ток нагрузки; условия соблюдения оптимальности заряда на верхних уровнях заряженности; глубина разряда НВАБ; влияние температуры на основной токогенерирующий процесс в НВАБ [2, 5];
- определение уровня заряженности НВАБ с учетом среднеобъемной температуры водорода и электрохимической батареи [6];
- восстановление энергоемкости НВАБ в тестово-восстановительных циклах [7].
МНВА интенсивно эксплуатировался два раза в году (весной и осенью), когда КА
в течение 45 сут. затеняется от Солнца Землей. Максимальная продолжительность тени в дни осеннего и весеннего равноденствия составляет ~72 мин. в сут. С начала полета пройдено 17 сезонных (осенних и весенних) этапов эксплуатации на теневых орбитах.
Анализ телеметрической информации и тестовые проверки функционирования МНВА в составе КА "Ямал-100" после восьми с половиной лет эксплуатации в феврале 2008 г. подтвердили его работоспособность и возможность дальнейшего обеспечения электроэнергией бортовых потребителей КА. В процессе штатной эксплуатации НВАБ в составе модуля произошло некоторое снижение энергоемкости и ухудшение (деградация) их основных характеристик (в частности, зарядного и разрядного напряжения).
Максимальная мощность бортовых потребителей КА "Ямал-100" при работе на теневых участках орбиты весной 2008 г. составляла ~1300 Вт. Это требует в течение максимальной тени иметь энергоемкость вторичных источников питания ~1600 Вт ■ ч. При располагаемой энергоемкости двух батарей модуля ~2200 Вт ■ ч после восьми с половиной лет его эксплуатации и прогнозировании процесса изменения технического состояния на основании сведений о деградации энергетических характеристик аккумуляторы могут обеспечить продолжение функционирования КА в течение еще, как минимум, двух лет.
и, в
-200 0 400 800 1200 1600 2000
Уровень заряженности, Вт • ч
Рис. 1. Изменения напряжения НВАБ1 при тестовом заряде током 10А: 1 - 2000 г.; 2 - 2004 г.; 3 - 2008 г.
Статистические данные по основным характеристикам модуля никель-водородных аккумуляторов
Изменения основных характеристик МНВА в течение всего срока эксплуатации приведены на рис. 1-6. Текущий уровень заряженности ^р(х) НВАБ1,2 определялся по аппроксимирующей интегральной барометрической формуле
^р(т) = К[(Р(т) - Р0)/(Гк(х) + 273)], [Вт • ч],
(1)
где К - коэффициент уровня заряженности, К = 13400, Вт • чК/(кгс/см2); Р0 - расчетное значение давления водорода в конце тестового разряда при срабатывании датчика минимального напряжения (15В), кгс/см2; Р(т) - текущее давление водорода в данный момент времени, кгс/см2; Тк(т) - текущая температура корпуса НВАБ, °С.
Разрядная энергоемкость батарей определялась по выражению
^ = ^р(тк) - ^р(Те), (2)
где ^р(хк) - уровень заряженности батареи в момент времени прекращения заряда; ^р(х0) - уровень заряженности батареи в момент срабатывания датчика минимального напряжения (15 В).
Несовпадение на рис. 1 начала заряда с нулевым значением шкалы уровня заряженности объясняется наличием остаточного давления в батарее после разряда, отличающегося от значений расчетного значения Р0 в (1). На определение разрядной энергоемкости батареи по (2) указанное смещение шкалы не влияет.
В феврале 2004 г. в связи с началом эксплуатации на орбите КА "Ямал-200" и технологического переключения части потребителей спутниковой связи с "Ямал-100" на "Ямал-200" существенно снизилась нагрузка на МНВА (рис. 3, 4). Это позволило иметь несколько меньшие запасы электроэнергии в МНВА, что дало возможность уменьшить уровень допустимого перезаряда батарей (от ~1,1 Wн до ~1,04 Wн, где -номинальный верхний уровень заряженности НВАБ) для сохранения их ресурса с учетом проявления некоторой нестабильности в их работе.
С 2005 г. была отмечена нестабильность в работе одного из 18 аккумуляторных элементов (АЭ) НВАБ1 (годом позже и НВАБ2), проявляющаяся через снижение уровня напряжения на аккумуляторах. Это привело к ступенчатому падению напряжения при разряде и снижению среднеразрядного напряжения в целом (см. рис. 2, 6). По-
и, в 26
24
22
20
18 2000
— 2
Л 11111111 1
1600 1200 800 400 0
Уровень разряженности, Вт • ч
Рис. 2. Изменения напряжения НВАБ1 при тестовом разряде током 40А: 1 - 2000 г.; 2 - 2004 г.; 3 - 2008 г.
W, Вт • ч
3600 3200 2800 2400 2000
3 < > 4
^ /1 .
/
2
1 1 1 1 1 1 1 1 1 ¡11111111
00000000000000000
О ^^ ^^ ^^ ^^ ^^ ^^ ^^ л
^вдЙвдЙвдЙвдЙвдЙвдЙвдЙвдЙвд
*"- о о о о о ~ ~
1 1 1 1 1 1
Дата проведения теста
Рис. 3. Изменения суммарного уровня электроэнергии в МНВА при проведении сезонных тестовых циклов (20-е числа указанных месяцев): 1 - уровень заряженности; 2 - разрядная энергоемкость; 3 - период нагрузки на каждый из аккумуляторов 52-65А; 4 - период нагрузки на каждый из аккумуляторов 21-28А
лученный результат объясняется снижением электрической емкости одного АЭ в каждой батарее из-за уменьшения электролитосодержания и повышения внутреннего омического сопротивления в процессе его эксплуатации при более высокой температуре по сравнению с другими АЭ. Предполагается, что это крайние АЭ, расположенные у фланца с нагревателем электрохимической батареи 5 Вт [1].
Одна из основных проблем эксплуатации, повлиявшая на ухудшение основных характеристик МНВА, - невозможность поддержания оптимальных температурных режимов в НВАБ в процессе прохождения КА теневого участка орбиты, обусловленная дополнительным притоком тепла на РТО МНВА от приемной антенны бортового ретрансляционного комплекса [2].
W, Вт • ч
3000
2000
1000
. 3 ' * 4
........ ........
о о 0 0 ^ н
3 8
2 о
0 0 ^ н
3 8
2 о
2233 0000
0 т
3 8
2 о
■л ш чочо 0000
с-
0 т
3 8
2 о
Дата теневых орбит
0
т р
а
Рис. 4. Изменения суммарного уровня электро
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.