Как выбрать источники питания для экстремальных условий в космических миссиях

Радиационные опасности

Космические аппараты бомбардируются галактическими космическими лучами, частицами солнечной энергии и захваченными радиационными поясами (например, поясами Ван Аллена). Эти частицы могут вызывать одномерные эффекты (SEE), такие как защелкивание, сбои в битах или постоянные повреждения. Общая ионизирующая доза (TID) накапливается с течением времени, разрушая полупроводники. Преобразователи мощности и регуляторы особенно чувствительны, потому что они используют переключающие транзисторы и управляющие ИС. Компоненты, закаленные радиацией — обычно основанные на процессах кремний-германий (SiGe) или кремний-на-изоляторе (SOI) — необходимы для миссий, превышающих несколько лет или проходящих через зоны высокого излучения, такие как магнитосфера Юпитера & #8217.

Вакуумные условия

Отсутствие атмосферы исключает конвективное охлаждение, то есть все отработанное тепло должно быть удалено с помощью проводимости и излучения. Это накладывает строгие ограничения на плотность мощности. Отгазование материалов, таких как соединения горшков или ламинаты ПХБ, может загрязнять чувствительную оптику или солнечные элементы. Выбор источника питания должен отдавать приоритет материалам с низким уровнем газирования (например, список НАСА & #8217;s с низким уровнем газирования) и обеспечивать, чтобы тепловые пути были разработаны для эффективного излучения.

Механические стрессы: вибрация, шок и акустические нагрузки

Во время запуска космический аппарат испытывает сильную вибрацию и акустический шум. Системы развертывания пиротехнических средств создают ударные нагрузки. После выхода на орбиту микрогравитация устраняет напряжение, вызванное гравитацией, но тепловое расширение и сокращение продолжаются. Поставки энергии должны быть механически прочными: от тяжелых трансформаторов и конденсаторов до легких ПХД каждый компонент должен выдерживать тесты на синус и случайные вибрации уровня квалификации (в некоторых случаях до 20 г. рам). Выбор надежных соединителей, конформного покрытия и горшковых модулей является обычным явлением.

Типы источников питания, подходящих для космических миссий

Выбор основного источника питания и вспомогательного оборудования для преобразования энергии зависит от профиля миссии, расстояния от Солнца, спроса на электроэнергию и срока службы. Ниже приведены основные категории с подробным представлением о каждом из них.

Солнечные панели (фотоэлектрические системы)

Солнечные батареи преобразуют солнечный свет в электричество. Они являются наиболее распространенным источником энергии для спутников на орбите Земли и миссий внутренней солнечной системы (приблизительно к Марсу). Современные массивы используют ячейки арсенида галлия с эффективностью более 30%. Для миссий ближе к Солнцу большие массивы необходимы для сбора достаточного количества света; для внешних планет солнечные батареи становятся непрактичными из-за низкого излучения. Ключевые факторы выбора: удельная мощность (W / кг), скорость деградации излучения и способность укладывать и развертывать. Солнечные массивы также требуют регулятора пикового трекера мощности (PPT) или регулятора максимальной точки электропитания (MPPT) для оптимизации напряжения при различной освещенности и температуре.

Радиоизотопные энергетические системы (RPS)

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (RTG) и системы на основе Стирлинга (ASRG) используют тепло от распадающегося плутония-238 для выработки электроэнергии. Они являются рабочей лошадкой для миссий в глубоком космосе: Voyager, Cassini, New Horizons, Mars Curiosity и Perseverance роверы все полагаются на RTGs. RPS системы обеспечивают непрерывную мощность в течение десятилетий, независимо от солнечного света. Из соображений выбора: потребности в отводе тепла (радиаторы), общая масса (обычно 10-50 кг), надежность (не движущиеся части в RTGs) и утверждения безопасности для запуска. Новые конструкции eMMRTG (повышенная многоцелевая RTG) предлагают лучшую эффективность. Высокая стоимость и ограниченное использование ограничения питания Pu-238 для флагманских миссий.

Топливные элементы

Топливные элементы объединяют водород и кислород для производства электроэнергии и воды. Они использовались в пилотируемых миссиях (Аполлон, космический челнок) для высокой мощности в течение коротких периодов (например, запуск, вход) и в качестве вспомогательной мощности. Современные регенеративные топливные элементы также могут хранить энергию посредством электролиза. Критерии выбора: плотность мощности, хранение реагентов (криогенных или под давлением) и управление побочными продуктами. Для беспилотных миссий топливные элементы редки из-за сложности хранения топлива в течение длительных периодов времени.

Батареи

Эффективность и тепловое воздействие

Более высокая эффективность означает меньшую потерю входной мощности, поскольку тепло, уменьшая размер и массу радиатора. Для космических аппаратов, работающих на солнечной энергии, каждый сэкономленный ватт уменьшает размер солнечной батареи. Для миссий RPS эффективность напрямую влияет на общую электрическую мощность от ограниченного источника тепла. Типичные коммутационные преобразователи достигают 85-95% эффективности. Выбор топологии (бак, бустер, обратная связь, полный мост) зависит от соотношения входного / выходного напряжения и уровня мощности. Потери переключения и конструкция магнитных компонентов имеют решающее значение для высокой эффективности на высоких частотах.

Термическая толерантность и термоуправление

Компоненты питания должны работать в тепловом диапазоне космического корабля & #8217;s, часто -50 °C до +125 °C. Выбор деталей с широкими рабочими температурами перехода (например, -55 °C до +150°C) является общим. Керамические конденсаторы с диэлектриком X7R или X8R предпочтительны для стабильности. Термические материалы интерфейса, теплоотводы и холодные пластины должны быть включены в конструкцию. Некоторые источники питания используют материалы фазового изменения или тепловые переключатели для пассивного теплового контроля. Способность холодного запуска (например, после лунной ночи) является особым требованием.

Радиационная устойчивость

Общие оценки ионизирующей дозы (TID) для компонентов должны превышать ожидаемую дозу миссии, как правило, от десятков килорад (krad) для LEO до нескольких мегарад (Mrad) для Юпитера или высотных орбит. Эффекты одномерного события (SEE) смягчаются путем проектирования с помощью логики жесткого проектирования (например, тройная модульная избыточность) или выбора SEE-толерантных частей. Мощные MOSFET подвержены разрыву затвора одного события (SEGR); поставщики предлагают версии с затвердевшим излучением с более толстыми оксидами затвора. Тестирование с тяжелыми ионами часто требуется для проверки производительности.

Масса и размер

Затраты на запуск обусловлены массой — примерно 10 000 долларов США за кг на НОО и значительно больше для межпланетных траекторий. Поставки энергии должны быть максимально легкими, без ущерба для надежности. Расширенная упаковка (например, межсоединения высокой плотности, встроенные пассивные устройства) уменьшает размер. Например, использование транзисторов GaN (нитрид галлия) позволяет более высокие частоты переключения, уменьшая магнитные и конденсаторы. Выбор также учитывает плотность мощности (Вт / кг) преобразователей и батарей.

Электромагнитная совместимость (EMC)

Чувствительные научные приборы требуют чистой мощности с низкой ряби и шума. Переключающие преобразователи производят проводные и излучаемые выбросы. Выбор включает в себя выбор преобразователей со встроенной EMI-фильтрацией или указанием внешних фильтров. Источник питания также должен быть невосприимчив к внешним электромагнитным импульсам (ЭМИ) или самоиндуцированным помехам. Применяются стандарты MIL-STD-461 или ECSS-E-ST-20.

Проектирование и инженерные соображения для экстремальных условий

Помимо выбора компонентов, общая архитектура системы и детали дизайна сильно влияют на производительность.

Термические стратегии управления

В вакууме отторжение тепла зависит от излучения. Поставки энергии часто устанавливаются на панели радиатора с высокой теплопроводностью (например, алюминий или углеродные композиты). Тепловые трубы или петлевые тепловые трубы распространяют тепло от горячих компонентов к радиаторам. Луверные механизмы могут изменять излучательную способность. Для очень холодных сред нагреватели (обычно резистентные нагреватели) и изоляция (многослойная изоляция, MLI) предотвращают замораживание электроники. Некоторые миссии используют термостатически управляемые нагреватели, которые циклируют мощность для поддержания минимальной температуры. Тепловая конструкция должна быть проверена с помощью теплового вакуумного тестирования.

Подходы к радиационному затвердению

Два подхода: использование радарных деталей или защитных коммерческих деталей с корпусами (часто тантал или свинец). Щитирование добавляет массу и может быть недостаточным для тяжелых ионных событий. Многие космические миссии требуют радарных преобразователей. Протоколы, такие как EDAC (обнаружение и исправление ошибок) на логике памяти и управления имеют решающее значение. Для контроллеров питания стандартны таймеры сторожевого механизма и схема защиты от защелки. Конструкция также должна включать защиту от ограничения тока и перенапряжения в случае радиационных сбоев.

Увольнение и толерантность к ошибкам

Критические шины питания часто дублируются (например, резервные блоки распределения мощности). Конвертеры могут быть сконфигурированы в N+1 избыточном. Если один выходит из строя, другие разделяют нагрузку. Некоторые миссии используют архитектуру перекрестного захвата, где два набора преобразователей могут питать либо шину. Выбор систем разъемов с замкнутыми и блокирующими конструкциями предотвращает неправильное соединение. Запалы или перезагружаемые выключатели (например, твердотельные контроллеры питания, SSPC) защищают от коротких замыканий. Контроллер питания должен иметь возможность сбрасывать закрепленный преобразователь.

Выбор материала и выход газа

Все материалы, используемые в источнике питания - ПХБ, проволочная изоляция, соединения для горения, клеи - должны соответствовать низким требованиям к дегазации (NASA ASTM E595 с полной потерей массы < 1,0% и сборным летучим конденсатором < 0,1%). Алюминиевые электролитические конденсаторы избегают из-за потенциальной утечки электролита; вместо этого используются танталовые или керамические конденсаторы. Герметически герметичные упаковки предотвращают загрязнение в вакууме.

Тестирование и квалификация энергетических поставок в космос

Для обеспечения того, чтобы выбранный источник питания выдерживал экстремальные условия, обязательна комплексная испытательная кампания.

• Тепловые вакуумные циклы: Устройство подвергается повторяющимся экстремальным температурам в вакууме при питании. Это показывает тепловую усталость и проблемы с холодным запуском.
• Вибрация и шок: Синевой размах, случайная вибрация и ударные испытания имитируют стартовые нагрузки. Приемочные испытания проводятся на уровнях полёта; квалификационные испытания превышают уровни полёта.
• Радиационные испытания: Общая ионизирующая доза (Co-60 гамма-лучей) и эффекты однократного события (тяжелые ионные или протонные пучки) выполняются на критических компонентах или всей единице.
• Бурн-в и жизненные тесты: Непрерывная работа при повышенной температуре (например, 85°C в течение 1000 часов) выявляет младенческую смертность.
• EMC/EMI Испытания: Измерение проводимых и излучаемых выбросов и чувствительности для обеспечения совместимости с другими системами космических аппаратов.

Многие агентства требуют, чтобы источник питания был протестирован на соответствие стандартам, таким как ECSS-E-ST‐20 (Европейское сотрудничество по стандартизации космоса) или MIL‐STD‐461 .

Новые технологии и будущие тенденции

В области космических источников энергии наблюдается быстрое развитие. Несколько новых технологий обещают повышение производительности в экстремальных условиях:

Широкий диапазон полупроводников (GaN и SiC)

Транзисторы нитрида галлия (GaN) и карбида кремния (SiC) обеспечивают более высокую толерантность к излучению, более низкие потери переключения и более высокие рабочие температуры по сравнению с кремнием. Преобразователи GaN могут работать на частотах выше 1 МГц, сокращая пассивные компоненты. Диоды SiC используются в высоковольтных приложениях (например, в источниках питания электрической силовой установки). Эти устройства уже квалифицируются для космоса такими организациями, как НАСА и ЕКА.

Передовое хранение энергии

Твердотельные батареи, литий-серные и даже ядерные батареи (бетавольтаики) находятся на горизонте. Твердотельные литий-ионные батареи обеспечивают более высокую плотность энергии и лучшую термостабильность. Для очень длительных миссий радиоизотопные батареи, которые преобразуют бета-излучение в электричество, могут дополнять первичные батареи.

Умные системы управления питанием

Цифровые контроллеры питания с реконфигурируемыми выходами, регистрацией неисправностей и автономным сбросом нагрузки становятся обычным явлением. Они используют закаленные радиацией FPGA или микроконтроллеры для оптимизации использования энергии в режиме реального времени, особенно это важно для небольших спутников (CubeSats) с ограниченными ресурсами.

Беспроводная передача энергии

Для созвездий и сценариев стыковки индуктивная или лазерная беспроводная передача мощности может устранить разъемы и уменьшить механические сбои. В то время как экспериментальная технология может найти применение в космических аппаратах без обслуживания.

Заключение

Выбор источников питания для экстремальных космических сред является многодисциплинарным усилием, которое требует глубокого понимания физики, материалов и инженерии надежности. Планировщики миссий должны взвешивать компромиссы между типом источника питания (солнечный, радиоизотоп, топливный элемент, батарея), конверсионной электроникой и архитектурой системы. Тепловое управление, закаливание излучения, избыточность и строгие испытания не подлежат обсуждению для обеспечения успеха миссии. По мере развития технологий новые компоненты и подходы к проектированию продолжают расширять возможности для исследования - от короны Солнца и No 8217 до ледяных спутников Сатурна. Следуя структурированному процессу отбора, основанному на проверенных стандартах, инженеры могут доставлять энергетические системы, которые переносят самые суровые условия в солнечной системе.