Способ контроля производительности установленной на космическом аппарате солнечной батареи с двусторонней светочувствительностью
Владельцы патента RU 2770330:
Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва" (RU)
Изобретение относится к электроснабжению космического аппарата (КА). Способ включает развороты солнечной батареи (СБ) для достижения минимального угла между нормалью к лицевой поверхности (ЛП) СБ и направлением на Солнце. Дополнительно разворачивают КА в положение полной освещенности ЛП СБ Солнцем, а затем – СБ в положение, при котором точки пересечения линии видимого с КА горизонта Земли с плоскостью СБ находятся на теневой части поверхности Земли. Ток СБ измеряют на интервале, когда составляющая тока СБ от освещения ее ЛП исходящим от Земли световым потоком не превышает погрешности измерения тока СБ. Производительность СБ контролируют по результатам сравнения текущих и полученных ранее, на указанном интервале, значений тока СБ при освещении ее ЛП под прямым углом солнечным излучением эталонной яркости. При этом учитывают текущую величину солнечного светового потока на орбите КА. Технический результат состоит в повышении точности контроля производительности СБ. 1 ил.
Изобретение относится к области космической техники, а именно к системам электроснабжения (СЭС) космических аппаратов (КА) и может быть использовано при эксплуатации солнечных батарей (СБ) СЭС КА.
Одной из составляющей контроля текущей производительности СБ КА является контроль основных электрических характеристик СБ - выходного тока, напряжения и мощности СБ. На стадии проектирования и изготовления СБ осуществляется теоретический расчет выходных параметров СБ, который может быть основан на методе перемещений вольт-амперной характеристики, учитывающем различные влияния окружающей среды и параметров нагрузки на характеристики СБ (Система электроснабжения КА. Техническое описание. 300ГК.20Ю.0000-АТО. РКК «Энергия», 1998; Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. Москва. Энергоатомиздат.1983. Стр. 49, 54).
Недостаток указанного способа контроля текущей производительности СБ заключается в том, что используемые в расчетах модели факторов космического полета имеют ограниченную точность, что не позволяет получить достоверные данные о реальных характеристиках СБ в полете, учитывающих процесс деградации СБ.
Для контроля фактических характеристик СБ в полете используются данные измерений фактического выходного тока СБ, генерируемого фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) под воздействием солнечного излучения, при этом СБ выставляются таким образом, чтобы световой поток поступал перпендикулярно рабочей поверхности СБ (Елисеев А.С.Техника космических полетов. Москва, «Машиностроение», 1983. стр. 190-194; Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей.
Москва, Энергоатомиздат, 1983. стр. 57; патент РФ №2353555 по заявке №2006131395/11, приоритет от 31.08.2006), для чего разворачивают панели СБ в рабочее положение, соответствующее совмещению нормали к их освещенной рабочей поверхности с направлением на Солнце и контроль текущей производительности панели СБ осуществляют по результатам сравнения измеренных значений тока с задаваемыми значениями - текущая эффективность СБ оценивается по отношению измеренных фактических выходных параметров СБ к их номинальным значениям - проектным или некоторым исходным значениям, например, измеренным на предыдущих этапах полета.
Выбор силы тока в качестве контролируемой выходной характеристики СБ вызван тем, что его сила является переменной величиной, напрямую зависящей от состояния СБ в целом, а напряжение является достаточно стабильной величиной и определяется в основном физическими свойствами используемых для изготовления СБ фотоэлектрических преобразователей, при этом режим работы ФЭП еще на стадии проектирования СБ задается таким образом, чтобы генерируемая мощность (как произведение силы тока и напряжения) была максимально возможной.
Данный способ обеспечивает контроль эффективности панели СБ в ходе полета КА. Меньшие значения фактических выходных токов СБ по отношению к заданным проектным или исходным значениям означают деградацию СБ. Недостатком способа является то, что он не предусматривает проведение замера тока СБ при одинаковых внешних полетных условиях, что необходимо для обоснованности дальнейшего сравнения результатов выполненных замеров.
Известен способ контроля производительности солнечной батареи космического аппарата с инерционными исполнительными органами (патент РФ №2706643 по заявке №2016134118, приоритет от 19.08.2016 - прототип), включающий ориентацию СБ нормалью к рабочей поверхности на Солнце, измерение тока СБ и контроль производительности СБ по результатам сравнения текущих измеренных значений тока и значений тока, измеренных на предыдущих этапах полета, согласно которого выполняют построение и поддержание в орбитальной системе координат ориентации КА, при которой воздействующий на КА внешний возмущающий момент за виток достигает минимального значения, последовательно разворачивают СБ в фиксированные положения, в которых значение угла между нормалью к рабочей поверхности СБ и направлением на Солнце составляет величину менее фиксированного значения, на последовательных витках орбиты измеряют значение угла 
между направлением на Солнце и нормалью к плоскости орбиты КА на моменты касания видимым с КА диском Солнца верхней границы атмосферы Земли на заходе Солнца, измеряют ток СБ в моменты касания видимым с КА диском Солнца верхней границы атмосферы Земли на заходе Солнца на витках, на которых достигает локального минимума модуль угла 
, где λ+- угол между нормалью к плоскости орбиты и нормалью к рабочей поверхности СБ в ее фиксированном положении, составляющем тупой угол с направлением полета и отстоящим от направления в надир на угол, ближайший к сумме углов 
, в поддерживаемой ориентации КА.
Данный способ обеспечивает одинаковые условия замера тока от СБ при контроле производительности СБ по результатам прямого замера электрического тока, генерируемого СБ на фоне штатного полета КА с инерционными исполнительными органами в базовой ориентации при устоявшемся температурном режиме СБ и минимальном влиянии подсветки от Земли, причем минимизация влияния подсветки от Земли направлена на повышение точности контроля производительности СБ, поскольку данная подсветка вносит неопределенность в решение рассматриваемой задачи контроля.
Недостаток способа-прототипа связан с тем, что реализуемая в данном способе методика учета влияния на контроль производительности СБ эффекта подсветки СБ уходящим от Земли излучением реализуется без учета возможного затенения ФЭП СБ элементами конструкции КА, что вносит дополнительную неопределенность в решение задачи контроля производительности СБ, рассматриваемой как полная производительность суммарно всех ФЭП СБ, кроме того контроль производительности СБ по точечному измерению тока СБ в фиксированный уникальный момент времени - в момент касания видимым с КА диском Солнца верхней границы атмосферы Земли на заходе Солнца - имеет низкую надежность ввиду полного отсутствия требуемых для реализации контроля измерений тока СБ в случае возможного разового сбоя ТМИ в данный уникальный момент времени.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание условий для высокоточного контроля производительности СБ.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в повышении точности контроля производительности СБ.
Технический результат достигается тем, что в способе контроля производительности установленной на космическом аппарате солнечной батареи с двусторонней светочувствительностью, включающем повороты солнечной батареи, определяемые из условия минимизации значения угла между нормалью к лицевой поверхности солнечной батареи и направлением на Солнце, определение текущего значения светового потока солнечного излучения на орбите космического аппарата, измерение тока солнечной батареи и сравнение текущих и полученных на предыдущих этапах полета значений тока солнечной батареи, дополнительно разворачивают космический аппарат до полной освещенности фотоэлектрических преобразователей солнечной батареи Солнцем и поворачивают солнечную батарею в положение, при котором точки пересечения линии видимого с космического аппарата горизонта Земли с плоскостью, в которой лежит солнечная батарея, находятся на теневой части поверхности Земли, измерения тока солнечной батареи выполняют на интервале, когда определяемая составляющая измеренного тока солнечной батареи от освещения лицевой поверхности солнечной батареи уходящим от Земли световым потоком не превышает погрешности измерения тока солнечной батареи, а контроль производительности солнечной батареи осуществляют по результатам сравнения текущих и полученных на предыдущих этапах полета значений величины тока солнечной батареи при освещении лицевой поверхности солнечной батареи солнечным излучением эталонной яркости по нормали к поверхности солнечной батареи, при этом данную величину определяют по выполненным на упомянутом интервале измерениям тока солнечной батареи с учетом текущего значения светового потока солнечного излучения на орбите космического аппарата.
В предлагаемом изобретении повышение точности контроля производительности СБ достигается за счет использования при контроле производительности СБ результатов замера тока, генерируемого полным набором ФЭП СБ при устоявшемся температурном режиме и минимальном влиянии на генерацию тока подсветки СБ уходящим от Земли излучением, определяемой из условия, что величина составляющей тока СБ, генерируемой за счет освещения СБ уходящим от Земли световым потоком, не превышает точность измерения тока СБ.
Суть предлагаемого изобретения поясняется рисунком, на котором представлена возможная схема освещения СБ и введены обозначения:
N - нормаль в лицевой поверхности СБ;
S - направление на Солнце;
1 - теневая часть поверхности Земли;
2 - линия видимого с КА горизонта Земли;
3 - плоскость, в которой лежит СБ;
4 - точки пересечения линии видимого с КА горизонта Земли с плоскостью, в которой лежит СБ (данные точки находятся на теневой части поверхности Земли).
Поясним предложенные в способе действия.
На многих КА, например, на международной космической станции (МКС), система управления положением СБ предусматривает выставку СБ в заданные дискретные положения, фиксированные в связанной с КА системе координат, а поворот СБ между такими положениями выполняется с заданной угловой скоростью вращения СБ. При этом для выполнения различных полетных операций предусмотрены различные режимы управления ориентаций СБ, в том числе режим автоматического наведения (отслеживания) СБ на Солнце и режим выставки СБ в заданное положение (положение выбирается из перечня упомянутых заданных дискретных положений СБ, фиксированных в связанной с КА системе координат). При этом в режиме автоматического наведения (отслеживания) СБ на Солнце система управления автоматически выбирает момент начала поворота СБ для перевода СБ из текущего фиксированного положения СБ в последующее.
Таким образом в произвольный текущий момент времени СБ находится или в одном из фиксированных положений (в этом случае оно является текущим дискретным фиксированным положением СБ) или в процессе перехода между двумя дискретными фиксированными положениями. При этом в режиме автоматического наведения (отслеживания) СБ на Солнце моменты нахождения панели СБ в одном из дискретных положений определяются по измерениям текущей ориентации КА и измерениям положения Солнца путем определения моментов начала и окончания поворотов СБ с учетом логики автоматического управления СБ в данном режиме.
В предложенном техническом решении для решения поставленной задачи разворачивают КА до полной освещенности фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) СБ Солнцем - т.е. до исключения затенения ФЭП СБ элементами конструкции КА.
Поворачивают СБ в положение, при котором точки пересечения линии видимого с КА горизонта Земли с плоскостью, в которой лежит СБ, находятся на теневой части поверхности Земли.
Определяют текущее значение расстояния от Земли до Солнца и по определенному текущему расстоянию от Земли до Солнца определяют текущее значение светового потока солнечного излучения на орбите КА.
Описанный поворот СБ в положение, при котором точки пересечения линии видимого с КА горизонта Земли с плоскостью, в которой лежит СБ, находятся на теневой части поверхности Земли, обеспечивает то, что в данном положении у СБ освещена только лицевая поверхность, а тыльная поверхность СБ не освещена (на тыльную поверхность СБ не поступает никакой световой поток).
При описанном положении СБ на лицевую поверхность СБ поступает как световой поток прямого солнечного излучения, так и световой поток, уходящий от освещенной Солнцем подстилающей земной поверхности, т.е. текущий измеренный ток СБ имеет две составляющих: составляющая тока СБ от поступающего на лицевую поверхность СБ прямого излучения Солнца и составляющая тока СБ от поступающего на лицевую поверхность СБ уходящего от Земли излучения.
Измерения тока СБ выполняют при описанном положении СБ и на интервале, когда определяемая составляющая измеренного тока СБ от освещения лицевой поверхности СБ уходящим от Земли световым потоком не превышает погрешности измерения тока СБ.
Контроль производительности СБ осуществляют по результатам сравнения текущих и полученных на предыдущих этапах полета значений величины контрольного параметра, определяемого как ток СБ при освещении лицевой поверхности СБ солнечным излучением эталонной яркости по нормали к поверхности СБ.
Значение данного контрольного параметра определяют по измерениям тока СБ, выполненным при описанном положении СБ и на временном интервале, когда определяемая (рассчитываемая с учетом ТМИ тока СБ) составляющая текущего измеренного тока СБ от поступающего на лицевую поверхность СБ уходящего от Земли светового потока (т.е. составляющая тока СБ, генерируемая за счет освещения лицевой поверхности СБ уходящим от Земли световым потоком) не превышает погрешности измерения тока СБ, с учетом текущего значения светового потока солнечного излучения на орбите КА и, очевидно, углов его падения на плоскость поверхности СБ.
Например, значение данного контрольного параметра может быть определено выражением
EF(Bэталон)=KP,
где P - площадь лицевой поверхности ФЭП СБ; K - коэффициент генерации тока при освещении лицевой поверхности ФЭП СБ, определяемый из соответствия измеренных значений тока СБ IТМИ их модельным значениям,
определяемым как ток, генерируемый за счет освещения лицевой поверхности СБ световым потоком от Солнца (составляющая тока, генерируемая за счет освещения лицевой поверхности СБ световым потоком, уходящим от Земли, принимается равной нулю, поскольку не превышает погрешности измерения тока СБ):
где ВТЕК, ВЭТАЛОН - текущее и эталонное значения интенсивности (яркости) солнечного излучения на орбите КА; Pj - освещенная Солнцем площадь лицевой поверхности j-го элемента ФЭП СБ; αj - угол между направлением на Солнце и нормалью к лицевой поверхности j-го элемента ФЭП СБ.
Указанное определение коэффициента генерации тока при освещении лицевой поверхности ФЭП СБ K с использованием соответствия (1) может быть выполнено с использованием известных математических методов, описанных, например, в книге Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 509 с).
Таким образом, использование измерений тока СБ, выполненных при описанном положении СБ и на указанном временном интервале, обоснованно обеспечивает минимизацию влияния подсветки от Земли на генерацию тока СБ с двусторонней светочувствительностью, а именно указанная минимизация достигается за счет того, что вклад подсветки от Земли в генерируемый ток СБ, определяемый величиной составляющей тока СБ, генерируемой за счет освещения лицевой поверхности СБ уходящим от Земли световым потоком, настолько мал, что не превышает погрешность измерения тока СБ - значит им обосновано можно пренебречь. В свою очередь, это минимизирует (устраняет) вызываемую данной подсветкой неопределенность в определяемое (рассчитываемое с учетом ТМИ тока СБ) значение предложенного контрольного параметра.
Контроль производительности СБ выполняют по результатам сравнения текущих и полученных на предыдущих этапах полета значений предложенного контрольного параметра.
Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.
При эксплуатации в открытом космосе СБ подвергаются воздействию факторов открытого космического пространства, что приводит к их постепенной деградации. Контроль производительности панели СБ, в частности, связан с получением текущих значений параметров производительности панели СБ и количественных оценок ее текущей эффективности.
Предлагаемое техническое решение повышает точность контроля производительности СБ с двусторонней светочувствительностью за счет использования при контроле производительности СБ результатов замера тока, генерируемого полным набором ФЭП СБ при устоявшемся температурном режиме и минимальном влиянии на генерацию тока подсветки СБ уходящим от Земли световым потоком, определяемой из условия, что величина составляющей тока СБ, генерируемой за счет освещения СБ уходящим от Земли световым потоком, не превышает погрешность измерения тока СБ.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить максимально одинаковые условия замера тока СБ с двусторонней светочувствительностью, по измерениям которого осуществляется оценка эффективности СБ, при этом реализуется использование измерений тока, генерируемого полным набором ФЭП СБ, что обеспечивает максимальную достоверность получаемых данных по производительности СБ.
При этом текущее значение предложенного контрольного параметра, по которому осуществляется контроль производительности СБ, определяется по измерениям тока СБ, выполненным на всем описанном временном интервале, чем обеспечивается надежность определения искомого контрольного параметра в части наличия исходных данных ТМИ тока СБ для указанного определения (расчета) значения контрольного параметра.
Одинаковые условия замера тока СБ при выполнении сеансов оценки эффективности СБ позволяют повысить точность последующего их использования, в том числе обеспечивают обоснованность сравнения характеристик эффективности (производительности) СБ, получаемых по результатам целевой обработки и анализа данных измеренного тока СБ, и обоснованность суждений об изменениях и текущей эффективности (производительности) СБ.
Знание текущих значений параметров эффективности (производительности) СБ необходимо для более точного моделирования функционирования СЭС КА в полете, например, для прогнозирования генерации тока СБ при решении различных задач управления полета КА. Таким образом, получаемый технический эффект повышает эффективность контроля производительности СЭС КА., в том числе повышает точность оценки текущей эффективности СБ в ходе штатного полета КА.
В настоящее время технически все готово для реализации предложенного способа. Промышленное исполнение существенных признаков, характеризующих изобретение, не является сложным и может быть выполнено с использованием существующих технических средств.
Способ контроля производительности установленной на космическом аппарате солнечной батареи с двусторонней светочувствительностью, включающий повороты солнечной батареи, определяемые из условия минимизации значения угла между нормалью к лицевой поверхности солнечной батареи и направлением на Солнце, определение текущего значения светового потока солнечного излучения на орбите космического аппарата, измерение тока солнечной батареи и сравнение текущих и полученных на предыдущих этапах полета значений тока солнечной батареи, отличающийся тем, что дополнительно разворачивают космический аппарат до полной освещенности лицевой поверхности фотоэлектрических преобразователей солнечной батареи Солнцем и поворачивают солнечную батарею в положение, при котором точки пересечения линии видимого с космического аппарата горизонта Земли с плоскостью, в которой лежит солнечная батарея, находятся на теневой части поверхности Земли, измерения тока солнечной батареи выполняют на интервале, когда определяемая составляющая измеренного тока солнечной батареи от освещения ее лицевой поверхности уходящим от Земли световым потоком не превышает погрешности измерения тока солнечной батареи, а контроль производительности солнечной батареи осуществляют по результатам сравнения текущих и полученных на предыдущих этапах полета значений величины тока солнечной батареи при освещении лицевой поверхности солнечной батареи солнечным излучением эталонной яркости по нормали к поверхности солнечной батареи, при этом указанную величину тока определяют по выполненным на упомянутом интервале измерениям тока солнечной батареи с учетом текущего значения светового потока солнечного излучения на орбите космического аппарата.
