Автоматизированное рабочее место для исследований и испытания систем электропитания космических аппаратов

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано при проектировании и наземной экспериментальной отработке системы электропитания (СЭП) космического аппарата (КА).

В космической технике среди прочих стоит задача по увеличению срока активного существования автоматических КА. При этом наблюдается тенденция возрастания величины среднесуточной электрической мощности, необходимой для нормального функционирования бортовой аппаратуры (БА) космического аппарата. Поэтому создание надежной СЭП с большим ресурсом работы является актуальной задачей.

Основным источником электрической энергии на КА являются электрические генераторы на основе фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), размещаемых на батарее солнечной (БС). На теневых участках орбиты КА бортовая аппаратура питается от аккумуляторных батарей (АБ), которые периодически заряжаются генерируемым БС током.

Необходимость непрерывного питания БА электроэнергией и поддержания стабилизированного напряжения обуславливает использование в СЭП аппаратуры регулирования и контроля (АРК), представляющего собой сложную электрическую и электронную аппаратуру.

Технология проведения комплексных испытаний СЭП имеет свои особенности и, как правило, существенно отличается от традиционных методов, основанных на использовании штатного прибора в качестве объекта испытаний.

Наиболее простой способ комплексных испытаний СЭП - это проведение наземных электрических испытаний в составе штатного КА. При этом используются штатные АБ и АРК, а вместо БС - ее электронный имитатор. Нагрузкой является бортовая аппаратура, потребляющая электроэнергию как от имитатора батареи солнечной (ИБС), так и от АБ в зависимости от величины потребляемого тока. Комплексные испытания СЭП подобного типа являются частью испытаний всего КА (Козлов Д.И., Аншаков Г.П. и др. Конструирование автоматических КА. - М.: Машиностроение, 1996, 448 с, 2 гл.).

Частичное или полное ограничение комплексных испытаний СЭП, проводимых автономно вне штатного КА, оправдано только в том случае, если СЭП прошла летно-конструкторские испытания в составе других КА и не является новой разработкой.

В противном случае (при проведении комплексных испытаний в составе штатного КА) при наличии неисправностей возможны большие затраты как трудовые, так и финансовые, связанные с демонтажом (монтажом) уже установленных на борт КА составных частей СЭП с соответствующей их отправкой на завод-изготовитель на ремонт.

Таким образом, для вновь проектируемых СЭП возникает необходимость проведения комплексных испытаний на специальном стенде - автоматизированном рабочем месте (АРМ).

Известно автоматизированное рабочее место для моделирования и испытаний системы электропитания космического аппарата, содержащее имитатор батареи солнечной, имитатор аккумуляторной батареи, имитатор нагрузки, систему управления и аппаратуру регулирования и контроля, силовые выводы которой подключены к выходам соответствующих имитаторов (патент РФ 2349518).

Аппаратура регулирования и контроля СЭП КА содержит стабилизатор напряжения (параллельный стабилизатор, подключаемый параллельно БС) и параллельно соединенные зарядное и разрядное устройства, включенные между плюсовой шиной СЭП и плюсовым выводом АБ. К плюсовой и минусовой шинам подключен емкостный фильтр. Полезная нагрузка КА подключается к плюсовой и минусовой шинам СЭП, причем минусовая шина соединена с минусовым выводом АБ. Аппаратура регулирования и контроля должна обеспечивать стабилизированное напряжение на шинах СЭП с высокой точностью и при заданных параметрах переходных процессов.

В известном АРМ содержатся как физические так электронные имитаторы компонентов СЭП КА, которые управляются сложной в наладке и настройке системой управления. В известном АРМ не применяется модульный принцип построения имитаторов, он сложен в освоении персоналом.

Таким образом, недостатком прототипа является его высокая себестоимость и относительно низкая эффективность испытаний и экспериментальной отработки АРК.

Задачей изобретения является увеличение точности моделирования СЭП и эффективности испытаний АРК, а также снижение себестоимости изготовления и эксплуатации АРМ.

Указанная задача решается в автоматизированном рабочем месте для моделирования и испытаний системы электропитания космического аппарата, содержащем имитатор батареи солнечной, имитатор аккумуляторной батареи, имитатор нагрузки, систему управления и аппаратуру регулирования и контроля, силовые выводы которой подключены к выходам соответствующих имитаторов.

Имитатор батареи солнечной содержит блок управления и последовательно соединенные выпрямитель, регулируемый источник питания и цепь из параллельно соединенных стабилизаторов тока, входы управления которых соединены с выходами блока управления имитатора батареи солнечной, имитатор нагрузки содержит блок управления стабилизаторами тока и цепь из параллельно соединенных стабилизаторов тока, входы управления которых соединены с выходами блока управления стабилизаторами тока, имитатор аккумуляторной батареи содержит последовательно соединенные модули, содержащие электрохимические источники тока, к выводам которых подключены входы блоков измерения напряжения и блоков выравнивания, входы контроля и управления которых соединены с выходами контроллера управления, входы/выходы системы управления соединены с входами/выходами блока управления имитатора батареи солнечной, с входами/выходами блока управления стабилизаторами тока нагрузки и с входами/выходами контроллера управления имитатора аккумуляторной батареи.

На фиг. 1 показана схема АРМ для моделирования СЭП КА.

На фиг. 2 приведена структурная схема ИАБ.

Автоматизированное рабочее место для моделирования и испытаний системы электропитания космического аппарата содержит имитатор батареи солнечной 1, имитатор аккумуляторной батареи 2, имитатор нагрузки 3, систему управления 4 и аппаратуру регулирования и контроля 5, силовые выводы которой подключены к выходам соответствующих имитаторов. В состав системы управления 4 входит персональный компьютер.

Имитатор батареи солнечной 1 содержит блок управления 6 и последовательно соединенные выпрямитель 7, регулируемый источник питания 8 и цепь из параллельно соединенных стабилизаторов тока 9, входы управления которых соединены с выходами блока управления имитатора батареи солнечной.

Имитатор нагрузки 3 содержит блок управления стабилизаторами тока 10 и цепь из параллельно соединенных стабилизаторов тока 11, входы управления которых соединены с выходами блока управления стабилизаторами тока 10. Мощность нагрузки зависит от уровня тока стабилизации и количества включенных стабилизаторов (например, при токе стабилизации 1А и 100 включенных стабилизаторов нагрузка будет потреблять ток 100 А). Стабилизаторы тока могут быть выполнены на базе транзисторов, работающих в линейном режиме. Например, при токе стабилизации 1А и напряжении СЭП 30В мощность единичного стабилизатора составляет 30 Вт.

Имитатор аккумуляторной батареи 2 содержит последовательно соединенные модули 12, содержащие электрохимические источники тока. К выводам модулей 12 подключены входы блоков измерения напряжения 13 и блоков выравнивания 14, входы контроля и управления которых соединены с выходами контроллера управления 15.

Входы/выходы системы управления 4 соединены с входами/выходами блока управления 6 имитатора батареи солнечной, с входами/выходами блока 10 управления стабилизаторами тока нагрузки и с входами/выходами контроллера 15 управления имитатора аккумуляторной батареи. Аппаратура регулирования и контроля 5 содержит регулятор напряжения на шинах СЭП и зарядно-разрядные устройства.

Функционирование АРМ в процессе моделирования и испытаний АРК и СЭП в целом осуществляется следующим образом. С персонального компьютера, входящего в состав системы управления АРМ, задается циклограмма работы СЭП КА, то есть временные интервалы солнце - тень.

На солнечном участке орбиты источником электрической энергии является ИБС. На теневых участках орбиты аппаратура питается от ИАБ, которые периодически заряжаются генерируемым ИБС током. Изменение мощности и формирование заданной вольтамперной характеристики имитатора батареи солнечной 1 обеспечивается включением соответствующего количества стабилизаторов тока и изменением напряжения регулируемого источника питания 8. Изменение потребляемой мощности имитатора нагрузки 3 обеспечивается включением соответствующего количества стабилизаторов тока 11. Имитатор аккумуляторной батареи 2 заряжается зарядным устройством АРК на солнечном участке орбиты, а на теневом участке ИАБ через разрядное устройство аппаратуры регулирования и контроля 5 обеспечивает стабилизированным напряжением имитатор нагрузки 3. Имитатор аккумуляторной батареи 2 выполняется на основе электрохимических элементов, аналогичных электрохимической системе штатной АБ, а блоки измерения напряжения 13, блоки выравнивания 14 и контролер управления 15 схемотехнически и алгоритмически не отличаются от соответствующей аппаратуры штатной АБ.

Таким образом, АРМ обеспечивает точное моделирование работы СЭП на всех участках орбиты космического аппарата и существенно повышает эффективность испытаний аппаратуры регулирования и контроля.

Снижение стоимости АРМ обеспечивается путем использования модульного принципа построения имитаторов - параллельное соединение стабилизаторов тока в ИБС и имитаторе нагрузки и последовательное соединение электрохимических элементов ИАБ.

Универсальные части АРМ используются для моделирования и испытаний СЭП последующих изделий, что ускоряет окупаемость данного АРМ и снижает себестоимость изготовления следующего.

Таким образом, предложенное АРМ для моделирования и испытаний системы электропитания КА позволяет увеличить точность моделирования, повысить эффективность испытания АРК и снизить затраты на изготовление и эксплуатацию стендов для экспериментальной отработки СЭП.