stringtranslate.com

Электрическая система Международной космической станции

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

Электрическая система Международной космической станции является важнейшей частью Международной космической станции (МКС), поскольку она обеспечивает работу основных систем жизнеобеспечения , безопасную эксплуатацию станции, работу научного оборудования, а также повышает комфорт экипажа. Электрическая система МКС использует солнечные элементы для прямого преобразования солнечного света в электричество . Большое количество элементов собрано в массивы для получения высоких уровней мощности. Этот метод использования солнечной энергии называется фотоэлектричеством .

Процесс сбора солнечного света, преобразования его в электричество, управления и распределения этого электричества создает избыточное тепло, которое может повредить оборудование космического корабля. Это тепло должно быть устранено для надежной работы космической станции на орбите. Энергосистема МКС использует радиаторы для рассеивания тепла от космического корабля. Радиаторы защищены от солнечного света и направлены в сторону холодной пустоты глубокого космоса.

Крыло солнечной батареи

Крупный план сложенной солнечной батареи.
Повреждение крыла 4B крыла солнечной батареи P6, обнаруженное при его повторном развертывании после перемещения на конечное место в ходе миссии STS-120 .

Каждое крыло солнечной батареи МКС (часто сокращенно «SAW») состоит из двух выдвижных «одеял» солнечных элементов с мачтой между ними. Каждое крыло является крупнейшим из когда-либо развернутых в космосе, весит более 2400 фунтов и использует около 33 000 солнечных батарей, каждая размером 8 квадратных см с 4100 диодами. В полностью выдвинутом состоянии каждая имеет длину 35 метров (115 футов) и ширину 12 метров (39 футов). Каждая SAW способна генерировать около 31 киловатта (кВт) постоянного тока. [1] В сложенном состоянии каждое крыло складывается в коробку-одеяло солнечной батареи высотой всего 51 сантиметр (20 дюймов) и длиной 4,57 метра (15,0 футов). [2]

В общей сложности восемь крыльев солнечных батарей [3] могут генерировать около 240 киловатт при прямом солнечном свете или около 84–120 киловатт средней мощности (переключая между солнечным светом и тенью) [4] .

Солнечные батареи обычно отслеживают Солнце, при этом «альфа- карданный подвес » используется в качестве основного вращения для отслеживания Солнца по мере того, как космическая станция движется вокруг Земли, а «бета- карданный подвес » используется для регулировки угла орбиты космической станции к эклиптике . В операциях используются несколько различных режимов слежения, начиная от полного слежения за Солнцем и заканчивая режимом снижения сопротивления ( режимы ночного глайдера и солнечного слайсера ) и режимом максимизации сопротивления, используемым для снижения высоты. [ необходима цитата ]

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

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

В марте 2009 года в рамках миссии STS-119 (сборочный полет МКС 15A) на станцию ​​была доставлена ​​ферма S6 вместе с четвертым комплектом солнечных батарей и аккумуляторов.

Чтобы дополнить самые старые крылья, NASA запустило три пары крупномасштабных версий выдвижной солнечной батареи МКС (IROSA) на борту трех грузовых ракет SpaceX Dragon 2 с начала июня 2021 года по начало июня 2023 года, SpaceX CRS-22 , CRS-26 и CRS-28 . [6] Эти батареи были развернуты вдоль центральной части крыльев на две трети ее длины. [7] Работа по установке опорных кронштейнов iROSA на мачтовых банках фермы, удерживающих крылья солнечной батареи, была начата членами экипажа экспедиции 64 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 экспедиции 65 для размещения одной iROSA на силовом канале 2B и мачтовом банке фермы P6 завершился преждевременно из-за технических трудностей с развертыванием батареи. [10] [11] [12]

Новая развернутая солнечная батарея МКС, вид с зум-камеры на ферме P6

В ходе выхода в открытый космос 20 июня была успешно осуществлена ​​первая установка iROSA и ее подключение к энергосистеме станции. [13] [14] [12] В ходе выхода в открытый космос 25 июня астронавты успешно установили и развернули вторую установку iROSA на мачте 4B напротив первой установки iROSA. [15] [12]

Следующая пара панелей была запущена 26 ноября 2022 года. [6] Астронавты Джош Кассада и Фрэнк Рубио из Экспедиции 68 установили каждую из них на силовом канале 3A и мачтовом кожухе на сегменте S4, а также силовом канале 4A и мачтовом кожухе на сегментах фермы P4 3 и 22 декабря 2022 года соответственно. [16]

Третья пара панелей была запущена 5 июня 2023 года. 9 июня астронавты Стив Боуэн и Уоррен Хобург из Экспедиции 69 установили пятую iROSA на силовом канале 1A и мачте на сегменте фермы S4. [17] [18] 15 июня Боуэн и Хобург установили шестую iROSA на силовом канале 1B и мачте на сегменте фермы S6. [19]

Последняя пара iROSA, седьмая и восьмая, планируется к установке на силовых каналах 2A и 3B на сегментах ферм P4 и S6 в 2025 году. [20]

Аккумуляторы

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 каждой 90-минутной орбиты).

Каждая сборка батарей, расположенная на фермах S4, P4, S6 и P6, состоит из 24 легких литий-ионных аккумуляторных ячеек и соответствующего электрического и механического оборудования. [21] [22] Каждая сборка батарей имеет паспортную емкость 110  Ач (396 000  Кл ) (первоначально 81 Ач) и 4 кВтч (14 МДж). [23] [24] [25] Эта энергия подается на МКС через BCDU и DCSU соответственно.

Аккумуляторы гарантируют, что станция никогда не останется без питания для поддержания систем жизнеобеспечения и экспериментов. Во время солнечной части орбиты аккумуляторы перезаряжаются. Никель-водородные аккумуляторы и блоки заряда/разряда аккумуляторов были изготовлены Space Systems/Loral (SS/L) [26] по контракту с Boeing . [27] Аккумуляторы Ni-H2 на ферме P6 были заменены в 2009 и 2010 годах на большее количество аккумуляторов Ni-H2, привезенных миссиями Space Shuttle. [25] Расчетный срок службы никель-водородных аккумуляторов составлял 6,5 лет, и они могли превышать 38 000 циклов заряда/разряда при глубине разряда 35%. Они были заменены 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 батареи были заменены литий-ионными батареями . [25] 6 января 2017 года участники экспедиции 50 Шейн Кимброу и Пегги Уитсон начали процесс замены некоторых из самых старых батарей на МКС на новые литий-ионные батареи. [25] Участники экспедиции 64 Виктор Дж. Гловер и Майкл С. Хопкинс завершили кампанию 1 февраля 2021 года. [30] [31] [32] [33] Между двумя технологиями батарей есть ряд различий. Одно из различий заключается в том, что литий-ионные батареи могут выдерживать в два раза больше заряда, поэтому при замене потребовалось всего лишь вдвое меньше литий-ионных батарей. [25] [24] Кроме того, литий-ионные батареи меньше старых никель-водородных батарей. [25] Хотя литий-ионные аккумуляторы обычно имеют более короткий срок службы, чем никель-водородные аккумуляторы, поскольку они не могут выдержать столько же циклов заряда/разряда, прежде чем начнут заметно деградировать, литий-ионные аккумуляторы ISS были разработаны для 60 000 циклов и десятилетнего срока службы, что намного больше, чем проектный срок службы оригинальных никель-водородных аккумуляторов, составляющий 6,5 лет. [25] [24]

Управление и распределение электроэнергии

Распределение электроэнергии ISS

Подсистема управления и распределения питания работает при напряжении первичной шины, установленном на V mp , пиковой точке мощности солнечных батарей. По состоянию на 30 декабря 2005 года V mp составляло 160 вольт постоянного тока ( постоянный ток ). Оно может меняться со временем, поскольку батареи деградируют из-за ионизирующего излучения. Переключатели с микропроцессорным управлением контролируют распределение первичной мощности по всей станции. [ необходима цитата ]

Блоки заряда/разряда аккумулятора (BCDU) регулируют количество заряда, подаваемого в аккумулятор. Каждый BCDU может регулировать ток разряда от двух аккумуляторных ORU (каждый с 38 последовательно соединенными ячейками Ni-H 2 ) и может обеспечивать до 6,6 кВт для космической станции. Во время инсоляции BCDU обеспечивает ток заряда аккумуляторов и контролирует количество перезаряда аккумулятора. Каждый день BCDU и аккумуляторы проходят шестнадцать циклов заряда/разряда. На космической станции имеется 24 BCDU, каждый весом 100 кг. [26] BCDU предоставляются SS/L [26]

Последовательный шунтирующий блок (SSU)

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

Преобразование постоянного тока в постоянный

Преобразователи постоянного тока в постоянный обеспечивают вторичную систему электропитания постоянным напряжением 124,5 В постоянного тока, позволяя напряжению первичной шины отслеживать пиковую точку мощности солнечных батарей.

Термоконтроль

Система терморегулирования регулирует температуру основной электроники распределения питания, а также аккумуляторов и связанной с ними электроники управления. Подробности этой подсистемы можно найти в статье Внешняя активная система терморегулирования .

Система передачи электроэнергии от станции к челноку

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

SSPTS был модернизацией шаттла, которая заменила Assembly Power Converter Unit (APCU) на новое устройство под названием Power Transfer Unit (PTU). APCU имел возможность преобразовывать 28 В постоянного тока от главной шины шаттла в 124 В постоянного тока, совместимые с 120 В постоянного тока системы питания МКС. Это использовалось при первоначальном строительстве космической станции для увеличения мощности, доступной от российского сервисного модуля «Звезда» . PTU добавляет к этому возможность преобразовывать 120 В постоянного тока, поставляемые МКС, в 28 В постоянного тока от главной шины орбитального корабля. Он способен передавать до 8 кВт мощности от космической станции к орбитальному аппарату. С этой модернизацией и шаттл, и МКС смогли использовать энергетические системы друг друга при необходимости, хотя МКС больше никогда не требовала использования энергетических систем орбитального аппарата. [ необходима цитата ]

В декабре 2006 года во время миссии STS-116 , PMA-2 (тогда находившийся в передней части модуля Destiny ) был перемонтирован, чтобы обеспечить использование SSPTS. [36] Первой миссией, в которой система была фактически использована, была STS-118 с шаттлом Endeavour . [37]

Только Discovery и Endeavour были оснащены SSPTS. Atlantis был единственным выжившим шаттлом, не оборудованным SSPTS, поэтому он мог совершать только более короткие миссии, чем остальная часть флота. [38]

Ссылки

  1. ^ «Расправьте крылья, пора летать». NASA. 26 июля 2006 г.
  2. ^ "STS-97: Сборка фотоэлектрической батареи". NASA. 9 ноября 2000 г. Архивировано из оригинала 23 января 2001 г.
  3. ^ "Международная космическая станция – Солнечная энергия". Boeing.
  4. ^ Райт, Джерри. «Солнечные батареи». NASA . Получено 23.03.2016 .
  5. ^ "NASA.gov". Архивировано из оригинала 2018-12-29 . Получено 2021-05-26 .
  6. ^ ab Clark, Stephen (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 . Получено 28 ноября 2022 г.
  7. ^ «Текущие и будущие операции и проблемы Международной космической станции» (PDF) . Офис программы МКС . NASA. 15 октября 2020 г. Получено 2 мая 2021 г.
  8. ^ "Страница информации об экспедиции 64". Spacefacts.de. 10 мая 2021 г. Получено 17 июня 2021 г.
  9. ^ Гарсия, Марк (11 января 2021 г.). «Новые солнечные батареи для питания исследовательской станции NASA International Space Station». NASA. Архивировано из оригинала 24 мая 2023 г. Получено 26 апреля 2021 г.Общественное достояниеВ данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .
  10. ^ Гарсия, Марк (16 июня 2021 г.). «Выход в открытый космос для установки первой новой солнечной батареи завершен». NASA . Получено 17 июня 2021 г. .Общественное достояниеВ данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .
  11. ^ «Проблемы с оборудованием и скафандрами тормозят амбициозный выход в открытый космос на МКС». Aviation Week . Informa Markets. 17 июня 2021 г. Получено 17 июня 2021 г.
  12. ^ abc "Страница информации об экспедиции 65". Spacefacts.de. 17 июня 2021 г. Получено 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 панелей». The Guardian . Guardian News and Media Ltd . Получено 26 июня 2021 г. .
  14. ^ Перлман, Роберт З. (20 июня 2021 г.). «Астронавты во время выхода в открытый космос развертывают первую выдвижную солнечную батарею для повышения мощности станции». Space.com . Future US Inc . Получено 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 . Future US Inc . Получено 26 июня 2021 г. .
  16. ↑ Перлман, Роберт З. (22 декабря 2022 г.). «Астронавты НАСА разворачивают 4-ю выдвижную солнечную батарею во время выхода в открытый космос за пределами космической станции». Space.com . Получено 23 декабря 2022 г.
  17. ^ Гарсия, Марк (2023-06-09). «Астронавты НАСА начинают выход в открытый космос для установки солнечной батареи». blogs.nasa.gov . Получено 2023-06-10 .
  18. ^ Гарсия, Марк (2023-06-09). "NASA Spacewalkers Complete Solar Array Installation". blogs.nasa.gov . Получено 2023-06-10 .
  19. ^ Кларк, Стивен (9 июня 2023 г.). «Астронавты устанавливают новую выдвижную солнечную батарею снаружи Международной космической станции – Spaceflight Now». Spaceflight Now . Получено 10 июня 2023 г.
  20. ^ Дэвенпорт, Джастин (15 июня 2023 г.). «ISS завершает первоначальную модернизацию iROSA с двумя выходами в открытый космос в этом месяце». NASASpaceFlight.com . Получено 18 июня 2023 г.
  21. ^ Гарсия, Марк (6 января 2017 г.). «Астронавты завершили первый из двух выходов в открытый космос для модернизации системы электропитания». NASA . Получено 28 февраля 2021 г. .Общественное достояниеВ данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .
  22. ^ Шванбек, Юджин; Далтон, Пенни (16 декабря 2019 г.). «Литий-ионные батареи Международной космической станции для первичной системы электропитания». Европейская конференция по космической энергетике (ESPC) 2019 г. IEEE. стр. 1. doi :10.1109/ESPC.2019.8932009. ISBN 978-1-7281-2126-0. S2CID  209382968 . Получено 5 марта 2021 г. .
  23. ^ "Международная космическая станция никель-водородные батареи приблизились к 3-летней отметке на орбите". NASA. Архивировано из оригинала 7 марта 2005 года . Получено 14 сентября 2007 года .
  24. ^ abcde Dalton, Penni; Bowens, Ebony; North, Tim; Balcer, Sonia (19 ноября 2019 г.). "Состояние литий-ионной батареи Международной космической станции" (PDF) . NASA . Получено 5 марта 2021 г. .
  25. ^ abcdefg "EVA-39: Spacewalkers завершают модернизацию батарей МКС". 13 января 2017 г. Получено 5 марта 2021 г.
  26. ^ abcd "Международная космическая станция" (PDF) . Space Systems Loral. Февраль 1998 г. Архивировано из оригинала (PDF) 27 декабря 2014 г.
  27. ^ "Space Systems/Loral заключили контракт на 103 миллиона долларов на создание критически важных систем электропитания для Международной космической станции" (пресс-релиз). Loral. 8 июля 2003 г. Архивировано из оригинала 28 сентября 2007 г.
  28. ^ "Срок службы никель-водородной батареи для Международной космической станции". NASA. Архивировано из оригинала 25-08-2009.
  29. ^ "STS-97 Payload: Photovoltaic Array Assembly (PVAA)". NASA. Архивировано из оригинала 23 января 2001 года . Получено 14 сентября 2007 года .
  30. ^ Гарсия, Марк (1 февраля 2021 г.). «Spacewalkers complete multi-year attempt to upgrade space station batteries». NASA . Получено 5 марта 2021 г. .Общественное достояниеВ данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .
  31. ^ Гарсия, Марк (1 февраля 2021 г.). «Космические выходцы завершают работу с батареями и установку камер». NASA . Получено 5 марта 2021 г. .Общественное достояниеВ данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .
  32. ^ Gohd, Chelsea (1 февраля 2021 г.). «Астронавты, выходящие в открытый космос, завершают многолетнюю модернизацию батареи космической станции». Space.com . Получено 5 марта 2021 г.
  33. ^ Гарсия, Марк (27 января 2021 г.). «Spacewalk завершается модернизацией европейского лабораторного модуля». NASA . Получено 28 февраля 2021 г. .Общественное достояниеВ данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .
  34. ^ "Изучены варианты управления электрическими опасностями солнечной батареи космической станции для последовательной замены шунтирующего блока". NASA. Архивировано из оригинала 2006-10-08.
  35. ^ "Интервью с экипажем STS-118, Система питания станции от шаттла". space.com.
  36. ^ "Aft flight deck payloads switch list for handover". Ascent Checklist STS-116 (PDF) . Mission Operations Directorate Flight Design and Dynamics Division. 19 октября 2006 г. стр. 174. Архивировано из оригинала (PDF) 24 мая 2011 г. Получено 2 апреля 2009 г.
  37. ^ "STS-118 MCC Status Report #05". NASA. 10 августа 2007 г. Архивировано из оригинала 19 октября 2007 г. Получено 2 апреля 2009 г.
  38. ↑ Гебхардт, Крис (16 ноября 2009 г.). «Проблема с топливным элементом 2 решена – Atlantis успешно запущен». NASAspaceflight.com.

Внешние ссылки