Космонавтика

Как спутниковая электроника выдерживает температуру и радиацию. Электричество в космосе

В прошлой статье была затронута проблема работоспособности солнечных батарей и общего температурного контроля спутника. Это проблема, переменные которой, к сожалению, происходят не только от внешних тепловых потоков, но и от внутренних потоков, которые, смоделированные вместе, называются внутренней генерацией. Наиболее заметный вклад вносят электронная аппаратура и бортовой компьютер. Последний вносит важный вклад, поскольку ему, как правило, приходится управлять всем программным обеспечением, которое управляет спутником и полезной нагрузкой на борту.

Электронные компоненты должны распределять энергию, вырабатываемую панелями, в нужное время и в нужных местах. Кроме того, к панелям предъявляются очень строгие требования в отношении температурного диапазона, в котором они работают, - от -10 до +40 градусов Цельсия. Они перегреваются из-за прохождения электрической энергии через их кабели и контакты, которые, будучи сделанными из металла, имеют теплопроводность, связанную с электрическим сопротивлением. Эта характеристика определяет нагрев во время использования; от которого нельзя избавиться путем установки вентилятора на борту, как это делается в классических наземных компьютерах.

Батареи, не перегреваясь из-за своей работы, как панели и электронные устройства, основаны на точных химических реакциях и поэтому имеют допустимый температурный диапазон от -10 до +15 градусов Цельсия. Решение включает в себя не только терморегулирование спутника, но также необходимо разработать и довести до совершенства аккумуляторы и устройства управления мощностью.

Поперечное сечение типового спутника. В зеленом цвете - компоненты накопления и перераспределения энергии и поддержания температуры.

Как контролировать мощность и температуру внутри спутника

Начнем с энергии, поступающей со спутника в виде постоянного тока. Эта мощность зависит от внешних условий, упомянутых в предыдущей статье, и может не совпадать с внутренними потребностями спутника. Во время затмения вырабатываемая мощность может быть равна нулю, но требуемая мощность может сильно отличаться от нуля. Или, наоборот, солнечные панели могут производить больше энергии, чем требуется.

Кроме того, для доступа к электронным устройствам необходимо обеспечить правильное напряжение и силу тока; как в нашей домашней сети, рядом с розетками и выключателями может быть написано "220 вольт", так как допустимые амперы составляют максимум 10, в общей сложности 2 киловатта в доме. Если эти значения превышены, ток "отключается". Для предотвращения этого на борту спутника устанавливается электронное устройство для регулирования мощности, подаваемой на электрическое оборудование. Этот аппарат работает по двум возможным алгоритмам.

  • DET - наиболее "деревенский" и простой. В основном он используется в миссиях, где мощность, вырабатываемая панелями, слишком высока. Это предполагает определение размера тепловой нагрузки таким образом, чтобы спутник мог позволить себе банк резисторов, которые рассеивают мощность в тепло, снижая производимый ток и/или напряжение для доступа к электронной системе.
  • Более элегантным решением является PPT, который используется для миссий, где важно использовать как можно больше энергии. Это фактически DC-DC инвертор, который гарантирует, что в электронный блок всегда поступает как можно больше электроэнергии.

Путь тока на спутнике

В этот момент часть энергии пойдет на подзарядку батарей, чтобы они могли функционировать в пик использования и во время затмений. Оставшаяся часть распределяется по кабелям между всеми подсистемами и полезными нагрузками, которым она необходима. Размер кабелей очень важен, поскольку поперечное сечение обратно пропорционально сопротивлению, а длина прямо пропорциональна: короткий и толстый кабель очень эффективен с электротермической точки зрения, но громоздок и тяжел. На входе каждой нагрузки может быть установлен инвертор для выравнивания требований по току и напряжению. Уровень напряжения и тока также может быть установлен перед всеми нагрузками, таким образом, определяя весь корпус спутника как "регулируемый".

Инженер по разработке электронных устройств также должен защищать их от сбоев и избыточной мощности. Для этого используются элементы, не отличающиеся от бытовых и промышленных сетей, такие как предохранители, разъединители и автоматические выключатели. Если эти элементы обнаруживают напряжение, ток или мощность, выходящие за пределы диапазона, они прерывают поток тока. Наконец, для электрозащиты электронных устройств необходимо также учитывать плазму, присутствующую во внешней пространственной среде.

Внутреннее устройство космического аппарата ЕКА "Марс Экспресс".

Плазма

Высокая проводимость плазмы позволяет поверхностям спутника стать электрически заряженными. Однако это происходит неоднородно, поскольку плазма непостоянна и быстротечна, и спутник обычно проходит через область высокой плотности плазмы в течение короткого периода времени. Неравномерная зарядка поверхностей позволяет создавать паразитные разности потенциалов и, следовательно, увеличивать токи в электронных устройствах. Они могут даже подняться до неприемлемого уровня, что поставит устройство под угрозу.

Каждый компонент, подверженный риску перегрузки по току, должен быть оборудован клеткой Фарадея: контейнером из проводящего материала, способным полностью изолировать его внутреннюю часть от внешних электромагнитных полей; фактически заряды по полому проводнику, подобному пустой сфере, например футбольному мячу, распространяются только наружу.

Заземление

Наконец, необходимо общее заземление для всего космического аппарата. Задача этой системы - сделать потенциал единым для каждого компонента, т.е. она работает подобно системам заземления, которые есть в наших домах. Она снижает все перегрузки напряжения до одинакового значения, независимо от того, вызваны ли они плазменным вихрем или молнией, ударившей в нашу крышу. Другой опасностью для электронных компонентов является радиация, которая может изменить двоичные коды, управляющие ими. Единица на месте нуля может быть смертельной... Чтобы избежать такой ситуации, можно построить резервные схемы и элементы или оснастить себя дорогими радиационно-стойкими устройствами, проверенными на устойчивость к самым опасным излучениям.

Подписывайтесь на нас
Back to top button