№ 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 621.355.001.5.72:629.78.018.3
© 2008 г. КОВТУН В. С.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ НА БОРТУ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА "ЯМАЛ-100"
Осенью 1999 г. состоялся полет космического аппарата нового поколения "Ямал-100", на борту которого установлены никель-водородные батареи (НВАБ) с общим корпусом [1]. Постепенно ухудшающиеся условия теплоотвода от НВАБ, вызванные старением терморегулирующих покрытий в условиях космического полета, привели к необходимости поиска новых технических решений, которые обеспечивали снижение тепловой нагрузки на электрохимические батареи и продлевали срок их эксплуатации.
Постановка задачи. Зависимость относительной электрической емкости электрохимических батарей (ЭХБ) от относительной температуры, полученная при наземных испытаниях, приведена на рис. 1, на оси ординат даны значения отношений разрядной энергоемкости ЭХБ при заданной температуре к максимальной установленной энергоемкости (Cn/Cb); на оси абсцисс - значения отношений температуры T ЭХБ к величине T0 = 373,15 K (T/T0).
При проведении зарядно-разрядных циклов никель-водородных батарей (НВАБ) в условиях космического полета задача управления сводится к поддержанию рабочих температур в зоне оптимальных температур в ЭХБ и недопущению выхода из зоны рабочих температур. При этом критическим является верхнее значение температуры в 48°C - начала так называемого "теплового разгона" (очень быстрого роста температуры). С началом "теплового разгона" появляется интенсивное тепловыделение, которое приводит к усадке или разложению сепарации, деформации изоляционных материалов, и в результате - к короткому замыканию и отказу батареи.
В работе рассматривается решение задачи обеспечения допустимых температурных условий эксплуатации НВАБ с общим корпусом [1] в условиях недостатка мощности охлаждающих средств для их термостатирования.
Средства термостатирования. Основным средством термостатирования двух НВАБ, объединенных на космическом аппарате (КА) в едином модуле (МНВА) [1], является радиационный теплообменник (РТО), дополнительным средством - два корпуса НВАБ. Отсутствие на поверхности корпусов батарей теплоизоляции позволяет производить тепловой обмен между ними и негерметичным отсеком КА, где они расположены.
РТО предназначен для отвода избыточной тепловой мощности от каждой НВАБ на общую радиационную панель с последующим излучением его в космическое пространство. РТО установлен на западной панели спутника, его конструкция состоит из внутренней и внешней панелей. Испарительные части тепловых труб (ТТ) находятся в контакте с ЭХБ каждой НВАБ, конденсаторные части ТТ закреплены на внутренней панели РТО. На этой же внутренней панели установлены две секции электронагревателей (ЭН) и три датчика температуры. Внешняя панель РТО имеет тепловой контакт с внутренней в месте установки ТТ и представляет собой плоскую пластину из алюми-
Рис. 1. Зависимость электрической емкости НВАБ от температуры: 1 - зона рабочих температур (-20) -(+40)°С; 2 - зона оптимальных температур 6-25°С
Рис. 2. Внешняя компоновка РТО на КА: ХКа; ?ка; ^ка - направление осей связанного базиса КА
ниевого сплава толщиной ~1,5 мм и размерами 764 х 525 мм. На лицевую поверхность внешней панели нанесено покрытие типа "оптический солнечный отражатель" (ОСО) К-208Ср [2]. Внешняя компоновка РТО на КА показана на рис. 2. Из рисунка видно, что конструкция приемной антенны ретранслятора (РТР) нависает над поверхностью РТО. Каждые сутки с 09:00 до 21:00 (по декретному московскому времени здесь и далее) западная панель КА освещается Солнцем [3]. Кроме прямого облучения тепловым потоком, РТО подвергается облучению переотраженным потоком от антенны РТР.
Через пять лет эксплуатации КА "Ямал-100" значительно увеличились (под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца и компонентов космической радиации) поглощающие свойства терморегулирующих покрытий [2]. Коэффициент поглощения солнечного излучения (Л$) аримидной ткани, из которой изготовлена экранно-ва-куумная теплоизоляция (ЭВТИ), увеличился от ~0.67 до ~0.92, для ОСО - от ~0.08 до ~0.18. При этом излучающие свойства покрытий практически не изменились.
W1,Вт•ч 1400
1200
1000
800
600
20.03.04 20.03.04 20.03.04 20.03.04 21.03.04 21.03.04 21.03.04 9:00 13:00 17:00 21:00 1:00 5:00 9:00
Время суток
Рис. 3. Суточная циклограмма работы НВАБ1 при прохождении теневых участков орбиты (2004 г.): 1 - саморазряд в интервале хранения после "утреннего" заряда; 2 - "вечерний" дозаряд; 3 - разряд в "теневом" интервале; 4 - саморазряд на интервале хранения после выхода из "тени"; 5 - "утренний" заряд
1 2 5 Л
3 / 1
\ 4 \ \
Диагностический контроль температуры электрохимических батарей. Диагностический контроль тепловых процессов, протекающих в ЭХБ, строился на предварительном прогнозе изменения среднеобъемных температур ТЭХБ1(2) в НВАБ1(2) методом интегрирования дифференциальных уравнений, полученных из тепловой модели МНВА [3],
^ТЭХБ1(2) _ 1/2(6Р + СртрйТргОйх) + бк!(2) + 6ЭБ1(2) + 6 энк + бдн - Ск1(2)^Тк1(2)/
СЭХБ1(2) (1)
где 6р - мощность результирующего теплового потока на РТО; бЭХБ1(2) - мощность теплового выделения в ЭХБ1,(2); 2энк - мощность ЭН корпуса НВАБ; 2дн - суммарная мощность диодных ЭН датчиков давления НВАБ; 2к1 (2) - мощность результирующего теплового потока между корпусом НВАБ1,(2) и окружающими батарею конструкционными элементами отсека КА; СРТО - интегральная теплоемкость РТО; ТРТО -средняя температура РТО; Ск1,(2) - интегральная теплоемкость корпуса НВАБ1,(2); Тк1(2) - средняя температура корпуса НВАБ 1,(2); СЭХБ1(2) - интегральная теплоемкость ЭХБ1,(2).
Для контроля выбирался наиболее напряженный в тепловом отношении участок энергообеспечения работы бортовых систем КА и их термостатирования при прохождении теневых участков орбиты ("тени"), когда КА затеняется от Солнца Землей [4]. Для решения задачи по энергообеспечению КА используются все режимы работы батарей: заряд, разряд от внешней токовой нагрузки, саморазряд. В начале полета из вышеуказанных режимов была разработана суточная циклограмма работы НВАБ [4], которая включает в себя характерные интервалы управления различными режимами НВАБ: работа под нагрузкой в "тени"; "утренний" заряд; хранение МНВА в режиме саморазряда НВАБ; "вечерний" дозаряд. На каждом из этих интервалов производился диагностический контроль методом интегрирования дифференциальных уравнений (1). При этом в (1) отсутствует составляющая теплового потока бЭНР от ЭН РТО (см. [3]), так как необходимость в его включении отпадает из-за увеличения внутреннего тепловыделения в МНВА при прохождении спутником "теневых" участков орбиты.
Через пять лет после начала полета КА "Ямал-100" из-за деградации терморегули-рующих покрытий начали возникать трудности в обеспечении температурных условий эксплуатации НВАБ. Для объяснения возникших трудностей рассматриваются суточные графики уровня заряженности НВАБ1 (рис. 3) и температур (рис. 4), полученные при прохождении теневых интервалов орбиты весной 2004 г. (20.03-21.03). При
т, °с
40
30
20
10
0 -10
20.03.04 20.03.04 20.03.04 20.03.04 21.03.04 21.03.04 21.03.04
9:00 13:00 17:00 21:00 1:00 5:00 9:00
Время суток
Рис. 4. Изменение температур НВАБ1 (2004 г.): 1 - корпуса НВАБ1; 2 - среднеобъемной ЭХБ(Гэхш); 3 - на ТТ РТО
этом графики уровня заряженности НВАБ1, температур корпуса и ТТ РТО получены по телеметрической (ТМ) информации, а среднеобъемной температуры - расчетом.
Как видно из графиков, в результате "вечернего" дозаряда, перед входом в "тень" в ~20:35 и на участке "тени" продолжительностью ~72 мин. температуры на ЭХБ1 достигали значений (34-35)°С. При этом все возможности охлаждения батареи, в т.ч. и через понижение температуры в отсеке, где она расположена, были исчерпаны. Связано это с тем, что термостатирование каждой НВАБ на нижнем температурном уровне от -20 до 0°С регулируется с помощью ЭН РТО (при их включении-выключении) в условиях минимального внутреннего тепловыделения и отсутствия облученности РТО потоком солнечной радиации. Термостатирование на верхнем температурном уровне не регулируется и обеспечивается за счет естественного баланса тепловых потоков. Как видно из кривых 1 и 3 на рис. 4, температура 3 на ТТ РТО, от ~12 ч до ~20 ч выше температуры первого корпуса батареи. Следовательно на этом интервале внешние тепловые потоки через РТО по ТТ воздействуют на ЭХБ. В [3] показано, что причиной этому послужило суммирование прямого и переотраженного от антенны РТР тепловых потоков. Наличие переотраженного теплового потока, воздействующего на РТО, относится к проектной ошибке, касающейся размещения антенны РТР, допущенной при компоновке элементов конструкции на западной панели КА "Ямал-100".
В начале полета КА "Ямал-100" температурный график ТТ РТО на протяжении суток всегда находился ниже температурного графика корпуса батареи. По мере деградации терморегулирующих покрытий происходило выравнивание температур на анализируемом интервале с последующим превышением температуры на ТТ РТО над температурой корпуса НВАБ. Ситуация аналогична для обеих батарей.
Трудности в обеспечении температурных условий эксплуатации НВАБ на этом не заканчивались, так как прогноз изменения свойств терморегулирующих покрытий предполагал увеличение значений [2].
Методы обеспечения температурных условий эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей. Для реализации новой методики управления НВАБ было проанализировано взаимодействие всех видов энергии, учитываемых при управлении КА "Ямал-100" [5]. Установлено, что на "теневых" участках орбиты максимальной продолжительности в среднем на обогрев КА расходуется ~450 Вт ■ ч электроэнергии.
Для снятия дополнительной тепловой нагрузки с НВАБ была разработана методика предварительного аккумулирования тепловой энергии в элементах конструкции и бортовой аппаратуре (Б А) КА "Ямал-100" [6]. Согласно этой методике, предварительно, до входа КА "Ямал-100" в тень Земли, производился разогрев БА и элемен
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.