كيفية اختيار إمدادات الطاقة للبيئات القصوى في البعثات الفضائية

المعايير الرئيسية لاختيار إمدادات الطاقة

وتشمل عملية الاختيار عمليات تبادل للآراء عبر أبعاد متعددة، والمعايير التالية أساسية بالنسبة لبعثات البيئة القصوى:

الموثوقية ووقت الحياة

وكثيرا ما لا تتاح الفرصة للبعثات الفضائية للتصليح أو الاستبدال، فالاعتماد يُحدد كميا بالوقت الذي يستغرقه الفشل أو احتمال البقاء على مدى مدة البعثة، ويجب أن تكون المكونات مؤهلة لـ ] المعايير على مستوى الفضاء (مثلاً، الحدود القياسية لحجم الطاقة الكهربائية - F-38534 درجة مئوية، ومتوسط القدرة على العمل)

الكفاءة والتأثير الحراري

فالزيادة في الكفاءة تعني انخفاض القدرة على استخدام المدخلات كدفئة، وخفض حجم المبردات والكتل، وبالنسبة للمركبات الفضائية التي تعمل بالطاقة الشمسية، فإن كل واط ينقذ تقلل من حجم الصفوف الشمسية، وبالنسبة لبعثات مصادر القدرة على النتائج، تؤثر الكفاءة مباشرة على مجموع الناتج الكهربائي من مصدر حراري محدود.

التسامح مع الوضع والإدارة الحرارية

ويجب أن تعمل مكونات الإمداد بالطاقة عبر المركبة الفضائية)٢٨٢١(؛ وحجم الحرارة، الذي يتراوح غالبا بين ٥٠ درجة مئوية و٥٢١ درجة مئوية. واختيار أجزاء ذات درجات حرارة تشغيلية واسعة )مثلا، ٥٥ درجة مئوية إلى ١٥٠ درجة مئوية( شائع، وفضلت أجهزة التحكم في الحرارة باستخدام المادة ٧ من طراز X7R أو مادة الديكل الحرارية للاستقرار.

مقاومة الإشعاع

(أ) يجب أن تتجاوز تقديرات الجرعة المؤينة الإجمالية للمكونات الجرعة المتوقعة، وعادة ما تكون عشرات الكيلوراد (كراد) بالنسبة إلى المدار المنخفض لعدة ميغاد (مراد) للمدارات ذات السعة العالية.

الكتلة والحجم

وتدفع تكاليف الإطلاق بحوالي ٠٠٠ ١٠ دولار للكيلوغرام الواحد إلى المدار الأرضي المنخفض، وأكثر بكثير من تكاليف المسارات بين الكواكب، ويجب أن تكون إمدادات الطاقة خفيفة قدر الإمكان دون المساس بالموثوقية، كما أن التغليف المتقدم )مثلاً، الربط بين الكثافة العالية، ورسوم المرور المدمجة( يقلل من حجمها، مثلاً، باستخدام أجهزة تحويل الأشعة غانيومية )النايترات الحرارية(

Electromagnetic Compatibility (EMC)

وتتطلب الأدوات العلمية الحساسة طاقة نظيفة ذات مضمار ضوئي وضجيج منخفض، كما أن المحولات المتناوبة تنتج انبعاثات مشعة ومشعة، ويشمل الاختيار اختيار متحولين مجهزين بمرشحات خارجية مجهزة في منطقة شرق الكاريبي أو يحددون فيها، كما يجب أن يكون إمداد الطاقة محصناً على نبضات الكهرومغناطيسية الخارجية أو التدخل في علم النفس.

اعتبارات التصميم والهندسة للبيئة القصوى

وبالإضافة إلى اختيار العناصر، يؤثر هيكل النظام العام وتفاصيل التصميم تأثيرا كبيرا على الأداء.

استراتيجيات الإدارة الحرارية

وفي الفراغ، يعتمد الرفض الحراري على الإشعاع، وكثيرا ما تكون إمدادات الطاقة مثبتة على لوحات مشعة ذات قدرة حرارية عالية (مثلا، النسيج الألومني أو مركبات الكربون) وتُنقّل أنابيب الحرارة أو أنابيب الحرارة من المكونات الساخنة إلى أجهزة الإشعاع. ] [FLouver mechanisms] يمكن أن تُغيّر أجهزة المقاومة الإلكترونية (البيان:

نهج الحد من الإشعاع

وهناك نهجان: استخدام قطع الغيار ذات الأغراض الوعرة، أو قطع الغيار التجارية التي تحمل الضيوف (التيتانتالوم أو الرصاص أحياناً) والشحن يضيف الكتلة وقد لا يكون كافياً لتظاهرات الايونات الثقيلة، كما أن العديد من بعثات الفضاء العميق تُسند إليها محولات متنقلة، كما أن البروتوكولات مثل EDAC (الكشف عن الارتداد والتصحيح) ينبغي أن تشمل ملامسع لتحديد وقت المراقبة.

التغاضي عن الغير والتسامح

وكثيرا ما تكون حافلات الطاقة الحرجة مكررة (مثل وحدات توزيع الطاقة الزائدة عن الحاجة) ويمكن تشكيل المتحولين في مضخة جديدة من طراز N+1، وإذا فشل أحدهم، فإن الآخرين يتقاسمون الحمولة، وتستخدم بعض البعثات هيكلا للتبادل الداخلي يمكن أن يغذي فيه مجموعتان من المحولات أي حافلة، كما أن اختيار نظم الاتصال مع تصميمات مجهزة بالأجهزة الكهربائية المجهزة بالأجهزة الكهربائية تمنع من الارتباكة أو إعادة الترسبات.

اختيار المواد وإخراجها

وتلبي جميع المواد المستخدمة في أجهزة الإمداد بالطاقة - مركبات التلقيح، ومركبات الغليان، والمصاعد - المحركات متطلبات التفوق المنخفض (الجهاز الوطني لإمدادات الطاقة الكهربائية - E595 مع مجموع الفقاعات الختمية 1 - في المائة، ومجموعة المواد القابلة للتكثيف - 0.1 في المائة)، وتُتجنب أجهزة التحلل الكهربائي للألومنيوم بسبب التسربات الكهرومغناطيسية المحتملة؛

اختبار ومؤهلات إمدادات الطاقة للفضاء

ولضمان بقاء إمدادات الطاقة المختارة على بيئات متطرفة، فإن الحملة الشاملة للاختبارات إلزامية، وتشمل الاختبارات المشتركة ما يلي:

• Thermal Vacuum Cycling:] The unit is subjected to repeated temperature extremes under vacuum while powered. This reveals thermal fatigue and cold start issues.
• Vibration and Shock:] Sine sweep, random vibration, and shock tests simulate launch loads. Acceptance tests are run at flight levels; qualification tests exceed flight levels.
• Radiation Tests:] Total ionizing dose (Co-60 gamma rays) and single —event effects (heavy ion or proton beams) are performed on critical components or the whole unit.
• Burn —In and Life Tests:] Continuous operation at elevated temperature (e.g., 85°C for 1000 hours) identifies infant mortality.
• EMC/EMI Tests:] Measurement of conducted and radiated emissions and susceptibility to ensure compatibility with other spacecraft systems.