Способ контроля текущего состояния панели солнечной батареи космического аппарата
Владельцы патента RU 2629647:
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" (RU)
Изобретение относится к космической технике. Способ контроля текущего состояния панели солнечной батареи (СБ) космического аппарата (КА) включает поворот панели СБ в положения, при которых рабочая поверхность СБ освещена Солнцем, измерение значений тока от СБ, сравнение определяемого параметра, характеризующего текущее состояние панели СБ, с задаваемыми значениями и контроль текущего состояния панели СБ по результатам сравнения. Дополнительно измеряют вектор направления на Солнце в связанной с КА системе координат, определяют угол выставки СБ в ее текущее дискретное положение, определяют текущие значения угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия СБ, выполняют поворот СБ в не менее чем два выбранных дискретных положения СБ, измеряют значение тока от СБ. Состояние панели СБ оценивают по состоянию ее оптического защитного покрытия, характеризуемому текущим значением его абсолютного показателя преломления, определяемым по значениям угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия СБ и значениям тока. Техническим результатом изобретения является обеспечение оценки текущего значения абсолютного показателя преломления защитного покрытия СБ. 1 ил.
Изобретение относится к области космической техники, а именно к системам электроснабжения (СЭС) космических аппаратов (КА) и может быть использовано при эксплуатации солнечных батарей (СБ) СЭС КА.
Одной из составляющей контроля текущего состояния СБ КА является контроль основных электрических характеристик СБ - выходного тока, напряжения и мощности СБ. На стадии проектирования и изготовления СБ осуществляется теоретический расчет выходных параметров СБ, который может быть основан на методе перемещений вольт-амперной характеристики, учитывающем различные влияния окружающей среды и параметров нагрузки на характеристики СБ (Система электроснабжения КА. Техническое описание. 300ГК.20Ю.0000-АТО. РКК «Энергия», 1998; Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. Москва. Энергоатомиздат.1983. Стр. 49, 54).
Недостаток указанного способа контроля текущего состояния СБ заключается в том, что используемые в расчетах модели факторов космического полета имеют ограниченную точность, что не позволяет получить достоверные данные о реальных характеристиках СБ в полете, учитывающих процесс «деградации» СБ.
Для контроля фактических характеристик СБ в полете используются измерения фактического выходного тока СБ под воздействием солнечного излучения, поступающего перпендикулярно рабочей поверхности СБ (Елисеев А.С. Техника космических полетов. Москва, «Машиностроение», 1983. стр. 190-194; Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. Москва, Энергоатомиздат, 1983. стр. 57; патент РФ №2353555 по заявке №2006131395/11, приоритет от 31.08.2006 - прототип), для чего разворачивают панели СБ в рабочее положение, соответствующее совмещению нормали к их освещенной рабочей поверхности с направлением на Солнце и контроль текущего состояния панели СБ осуществляют по результатам сравнения измеренных значений тока с задаваемыми значениями - текущая эффективность СБ оценивается по отношению измеренных фактических выходных параметров СБ к их номинальным значениям - проектным или некоторым исходным значениям, например, на момент начала функционирования КА.
Выбор силы тока в качестве контролируемой выходной характеристики СБ вызван тем, что его сила является переменной величиной, напрямую зависит от состояния СБ в целом, а напряжение на СБ является достаточно стабильной величиной и определяется в основном физическими свойствами используемых для изготовления СБ фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), при этом режим работы ФЭП еще на стадии проектирования СБ задается таким образом, чтобы генерируемая мощность (как произведение силы тока и напряжения) была максимально возможной.
Данный способ обеспечивает контроль суммарной эффективности панели СБ в ходе полета КА. Меньшие значения фактических выходных токов от СБ по отношению к заданным проектным или исходным значениям означают «деградацию» СБ.
Способ-прототип имеет существенный недостаток - он не позволяет осуществлять контроль за текущим состоянием оптического защитного покрытия панели СБ, характеризуемого, в частности, текущим значением его абсолютного показателя преломления.
Контроль текущих значений параметров оптического защитного покрытия панели СБ, с одной стороны, позволяет оценить степень его изменения в ходе полета, с другой стороны, более точное знание текущих значений параметров состояния СБ (в частности, абсолютного показателя преломления оптического защитного покрытия панели СБ) необходимо для более точного моделирования функционирования СЭС КА в полете, например, для прогнозирования генерации тока СБ (данная задача является одной из важнейших на всех этапах планирования полета КА).
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности контроля состояния СЭС КА.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в выполнении оценки текущего состояния оптического защитного покрытия фотопреобразователей панели СБ по определяемому текущему значению его абсолютного показателя преломления.
Технический результат достигается тем, что в способе контроля текущего состояния панели солнечной батареи космического аппарата, включающем поворот панели солнечной батареи в положения, при которых рабочая поверхность солнечной батареи освещена Солнцем, измерение значений тока от солнечной батареи, сравнение определяемого параметра, характеризующего текущее состояние панели солнечной батареи, с задаваемыми значениями и контроль текущего состояния панели солнечной батареи по результатам сравнения, дополнительно измеряют вектор направления на Солнце в связанной с космическим аппаратом системе координат и определяют угол выставки солнечной батареи в ее текущее дискретное положение, по которым определяют текущие значения угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия солнечной батареи, выполняют поворот солнечной батареи в не менее чем два выбранных дискретных положения солнечной батареи, в каждом из выбранных дискретных положений солнечной батареи измеряют значение тока от солнечной батареи, и текущее состояние панели солнечной батареи оценивают по текущему состоянию ее оптического защитного покрытия, характеризуемому текущим значением его абсолютного показателя преломления, определяемым по значениям угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия солнечной батареи и значениям тока от солнечной батареи, полученным при каждом из выбранных дискретных положений солнечной батареи, при этом упомянутые дискретные положения солнечной батареи выбирают так, что в данных дискретных положениях значения угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия солнечной батареи отстоят от 0° и 90° не менее чем на задаваемые значения, определяемые требованиям к точности определения показателя преломления оптического защитного покрытия панели солнечной батареи как контролируемого параметра, и значение угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия солнечной батареи в одном из дискретных положений солнечной батареи отличается от значения угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия солнечной батареи в другом дискретном положении солнечной батареи не менее чем на задаваемое значение, определяемое требованием к точности определения показателя преломления оптического защитного покрытия солнечной батареи как контролируемого параметра.
Суть предлагаемого изобретения поясняется на представленном рисунке, на котором отображена схема освещения СБ солнечным светом с учетом и введены обозначения:
N - нормаль к рабочей поверхности СБ;
Si, i=1, 2 - вектора солнечного излучения в первом и втором дискретных положениях СБ соответственно;
A - внешняя (лицевая) поверхность (она же поверхность оптического защитного покрытия фотоэлектрических преобразователей) СБ;
αi, i=1, 2 - углы падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия фотоэлектрических преобразователей СБ в первом и втором дискретных положениях СБ соответственно;
B - внешняя (лицевая) поверхность фотоэлектрических преобразователей СБ;
Ci, i=1, 2 - вектора преломленного луча в первом и втором дискретных положениях СБ соответственно;
θi, i=1, 2 - углы преломления солнечного излучения оптическим защитным покрытием фотоэлектрических преобразователей панели СБ в первом и втором дискретных положениях СБ соответственно;
αMax, αMin - максимальное и минимальное значения угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия фотоэлектрических преобразователей панели СБ соответственно;
Δα - угол между векторами солнечного излучения в первом и втором дискретных положениях СБ.
Поясним предложенные в способе действия.
На многих КА, например на международной космической станции (МКС), система управления положением СБ предусматривает выставку СБ в заданные дискретные положения, фиксированные в связанной с КА системе координат, а поворот СБ между данными положениями выполняется с заданной угловой скоростью вращения СБ. При этом для выполнения различных полетных операций предусмотрены различные режимы управления ориентаций СБ, в том числе режим автоматического наведения (отслеживания) СБ на Солнце и режим выставки СБ в заданное положение (такие положения выбираются из перечня упомянутых заданных дискретных положений СБ, фиксированных в связанной с КА системе координат). При этом в режиме автоматического наведения (отслеживания) СБ на Солнце система управления автоматически выбирает момент начала поворота СБ для перевода СБ из текущего фиксированного положения СБ в последующее.
Таким образом, в произвольный текущий момент времени СБ находится или в одном из фиксированных положений (в этом случае оно является текущим дискретным фиксированным положением СБ) или в процессе перехода между двумя дискретными фиксированными положениями. При этом в режиме автоматического наведения (отслеживания) СБ на Солнце моменты нахождения панели СБ в одном из дискретных положений определяются по измерениям текущей ориентации КА и измерениям положения Солнца путем определения моментов начала и окончания поворотов СБ с учетом логики автоматического управления СБ в данном режиме.
В предложенном техническом решении для решения поставленной задачи измеряют вектор направления на Солнце в связанной с КА системе координат и определяют угол выставки СБ в ее текущее дискретное положение. По данным параметром определяют текущие значения угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия СБ.
Угол а падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия СБ определяют как угол между линиями нормали к рабочей поверхности СБ и вектора солнечного излучения.
Выполняют поворот СБ в не менее чем два выбранных дискретных положения СБ.
Данные дискретные положения СБ выбирают таким образом, что в данных положениях выполнены следующие условия:
- значения угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия СБ отстоят от 0° и 90° не менее чем на задаваемые значения, определяемые требованиям к точности определения показателя преломления оптического защитного покрытия панели СБ как контролируемого параметра;
- значение угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия СБ в одном дискретном положении СБ отличается от значения угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия СБ в другом дискретном положении СБ не менее чем на задаваемое значение, определяемое требованием к точности определения показателя преломления оптического защитного покрытия СБ как контролируемого параметра.
Перечисленные условия реализуется тем, что:
- значения угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия СБ отстоят от 0° не менее чем на задаваемое значение αMin определяемое требованиям к точности определения показателя преломления оптического защитного покрытия панели СБ как контролируемого параметра;
- значения угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия СБ отстоят от 90° не менее чем на задаваемое значение 90°-αMax, определяемое требованиям к точности определения показателя преломления оптического защитного покрытия панели СБ как контролируемого параметра;
- значение угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия СБ в одном дискретном положении СБ отличается от значения угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия СБ в другом дискретном положении СБ не менее чем на задаваемое значение Δα, определяемое требованием к точности определения показателя преломления оптического защитного покрытия СБ как контролируемого параметра.
В каждом из выбранных дискретных положений солнечной батареи измеряют значение тока от СБ.
Текущее состояние СБ оценивают по текущему состоянию ее оптического защитного покрытия, которое характеризуется текущим значением его абсолютного показателя преломления. При этом абсолютный показатель преломления определяется по значениям угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия СБ и значениям тока от СБ, полученным при вышеописанных дискретных положениях СБ.
Ниже приведем примеры соотношений для определения значения абсолютного показателя преломления защитного покрытия по получаемым значениям угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия СБ и значениям тока от СБ.
Влияние оптического защитного покрытия фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) панели СБ на генерацию тока заключается в том, что оно преломляет и частично отражает солнечное излучение, поступающее на фотоэлементы панели СБ.
Рассмотрим свет, падающий на границу раздела двух сред: космического вакуума и защитного покрытия СБ (обозначаем k - абсолютный показатель преломления оптического защитного покрытия).
Часть света отражается от границы раздела сред, а часть света проходит через границу, испытывая преломление. Суммарная энергия отраженного и преломленного луча в точности равна энергии падающего луча, но соотношение интенсивностей этих лучей зависит от разницы показателей преломления сред, угла падения и поляризации падающего луча. Поляризация является параллельной, если вектор электрического поля E лежит в плоскости падающего луча и нормали к границе раздела сред, в противном случае поляризация является перпендикулярной.
Угол θ преломления солнечного излучения оптическим защитным покрытием фотоэлектрических преобразователей СБ определяют как угол между линиями нормали к рабочей поверхности СБ и вектора преломленного луча.
Согласно формуле Френеля угол падения луча α и угол преломления θ связаны уравнениями
Отражательная способность границы раздела сред для лучей с параллельной и перпендикулярной поляризацией 
и 
и пропускательная способность границы раздела сред для лучей с параллельной и перпендикулярной поляризацией 
и 
описывается выражениями (Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения, Энергоатомиздат, 1990; Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. Наука, 1980, Годжаев Н.М. Оптика, Высшая школа, 1977)
Для луча, падающего нормально к границе раздела, перпендикулярная и параллельная компоненты совпадают и определяются выражениями
Считаем, что СБ освещается естественным солнечным светом, который представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов, которые излучают световые волны независимо друг от друга. Поэтому световая волна, излучаемая Солнцем, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора. В данном случае равномерное распределение векторов Е объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов E - одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов. Тогда средняя отражательная и пропускательная способность границы сред описываются выражениями
Ток IN от СБ под воздействием солнечного излучения N перпендикулярно ее рабочей поверхности и текущий ток I от СБ под воздействием солнечного излучения, поступающего в общем случае под произвольным углом к ее рабочей поверхности, с учетом угла падения Солнечного излучения на рабочую поверхность СБ (см. Грилихес В.А., Орлов П.П., Попов Л.Б. Солнечная энергия и космические полеты. Москва. Наука, 1984, стр. 109; Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. Москва, Энергоатомиздат, 1983, стр. 57) и с учетом вышеописанной пропускательной способности оптического защитного покрытия фотоэлектрических преобразователей СБ связаны соотношениями
Соотношения (6) эквивалентны, поскольку T=1-R.
Подставляя (3)÷(5) в (6) получим соотношения для определения R, Т и IN:
Соотношения (7) и (8) эквиваленты.
Используя соотношения (7) и (8) для каждого i-го дискретного положения СБ можно записать:
где αi - угол падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия фотоэлектрических преобразователей СБ в i-м дискретном положении СБ;
θi - угол преломления солнечного излучения оптическим защитным покрытием фотоэлектрических преобразователей панели СБ в i-м дискретном положении СБ,
;
Ii - значение тока от СБ в i-м дискретном положении СБ.
- расчетное значение тока от СБ, соответствующее воздействию солнечного излучения перпендикулярно рабочей поверхности СБ, получаемое по формулам (7), (8) в i-м дискретном положении СБ.
В случае двух дискретных положений СБ приравниваем правые части (9) или (10), получаемые для разных дискретных положений СБ, и формулируем соотношения для определения k:
или
Решение уравнений (11), (12) относительно k выполняем методом последовательных приближений, при этом за начальное значение k можно принять номинальное (проектное) значение абсолютного показателя преломления оптического защитного покрытия СБ.
В общем случае - при выполнении описанных операций в более чем двух дискретных положениях СБ - определение k осуществляем путем определения искомого значения k и определяемой константы 
, доставляющих минимум функционалу, составленному из разностей левых и правых частей (9) или (10):
минимизируем 
где 
Определяемая константа 
является средним значением тока от СБ, соответствующим воздействию солнечного излучения перпендикулярно рабочей поверхности СБ, получаемым по результатам измерений, выполненных во всех дискретных положениях СБ.
Выбор дискретных положений СБ для выполнения описанных измерений осуществляется вышеописанным образом, при этом выбор значений задаваемых параметров 
, 
и 
осуществляется исходя из требования к точности определения показателя преломления оптического защитного покрытия панели СБ как контролируемого параметра. Данные ограничения определяются тем, что при значениях α=0°, α=90° и в случае Δα=0° (что соответствует равенству углов α1=α2) уравнения (11), (12), (13) вырождаются и определить текущие значения показателя преломления оптического защитного покрытия панели СБ по предлагаемой методике не представляется возможным.
Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.
При эксплуатации в открытом космосе СБ подвергаются воздействию факторов открытого космического пространства - ударам частиц, движущихся в открытом космосе, и воздействию всевозможных типов излучения. Одним из результатов такого воздействия является изменение состояния оптического защитного покрытия панели СБ. При этом основным параметром, характеризующим текущее состояние оптического защитного покрытия, является текущее значение его абсолютного показателя преломления.
Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить выполнение оперативной оценки состояния оптического защитного покрытия фотоэлектрических преобразователей панели СБ по определяемому текущему значению его абсолютного показателя преломления.
Предлагаемый способ, с одной стороны, позволяет оперативно оценивать степень изменения абсолютного показателя преломления оптического защитного покрытия панели СБ в ходе полета КА, с другой стороны, знание текущих значений параметров состояния СБ (в том числе абсолютного показателя преломления оптического защитного покрытия панели СБ) необходимо для более точного моделирования функционирования СЭС КА в полете, например, для прогнозирования генерации тока СБ при решении различных задач управления полета КА.
Таким образом, получаемый технический эффект повышает эффективность контроля состояния СЭС КА.
Данный технический результат достигается путем измерения вектора направления на Солнце в связанной с КА системе координат, определения углов выставки СБ в текущие дискретные положения, определения текущих значений угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия СБ, выполнения поворота СБ в не менее чем два выбранных дискретных положения СБ, измерения значений тока от СБ в выбранных дискретных положениях СБ, применения предложенных условий и ограничений, предъявляемых к упомянутым дискретным положениям СБ, выполнения оценки текущего состояния панели СБ по текущему состоянию ее оптического защитного покрытия, характеризуемому текущим значением его абсолютного показателя преломления, и определения текущего значения абсолютного показателя преломления оптического защитного покрытия СБ по значениям угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия и значениям тока от СБ, полученным в выбранных дискретных положениях СБ, по предлагаемым соотношениям.
В настоящее время технически все готово для реализации предложенного способа. Промышленное исполнение существенных признаков, характеризующих изобретение, не является сложным и может быть выполнено с использованием существующих технических средств.
Способ контроля текущего состояния панели солнечной батареи космического аппарата, включающий поворот панели солнечной батареи в положения, при которых рабочая поверхность солнечной батареи освещена Солнцем, измерение значений тока от солнечной батареи, сравнение определяемого параметра, характеризующего текущее состояние панели солнечной батареи, с задаваемыми значениями и контроль текущего состояния панели солнечной батареи по результатам сравнения, отличающийся тем, что дополнительно измеряют вектор направления на Солнце в связанной с космическим аппаратом системе координат и определяют угол выставки солнечной батареи в ее текущее дискретное положение, по которым определяют текущие значения угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия солнечной батареи, выполняют поворот солнечной батареи в не менее чем два выбранных дискретных положения солнечной батареи, в каждом из выбранных дискретных положений солнечной батареи измеряют значение тока от солнечной батареи и текущее состояние панели солнечной батареи оценивают по текущему состоянию ее оптического защитного покрытия, характеризуемому текущим значением его абсолютного показателя преломления, определяемым по значениям угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия солнечной батареи и значениям тока от солнечной батареи, полученным при каждом из выбранных дискретных положений солнечной батареи, при этом упомянутые дискретные положения солнечной батареи выбирают так, что в данных дискретных положениях значения угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия солнечной батареи отстоят от 0° и 90° не менее чем на задаваемые значения, определяемые требованиям к точности определения показателя преломления оптического защитного покрытия панели солнечной батареи как контролируемого параметра, и значение угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия солнечной батареи в одном из дискретных положений солнечной батареи отличается от значения угла падения солнечного излучения на поверхность защитного покрытия солнечной батареи в другом дискретном положении солнечной батареи не менее чем на задаваемое значение, определяемое требованием к точности определения показателя преломления оптического защитного покрытия солнечной батареи как контролируемого параметра.
