stringtranslate.com

Электрическая система Международной космической станции

Крыло солнечной батареи Международной космической станции ( экипаж 17-й экспедиции , август 2008 г.).
Солнечная панель МКС, пересекающая горизонт Земли .

Электрическая система Международной космической станции является важнейшим ресурсом Международной космической станции (МКС), поскольку она позволяет экипажу комфортно жить, безопасно управлять станцией и проводить научные эксперименты. Электрическая система МКС использует солнечные элементы для прямого преобразования солнечного света в электричество . Большое количество ячеек собрано в массивы для получения высоких уровней мощности. Этот метод использования солнечной энергии называется фотоэлектрикой .

Процесс сбора солнечного света, преобразования его в электричество, а также управления и распределения этого электричества приводит к накоплению избыточного тепла, которое может повредить оборудование космического корабля. Это тепло необходимо устранить для надежной работы космической станции на орбите. В энергосистеме МКС используются радиаторы для отвода тепла от космического корабля. Радиаторы затенены от солнечного света и направлены в сторону холодной пустоты глубокого космоса.

Крыло солнечной батареи

Крупный план сложенной солнечной батареи.
Повреждения крыла 4B крыла солнечной батареи P6, обнаруженные при его передислокации после перемещения в конечное положение во время миссии STS-120 .

Каждое крыло солнечной батареи МКС (часто сокращенно «ПАВ») состоит из двух выдвижных «одеял» солнечных батарей с мачтой между ними. Каждое крыло является самым большим из когда-либо развернутых в космосе: оно весит более 2400 фунтов и использует почти 33 000 солнечных батарей, каждая из которых имеет площадь 8 см и 4100 диодов. В полностью выдвинутом состоянии каждый имеет длину 35 метров (115 футов) и ширину 12 метров (39 футов). Каждая ПАВ способна генерировать мощность постоянного тока почти 31 киловатт (кВт). [1] В сложенном состоянии каждое крыло складывается в короб с солнечной батареей высотой всего 51 сантиметр (20 дюймов) и длиной 4,57 метра (15,0 футов). [2]

В общей сложности восемь крыльев солнечной батареи [3] могут генерировать около 240 киловатт под прямыми солнечными лучами или от 84 до 120 киловатт средней мощности (переключение между солнечным светом и тенью). [4]

Солнечные батареи обычно отслеживают Солнце, при этом «альфа- подвес » используется в качестве основного вращения для следования за Солнцем во время движения космической станции вокруг Земли, а «бета- подвес » используется для регулировки угла орбиты космической станции. эклиптика .​ В операциях используются несколько различных режимов слежения: от полного слежения за Солнцем до режима уменьшения сопротивления ( режимы ночного планера и режима среза Солнца ) и до режима максимизации сопротивления, используемого для снижения высоты. [ нужна цитата ]

Со временем фотоэлектрические элементы на крыльях постепенно пришли в негодность, поскольку были рассчитаны на 15-летний срок службы. Это особенно заметно при первых запущенных массивах, фермах P6 и P4 в 2000 году ( STS-97 ) и 2006 году ( STS-115 ). [5]

STS-117 доставил ферму S4 и солнечные батареи в 2007 году.

STS-119 (сборочный рейс 15А МКС) доставил на станцию ​​ферму S6 вместе с четвертым комплектом солнечных батарей и батарей в марте 2009 года.

Чтобы увеличить самые старые крылья, НАСА запустило три пары крупномасштабных версий солнечной батареи МКС (IROSA) на борту трех грузовых запусков SpaceX Dragon 2 с начала июня 2021 года по начало июня 2023 года, SpaceX CRS-22 , CRS-26 и ЦРС-28 . [6] Эти массивы были развернуты вдоль центральной части крыла на протяжении до двух третей его длины. [7] Работы по установке опорных кронштейнов iROSA на банки ферменной мачты, удерживающие крылья солнечных батарей, были начаты членами экипажа 64-й экспедиции в конце февраля 2021 года. [8] [9] После того, как в начале июня была доставлена ​​первая пара батарей. Выход в открытый космос 16 июня Шейна Кимбро и Томаса Песке из 65-й экспедиции с целью размещения одного iROSA на канале питания 2B и мачты фермы P6 завершился досрочно из-за технических трудностей с развертыванием массива. [10] [11] [12]

Новая солнечная батарея МКС, вид с камеры с зумом на ферме P6

Выход в открытый космос 20 июня стал свидетелем успешного развертывания и подключения первой iROSA к энергосистеме станции. [13] [14] [12] Во время выхода в открытый космос 25 июня астронавты успешно установили и развернули второй iROSA на мачте 4B напротив первого iROSA. [15] [12]

Следующая пара панелей была запущена 26 ноября 2022 года. [6] Астронавты Джош Кассада и Фрэнк Рубио из Экспедиции 68 установили каждую на силовой канал 3А и мачту сегмента S4, а силовой канал 4А и мачту на сегменте. Сегменты фермы P4 3 и 22 декабря 2022 г. соответственно. [16]

Третья пара панелей была запущена 5 июня 2023 года. 9 июня астронавты Стив Боуэн и Уоррен Хобург из 69-й экспедиции установили пятую iROSA на силовой канал 1А и мачту на сегменте фермы S4. [17] [18] 15 июня Боуэн и Хобург установили шестой iROSA на силовой канал 1B и мачту на сегменте фермы S6. [19]

Последнюю пару iROSA, седьмую и восьмую, планируется установить на силовых каналах 2А и 3В на сегментах фермы P4 и S6 в 2025 году. [20]

Батареи

Поскольку станция часто не находится под прямыми солнечными лучами, она использует перезаряжаемые литий-ионные батареи (первоначально никель-водородные батареи ) для обеспечения непрерывного питания во время «затменной» части орбиты ( 35 минут из каждых 90 минут орбиты).

Каждый аккумуляторный блок, расположенный на фермах S4, P4, S6 и P6, состоит из 24 легких литий-ионных аккумуляторных элементов и соответствующего электрического и механического оборудования. [21] [22] Паспортная емкость каждого аккумуляторного блока составляет 110  Ач (396 000  C ) (первоначально 81 Ач) и 4 кВтч (14 МДж). [23] [24] [25] Эта мощность подается на МКС через BCDU и DCSU соответственно.

Батареи гарантируют, что станция никогда не останется без питания для поддержания систем жизнеобеспечения и проведения экспериментов. Во время солнечного участка орбиты происходит подзарядка аккумуляторов. Никель-водородные аккумуляторы и устройства зарядки/разрядки аккумуляторов были изготовлены компанией Space Systems/Loral (SS/L) [26] по контракту с Boeing . [27] Ni-H2-батареи на ферме P6 были заменены в 2009 и 2010 годах на новые Ni-H2-батареи, доставленные в ходе миссий космических шаттлов. [25] Расчетный срок службы никель-водородных батарей составлял 6,5 лет, и они могли выполнять более 38 000 циклов зарядки/разрядки при глубине разряда 35%. Их заменяли несколько раз в течение ожидаемого 30-летнего срока службы станции. [28] [24] Каждая батарея имела размеры 40 на 36 на 18 дюймов (102 на 91 на 46 см) и весила 375 фунтов (170 кг). [29] [24]

С 2017 по 2021 год никель-водородные аккумуляторы были заменены литий-ионными . [25] 6 января 2017 года члены 50-й экспедиции Шейн Кимбро и Пегги Уитсон начали процесс замены некоторых из самых старых батарей на МКС на новые литий-ионные батареи. [25] Члены 64-й экспедиции Виктор Дж. Гловер и Майкл С. Хопкинс завершили кампанию 1 февраля 2021 года. [30] [31] [32] [33] Между этими двумя аккумуляторными технологиями существует ряд различий. Единственное отличие состоит в том, что литий-ионные батареи могут выдерживать вдвое больший заряд, поэтому при замене потребовалось вдвое меньше литий-ионных батарей. [25] [24] Кроме того, литий-ионные батареи меньше, чем старые никель-водородные батареи. [25] Хотя литий-ионные аккумуляторы обычно имеют более короткий срок службы, чем Ni-H2-аккумуляторы, поскольку они не могут выдержать столько циклов зарядки/разрядки, прежде чем произойдет заметное ухудшение состояния, литий-ионные аккумуляторы ISS рассчитаны на 60 000 циклов и десять лет срока службы. намного дольше, чем расчетный срок службы оригинальных Ni-H2-батарей, составляющий 6,5 лет. [25] [24]

Управление и распределение электроэнергии

Распределение электроэнергии МКС

Подсистема управления и распределения электроэнергии работает при напряжении первичной шины, равном V mp , пиковой мощности солнечных батарей. По состоянию на 30 декабря 2005 года напряжение Vmp составляло 160 вольт постоянного тока ( постоянный ток ). Со временем оно может измениться по мере разрушения массивов под действием ионизирующего излучения. Переключатели, управляемые микропроцессором, контролируют распределение первичной энергии по всей станции. [ нужна цитата ]

Устройства зарядки/разрядки аккумулятора (BCDU) регулируют количество заряда аккумулятора. Каждый BCDU может регулировать ток разряда от двух аккумуляторных блоков ORU (каждый из 38 последовательно соединенных элементов Ni-H 2 ) и может обеспечивать до 6,6 кВт для Космической станции. Во время инсоляции BCDU подает ток заряда на аккумуляторы и контролирует степень перезарядки аккумуляторов. Каждый день BCDU и аккумуляторы подвергаются шестнадцати циклам зарядки/разрядки. Космическая станция имеет 24 BCDU, каждый весом 100 кг. [26] BCDU предоставляются SS/L [26]

Блок последовательного шунтирования (ССУ)

Восемьдесят две отдельные цепочки солнечных батарей питают блок последовательного шунта (SSU), который обеспечивает грубую регулировку напряжения на желаемом уровне Vmp . SSU применяет «фиктивную» (резистивную) нагрузку, которая увеличивается по мере уменьшения нагрузки станции (и наоборот), поэтому массив работает при постоянном напряжении и нагрузке. [34] SSU предоставляются SS/L. [26]

Преобразование постоянного тока в постоянный

Преобразователи постоянного тока в постоянный подают во вторичную энергосистему постоянное напряжение 124,5 В постоянного тока, позволяя напряжению первичной шины отслеживать пиковую мощность солнечных батарей.

Термоконтроль

Система термоконтроля регулирует температуру основной электроники распределения энергии, аккумуляторов и связанной с ними управляющей электроники. Подробности об этой подсистеме можно прочитать в статье Внешняя активная система термоконтроля .

Станция для челночной системы передачи энергии

С 2007 года система передачи энергии от станции к шаттлу (SSPTS; произносится как коса ) позволяла пристыкованному космическому шаттлу использовать энергию, обеспечиваемую солнечными батареями Международной космической станции . Использование этой системы позволило сократить использование бортовых топливных элементов шаттла , что позволило ему оставаться пристыкованным к космической станции еще четыре дня. [35]

SSPTS представлял собой модернизацию шаттла, в ходе которой сборочный преобразователь мощности (APCU) был заменен новым устройством, называемым блоком передачи мощности (PTU). APCU имел возможность преобразовывать питание главной шины шаттла 28 В постоянного тока в 124 В постоянного тока, совместимое с системой питания 120 В постоянного тока МКС. Он использовался при первоначальном строительстве космической станции для увеличения мощности российского служебного модуля «Звезда» . PTU добавляет к этому возможность преобразовывать 120 В постоянного тока, подаваемого с МКС, в питание главной шины орбитального корабля 28 В постоянного тока. Он способен передавать до 8 кВт мощности от космической станции к орбитальному аппарату. Благодаря этой модернизации и шаттл, и МКС смогли использовать энергосистемы друг друга, когда это необходимо, хотя МКС больше никогда не требовалось использование энергосистем орбитального корабля. [ нужна цитата ]

В декабре 2006 года во время миссии STS-116 PMA -2 (тогда находившийся в передней части модуля Destiny ) был перемонтирован, чтобы можно было использовать SSPTS. [36] Первой миссией, в которой система была фактически использована, был STS-118 с космическим кораблем «Индевор» . [37]

Только Discovery и Endeavour были оснащены ССПТС. «Атлантис» был единственным уцелевшим шаттлом, не оснащенным SSPTS, поэтому он мог выполнять только миссии меньшей длины, чем остальная часть флота. [38]

Рекомендации

  1. ^ «Расправь крылья, пора летать» . НАСА. 26 июля 2006 г.
  2. ^ «STS-97: Сборка фотоэлектрической батареи» . НАСА. 9 ноября 2000 г. Архивировано из оригинала 23 января 2001 г.
  3. ^ «Международная космическая станция - Солнечная энергия». Боинг.
  4. ^ Райт, Джерри. «Солнечные батареи». НАСА . Проверено 23 марта 2016 г.
  5. ^ "NASA.gov" . Архивировано из оригинала 29 декабря 2018 г. Проверено 26 мая 2021 г.
  6. ↑ Аб Кларк, Стивен (26 ноября 2022 г.). «SpaceX запускает грузовой корабль Dragon для доставки новых солнечных батарей на космическую станцию ​​– Spaceflight Now». Spaceflight Now — ведущий источник новостей о космосе в Интернете . Проверено 28 ноября 2022 г.
  7. ^ «Текущие и будущие операции и проблемы Международной космической станции» (PDF) . Программный офис МКС . НАСА. 15 октября 2020 г. Проверено 2 мая 2021 г.
  8. ^ "Информационная страница Экспедиции 64" . Spacefacts.de. 10 мая 2021 г. Проверено 17 июня 2021 г.
  9. ↑ Гарсия, Марк (11 января 2021 г.). «Новые солнечные батареи для обеспечения исследований Международной космической станции НАСА». НАСА. Архивировано из оригинала 24 мая 2023 года . Проверено 26 апреля 2021 г.Всеобщее достояниеВ данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .
  10. ↑ Гарсия, Марк (16 июня 2021 г.). «Выход в открытый космос для установки первой новой солнечной батареи завершен». НАСА . Проверено 17 июня 2021 г.Всеобщее достояниеВ данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .
  11. ^ «Аппаратное обеспечение, трудности со скафандром остановили амбициозный выход в открытый космос на МКС» . Авиационная неделя . Информационные рынки. 17 июня 2021 г. Проверено 17 июня 2021 г.
  12. ^ abc "Информационная страница 65-й экспедиции" . Spacefacts.de. 17 июня 2021 г. Проверено 17 июня 2021 г.
  13. ^ Сотрудники Guardian, AP и AFP (20 июня 2021 г.). «Астронавты МКС совершили шестичасовой выход в открытый космос для установки солнечных батарей» . Хранитель . ООО «Гардиан Ньюс энд Медиа» . Проверено 26 июня 2021 г.
  14. ↑ Перлман, Роберт З. (20 июня 2021 г.). «Астронавты во время выхода в открытый космос разворачивают первую развернутую солнечную батарею для увеличения мощности станции» . Space.com . Будущее США Inc. Проверено 26 июня 2021 г.
  15. ↑ Перлман, Роберт З. (25 июня 2021 г.). «Астронавты, выходящие в открытый космос, развертывают вторую новую солнечную батарею для космической станции». Space.com . Будущее США Inc. Проверено 26 июня 2021 г.
  16. ↑ Перлман, Роберт З. (22 декабря 2022 г.). «Астронавты НАСА разворачивают четвертую развернутую солнечную батарею во время выхода в открытый космос за пределами космической станции» . Space.com . Проверено 23 декабря 2022 г.
  17. ^ Гарсия, Марк (9 июня 2023 г.). «Астронавты НАСА начинают выход в открытый космос для установки солнечной батареи». blogs.nasa.gov . Проверено 10 июня 2023 г.
  18. ^ Гарсия, Марк (9 июня 2023 г.). «Выходцы в открытый космос НАСА завершают установку солнечной батареи». blogs.nasa.gov . Проверено 10 июня 2023 г.
  19. ↑ Кларк, Стивен (9 июня 2023 г.). «Астронавты устанавливают новую выкатную солнечную батарею возле Международной космической станции - космический полет сейчас». Космический полет сейчас . Проверено 10 июня 2023 г.
  20. ↑ Давенпорт, Джастин (15 июня 2023 г.). «В этом месяце МКС завершает первоначальную модернизацию iROSA двумя выходами в открытый космос». NASASpaceFlight.com . Проверено 18 июня 2023 г.
  21. ↑ Гарсия, Марк (6 января 2017 г.). «Астронавты совершают первый из двух выходов в открытый космос с повышением мощности». НАСА . Проверено 28 февраля 2021 г.Всеобщее достояниеВ данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .
  22. ^ Шванбек, Юджин; Далтон, Пенни (16 декабря 2019 г.). «Литий-ионные аккумуляторы Международной космической станции для первичной электроэнергетической системы». Европейская конференция по космической энергетике (ESPC) 2019 года . IEEE. п. 1. дои : 10.1109/ESPC.2019.8932009. ISBN 978-1-7281-2126-0. S2CID  209382968 . Проверено 5 марта 2021 г.
  23. ^ «Никель-водородные батареи Международной космической станции приблизились к трехлетней отметке на орбите» . НАСА. Архивировано из оригинала 7 марта 2005 года . Проверено 14 сентября 2007 г.
  24. ^ abcde Далтон, Пенни; Боуэнс, Эбони; Норт, Тим; Бальцер, Соня (19 ноября 2019 г.). «Состояние литий-ионной батареи Международной космической станции» (PDF) . НАСА . Проверено 5 марта 2021 г.
  25. ^ abcdefg «EVA-39: Выходцы в открытый космос завершают модернизацию батарей МКС». 13 января 2017 года . Проверено 5 марта 2021 г.
  26. ^ abcd «Международная космическая станция» (PDF) . Космические системы Лорал. Февраль 1998 г. Архивировано из оригинала (PDF) 27 декабря 2014 г.
  27. ^ «Space Systems/Loral заключила контракт на сумму 103 миллиона долларов на строительство критически важных энергосистем для Международной космической станции» (пресс-релиз). Лорал. 8 июля 2003 г. Архивировано из оригинала 28 сентября 2007 г.
  28. ^ «Ресурс никель-водородной батареи для Международной космической станции» . НАСА. Архивировано из оригинала 25 августа 2009 г.
  29. ^ «Полезная нагрузка STS-97: сборка фотоэлектрической матрицы (PVAA)» . НАСА. Архивировано из оригинала 23 января 2001 года . Проверено 14 сентября 2007 г.
  30. ↑ Гарсия, Марк (1 февраля 2021 г.). «Выходцы в открытый космос завершают многолетнюю работу по модернизации батарей космической станции». НАСА . Проверено 5 марта 2021 г.Всеобщее достояниеВ данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .
  31. ↑ Гарсия, Марк (1 февраля 2021 г.). «Выходцы в открытый космос завершают работу по установке аккумуляторов и камер». НАСА . Проверено 5 марта 2021 г.Всеобщее достояниеВ данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .
  32. ↑ Год, Челси (1 февраля 2021 г.). «Астронавты, выходящие в открытый космос, завершают модернизацию батареи космической станции, над которой работали многие годы» . Space.com . Проверено 5 марта 2021 г.
  33. ↑ Гарсия, Марк (27 января 2021 г.). «Выход в открытый космос завершается модернизацией европейского лабораторного модуля» . НАСА . Проверено 28 февраля 2021 г.Всеобщее достояниеВ данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .
  34. ^ «Изученные варианты управления электрическими опасностями солнечных батарей космической станции для последовательной замены шунтирующего блока» . НАСА. Архивировано из оригинала 8 октября 2006 г.
  35. ^ "Интервью экипажа STS-118, от станции к системе питания шаттла" . space.com.
  36. ^ «Список переключения полезной нагрузки кормовой кабины экипажа для передачи» . Контрольный список восхождения STS-116 (PDF) . Отдел проектирования и динамики полета Управления операций миссии. 19 октября 2006 г. с. 174. Архивировано из оригинала (PDF) 24 мая 2011 года . Проверено 2 апреля 2009 г.
  37. ^ «Отчет о состоянии MCC STS-118 № 05» . НАСА. 10 августа 2007 года. Архивировано из оригинала 19 октября 2007 года . Проверено 2 апреля 2009 г.
  38. ↑ Гебхардт, Крис (16 ноября 2009 г.). «Проблема с топливным элементом 2 решена – запуск Атлантиды идеален» . NASAspaceflight.com.

Внешние ссылки