Система ориентации солнечных батарей

Система ориентации солнечных батарей (СОСБ) — механизм, предназначенный для наведения панелей солнечных батарей на Солнце. Наведение выполняется путём разворота и последующего поддержания требуемой ориентации в пространстве корпуса КА средствами СУД (система управления движением) и поворота солнечных батарей электромеханическими приводами относительно корпуса КА.

Анализ патентной и научно-технической документации (НТД) позволяет классифицировать СОСБ следующим образом.

По способу формирования сигналов отклонения солнечных батарей от направления на Солнце:

ПОС (прибор/датчик ориентации на Солнце, солнечный датчик), использующий видимый диапазон излучения Солнца (авт. св. СССР № № 108661, 591827, 75919, 85175, и др.;

определение направления на Солнце с использованием БИНС;

датчики тока (разности тока) с фотопреобразователей солнечных батарей (авт. св. СССР по заявкам № № 1582573, 2246821);

температурные датчики (авт. св. СССР № 63381).По типу ориентации СБ:

ориентация жестко закрепленных на корпусе КА панелей солнечных батарей путём поворотов КА, в том числе и закрутка КА вокруг направления на Солнце (ИСЗ «Молния», солнечный парус, КА «Союз», орбитальная станция «Салют»);

ориентация солнечных батарей путём перемещений относительно корпуса КА, в частности, путём угловых поворотов солнечных батарей (авт. св. СССР № 28372, 75919 и т. п.), путём деформаций гибкой солнечной батареи с помощью подвижных штоков (заявка СССР № 2270285);

комбинированное управление путём поворотов солнечных батарей вместе с корпусом КА и посредством устройства поворотного солнечных батарей (УПБС) относительно корпуса КА (заявка СССР № 3020761,), Патенты РФ № 2021173, 2021174 (см. разделы 1.4.2., 1.4.3.-http://docme.ru/UO5).По числу степеней свободы (осей поворота) УПБС:

одноосные (,,,,, авт. св. СССР № 75919, 85175 и др.);

двухосные (авт. св. СССР № 28372, 81788, 97800, 165245, 1241188, 591827, заявка СССР № 1596560, Патент США № 4031444, и др.).По виду связи поворотных солнечных батарей с корпусом КА:

через гибкий кабель (авт. св. СССР № 28372, 81788, 89628, 165245 и др.);

через вращающееся токосъемное кольцевое устройство (ТКУ), позволяющее выполнять поворот солнечных батарей относительно корпуса КА на неограниченный угол (авт. св. СССР № № 75919, 85175, и др.).По характеру взаимовлияния контура СОСБ с контуром управления КА и дополнительным функциям СОСБ:

уменьшение вредного влияния реактивного момента от изменения скорости вращения солнечных батарей на точность ориентации КА:путём введения маховика-компенсатора кинетического момента СБ, вращающегося в сторону, противоположную повороту солнечных батарей (авт. св. СССР № 28372);

путём введения сервосвязи между контурами управления солнечных батарей и КА (авт. св. СССР № 75574, 89756, 101239);

путём минимизации изменений и стабилизации угловой скорости солнечных батарей (авт. св. СССР № 75919, 85175,);

путём управления угловым ускорением при наборе и гашении угловой скорости солнечных батарей (ступенчатое изменение угловой скорости — заявка СССР № 3050586);уменьшение вредного влияния упругих колебаний солнечных батарей на динамику углового движения КА, демпфирование упругих колебаний панелей СБ:путём размещения средств измерения параметров углового движения (в том числе и упругих деформаций СБ) на панели солнечных батарей и формирование алгоритмов управления с учетом сигналов от указанных средств;

путём использования фильтрации в каналах измерений;

путём идентификации параметров движения упругого КА с последующим использованием указанной информации при формировании алгоритмов управления КА и СБ;путём использования пьезоэлементов в качестве измерительных средств (преобразование упругих деформаций в электрический сигнал — прямой пьезоэффект) и исполнительных средств (преобразование электрического сигнала, подаваемого на пьезоэлемент, в его микроперемещение — обратный пьезоэффект) для гашения упругих колебаний конструкций;

путём перераспределения энергии упругих колебаний упругих выносных элементов конструкции (СБ) из каналов с «малыми» демпфирующими характеристиками в каналы с «сильным» демпфированием, например, для геостационарного КА связи — из канала тангажа в каналы крена, рыскания (см. разделы 1.6.2., 1.6.3. http://docme.ru/UO5) за счет обеспечения неравных собственных частот симметричных выносных элементов (северной и южной панелей СБ, симметричных траверс каждой из панелей СБ), обеспечения перекачки энергии упругих колебаний из канала тангажа в каналы крена, рыскания за счет косого изгиба элемента конструкции и т. п.), за счет гироскопического эффекта при введении в состав конструкции солнечных батарей вращающихся элементов, например, гиродемпферов;

введение искусственной взаимосвязи между каналами управления КА.По способам взаимодействия панелей солнечных батарей с внешними полями (солнечным излучением, аэродинамическим потоком разреженного газа, гравитационным, магнитным полями, и т. п.):

угловые отклонения панелей солнечных батарей относительно внешнего поля и корпуса КА для создания управляющих моментов, например, для разгрузки ИИО (авт. св. СССР № 582638, заявки СССР № № 3031366, 3108551, Патент США № 4426052, заявки ФРГ № № 2550757, 3329955, Великобритании № 2122965, Франции № 2529165, Японии № 59024040 и др.);
линейные перемещения панелей солнечных батарей вдоль корпуса КА (авт. св. СССР № 1099547) для регулирования величины и знака момента от взаимодействия с излучением Солнца, разреженной атмосферой путём изменения положения центра давления относительно центра масс КА;

изменение коэффициента отражения поверхности панели солнечных батарей или части поверхности солнечных батарей (Патент США № 3116035).По использованию солнечных батарей в качестве приемной антенны, например, модулированного лазерного излучения с последующим выделением полезной информации из модулированного тока, вырабатываемого ФП панелей солнечных батарей при их облучении лазерным излучением.

По методам определения неисправностей УПБС и переключения на резервный комплект (заявка СССР № 32275460).

В проектных разработках УП солнечных батарей российских и зарубежных фирм наметилась тенденция обеспечения неограниченного угла поворота солнечных батарей с передачей электроэнергии, командной, ТМ информации через блок токосъемных устройств, что имеет ряд преимуществ по сравнению с гибкой кабельной связью с ограниченным углом поворота. К проблемным относится вопрос кодового обмена по МКО через вращающееся токосъемное устройство.

В последние годы появились публикации о модульном принципе построения УП. То есть, блок механический, блок токосъемный, блок электронный выполняются отдельными блоками и компонуются при сборке КА. Такую точку зрения излагают, например, специалисты ПО «Электромеханический завод» г. Омск, НПО «Прикладной механики» г. Красноярск-26, НПО имени С. А. Лавочкина. Блок токосъемный осуществляет передачу электроэнергии, команд управления, ТМИ через упругие катающиеся подобно шарикоподшипникам токосъемные кольца. Преимуществом кольцевых токосъемных устройств по сравнению с токосъемными устройствами скользящего типа является меньшее тепловыделение при передаче электроэнергии.

Анализ научно-технической информации показывает, что для геостационарного КА наиболее рациональной является одноосная ориентации СБ, которая обеспечивает среднесуточную эффективность СБ, отличающуюся от идеальной не более, чем на 8…10 %, при этом, УПБС должен обеспечить неограниченный угол поворота солнечных батарей относительно корпуса КА, то есть, УПБС должны содержать вращающиеся токосъемные кольцевые устройства (ТКУ), обеспечивающие электрическую связь между вращающимися солнечных батарей и корпусом КА.

Результаты сравнения позволяют рекомендовать к использованию на геостационарных КА СОСБ, аналогом которой является разработка. В рекомендуемом варианте СОСБ, структурная схема которой приведена на рис.1.3.7.1 (http://docme.ru/UO5), для формирования сигналов управления поворотом солнечных батарей относительно корпуса КА используется информация об отклонении нормали к плоскости панелей от направления на Солнце, а также о текущем угловом положении солнечных батарей относительно корпуса КА. При этом, одноосная ориентация солнечных батарей может осуществляться следующим образом. В БИНС определяется вектор направления на Солнце(ВНС) в связанной с КА системе координат, рассчитывается орбитальная угловая скорость. Далее наведение солнечных батарей на Солнце выполняют путём формирования на входе привода управляющего сигнала, пропорционального этой скорости, и коррекции управляющего сигнала угловой скорости по результатам измерений рассогласования между солнечных батарей и направлением на Солнце. Вышеописанный вариант управления позволяет обеспечить наведение солнечных батарей на Солнце с точностью 0,5…0,7 градуса.

Альтернативным может быть вариант релейного управления поворотом СБ, минимизирующий вредное влияние реактивного момента от изменения скорости вращения СБ. В указанном варианте ориентация солнечных батарей на Солнце выполняется с постоянной стабилизированной скоростью (режим СЛЕЖЕНИЕ), величина которой больше или равна с учетом нестабильности поддержания скорости электроприводом максимально возможной орбитальной угловой скорости КА на ГСО (угловая скорость слежения 0,00422 град/с стабилизируется с точностью около 1 %). Обнуление накопившейся ошибки ориентации солнечных батарей выполняется орбитальным поворотом КА с остановленными в заданный момент (например, после поворота солнечных батарей на один оборот) панелями. Реализуемая точность ориентации оси, связанной с посадочной площадкой СБ, не хуже 7…8 градусов при стабильности угловой скорости привода не более 1 %.

Для обеспечения форсированного приведения панелей в заданное положение относительно корпуса КА (технологические режимы при наземных испытаниях, начальный поиск Солнца, аварийные ситуации и т. п.) необходимо предусмотреть режим ПОИСК с угловой скоростью вращения панелей 0,1…0,2 град/с. Для останова солнечных батарей предусматривается команда СТОП. При этом, скорость вращения выходного вала УПБС в полете может быть не реверсируемой, так как при постоянной ориентации КА в ОСК вращение солнечных батарей выполняется в течение всего срока активного существования в одну сторону.

Для вышеупомянутого альтернативного варианта СОСБ каждый из сигналов управления первым и вторым УПБС (рис.1.3.7.1- http://docme.ru/UO5) и представляет собой вектор, компонентами которого являются релейные команды для задания соответствующих угловых скоростей вращения выходного вала УПБС в режимах СЛЕЖЕНИЕ и ПОИСК.

С целью повышения надежности, необходимо предусмотреть включение в перечень параметров для использования в СУД информации с температурных датчиков на панелях солнечных батарей от СТР и датчиков напряжения с фотопреобразователей от системы энергоснабжения, позволяющих на освещенных участках орбиты обеспечивать грубую ориентацию солнечных батарей с точностью около 30…40 градусов.

С целью уменьшения вредного влияния реактивного момента от изменения скорости вращения солнечных батарей на точность ориентации корпуса КА, например, при слежении за Солнцем с использованием релейного закона управления (УПБС реализует включение и останов вращения СБ), можно предложить следующую последовательность управления. Определяют отклонение от направления на Солнце каждой из СБ, сравнивают их между собой, выдают команду на вращение СБ, имеющей большее отклонение, и команду СТОП для второй солнечных батарей с меньшим отклонением. Причем, команды на останов одной из солнечных батарей и начало вращения другой солнечных батарей выдаются в момент времени, соответствующий максимальной компенсации изменения кинетического момента одной СБ, изменением кинетического момента другой СБ. В частном случае, при практически мгновенном наборе скорости вращения эти моменты времени совпадают. При аварийной закрутке КА вокруг нормали к плоскости орбиты для максимизации энергоприхода от фотопреобразователей солнечных батарей может быть рекомендована следующая последовательность операций управления. При засветке ФП излучением Солнца (то есть, при отклонении нормали к плоскости панели солнечных батарей меньше 60 градусов) вращают солнечных батарей в направлении, противоположном повороту корпуса КА при закрутке, а при отсутствии засветки ФП (ток с ФП отсутствует) вращают солнечных батарей в направлении, совпадающем с направлением закрутки корпуса КА.

Источник: Википедия