Комплексный алгоритм проектирования энергопреобразующей аппаратуры космических аппаратов

DOI: 10.47026/1810-1909-2023-4-85-98

УДК 621.31

ББК 32.859

И.М. ЖУРАВЛЕВ, И.Е. ЛЫСЕНКО, М.Е. ХЛЫСТУНОВ, Д.О. ДУДАРЬКОВ, А.Г. СТРУГОВЕЦ

Ключевые слова

энергопреобразующая аппаратура, космический аппарат, преобразователи электрической энергии, надежность, КПД, коэффициент удельной мощности

Аннотация

Усложнение полезной нагрузки космических аппаратов приводит к необходимости применения нестандартных схемотехнических решений. Анализ научно-технических публикаций показал, что на сегодняшний день отсутствует формализированная методика проектирования энергопреобразующей аппаратуры для космических аппаратов. В имеющихся публикациях, как правило, рассматривается алгоритм проектирования с учетом одного (КПД) либо двух критериев (КПД, массогабаритные характеристики). При этом вопросы обеспечения безотказной работы энергопреобразующей аппаратуры рассматриваются недостаточно, что приводит к последующей отбраковке большей части предлагаемых схемотехнических решений и снижает эффективность разработчика.

Цель исследования – сформировать алгоритм проектирования энергопреобразующей аппаратуры космических аппаратов, учитывающий требования по надежности, КПД и коэффициенту удельной мощности.

Материалы и методы. При выполнении работ использовались основные положения общей теории цепей и общей теории надежности технических систем. Все расчеты проводились в Mathcad 15.0.

Результаты исследования. В статье поэтапно рассмотрен процесс проектирования на примере преобразователей постоянного напряжения – понижающего и повышающего типов. Показано, что учет требований надежности приводит к снижению массогабаритных показателей (за счет дополнительной массы резервирующих элементов) и КПД (за счет потерь мощности на резервирующих элементах). Рассмотрены преобразователи с промежуточным звеном переменного тока – на основе двойного активного моста (мостового инвертора с активным выпрямителем) и вольтодобавочной схемы. Из приведенного анализа видно, что применение преобразователей со звеном переменного тока в составе энергопреобразующей аппаратуры космических аппаратов затруднено из-за низких показателей безотказности работы и массогабаритных показателей.

Выводы. Схема энергопреобразующей аппаратуры космического аппарата должна обеспечивать функционирование в случае, как минимум, единичного отказа произвольного полупроводникового элемента силовой части преобразователя. При этом наибольшую перспективность для применения имеют схемы с минимальным количеством силовых элементов. Полученные уравнения показывают, что энергетические характеристики преобразователя необходимо оценивать после выполнения работ по обеспечению надежности.

Литература

1. Алгоритмы управления многоканальным шунтовым стабилизатором напряжения с цифровой системой автоматического управления / И.М. Журавлев, А.С. Асочаков, А.А. Дружинин и др. // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2021. Т. 24, № 2. С. 84–90.
2. Вольтодобавочный резонансный преобразователь энергии солнечной батареи с активным выпрямителем / И.М. Журавлев, М.Е. Хлыстунов, А.В. Осипов и др. // Решетневские чтения. 2018. Т. 1. С. 297–299.
3. Меньшиков В.А., Рудаков В.Б., Сычев В.Н. Контроль качества космических аппаратов при отработке и производстве. Оптимизация и управление рисками. М.: Машиностроение–Полет, 2009. 400 с.
4. Кобзев А.В. Многозонная импульсная модуляция. Теория и применение в системах преобразования параметров электрической энергии. Новосибирск: Наука, 1979. 304 с.
5. Кобзев А.В., Михальченко Г.Я., Музыченко Н.М. Модуляционные источники питания РЭА. Томск: Радио и связь, 1990. 336 с.
6. Патраев В.Е., Шангина Е.А. Надежность технических систем космических аппаратов. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2019. 66 с.
7. Проектирование надежных спутников связи. Томск: Раско, 1993. 221 с.
8. Последовательный резонансный преобразователь для систем электропитания от аккумуляторов / А.В. Осипов, В.Н. Школьный, Ю.А. Шиняков и др. // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2017. Т. 20, № 2. С. 103–110.
9. Справочник нормативного характера. М.: 22 ЦНИИИ МО РФ, 2006. 641 с.
10. Saleh J.H., Castet J-F. Spacecraft Reliability and Multi-State Failures: A Statistical Approach: John Wiley & Sons Limited. Inc, 2011. 206 p.

Сведения об авторах

Журавлев Иван Михайлович – инженер-конструктор 2-й категории, АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва», Россия, Железногорск (zhuravlevim@iss-reshetnev.ru).

Лысенко Илья Евгеньевич – инженер-конструктор, АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва», Россия, Железногорск (lysenkoie@iss-reshetnev.ru).

Хлыстунов Михаил Евгеньевич – инженер-конструктор 3-й категории, АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва», Россия, Железногорск (hlystunovme@iss-reshetnev.ru).

Дударьков Денис Олегович – инженер-конструктор 3-й категории, АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва», Россия, Железногорск (dudarkovdo@iss-reshetnev.ru).

Струговец Андрей Григорьевич – начальник группы, АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва», Россия, Железногорск (strugovetsag@iss-reshetnev.ru).

Формат цитирования

Журавлев И.М., Лысенко И.Е., Хлыстунов М.Е., Дударьков Д.О., Струговец А.Г. Комплексный алгоритм проектирования энергопреобразующей аппаратуры космических аппаратов // Вестник Чувашского университета. – 2023. – № 4. – С. 85–98. DOI: 10.47026/1810-1909-2023-4-85-98.

Загрузить полный текст статьи