הקדמה: התפקיד הקריטי של כוח במשימת חלל

משימות חלל דוחפות את גבולות ההנדסה האנושית, ובלב כל משימה מוצלחת שוכנת אספקת חשמל אמינה.בין אם זה & #8217; הוא מאדים רוטט סערות אבק מתפתלות, לוויין במסלול כדור הארץ נמוך, או חקירה חלל עמוק שפוגעת לעבר המגבלות החיצוניות, היכולת לייצר, לאחסן, ולנהל את הכוח החשמלי קובע את תוחלת החיים ואת יכולת החללית לבחור כוח לטמפרטורות קיצוניות - קריטריונים מכניים, עיצוביים קפדניים, ואקלים קפדניים, ואקלים מכניים, וסגנונות מכניים, מאופיין על ידי תהליכים מכניים, ואקלים קפדניים, ואקלים מכניים, ואוויריים קפדניים, ותפקוד מכניים, מקיפים, קרינת כוח, קרינת כוח, מקיפים, קרינת כוח, ותפקוד מכניים, קרינת כוח, ותפקוד מכניים, קרינת כוח, קרינת כוח, ותפקוד מכניים, קרינת כוח, ותפקוד מכניים, ותפקוד מכניים, מאופיין על ידי קרינת כוח, קרינת כוח, ותפקוד מכניים, קרינת כוח, קרינת כוח, ותפקוד מכניים, ותפקוד מכניים קפדניים קפדניים, קרינת כוח, קרינת כוח, קרינת כוח, קרינת כוח, קרינת כוח, ותפקוד מכני

הבנת האתגרים של סביבת החלל

החלל אינו סביבה אחידה.האתגרים הספציפיים משתנים בהתאם לגבהים המקיפים, מסלול, משך המשימה, וסמיכות לגופים שמימיים.יש צורך באספקת חשמל לעמוד בתנאים הבאים:

טמפרטורה קיצונית

במסלול כדור הארץ הנמוך (LEO), לוויין עשוי לחוות טמפרטורות החל מ- -150 מעלות צלזיוס בצד האפל ל- +120 מעלות צלזיוס באור שמש ישיר.דקירות חלל עמוק ליד השמש אפילו עומסים תרמיים גבוהים יותר, בעוד אלה במערכת השמש החיצונית פועלים בטמפרטורות Cryogenic. Power Supply חייב להיות מדורג עבור מגוון רחב של טמפרטורה, ומערכות ניהול תרמיים, תנורי חום, בידוד - חיוני כדי לשמור על מגבלות מכניות או מ-fD.

קרינה:

Spacecraft מופצים על ידי קרני קוסמיות גלקטיות, חלקיקים אנרגטיים, וחגורת קרינה לכודה (למשל, ון אלן חגורות) חלקיקים אלה יכולים לגרום לאפקטים חד-פעמיים (SEE) כגון latch-up, bitss, או נזק קבוע.com דורש מימן (TID) מצטבר לאורך זמן, degrading Semiconductors and Reserves הם רגישים במיוחד כי הם עוברים כמה רכיבים מגנטיים (Ricer) כגון: IRicer-Ricer-Ricer) ו-Ricer) על ידי מספר 2.

תנאי Vacuum

היעדרה של האווירה מבטלת קירור קולקטיבי, כלומר כל חום הפסולת חייב להימחק באמצעות התנהגות וקרינה.זה מטיל מגבלות חמורות על צפיפות כוח. Outgassing של חומרים - כגון פיזור תרכובות או מרובות PCB - יכול לסווג אופטיקה רגישה או תאים סולאריים. אספקת חשמל חייב להעדיף חומרים עם גזים נמוכים (למשל, נאס"א ו- #17; תרופות נמוכות) שמתוכנן ביעילות לקרינה.

מתח מכני: רטט, הלם, ומטענים אקוסטיים

במהלך ההשקה, חללית חווה רטט חמור ורעש אקוסטי.מערכות פריסה Pyrotechnic ליצור עומסי הלם.פעם במסלול, microgravity מבטלת את הלחץ המושרה כוח הכבידה, אבל התרחבות תרמית וההפצה נמשכת. אספקת כוח חייב להיות מחוספסת באופן מכני: ממתנים כבדים ו capacitors למודולים קלים, כל רכיב חייב לעמוד במבחנים של החטאים ורט אקראי (עד 20 גרם למקרים מסוימים, הוא ציפוי).

סוגי הפקדים של כוח מתאימים למשימה בחלל

הבחירה של מקור הכוח העיקרי – ואת ציוד ההמרה של הכוח התומך – תלויה בפרופיל המשימה, מרחק מהשמש, הביקוש בכוח, וחיי החיים.

פאנלים סולאריים (צילום: צילום: למערכות)

⁇ השמש להמיר אור השמש לחשמל.הם מקור הכוח הנפוץ ביותר עבור לווייני כדור הארץ אוביט השמש ומשימות מערכת השמש הפנימיות (מתוך מאדים) מישורים מודרניים משתמשים בתאי אג'רידית תלת-ממדית עם יעילות מעל 30%.עבור אופטימיזציה למשימות מערכת השמש הקרובה יותר אל השמש, יש צורך במערך גדול כדי לאסוף מספיק אור; עבור כוכבי לכת חיצוניים, השמש הופכת לא טיפוסית בשל מתח נמוך וגרם לטמפרטורה מינימלית (Fcer) (pcercer) (pcer) או ירידה משמעותית) (pcercercercercercercercercercercerdulative טמפרטורה) (pcercerd) (p) (pcercercercercercerto-to-to-to-to-to-to-to-p) (p) (pexercercerto-p) (pexerto-to-p) (pexercerto-P) של כוח).

מערכות רדיואיזוטופ (RPS)

(רדיואיזוטופים Thermoelectric Generators) ו-Stirling-based Systems (ASRGs) משתמשים בחום מ- plutonium-238 כדי לייצר חשמל.הם הם ה- Workhorse for Deep Space Task: Voyager, Cassini, New Horizons, Mars Curiosity and Perseverance , Allסתמך על מערכות RTMMGs, לספק כוח מתמשך עבור עשורים, RTGS:

תאי דלק

תאי דלק משלבים מימן וחמצן לייצור חשמל ומים.הם שימשו במשימות מאוישות (Apollo, Space Ferry) עבור כוח גבוה במהלך תקופות קצרות (למשל שיגור, כניסה) וככוח עזר.תאים דלק רגנרטיביים מודרניים יכולים גם לאחסן אנרגיה באמצעות אלקטרוליזה.FLT:0S קריטריונים לבחירת חשמל: FLT:1LT:1) מגיבים, אחסון (crygogenic או לחץ דם), עבור תאים נדירים של דלק.

סוללות

סוללות משמש לאחסון אנרגיה עבור עומסי שיא ותקופות הליקוי. סוללות ראשוניות (לא תשלום) לספק צפיפות אנרגיה גבוהה עבור סוללות קצרות או בדיקות. סוללות טעינה - ליתיום-יון (Li-ion) הוא עכשיו דומיננטי - תמיכה יומית רכיבה על אופניים ב- LEO או מחזורים עונתיים עבור אלרי מים מועדפים (FLT:0Key: FLT:1al אנרגיה (Wh / kg), חיי טעינה עצמית, לעתים קרובות, טווח חום שלילי, גם כן, חום).

Power Conversion and Conditioning Electronics

מעבר למקור העיקרי, מערכת אספקת החשמל כוללת DC/DC ממירים, מופנים, רגולטורים ויחידות הפצה.אלה חייבים להיות יעילים מאוד (מעל 90% טיפוסיים) למזער חום פסולת.Isolation נדרש לעתים קרובות למנוע לולאות קרקעיות ורעש (FLT:0S בחירה קריטריונים: VLT:1 מתח קלט, תפוקת, שינוי טרנספורמט (אפקטים ופתרונות סטנדרטיים), כמו קריין-מתקני סיכון מסחריים, או רדיפטירה), כמו קרינת VPTS (R).

מפתח קריטריה לבחירת כוח

תהליך הבחירה כרוך בהתקפי מסחר על פני ממדים מרובים.הקריטריונים הבאים הם חיוניים למשימות סביבתיות קיצוניות:

אחריות וחיים

למשימות חלל לעיתים קרובות אין הזדמנות לתקן או להחליף. Reliability מוגדר על ידי זמן ממוצע לכישלון (MTTF) או הסתברות להישרדות לאורך זמן המשימה. Components חייב להיות מוסמך ל-FLT:0space-level סטנדרטים ברמה גבוהה FLT:1 (למשל, MIL-F-34 Class K, ESCC) נתיבי כוח ומגוון פונקציונלי (למשל, הגדלת תפקודם של מקבילות) לתפקודם של 50%, שיפור של פונקציות קבועות.

יעילות ואפקטים חמורים

יעילות גבוהה יותר פירושה פחות כוח קלט מבוזבז חום, צמצום גודל הרדיו והמסה.עבור חללית המופעלת על ידי השמש, כל וואט הציל להפחית את גודל מערך השמש.עבור משימות RPS, יעילות משפיעה ישירות על סך התפוקה הכוללת של חשמל ממקור חום מוגבל.מחליף טיפוסי להשיג 85-95% יעילות.הבחירה של טופולוגיה (באקס, דחיפה, עף, מלא) תלוי בתדירות גבוהה / קידוד / מתחים ורמת כוח.

טמפרטורה סובלנות וניהול

רכיבי אספקת החשמל חייבים לפעול על פני החללית & #8217; טווח תרמי, לעתים קרובות -50 מעלות C ל +125 ° C. בחירת חלקים עם טמפרטורות צומת הפעלה רחב (למשל, 55 מעלות צלזיוס ל +150 ° C) הוא נפוץ. Ceramic capacitors עם X7R או X8R dielectric העדיפו ליציבות.

עמידות

סך כל דירוגי המינון (TID) עבור רכיבים חייב לעלות על המינון הצפוי של המשימה, בדרך כלל עשרות קילוונים (קראה) עבור LEO למספר מגה-רדודים (Mrad) עבור צדק או מסלולים גבוהים. תופעות חד-אפילוט (SEE) מופחתים על ידי תכנון עם לוגיקה עיצוב קשיח (למשל, משולשת Redundancy) או בחירת קרינת SEEFSE לעתים קרובות עם LT-FSTTSE).

מידות וגודל

עלויות שיגור מונעות על ידי מסה - עלייה של 10,000 דולר לק"ג ל- LEO ובאופן משמעותי יותר עבור מסלולים בין כוכביים.אספקת חשמל חייבת להיות קלה ככל האפשר ללא חיזוי אמינות. אריזות מתקדמות (למשל, קשר חתימות גבוה, סוללות מוטבעות) מקטין את הגודל.לדוגמה, באמצעות GaN (gaaliumtride Transist) transists מאפשר מעבר גבוה יותר, מכווץ ו-Ficssssss (מהפכה) ו-Kers) .

תאימות אלקטרומגנטית (EMC)

מכשירים מדעיים רגישים דורשים כוח נקי עם ripple נמוך ורעש.ממירים Switching לייצר פליטות שבוצעו ורדיוניים.בחירת ממירים עם מסנן EMI בנוי או לציין מסננים חיצוניים.ספק הכוח חייב גם להיות חסין מפני הדופקים אלקטרומגנטיים חיצוניים (EMP) או התערבות עצמית. MIL-STD-461 או ECSS-EST-ST-20 החל.

תכנון וחשיבה הנדסית לסביבה קיצונית

מעבר לבחירת רכיבים, ארכיטקטורת המערכת הכוללת ופרטי העיצוב משפיעים מאוד על הביצועים.

אסטרטגיות ניהוליות

בוואקום, דחיית החום מסתמכת על קרינה.אספקת חשמל מוטבעת לעתים קרובות על לוחות רדיור עם מוליכות תרמית גבוהה (למשל, אלומיניום או פחמן מורכב), צינורות חום או צינורות חום לולאה מתפשטים חום ממרכיבים חמים לרדינרים.FLT:0Louver מנגנונים מ-FLT:1 יכול לשנות את קצבאות. עבור סביבות קרות מאוד, תנורי חום (מבטיחות חום) וגלומיות תרמיים) למנוע בדיקות חום אלקטרוניקה מינימלית (מפרקטית) מקפיאים) אלקטרוניקה.

קרינה מתקרבת

שתי גישות: שימוש בחלקים של rad-hard, או מגן על חלקים מסחריים עם מחסנים (לעתים קרובות טנטלום או מובילים) מגן מוסיף מסה ולא יכול להיות מספיק לאירועים ion כבדים.משימות חלל רבות אחרות מנשות קיצוניות-רד.פרוטוקולים כמו FLT:0EDAC (זיהוי טרור ותיקון)FLT:1 על זיכרון ולשלוט לוגיקה הם קריטיים עבור בקרים, שעונים, זמן שמירה על פני השטח ופרק הגנה סטנדרטית על פני השטח.

רדיפת וסבלנות

אוטובוסים קריטיים של כוח משוכפלים לעתים קרובות (למשל, יחידות חלוקת חשמל מאוזנות) ניתן להגדיר ב-N+1 Redundant.אם נכשל, האחרים חולקים את העומס.חלק מהמשימות משתמשות בארכיטקטורה חוצה-מחדשת שבה שני קבוצות של ממירים יכולים להאכיל או אוטובוס.בחירת מערכות מגע עם עיצובים מרכזיים וננעלים מונעים שיבושים של מוטציות או מעבורת מעגל (כמו בקר) יש להגן על יכולת הפעלה מוגבלת של בקר.

בחירה חומרית ויציאה

כל החומרים המשמשים באספקת החשמל -PCBs, בידוד חוט, תרכובות מרתיעות, דבקים - חייבים לעמוד בדרישות בעלות גזי גז נמוך (NASA ASTM E595 עם Total Mass Loss <1.0% ואוסף את החומר הנצפה וולטיל Condensable <0.1% אלומיניום capacitors אלקטרוליטיים נמנעים עקב דליפות אלקטרוליטיות פוטנציאליות; במקום זאת, טמבלאום או קרמיקה משמשים מחסנים קרמיקה.

בדיקה ואימות של כוח פקדים לחלל

כדי להבטיח כי אספקת הכוח שנבחרה תשרוד סביבות קיצוניות, קמפיין בדיקה מקיף הוא חובה.

  • (FLT:0) Thermal Vacuum Cycling:cioFLT:1) היחידה נתונה לטמפרטורות חוזרות ונשנות קיצוניות מתחת לוואקום תוך כדי הפעלתו.זה חושף עייפות תרמית ובעיות התחלה קרות.
  • (FLT:0) ו-Haze:FLT:1 Sine גורף, רטט אקראי, בדיקות הלם לדמות עומסי שיגור.
  • (FLT:0) בדיקת בדיקת הדגמה:FLT:1ir סך של מינון (קרני קו 60 gamma) ואפקטים חד-פעמיים (החלים או קרן הפרוטון) מבוצעים על רכיבים קריטיים או על כל היחידה.
  • (FLT:0) Burn-In and Life Tests:031) פעילות רציפה בטמפרטורה גבוהה (למשל 85°C במשך 1000 שעות) מזהה את תמותת התינוקות.
  • (FLT:0)EMC / EMI Tests: מדד של פליטה וקרינה של פליטות ורגישויות כדי להבטיח תאימות עם מערכות חלליות אחרות.

סוכנויות רבות דורשות את אספקת החשמל לבחון לסטנדרטים כגון FLT:0ECSS-E-ST-20IR-E-20IR-E-20IR-20IR-20IR-20IRFLT:1 (השיתוף האירופי לתקינה חלל) או FLT:2MIL-STD-46103FLT 3: 3.

טכנולוגיות מתפתחות ומגמות עתידיות

תחום אספקת כוח החלל מתפתח במהירות.כמה טכנולוגיות מתפתחות מבטיחות ביצועים משופרים בסביבות קיצוניות:

Bandgap Semiconductors (GaN & SiC)

גליום nitride (GaN) וסיליקון carbide (SiC) טרנזיס מציעים סובלנות קרינה גבוהה יותר, אובדן מעבר נמוך, וטמפרטורות תפעול גבוהות יותר בהשוואה סיליקון. GaN להמיר את הירויים מעל 1 MHz, צמצום רכיבים פסיביים. SiC דיאודות משמשים ביישומים בעלי מתח גבוה (למשל, ציוד חשמל הנעה חשמלית).

אחסון אנרגיה מתקדם

סוללות מוצקות-מדינה, ליתיום-סולפור ואפילו סוללות גרעיניות (betavoltaics) נמצאים באופק. Solid-state Li-ion מציע צפיפות אנרגיה גבוהה יותר ויציבות תרמית טובה יותר.עבור משימות ארוכות מאוד, סוללות המופעלות על ידי רדיואיזוטופ שממירות את קרינת בטא לחשמל יכולות להשלים סוללות ראשוניות.

מערכות ניהול חשמל חכמות

בקרים של כוח דיגיטלי עם פלטים הניתנים להגדרה מחדש, חסימת אשמה, ועומס אוטונומי הופכים נפוצים.אלה משתמשים בקרינת FPGAs או מיקרובקרים כדי להתאים את השימוש בכוח בזמן אמת, במיוחד חשוב עבור לווינים קטנים (CubeSats) עם משאבים מוגבלים.

העברה של חשמל Wireless

עבור קבוצות כוכבים ותרחישים מעוגן, אינדוקטיבי או לייזר מבוססי העברת כוח יכול לחסל מחברים ולהקטין כישלונות מכניים. בעוד ניסיוני, טכנולוגיה זו עשויה למצוא יישום בחלליות ללא תחזוקה.

מסקנה

בחירת אספקת חשמל לסביבות חלל קיצוניות היא מאמץ רב תחומי הדורש הבנה עמוקה של פיזיקה, חומרים והנדסת אמינות.מתכננים המשימה של המשימה יש לשקול את הניתוק בין סוג מקור כוח (סולר, רדיואיזוטופ, תא דלק, סוללה), המרת אלקטרוניקה, ואדריכלות מערכת.הניהול הrmal, קרינה קשיחה, קרינת השמש ובדיקות קפדניות הם בלתי ניתנים להבטחת הצלחה, כמו טכנולוגיות חדשות, להמשיך לפתח תהליכים מערכתיים, להמשיך ולעמודי, קריפטפטפטים, לפתח שיטות תכנון, לפתח אפשרויות הפעלה.