Исследование и разработка энергопреобразующей аппаратуры высоковольтных систем электропитания космических аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.12, кандидат наук Черная Мария Михайловна

• Черная Мария Михайловна
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Черная Мария Михайловна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

1.1 Структурные схемы систем электропитания космических аппаратов

1.2 Математическое описание процессов распределения потоков энергии в СЭП КА

1.3 Тенденции в области разработки и создания энергетически эффективных систем электропитания КА

Выводы по главе

ГЛАВА 2. ВЫБОР СТРУКТУРЫ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

2.1 Математическая модель солнечной батареи

2.2 Методика расчета и выбора оптимального варианта СЭП КА

2.3 Расчет и сопоставительный анализ высоковольтных систем электропитания космического аппарата

Выводы по главе

ГЛАВА 3. ЭНЕРГОПРЕОБРАЗУЮЩАЯ АППАРАТУРА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

3.1 Непосредственные преобразователи напряжения в системах электропитания космических аппаратов

3.2 Инверторно-трансформаторные преобразователи напряжения в высоковольтных системах электропитания космических аппаратов

3.3 Высоковольтные СЭП КА на основе инверторно-трансформаторных преобразователей

Выводы по главе

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЭНЕРГОПРЕОБРАЗУЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА ОСНОВЕ ИНВЕРТОРНО-ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

4.1 Математическое моделирование и расчет процессов распределения потоков энергии в высоковольтных СЭП космических аппаратов

4.2 Инверторно-трансформаторный преобразователь энергии высоковольтной СЭП КА

4.3 Экспериментальные исследования инверторно-трансформаторного преобразователя энергии высоковольтной СЭП КА

4.3.1 Определение точности стабилизации выходного напряжения в режиме разряда АБ

4.3.2 Измерение КПД модуля разрядного устройства АБ для высоковольтной СЭП КА

4.3.3 Режим ограничения тока АБ

4.3.4 Анализ процессов реализации мягкого переключения транзисторов преобразователя

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акты внедрения результатов работы

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка энергопреобразующей аппаратуры высоковольтных систем электропитания космических аппаратов»

Актуальность темы.

Система электропитания (СЭП) автоматического космического аппарата (КА) представляет собой совокупность источников энергии и энергопреобразующей аппаратуры (ЭПА), обеспечивающей стабилизацию напряжения выходной шины питания нагрузки и распределение потоков энергии в СЭП в соответствии с режимами работы системы и условиями эксплуатации КА.

Значительный вклад в создание научно-технического задела в области разработки и создания систем электропитания автоматических КА внесли коллективы ведущих головных предприятий Российского космического агентства: АО «Информационные спутниковые системы» им. акад. М.Ф. Решетнева (г. Железногорск), ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» (г. Химки), АО «РКЦ «Прогресс» (г. Самара), ФГУП «ГКНПЦ им.М.В.Хруничева» (г. Москва), РКК «Энергия» им. С.П. Королёва (г. Королев) и др. Ими решаются задачи по преодолению технологических барьеров и решению актуальных научно-технологических проблем, по разработке и внедрению новаций, наземной отработке СЭП, лётным испытаниям и сопровождению в процессе штатной эксплуатации КА. Многолетний творческий труд коллективов названных предприятий с участием коллективов - разработчиков составных частей СЭП других предприятий (АО «НПЦ «Полюс» (г. Томск), АО «НПП «Квант» (г. Москва), ПАО «Сатурн», АО «АФЭКС» (г. Москва), НИАИ «Источник» (г. Санкт-Петербург) и др.), а также ученых и специалистов ведущих университетов России позволил добиться значительных успехов и обеспечил России место среди мировых лидеров - создателей космической техники.

Изначально напряжение выходной стабилизированной шины питания нагрузки СЭП автоматических КА составляло 27-28 В и наибольшее распространение получила параллельно-последовательная структура (ППС) СЭП КА, позволяющая обеспечивать съем максимальной генерируемой солнечной батареей (БС) мощности, т.е. реализовывать режим экстремального регулирования мощности (ЭРМ) БС.

С середины 90-х годов 20 века начали формироваться новые более жесткие требования к проектируемым СЭП и КА в целом. Возросло количество решаемых КА задач и увеличилась их энерговооруженность. Повысились требования к ЭПА СЭП КА, связанные с увеличением энергетической эффективности, минимизацией габаритно-массовых характеристик, увеличением уровня надежности и радиационной стойкости, уменьшением стоимости разработки и изготовления и т.д. В США, Европе и России четко обозначилась тенденция и

целесообразным оказался переход к повышению выходного напряжения до 100 В и к увеличению срока активного существования КА до 15 лет.

Применение оптимальной с точки зрения энергетических и габаритно-массовых характеристик параллельно-последовательной структуры при проектировании высоковольтных СЭП оказалось невозможным ввиду достижения недопустимых уровней напряжений БС (для кремниевых БС - до 275 В, для арсенид галлиевых БС - до 220 В), приводящих к появлению электростатических разрядов между цепочками фотодиодов и элементами токосъёма, возникновению аварийных ситуаций и снижению надежности системы. Появились проблемы связанные со сложностью согласования уровней напряжений источников энергии и нагрузки с учетом недопущения достижения максимальных критичных уровней напряжений БС.

Разработчиками СЭП КА для работы на геостационарной орбите была принята шунтовая структура СЭП, позволяющая стабилизировать выходное напряжение на нагрузке с учетом ограничения напряжения на БС на уровне 100 В в течение всего срока эксплуатации КА. Примерами таких космических платформ СЭП КА являются: Экспресс-2000 (АО «ИСС» им. акад. М.Ф. Решетнева, г. Железногорск), Spacebus 4000 (Thales Alenia Space, Франция), Boeing 702HP (Boeing, США) и др.

Несмотря на значительный созданный научно-технический задел, отработку результатов и успешную реализацию шунтовых СЭП автоматических КА, не предоставляется возможным непосредственное применение этих результатов при реализация высоковольтных СЭП КА других типов орбит с резкопеременными графиками нагрузки и различными условиями эксплуатации из-за их низкой энергетической эффективности ввиду значительного изменения параметров вольт-амперных характеристик (ВАХ) солнечных батарей. Поэтому исследования и разработки, направленные на поиск новых технических решений и подходов при проектировании энергопреобразующей аппаратуры высоковольтных СЭП КА с резкопеременными графиками нагрузки и изменяемыми условиями эксплуатации (например, низкоорбитальных КА дистанционного зондирования Земли), с повышенной энергетической эффективностью, надежностью и простотой согласования уровней напряжений источников энергии и нагрузки являются актуальными.

Объектом исследований настоящей работы является энергопреобразующая аппаратура высоковольтных систем электропитания космических аппаратов.

Предметом исследований являются способы схемотехнической реализации ЭПА высоковольтных СЭП автоматических КА, их регулировочные характеристики и потоки энергии между солнечной батареей, аккумуляторной батареей (АБ) и нагрузкой в СЭП.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка энергопреобразующей аппаратуры высоковольтных (100 В) систем электропитания с

повышенной энергетической эффективностью и надежностью для космических аппаратов длительного ресурса с резко переменными графиками нагрузки и изменяющимися условиями эксплуатации.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

1. Провести обзор структурных схем систем электропитания автоматических КА и их источников энергии. Разработать математическое описание распределения потоков энергии в СЭП КА. Выявить тенденции в области разработки и создания энергопреобразующей аппаратуры современных высоковольтных СЭП КА.

2. Разработать математическую модель солнечной батареи и способ расчета параметров БС высоковольтных энергетически эффективных СЭП КА в зависимости от условий ее эксплуатации и графиков нагрузки КА.

3. Разработать методику расчета и выбора оптимального варианта СЭП КА. Провести расчет и сопоставительный анализ альтернативных вариантов структур высоковольтных СЭП КА в соответствии с предъявляемыми к ним требованиями, условиями эксплуатации и графиками нагрузок.

4. Провести анализ способов построения энергопреобразующей аппаратуры в СЭП КА. Определить требования к разработке энергетически эффективной ЭПА перспективных высоковольтных СЭП КА с резкопеременными графиками нагрузки и изменяемыми условиями эксплуатации и разработать структуры СЭП КА на их основе.

5. Провести математическое моделирование процессов распределения потоков энергии между БС, АБ и нагрузкой во вновь разработанных высоковольтных СЭП КА и экспериментальные исследования макетных образцов энергопреобразующей аппаратуры.

Методы исследований базируются на положениях общей теории цепей, теории алгебраических уравнений, вычислительные методы и методы математического и имитационного моделирования. Применялись программы для расчета и моделирования MathCad 14 и Microsoft Excel 2010, а так же методы экспериментальных исследований.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, подтверждена обоснованностью принятых допущений, системным характером исследований, совпадением результатов теоретических расчетов, математического моделирования и экспериментальных исследований, а так же полученными охранными документами на результаты интеллектуальной деятельности.

Научная новизна работы

1. Разработана математическая модель солнечной батареи, основанная на использовании экспериментальных вольт-амперных характеристик, предоставляемых изготовителями БС,

обеспечивающая простоту и точность расчета параметров солнечных батарей для любых заданных значений освещенности и температуры.

2. Разработана методика расчета и выбора оптимального варианта системы электропитания космического аппарата, основанная на расчете энергобаланса и применении поправочных коэффициентов, получаемых при расчете потоков энергии в СЭП в соответствии с заданными условиями эксплуатации и графиками нагрузок КА, обеспечивающая сокращения времени расчета параметров источников энергии, ЭПА и альтернативных вариантов СЭП за счет уменьшения числа итераций, определяемых количеством рассчитываемых поправочных коэффициентов.

3. Разработан способ расчета основных параметров солнечных батарей для СЭП, основанный на использовании экспериментальных вольт-амперных характеристик фотоэлектрических преобразователей энергии любой единичной площади, учитывающий возможность ограничения уровней напряжений и токов БС по максимальному либо минимальному уровню, достигаемых при заданных значениях освещенности, температуры, условиях эксплуатации и графиков нагрузки КА.

4. Разработаны варианты структур высоковольтных СЭП КА на основе регулируемых инверторно-трансформаторных преобразователей энергии с повышенной энергетической эффективностью, надежностью и простым согласованием уровней напряжений солнечных и аккумуляторных батарей, и нагрузки.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

Разработанные математическая модель солнечной батареи, способ расчета характеристик БС и методика расчета и выбора оптимального варианта СЭП КА могут быть использованы разработчиками и фирмами-производителями СЭП КА и ее составных частей, а так же положены в основу создания программного обеспечения для исследования и разработки СЭП КА разного целевого назначения, что обеспечит сокращение сроков разработки СЭП за счет предъявления требований к проектированию источников энергии и применяемой энергопреобразующей аппаратуры СЭП в соответствии с заданными техническими характеристиками и требованиями.

Разработанные схемотехнические варианты реализации энергетически эффективной энергопреобразующей аппаратуры высоковольтных СЭП КА, обладающей большими функциональными и унифицированными возможностями, позволят проектировать СЭП с высокими энергетическими характеристиками на основе использования БС и АБ любых типов.

Внедрение результатов работы.

Полученные результаты диссертационной работы в области разработки и исследования ЭПА высоковольтных СЭП КА на основе непосредственных и инверторно-трансформаторных

преобразователей энергии использованы в АО «ИСС» при выполнении ОКР «Разработка бортового энергопреобразующего комплекса с цифровым резервированным управлением для высоковольтных систем электропитания космических аппаратов с применением российской импортозамещающей электронной компонентной базы» по договору № 02.G25.31.0182 от 01 декабря 2015 г. (Постановление Правительства РФ № 218).

Результаты диссертационной работы внедрены при выполнении федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России 2009 - 2013» по Государственным контрактам: № 02.740.11.0524, 15.03.2010 - 01.10.2012), № П912, (26.05.2010), 2010-2012, № 16.740.11.0067, (01.09.2010), 2010 - 2012, №14.В37.21.0420, 06.08.2012 -15.11.2013, № 14.B37.21.1493, 12.10.2012 - 15.11.2013 и были использованы при реализации работ по Программе стратегического развития ТУСУРа 2012-2016: подпроект 2.3.1.4, 01.01.2012 - 30.11.2013, подпроект 2.3.1.2, 01.01.2014-25.12.2014.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная математическая модель солнечной батареи, основанная на использовании экспериментальных вольт-амперных характеристик, обеспечивает расчет параметров БС для любых заданных значений освещенности и температуры, отличается простотой и обеспечивает требуемую точность расчета характеристик (ВАХ и ВВХ) БС.

2. Разработанная методика расчета и выбора оптимального варианта системы электропитания космического аппарата обеспечивает возможность оптимизации режимов работы СЭП с целью уменьшения габаритно-массовых характеристик СЭП, сокращение времени расчета альтернативных вариантов СЭП КА за счет применения поправочных коэффициентов, а так же выбор оптимального варианта СЭП КА в зависимости от принятых критериев эффективности системы.

3. Разработанный способ расчета основных параметров солнечных батарей, основанный на использовании экспериментальных вольт-амперных характеристик фотоэлектрических преобразователей энергии любой единичной площади, позволяет предъявлять требования к их проектированию с учетом повышения надежности высоковольтных систем электропитания космических аппаратов с резкопеременными графиками нагрузки и изменяющимися условиями эксплуатации.

4. Построение высоковольтных систем электропитания космических аппаратов с резкопеременными графиками нагрузки и изменяющимися условиями эксплуатации на основе инверторно-трансформаторных преобразователей энергии обеспечивает согласование уровней напряжений БС, АБ и нагрузки, повышение энергетической эффективности СЭП за счет реализации режима экстремального регулирования мощности солнечной батареи и повышение

надежности СЭП КА за счет смещения диапазона регулирования напряжения БС, ограниченного максимальным допустимым уровнем напряжения холостого хода БС.

Личный вклад автора. Материалы диссертации являются обобщением работ автора, выполненных с 2012-го по 2017 год и отражают его личный вклад в решаемые задачи. Постановка задач исследований и анализ результатов проводились автором совместно с научным руководителем Шиняковым Ю.А., результаты макетирования и экспериментальных исследований осуществлялись совместно с научными сотрудниками НИИ космических технологий и с научными сотрудниками кафедры промышленной и медицинской электроники ТПУ (г. Томск). Теоретические и ряд практических результатов исследований получены и систематизированы автором лично. Опубликованные работы написаны в соавторстве с научным руководителем и другими авторами.

Апробация работы.

Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XX Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (г. Томск, 2014 г.), XI Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2014) (г. Саратов, 2014 г.), IV Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» (IV Козловские чтения) (г. Самара, 2015 г.), XVI Международной конференции молодых специалистов по микро/нанотехнологиям и электронным приборам (г. Эрлагол, 2015 г.), XIX Международной научной конференции «Решетневские чтения» (г. Красноярск, 2015 г.), XVII Международной конференции молодых специалистов по микро/нанотехнологиям и электронным приборам) (г. Эрлагол, 2016 г.) и и Всероссийском форуме молодых ученых (г. Екатеринбург, 2017 г.).

Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 6 статей в изданиях, входящих в перечень ведущих периодических изданий ВАК, 6 статей в сборниках Всероссийских и Международных конференций, 5 из которых опубликованы в сборниках, индексируемых в системах цитирования Scopus, и получено 5 патентов РФ на изобретения, список которых приведен в автореферате.

Структура и объём работы.

Диссертационная работа объемом 142 страницы основного текста состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений и списка используемой литературы из 109 наименований и приложения. Содержит 23 таблицы и 67 рисунков.

ГЛАВА 1. СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

В главе проведен обзор структурных схем систем электропитания автоматических космических аппаратов и их источников энергии. Разработано математическое описание распределения потоков энергии в СЭП КА, позволяющее оценить требуемые уровни генерируемых источниками энергии мощностей, с учетом коэффициентов полезного действия энергопреобразующей аппаратуры СЭП и графиков нагрузки космических аппаратов.

Выявлены тенденции в области разработки и создания энергопреобразующей аппаратуры современных высоковольтных СЭП КА и определены способы повышения энергетической эффективности и оптимизации габаритно-массовых характеристик СЭП.

1.1 Структурные схемы систем электропитания космических аппаратов

Система электропитания автоматического космического аппарата является одной из важнейших бортовых систем космического аппарата и представляет собой совокупность источников энергии, нагрузки и энергопреобразующей аппаратуры, обеспечивающей стабилизацию напряжения выходной шины питания нагрузки и распределение потоков энергии в СЭП в соответствии с принятыми законами управления, разработанными на основе заданных условий эксплуатации КА [1, 2].

Первичным источником энергии большинства КА служат солнечные батареи, состоящие из фотоэлектрических преобразователей энергии (ФЭ). В качестве фотоэлектрических преобразователей БС для СЭП КА ранних разработок использовались кремниевые ФЭ, с 1950 года начался синтез материалов нового типа АШВ'У [3]. В начале 1960-х годов были созданы первые фотоэлементы с p-n-переходом на основе арсенид галлия (GaAs). Их эффективность была значительно меньше эффективности кремниевых фотоэлектрических преобразователей, тем не менее, они были способны работать даже при значительном нагреве. До середины 1980-х годов совершенствование фотоэлектрических преобразователей на основе кремния и арсенида галлия осуществлялось на базе относительно простых структур и простых технологий. С середины 1980-х годов начались исследования по разработке усложненных структур фотоэлементов, улучшению качества базового материала, применению новых эпитаксиальных методов выращивания гетероструктур и т.д. Были разработаны трехкаскадные структуры фотоэлементов с p-n-переходом на германиевой подложке. В области разработки и создания СЭП КА широкое применение нашли, как кремниевые, так и арсенид галлиевые БС, в том

числе на основе многокаскадных структур, коэффициент полезного действия (КПД) которых в космосе достигает 30 % [4, 5].

Особенностью солнечных батарей являются их нелинейные вольт-амперные и вольт-ваттные характеристиками, которые в значительной степени изменяются в процессе эксплуатации [6 - 10]. В зависимости от типа рабочей орбиты и длительности участков, на которых БС освещены либо находятся в тени, устанавливаются диапазоны изменения их температуры и освещенности. Фотоэлектрические преобразователи солнечной батареи генерируют максимальную мощность при максимальном охлаждении и освещенности, т.е. при выходе КА из тени Земли. С увеличением температуры панелей генерируемая мощность значительно уменьшается (рисунок 1.1). Под воздействием интегральной дозы ионизационного излучения космического пространства мощность БС за несколько лет уменьшается на 30-50 % [11 - 13]. Например, вольт-амперные и вольт-ваттные характеристики промышленной монокристаллической фотоэлектрической панели при изменении температуры от минус 100 до плюс 60 0С показаны на рисунке 1.1 [14].

1БС' А

Ветвь тока ВАХ2 11 Ветвь | напряж^ния ВАХ2 | \ 1 1 1 1 1 1

N 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 / 1 I ВВХ1:-100°С 1 1 1 1 1 1 1

ВАХ2, + 60 °С / 1 'л 1 | ВАХ1. - 100 °С ! / ¡А 1 1 1 1 :

1 —

ВВХ2. + 60 °С у Г в\ 1 \ 1 1 \ \ 1 \1 1 1 Г\

Ветвь 1 \\ 1 \ 1 \ тока ВАХ1 1 1 1 —1--- .... и ИМ 5

Рбс.Вт

200

100

ВАХ1

иБС:в

0 20 40 60

Рисунок 1.1 - Вольт-амперные и вольт-ваттные характеристики фотоэлектрической панели при

изменении температуры.

На рисунке 1.1 вольт-ваттные характеристики БС имеют ярко выраженную точку максимальной генерируемой БС мощности, соответствующей оптимальным значениям параметров напряжения и тока БС: точка А и точка В. Вольт-амперные характеристики БС имеют два характерных участка: 1) «ветвь тока» от нуля до точки А (оптимального напряжения на ВАХ1) при минус 100 0С и от нуля до точки В (оптимального напряжения на ВАХ2) при

плюс 60 0С. На этом участке БС проявляет свойства источника тока; 2) «ветвь напряжения» от точки А (оптимального напряжения на ВАХ1) до напряжения холостого хода при минус 100 0С и от точки В (оптимального напряжения на ВАХ2) до напряжения холостого хода при плюс 60 0С. На этом участке ВАХ БС близка к характеристике источника напряжения. Согласно графикам на рисунке 1.1 видно, что перспективные СЭП КА должны быть разработаны с учетом использования максимальной генерируемой БС мощности в течение всего срока их эксплуатации [15, 16].

Вторичным источником энергии в СЭП КА является аккумуляторная батарея. Изначально, в СЭП КА использовали серебряно-цинковые АБ. Однако из-за низкого ресурса при циклической работе они практически полностью были заменены никель-кадмиевыми АБ, которые так же имеют относительно низкую удельную энергию (до 30 Вт-ч/кг) [17]. Существенно более высокую энергоёмкость (60 - 80 Вт-ч/кг) и большой ресурс имеют никель-водородные аккумуляторы, которые нашли широкое применение при проектировании СЭП автоматических космических аппаратов [18 - 20]. Однако данный типа АБ характеризуется рядом недостатков: большой саморазряд (до 30 % в сутки), сложность эксплуатации и высокая цена. В настоящее время наибольшее распространение получили литий-ионные (Li-ion) АБ взамен ранее используемым никель-водородным. Первая в России литий-ионная АБ 6ЛИ-25 производства ПАО «Сатурн» (г. Краснодар), была установлена на борту КА «Глонасс-М» № 27 (25.12.2008 г.) [21, 22]. Первой штатной отечественной литий-ионной АБ в составе СЭП низкоорбитального спутника стала 4ЛИ-20, её эксплуатация началась в конце 2013 г. [23].

Литий-ионные АБ имеют ряд важных преимуществ перед никель-водородными:

- более высокие удельно-массовые характеристики - около 120 Вт-ч/кг (70-80 Вт-ч/кг у никель-водородных) с перспективой дальнейшего увеличения в новых модификациях АБ большой емкости. Удельные характеристики Li-ion-батарей с учетом 15-летнего срока активного существования составят 80-90 Вт-ч/кг (соответственно 50-60 Вт-ч/кг для никель-водородных);

- высокий энергетический КПД (около 95 % вместо 70 %);

- чрезвычайно малый саморазряд при хранении в заряженном состоянии;

- напряжение, почти втрое превышающее напряжение никель-водородных АБ.

Экспериментально подтвержден и высокий ресурс литиевых аккумуляторов: при

неглубоких разрядах более 120000 циклов [24]. Литий-ионные аккумуляторы фирмы «SAFT» с 2000 г. сертифицированы для использования в авиационно-космической технике. Они допускают 1500 глубоких циклов разряда при сроке службы 11 лет [25 - 27].

Эти преимущества дали ряд новых возможностей:

- упрощение тепловых проблем и большая свобода для компоновки батарей КА;

- упрощение процедур подготовки батарей перед запуском и инфраструктуры стартового комплекса;

- широкое варьирование емкости АБ путем параллельной работы аккумуляторов, что недопустимо для никель-водородных АБ;

- лучшая адаптация батарей к высоковольтным шинам питания (100 В и более).

В то же время реализация указанных преимуществ Li-ion батарей требует разработки очень надежной автоматики [28, 29].

Известны низкоорбитальные КА с Li-ion аккумуляторными батареями: ими являются спутники Calipso (запуск 28.04.06, срок службы 7 лет), SMOS (запуск 02.11.09, срок службы 7 лет), Jason 3 (запуск 17.01.2016, срок службы более 7 лет), Аист-2Д (запуск 28.04..2016, срок службы более 3 года), спутники Proba-1 (запуск 22.10.01, срок службы 1 год), Nanosat-1 (запуск 18.12.04, срок службы 3 года), Sentinel-1B (запуск 26.04.16, срок службы 12 лет), Ломоносов (запуск 28.04.16, срок службы 5 лет) и др. [30, 31].

Источники энергии (БС и АБ) в СЭП требуют проведения исследований и разработок, в то время как для полного и оптимального использования каждого из источников необходимо обеспечить согласование генерируемых и потребляемых энергий (мощностей) в СЭП КА, которая составляет до 30 % по массе, объему и стоимости самого КА.

Состав энергопреобразующей аппаратуры (ЭПА) и способы ее соединения с БС, АБ и нагрузкой определяют структуру СЭП КА.

На начальном этапе развития космического приборостроения наибольшее распространение получила надежная структура СЭП КА с общими силовыми шинами БС, АБ и нагрузки. Особенностью данной схемы является то, что напряжение на БС и на выходной шине питания нагрузки определяется напряжением аккумуляторной батареи, что приводит к невозможности оптимизации режима работы БС ввиду значительного изменения ее вольт-амперных и вольт-ваттных характеристик под воздействием условий ее эксплуатации (факторов окружающей среды) и значительной нестабильности выходного напряжения системы, что накладывает условия ограничения диапазона изменения напряжения на АБ, приводит к ухудшению энергетических характеристик АБ и уменьшению ее ресурса [1, 32, 33].

Следующим этапом развития СЭП автоматических КА, связанным с увеличением и усложнением числа решаемых КА задач, являлся переход к структурам СЭП с раздельными силовыми шинами солнечной и аккумуляторной батарей, и нагрузки. При этом в структуру дополнительно введены зарядные и разрядные устройства (ЗУ и РУ).

На рисунке 1.2 показана структурная схема последовательной СЭП КА.

Рисунок 1.2 - Структурная схема последовательной СЭП КА.

На рисунке 1.2 плюсовая шина БС соединена со входом зарядного устройства (ЗУ), а его выход со входом разрядного устройства (РУ) и одной из клемм аккумуляторной батареи, вторая клемма которой соединена с минусовой шиной БС и нагрузки (Н). Выход РУ соединен со стабилизированной выходной шиной питания нагрузки. Энергопитание нагрузки при питании от БС осуществляется одновременно через ЗУ и РУ. При заряде АБ подключается ЗУ, соответственно, разряд ее осуществляется через РУ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Черная Мария Михайловна, 2017 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Выбор структуры систем электроснабжения низкоорбитальных космических аппаратов / Ю.А. Шиняков, А.С. Гуртов, К.Г. Гордеев, С.В. Ивков // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. - 2010. - № 1(21). - С. 103-113.

2. Источники энергии систем электроснабжения космических аппаратов : монография / М. В. Лукьяненко, М. М. Лукьяненко, А. Н. Ловчиков, А. Б. Базилевский ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2008. - 174 с.

3. Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур / Ж.И. Алферов // Физики и техника полупроводников. - 1998. - Т.32. - № 1. - С. 3-18.

4. Алферов Ж.И. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики / Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, В.Д. Румянцев // Физика и техника полупроводников. - 2004. -Т. 38. - вып. 8. - С. 937-948.

5. АО «НПП «Квант». История [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://npp-kvant.ru/?page_id=2869, свободный (дата обращения: 01.05.2016).

6. TrinaSolar TSM-205 DC80.08 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.tauber-solar.de/de/trinasolar-tsm-205-dc8008-1.html, свободный (дата обращения: 25.06.2016).

7. Solid copper. Stellar results [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://us.sunpower.com/, свободный (дата обращения: 14.09.2016).

8. АО «НПП «Квант». Продукция [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://npp-kvant.ru/?page_id=2503, свободный (дата обращения: 02.08.2017).

9. Suntech Power - world's largest producer of solar panels [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.suntech-power.com/, свободный (дата обращения: 03.05.2016).

10. Yingli Solar: Solar Panels for Homes, Businesses, and Power Plants [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.chnlandsolar.com/,http://www.yinglisolar.com/en/, свободный (дата обращения: 03.05.2016).

11. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей: Пер. с англ. / Г. Раушенбах. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 360 с.

12. Критерии выбора схемы стабилизации напряжения солнечных батарей для системы электроснабжения космического аппарата / К.Г. Гордеев, Ю.А. Шиняков, А.И. Чернышев, В.О. Эльман //Электронные и электромеханические системы и устройства: СБ. науч. тр. - Новосибирск: Наука, 2007. - 43-48 с.

13. Бордина Н.М. Влияние частичного затенения на характеристики солнечной батареи / Н.М. Бордина, В.А. Летин // Гелиотехника. - 1988. - №3. - С. 7-14.

14. TrinaSolar TSM-205 DC80.08 - Technische Daten [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.tauber-solar.de/de/trinasolar-tsm-205-dc8008-1.html, свободный (дата обращения: 03.05.2016).

15. Поляков С.А. Выбор режима работы солнечных батарей / С.А. Поляков // Электронные и электромеханические системы и устройства. - 2007. - с. 49-58.

16. Привалов В.Д. Оценка эффективности применения экстремального регулятора в автономных СЭП / В.Д. Привалов, В.Е. Никифоров // Куйбышев: КПИ. - 1981.

17. Теньковцев В.В. Основы теории и эксплуатации герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов / В.В. Теньковцев, Б.И. Центер. - Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 96 с.

18. Панков В.С. Особенности эксплуатации никель-водородных аккумуляторов в буферных режимах / В.С. Панков, А.Г. Хотинцев, Б.И. Центер // Исследования в области электрохимической энергетики: Сб. науч. тр. ВНИАИ. - Л.: Энергоатомиздат, 1989. -С.113-118.

19. Устройство контроля заряженности никель-водородного аккумулятора / В.В. Галкин, Ю.М. Шевченко, А.Н. Кардаш, С.М. Гогонов // Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. науч. тр. - Новосибирск: Наука, 2007. - С. 85-87.

20. Груздев А. И. Состояние и перспективы развития производства высокотехнологичных автономных источников электрической энергии в России / А. И. Груздев // Электрохимическая энергетика. - 2006. - Т. 6. - № 1. - С. 3 - 29.

21. Кедринский И. А. Литий-ионные аккумуляторы / И. А. Кедринский, В. Г. Яковлев // Научно-популярное издание. - Красноярск: «Платина», 2002 г. - 268 с., ил.

22. Литий-ионные аккумуляторы космического назначения (проблемы, основные направления работ и полученные результаты) / В. В. Галкин, С. Д. Лихоносов, В. П. Кулыга [и др.] // Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электро-химических системах : материалы XI Междунар.конф. ; под ред. М. С. Плешакова. - Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2010. - С. 278-281.

23. Литий-ионные аккумуляторы космического назначения, основные направления работ и полученные результаты / С. Д. Лихоносов, В. А. Попов, В. П. Кулыга, Ю. В. Каллут, А. В. Пачуев // Автономная энергетика. - 2014. - № 32. - С. 39-46.

24. J.R. Belt. A capacity and power fade study of Liion cells during life cycle testing / Belt J.R., Ho C D., Motloch C.G. // Power Sources, 2003. - vol. 123. - № 2.

25. Knowledge hub. Saft Batteries [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.saftbatteries.com/media-resources/knowledge-hub, свободный (дата обращения: 10.07.2016).

26. Хромов А.В. Литий-ионные аккумуляторные батареи низкоорбитальных космических аппаратов / А.В. Хромов // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. - 2016. - Т. 152. - № 3. - С. 20-28.

27. Guler M. Saft Battery Solutions for Space. August 2015 / M. Guler // Рекламный материал Saft на авиасалоне МАКС-2015. Москва, - 2015. - 16 с.

28. Системы электропитания для больших платформ на геостационарной орбите / В.В. Хартов, Г.Д. Эвенов, В.С. Кудряшов, М.В. Лукьяненко // Электронные и электромеханические системы и устройства: СБ. науч. тр. - Новосибирск: Наука, 2007. -С. 7-16.

29. Лётные испытания экспериментального батарейного модуля на основе литий-ионной аккумуляторной батареи с управляющей и измерительной электроникой / М. Ю. Фалько, М. В. Нестеришин, В. С. Кудряшов, Л. А. Качин, А. Н. Рачип // Электронные и электромеханические системы и устройства : Сборник научн. трудов. - Томск : Изд-во НТЛ. - 2011. - C. 70-81.

30. Pistoia G. Lithium-Ion Batteries Advances and Applications / G. Pistoia. - Elsevier, The Netherlands, 2014. - 634 p., ill. - (ISBN: 978-0-444-59513-3).

31. Battery Program and Progress / Flora C., Neubauer J., Dembeck J., Pearson C. // The NASA EMU, 2009. - 30 p.

32. Системы электропитания космических аппаратов / Б.П. Соустин, В.И. Иванчура, А.И. Чернышев, Ш.Н. Исляев. - Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1994. - C. 280-284.

33. Еременко В.Г. Выбор структуры автономной системы электроснабжения с полупроводниковым источником энергии / В.Г. Еременко, А.Б. Токарев, Г.М. Веденеев // Электротехника. - 1981. - № 9. - С. 38-40.

34. Ю.А. Шиняков. Экстремальное регулирование мощности солнечных батарей автоматических космических аппаратов / Шиняков Ю.А. // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. - 2007. - № 1. - С. 123-129.

35. Шиняков Ю.А. Повышение энергетической эффективности автономных фотоэлектрических энергетических установок / Ю.А. Шиняков, Ю.А. Шурыгин, О.Е. Аркатова // Доклады Том. гос.ун-та систем управления и радиоэлектроники. - 2010. - № 2(22), ч. 2, - С. 102-107.

36. Пат. РФ № 2101831, МКИ6 H 02 J 7/35. Система электропитания с экстремальным регулированием мощности фотоэлектрической батареи / К. Г. Гордеев, С. П. Черданцев, Ю. А. Шиняков // Изобретения. - 1998. - №1.

37. Варианты построения экстремальных шаговых регуляторов мощности солнечных батарей / Шиняков Ю. А., Гордеев К. Г., Черданцев С. П., Обрусник П. В. // Труды ВНИИЭМ. Электромеханические устройства космических аппаратов. - М., 1997. Т.97. -С. 83-92.

38. Анализ потерь мощности в шунтовом стабилизаторе напряжения короткозамыкающего типа / А. В. Гордеев, Н. Н. Горяшин, А. С. Сидоров // Вестник Сибирского государсвенного аэрокосмического универсистета имени академика М.Ф. Решетнева. -2012. - с. 17-22.

39. Multiple Port DC-DC Converter for Spacecraft Power Conditioning Unit / O. Mourra, A. Fernandez, F. Tonicello, S. Landstroem // Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE, 5-9 Feb. 2012. - 1278-1285.

40. Weinberg Alan, O Sullivan Dermot, "The sequential Serial Shunt Regulator -S3R", Proceedings of the Third ESTEC Spacecraft Power Conditioning Seminar, Noordwijk, The Netherlands, 21-23 September 1977, 6049190.

41. Spacecraft power system H02J 9/06, H02J 7/35, H01M 10/46, B64G 1/44, H02J 7/00 Space Systems/Loral, Inc. 13.04.1998 09059224, 11.04.2000 6049190.

42. Лесных А.Н. Автоматизация проектирования систем электропитания космических аппаратов с шунтовыми стабилизаторами напряжения: автореф. дис. на соис. учен. степ. канд. тех. наук (05.09.03) / Лесных Андрей Николаевич; Сибирский государственный аэрокосмический университет. - Красноярск, 2009. - 24 с.

43. Патент 2313169 РФ, H 02 J 7/35. Автономная система электропитания / В.С. Кудряшов, М.В. Нестеришин // Изобретения. 2007. № 35.

44. Шиняков Ю.А. Энергетический анализ структурных схем систем электроснабжения автоматических космических аппаратов // Известия Томского политехнического университета. - 2006. - Т. 309. - № 8. - С. 152-155.

45. Автономная энергетическая установка с экстремальным шаговым регулятором мощности солнечных батарей / Ю.А. Шиняков, А.И. Отто, А.В. Осипов, М.М. Черная // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. - 2015. - № 89 (172 - 173). - С. 12-18.

46. Система электропитания космического аппарата / М.В. Нестеришин, Р.В. Козлов, К.Г. Гордеев, В.Г. Солдатенко, А.Н. Ильин, Е.В. Клименко // Электронные и электромеханические системы и устройства. - 2016. - с. 8-12.

47. Патент 2059988 РФ, МКИ6 H 02 J 7/35. Автономная система электропитания искусственного спутника Земли / В.В. Коротких, В.С. Кудряшов, С.А. Галочкин, В.П. Бородич, Г.Д. Эвинов, Ш.Н. Исляев, В.О. Эльман, С.А. Поляков // Изобретения. 1996.

48. Особенности построения аппаратуры регулирования и контроля систем электропитания массогабаритных КА / Ю.А. Шиняков, К.Г. Гордеев, С.П. Черданцев, В.И. Пушкин, А.С. Гуртов, А.Н. Филатов // Электронные и электромеханические системы и устройства. -2001. - с. 28-35.

49. Патент РФ 2258292, МПК 02J 7/35. Способ питания нагрузки постоянным током / В.В. Коротких, Хартов В.В., Эвенов Г.Д. // Изобретения. 2005. Бюл. № 22

50. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - 664 с.

51. патент США US6396167, МПК H02J 7/35, H02J 1/10 Power distribution system // The Aerospace Corporation, 30.03.1999, 09281653, 28.05.2002.

52. патент США 20120126627 Solar array regulator based on step-up and down conversion and solar power system comprising the same H02J 7/35, H02M 3/158, H02M 3/156, G05F 1/67, 15.06.2010 13377016, 24.05.2012 20120126627 Ferdinando Tonicello, Agence Spatiale Europeenne, Olivier Mourra.

53. Лесных А.Н. Исследование высоковольтных систем электропитания космических аппаратов со стабилизаторами напряжения вольтодобавочного типа / А.Н. Лесных, В.А. Сарычев// Вестиник СибГАУ. - № 6(13). - 2006. - С. 63-66.

54. Космическое приборостроение. Научно-технические исследования и практические разработки ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» / под ред. Д.т.н. А.Н. Кирилина. Самара: Изд. дом «Агни», 2011.

55. Кудряшов В.С. Концепция бортовой системы электроснабжения связного геостационарного ИСЗ / В.С. Кудряшов, Ш.Н. Исляев // Системы автономного электроснабжения и электромеханические устройства. Т.1. Аппаратура управления и преобразования энергии: Сб. науч. трудов НПО «Полюс». - Томск, 1992. - С. 17-24.

56. O'Sullivan D. The Sequential Switching Shunt Regulator S3R / D. O'Sullivan, A. Weinberg //

rd

Proc. of the 3 ESTEC Spacecraft Power Conditioning Seminar. Noordwijk, Netherlands, 1977. P. 123-131.

57. Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. науч. трудов НПЦ «Полюс». - Томск: МПГ «РАСКО» при издательстве «Радио и связь». - 2001. - 568 с.

58. Заявка на изобретение № 2016132284 от 04.08.2016. Система электропитания космического аппарата / Ю.А. Шиняков, В.Н. Школьный, А.В. Осипов, М.М. Черная, С.Б. Сунцов, А.А. Лопатин, Р.А. Латыпов.

59. Заявка на изобретение № 2016137446 от 19.09.2016. Система электропитания космического аппарата / С.Г. Кочура, В.Н. Школьный, Ю.А. Шиняков, А.А. Лопатин, С.Б. Сунцов, В.Д. Семенов, В.А. Кабиров, А.В. Осипов, М.М. Черная, Р.А. Латыпов.

60. Борисенко В.Ю. Энергопреобразующая аппаратура нового поколения / В.Ю. Борисенко, Р.В. Козлов, К.В. Тараканов // Электронные и электромеханические системы и устройства. - 2016. - с. 39-45.

61. Заявка на изобретение № 2016109680 от 17.03.2016. Высоковольтная система электропитания космического аппарата с индуктивно-емкостным преобразователем /

A.В. Осипов, Ю.А. Шиняков, М.М. Черная.

62. Обеспечение благоприятного переключения транзисторов инвертора тока в преобразователях со звеном повышенной частоты / А.В. Осипов, Ю.А. Шиняков, А.И. Отто, М.М. Черная, А.А. Ткаченко // Известия Томского политехнического университета. - 2015. - Т. 326. - № 4. - С. 138-145

63. Структуры построения высоковольтных систем электропитания космических аппаратов на основе инверторно-трансформаторных преобразователей / А.В. Осипов, Ю.А. Шиняков, В.Н. Школьный, С.Б. Сунцов, М.М. Черная // Электротехника. - 2016. - № 12. - С. 26-33.

64. Кобзев А.В. Многозонная импульсная модуляция. Теория и применение в системах преобразования параметров электрической энергии. - Новосибирск: Наука, 1979. - 304 с.

65. Патент № 2488933, МПК H02J7/34. Способ электропитания космического аппарата / Д.С. Карплюк, В.В. Коротких, М.В. Нестеришин, С.И. Опенько // Изобретения 2013. Бюл. № 21 .

66. Патент № 2396666, МПК H02J7/34. Система электропитания космического аппарата /

B.С. Кудряшев, В.О. Эльман, МюВ. Нестеришин, К.Г. Гордеев, В.Н. Гладущенко, В.В. Хартов, С.Г. Кочура, В.Г. Солдатенко, Н.В. Мельников, Р.В. Козлов // Изобретения 2010, Бюл. № 22.

67. Патент № 2560720 С1 РФ, МПК H02J7/34 Система электропитания космического аппарата с экстремальным регулированием мощности солнечной батареи / Осипов А.В., Шиняков Ю.А, Сунцов С.Б., Школьный В.Н., Нестеришин В.Н., Черная М.М., Отто А.И. // Изобретения 2015. Бюл. № 23.

68. Патент 2510116 С1 РФ, МПК H02J 7/00 Заявка № 2012127666/07 от 02.07.2012. Способ электропитания космического аппарата / Д.С. Карплюк, М.В. Нестеришин, С.. Опенько // Изобретение 2014. Бюл. № 8.

69. Патент США № 20070030717 (заявка от 29.10.2004 № 10577336, опубл. 08.02.2007) Method for setting switching times, in particular idle times, of an inverter based on detected power, and inverter. Изобретения 2007.

70. Патент США № 7042199 (заявка от 28.07.2003 № 10629875, опубл. 09.05.2006. дата приоритета: 10629875 28.07.2003 US) Series connected buck-boost regulator.

71. Кудряшов В.С. Современное состояние и перспективы развития бортовых СЭП связных ИСЗ / В.С. Кудряшов, В.В. Хартов // Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. науч. трудов НПЦ «Полюс». - Томск, 2001. - С. 17-27.

72. Васильев А.М. Полупроводниковые фотопреобразователи / А.М. Васильев, А.П. Ландсман. - М.: Сов. радио, 1971. - 246 с.

73. Влияние интенсивности света и температуры на параметры кремниевых фотопреобразователей / С.Н. Борисов, С.М. Городецкий, Г.М. Григорьева, К.Н. Звягина, А.М. Касымахунова // Гелиотехника. - 1983. - № 4.

74. Кудряшов В.С. Особенности проектирования бортовых систем электропитания для информационных ИСЗ / В.С. Кудряшов // Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. науч. трудов НПЦ «Полюс». - Томск, 1997. - С. 23-29.

75. Перспективы создания систем электропитания маломассогабаритных космических аппаратов /А.С. Гуртов, В.И. Пушкин, А.Н. Филатов, А.В. Чечин // Российский космос. -1999. - С. 39-42.

76. Шиняков Ю.А., Гордеев К.Г., Поданева Ю.В. Сравнительный анализ структурных схем СЭП автоматических КА // Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. трудов / НПЦ «Полюс» Томск, - 1997. - С.14-22.

77. Гуртов А.С, Пушкин В.И., Филатов А.Н. Чечин А.В. Анализ технических требований к системам электропитания автоматических космических аппаратов // Электронные и электромеханичением устройства: Сборник научных трубдов НПЦ «Полюс» Томск. -2001. - С. 59-66.

78. Сопоставительный анализ энергетической эффективности преобразования энергии солнечной батареи преобразователями постоянного напряжения / А.В. Осипов, Ю.А. Шурыгин, Ю.А. Шиняков, А.И. Отто, М.М. Черная // Доклады Том. гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники. - 2013. - №1 (27). - С.14-20.

79. Гордеев К.Г. Разработка и исследование способов управления энергопреобразующими устройствами в системах электроснабжения автоматических космических аппаратов: Дис. ... канд. техн. Наук: 05.09.12. - Томск, 2005. - 187 с.

80. Черная М.М. Анализ преобразователей постоянного напряжения фотоэлектрических систем электропитания / М.М. Черная, Ю.А. Шиняков, А.В. Осипов // Материалы конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения»,25-26 сентября, город Саратов. -2014. - Т. 2. - С. 174-181.

81. Chernaya M.M. The analysis of the DC-DC converters photovoltaic power supply systems / M.M. Chernaya, Y.A. Shinyakov, A.V. Osipov // Conference proceedings - 2014 International

conference on actual problems of electron devices engineering, APEDE 2014. - 2014. - P.174-180.

82. Повышение энергетической эффективности фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии / ЮА. Шиняков. М.М. Черная, В.В. Аржанов, А.В. Осипов, А.И. Отто // Сборник материалов докладов «Наноструктурированные материалы и преобразовательные устройства для солнечных элементов 3-го поколения», 19-20 июля, город Чебоксары. - 2013. - № 1. - С. 94-97.

83. Шиняков Ю.А. Аппаратура регулирования и контроля высоковольтных СЭС автоматических космических аппаратов / Ю.А. Шиняков // Известия Томского политехнического университета. - 2006. - Т. 309. - № 8. - С. 156-159.

84. Шиняков Ю.А. Способы управления энергопреобразующими устройствами систем электроснабжения автоматических космических аппаратов / Ю.А. Шиняков // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. Красноярск, 2006. - Вып. 5(12). - С. 271-277.

85. Системы электропитания космических аппаратов на основе регулируемых инверторов тока / А.В. Осипов, Ю.А. Шиняков, А.И. Отто, М.М. Черная, А.А. Ткаченко // Известия Томского политехнического университета. - 2014. - Т. 324. - № 4. - С. 102-110.

86. Космические системы связи разработки ракетно-космической корпорации «ЭНЕРГИЯ» имени С.П. Королёва / В.С. Ковтун, Б.В. Королев, В.В. Синявский, И.В. Смирнов // Космическая техника и технологии. - 2015. - № 2(9). - С. 3-24.

87. Пантелеймонов И.Н. Перспективы построения низкоорбитальной комбинированной спутниковой системы связи и мониторинга / И.Н. Пантелеймонов, В.И. Корниенко // Техника и технология: новые перспективы развития. - 2014. - № 13. - С. 45-58.

88. Курочкин Г.А. Анализ состояния и тенденций развития систем спутниковой связи / Г.А. Курочкин // Двойные технологии. - 2007. - № 3. - С. 60-66.

89. Патент 2285325, МПКШ2М 7/5387. Инвертор тока / Е.М. Силкин // Изобретения 2006, Бюл. № 28.

90. Муркин М.Н/ Исследование коммутационных процессов в инверторе тока / М.Н. Муркин, С.К. Земан, Е.В. Ярославцев // Известия Томского политехнического университета. - 2009. - Т. 315. - № 4. - С. 111-116.

91. Patel М. R. Spacecraft Power System. New York : CRC Press, 2005.

92. Chernaya M.M. Spacecraft power system / M.M. Chernaya, Y.A. Shinyakov, A.V. Osipov // Proceedings of the 17th International conference of young specialists on micro/nanotechnologies and electron devices. EDM 2016, 30 June - 4 July, Erlagol, - 2016. -P. 589-593.

93. Заявка на изобретение № 2016111897 от 29.03.2016 Высоковольтная система электропитания космического аппарата / Ю. А. Шиняков, А.В. Осипов, М.М. Черная.

94. Патент 2613660 С1 РФ, МПК H02J 7/00 Заявка № 2015120809/20 (032207) от 01.06.2015. Система электропитания космического аппарата / А.В. Осипов, Ю.А. Шиняков, М.М. Черная // Бюл. изобр. 2017. № 9.

95. Черная М.М. Исследование влияния параметров нагрузки на перераспределение мощностей источников энергии в высоковольтных инверторно-трансформаторных СЭП КА / М.М. Черная // Материалы трудов XX Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «ЭНЕРГЕТИКА: ЭФФЕКТИВНОСТЬ, НАДЕЖНОСТЬ, БЕЗОПАСНОСТЬ», 2-4 декабря, город Томск. - 2014. - С. 138-143.

96. Патент № 2574565 С1 РФ, МПК H02J 7/00 Система электропитания космического аппарата с регулированием мощности солнечной батареи инверторно-трансформаторным преобразователем. Шиняков Ю.А, Осипов А.В., Сунцов С.Б., Школьный В.Н., Черная М.М. / Изобретения 2016. Бюл. № 4.

97. Заявка № 2016148116 от 07.12.2016. Высоковольтная система электропитания космического аппарата / Ю.А. Шиняков, М.М. Черная, А.В. Осипов.

98. High-voltage power supply system of low-orbit spacecraft / M.M. Chernaya, Y.A. Shinyakov, A.V. Osipov // Proceedings of the 16th International conference of young specialists on micro/nanotechnologies and electron devices. EDM 2015, 29 June - 3 July, Erlagol, - 2015. -P. 502-507.

99. Высоковольтная система электропитания космического аппарата с резко переменной циклограммой нагрузки / М.М. Черная, Ю.А. Шиняков, А.В. Осипов // Материалы IV Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» (IV Козловские чтения) (14-18 сентября 2015 года, г.Самара); под общ. Ред. А.Н. Кирилина/СамНЦ РАН - Самара, 2015. - С. 24-27.

100. Розанов Ю.К. Высокочастотная коммутация электрических цепей с резонансными контурами - перспективное направление преобразовательной техники / Ю.К. Розанов, А.А. Никифоров // Электротехника. - 1991. - № 6. - С. 20-28.

101. Резонансные преобразователи энергии солнечной батареи / А.В. Осипов, Ю.А. Шиняков, М.М. Черная, А.А. Ткаченко // Материалы XIX Международной научной конференции «Решетневские чтения», 10-14 ноября, город Красноярск. - 2015. - С. 290292.

102. Заявка на полезную модель № 2017108654 от 15.03.2017. Преобразователь напряжения понижающего типа с мягкой коммутацией / А.В. Осипов, Е.В. Загородских, С.А. Запольский, М.М. Черная.

103. Анализ способов реализации мягкого переключения транзисторных ключей повышающего преобразователя для энергосистемы космического аппарата / С.А. Запольский, Е.В. Загородских, В.Н. Школьный, Ю.А. Шиняков, А.В. Осипов // Доклады томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. -20016. - Т.19. - № 2. - С. 90-93.

104. Розанов Ю.К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты.

- М.: Энергоатомиздат, 1987. - 184 с.

105. Pus-pull converter for high efficiency photovoltaic conversion / P. Petit, M Aillerie., J.P. Sawicki, J.P. Charles // Energy Proce dia. - 2012. - V. 18. - P. 1583-1592.

106. New architecture for high efficiency D^DC converter dedicated to photovoltaic conversion / P. Petit, A. Zegaoui, J.P. Sawicki, M. Aillerie, J.P. Charles // Energy Procedia. - 2011. - V. 8.

- P. 688-694.

107. Двухфазный повышающий преобразователь с мягкой коммeтацией транзисторов и особенности его динамических свойств / Р.К. Диксон, Ю.Н. Дементьев, Г.Я. Михальченко, С.Г. Михальченко, С.М. Семенов // Известия Томского полbтехнического университета. - 2014. - Т. 324. - № 4. - С. 96-101.

108. Sheng-u Ts. Interleaved step-up converter with a single capacitor snubber for PV energy conversion applications / Ts. Sheng-u, Hs.Chih-Yang // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. - 2013. - V. 53. - P. 909-922.

109. Chanuri Ch. A New Soft Switching PWM DC-DC Converter with Auxiliary Circuit and Centre-Tapped Transformer Rectifier / Ch. Chanuri, I. Shahid, T. Soib // Malaysian Technical Universities Conference on Engineering & Technology. - Malaysia, 2013. - P. 241-247.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акты внедрения результатов работы

■ научной работе и инновациям

д-т-н" пр°Фесс°р

ЩтрШг*^^ Р.В. Мещеряков

|/</» 20// г.

УТВЕРЖДАЮ:

Акт о внедрении результатов диссертационной работы М.М. Черной «Исследование и разработка энергопреобразующей аппаратуры высоковольтных систем электропитания космических аппаратов»

Настоящий акт подтверждает, что результаты диссертационной работы М.М. Черной внедрены при выполнении федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России 2009 - 2013» по следующим темам:

1. «Разработка и создание автоматизированной контрольно-испытательной аппаратуры на основе имитаторов солнечных и аккумуляторных батарей для испытаний бортовых систем электропитания и космических аппаратов в целом на всех стадиях отработки» (Государственный контракт№ 02.740.11.0524, 15.03.2010 - 01.10.2012);

2. «Разработка и создание автономных фотоэлектрических установок с экстремальным регулированием мощности солнечных батарей» (Государственный контракт № П912, (26.05.2010), 2010-2012).

3. «Разработка и создание автономных энергетических установок с автоматическим слежением фотоэлектрических панелей за солнцем» (Государственный контракт № 16.740.11.0067, (01.09.2010), 2010 - 2012).

4. «Разработка научно-технических основ создания модульных имитаторов высоковольтных солнечных батарей автоматизированной контрольно-испытательной аппаратуры систем электропитания космических аппаратов» (Государственный контракт №14.В37.21.0420, 06.08.2012 -15.11.2013);

5. «Разработка контроллера заряда-разряда аккумуляторных батарей, обеспечивающего экстремальное регулирование мощности солнечных батарей автономных фотоэлектрических энергетических установок» (Государственный контракт № 14.В37.21.1493, 12.10.2012 - 15.11.2013).

Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении работ по Программе стратегического развития ТУСУРа 2012-2016 по следующим темам:

1. «Разработка и создание автономных энергетических установок с экстремальным регулированием мощности солнечных батарей и автоматическим слежением фотоэлектрических панелей за солнцем» (подпроект 2.3.1.4, 01.01.2012 - 30.11.2013)

2. «Исследование и разработка интеллектуальных высоковольтных систем электропитания космических аппаратов с повышенной энергетической эффективностью на основе регулируемых высокочастотных инверторно-трансформаторных преобразователей» (подпроект 2.3.1.2, 01.01.2014-25.12.2014).

В вышеуказанных государственных контрактах, договорах и госбюджетных работах использованы следующие полученные результаты:

1. Результаты исследования структурных схем систем электропитания космических аппаратов и математическое описание процессов распределения потоков энергии в СЭП.

2. Математическая модель и способ расчета параметров солнечной батареи, основанные на использовании экспериментальных вольт-амперных характеристик фотоэлектрических преобразователей энергии любой единичной площади.

3. Методика расчета и выбора оптимального варианта СЭП КА, основанная на расчете энергобаланса и применении поправочных коэффициентов, определении массы альтернативных вариантов и их сопоставительном анализе.

4. Результаты разработки и исследования вариантов реализации энергопреобразующей аппаратуры высоковольтных СЭП КА на основе непосредственных и инверторно-трансформаторных преобразователей энергии.

5. Варианты структур высоковольтных СЭП КА на основе регулируемых инверторно-трансформаторных преобразователей энергии с повышенной энергетической эффективностью, надежностью, с возможностью применения БС и АБ любых типов и простым согласованием уровней напряжений источников энергии и нагрузки.

6. Результаты разработки, изготовления и испытания макетного образца модуля разрядного устройства литий-ионной аккумуляторной батареи для высоковольтной СЭП КА на основе инверторно-трансформаторного резонансного преобразователя с максимальной выходной мощностью равной 1400 Вт и КПД не менее 96 %.

На результаты интеллектуальной деятельности М.М. Черной получены:

1. Патент 2560720 РФ. Система электропитания космического аппарата с экстремальным регулированием мощности солнечной батареи / А.В. Осипов, Ю.А. Шиняков, С.Б. Сунцов, В.Н. Школьный, В.Н. Нестеришин, М.М. Черная. А.И. Отто //Бюл. изобр. 2015 №23.

2. Патент 2574565 РФ. Система электропитания космического аппарата с регулированием мощности солнечной батареи инверторно-трансформаторным преобразователем / Ю.А. Шиняков, А.В. Осипов, С.Б. Сунцов, В.Н. Школьный, М.М. Черная // Бюл. изобр. 2016 № 4.

3. Патент 2613660 РФ. Система электропитания космического аппарата / Ю.А. Шиняков, А.В. Осипов, М.М. Черная II Бюл. изобр. 2017 № 35.

4. Положительное решение ФИПС о выдаче патента на изобретение. Заявка №2016109680 от 17.03.2016. Высоковольтная система электропитания космического аппарата с индуктивно-емкостным преобразователем / А.В. Осипов, Ю.А. Шиняков, М.М. Черная.

5. Положительное решение ФИПС о выдаче патента на изобретение. Заявка №2016111897 от 29.03.2016. Высоковольтная система электропитания космического аппарата / А.В. Осипов, Ю.А. Шиняков. М.М. Черная.

Директор НИИ космических технологий, д.т.н.

*

Акционерное общество «ИНФОРМАЦИОННЫЕ СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ» имени академика М.Ф. Решетнёва»

Ф

РЕШЕТНЕВ

ул. Ленина, д. 52, г. Железногорек, ЗАТО Железногорек, Красноярский край, Российская Федерация, 662972 Тел. [phone], 72-24-39, Факс [phone], 75-61-46, e-mail: [e-mail], http: //www.iss-reshetnev.ru

ОГРН 1082452000290, ИНН 2452034898

О внедрении (использовании) результатов диссертационной работы

Черной Марии Михайловны

Комиссия в составе:

- начальник отделения 600 В.Н. Школьный;

- начальника отдела конструирования, технологической подготовки производства печатных плат и систем автоматизированного проектирования радиоэлектронной аппаратуры, к.т.н. С.Б. Сунцов;

- начальник группы разработки перспективных конструкций, моделирования и испытаний бортовой РЭА, к.ф.-м.н. A.A. Хвалько

составила настоящий акт, подтверждающий факт использования в АО «ИСС» при разработке бортового энергопреобразующего комплекса с цифровым резервированным управлением для высоковольтных систем электропитания космических аппаратов следующих результатов диссертационной работы М.М. Черной:

1. Математическая модель и способ расчета параметров солнечной батареи, основанные на использовании экспериментальных вольт-амперных характеристик фотоэлектрических преобразователей энергии любой единичной площади

2. Методика расчета и выбора оптимального варианта СЭП КА, основанная на расчете энергобаланса и применении поправочных коэффициентов, определении массы альтернативных вариантов и их сопоставительном анализе.

3. Результаты разработки и исследования вариантов реализации энергопреобразующей аппаратуры высоковольтных СЭП КА на основе непосредственных и инверторно-трансформаторных преобразователей энергии.

УТВЕРЖДАЮ Директор отраслевого центра пногабариУных трансформируемых

Указанные результаты представлены в технических отчетах по ОКР «Разработка цифрового управляющего и силовых модулей энергопреобразующего комплекса для высоковольтных систем электропитания космических аппаратов» выполняемой ТУСУР в рамках реализации lili РФ №218, хоздоговор 18/15 от 29.07.2015. Черная М.М. в период с 2015 по 2017 г.г. учувствовала в данной работе в качестве ответственного исполнителя.

По результатам выполнения проекта удалось обеспечить стабильность выходного напряжения на уровне 99,4 ± 0,2 В, ограничение тока разряда аккумуляторной батареи на уровне 15 А, обеспечение минимальных коммутационных потерь за счет реализации «мягкого» переключения транзисторов и достижение коэффициента полезного действия не менее 96 %.

Начальник отделения 600

Начальника отдела конструирования, технологической подготовки производства печатных плат и систем автоматизированного проектирования радиоэлектронной аппаратуры, к.т.н.

Начальник группы разработки перспективных конструкций, моделирования и испытаний бортовой РЭА, к.ф.-м.н.

В.Н. Школьный

С.Б. Сунцов

А.А. Хвалько