Разработка имитационной модели системы энергоснабжения наноспутника

Содержание
Введение....................................................................................................................... 7
1. Анализ принципов построения и средств автоматики систем
энергоснабжения космических аппаратов.......................................................... 8
1.1 Обзор принципов построения и особенности функционирования
существующих систем энергоснабжения ..................................................... 8
1.2 Средства автоматики системы энергоснабжения ........................................ 17
1.3 Постановка задачи управления...................................................................... 23
2 Разработка математического и программного обеспечения системы
энергоснабжения ................................................................................................. 24
2.1 Математическая модель движения наноспутника на солнечно-
синхронной круговой орбите ....................................................................... 25
2.2 Математическая модель солнечной батареи наноспутника ....................... 29
2.3 Математическая модель аккумуляторной батареи наноспутника ............. 33
2.4 Математическая модель зарядно-разрядного устройства наноспутника.. 39
2.5 Моделирование и исследование системы энергоснабжения в пакете
прикладных программ MatLab/Simulink..................................................... 41
2.5.1 Структура программного обеспечения системы энергоснабжения
наноспутника ........................................................................................... 42
2.5.2 Алгоритмы работы системы энергоснабжения наноспутника и его
компонентов ............................................................................................ 44
2.5.3 Моделирование имитационной модели системы энергоснабжения
наноспутника ........................................................................................... 48
2.6 Тестирование имитационной модели системы энергоснабжения
наноспутника ................................................................................................. 57
2.6.1 Разработка методики проведения тестирования................................... 57
2.6.2 Анализ результатов тестирования имитационной модели системы
энергоснабжения наноспутника ............................................................ 58
3. Безопасность жизнедеятельности........................................................................ 64
3.1 Анализ условий труда работников ЦУП ...................................................... 64
3.1.1 Рабочее помещение.................................................................................. 67
3.1.2 Анализ микроклимата.............................................................................. 72
3.1.3 Анализ оборудования .............................................................................. 75
4. Технико-экономическое обоснование системы энергоснабжения
наноспутника ....................................................................................................... 76
4.1 Цель и задачи проекта .................................................................................... 76
4.2 Трудовые ресурсы, используемые в работе ................................................. 76
4.3 Оборудование, используемое в работе ......................................................... 77
4.4 Программное обеспечение, используемое в работе .................................... 77
4.5 Сроки реализации проекта ............................................................................. 77
4.6 Затраты на разработку системы..................................................................... 79
4.6.1 Расчет фонда оплаты труда ..................................................................... 79
4.6.2 Расчет затрат по социальному налогу.................................................... 83
4.6.3 Расчет амортизационных отчислений.................................................... 83
4.6.4 Расчет затрат на электроэнергию ........................................................... 84
4.6.5 Расчет накладных расходов .................................................................... 84
4.7 Цена реализации .............................................................................................. 86
Заключение ................................................................................................................ 87
Список литературы ...................................................................................................
1. Анализ принципов построения и средств автоматики систем
энергоснабжения космических аппаратов

1.1 Обзор принципов построения и особенности функционирования
существующих систем энергоснабжения
Из всех видов энергии электрическая является наиболее универсальной.
По сравнению с другими видами энергии она имеет ряд преимуществ [1]:
- электрическая энергия легко преобразуется в другие виды энергии;
- КПД электрических установок значительно выше КПД установок,
работающих на других видах энергии;
- электрическую энергию легко передавать по проводам к потребителю;
- электрическая энергия легко распределяется между потребителями.
Автоматизация процессов управления полетом любых космических
аппаратов немыслима без электрической энергии. Электрическая энергия
используется для приведения в действие всех элементов устройств и
оборудования КА.
Система энергоснабжения КА является одной из важнейших систем,
обеспечивающих работоспособность КА. Система энергоснабжения КА
предназначена для обеспечения электроэнергией в необходимом количестве и
заданного количества приборов и агрегатов КА при его выведении на орбиту
ИСЗ, автономном полете и спуске на Землю [2].
Основные требования, предъявляемые к системе энергоснабжения [4]:
- необходимый запас энергии для совершения всего полета;
- надежная работа в условиях невесомости;
- необходимая надежность, обеспечиваемая резервированием (по
мощности) основного источника и буфера;
- отсутствие выделений и потребления газов;
- способность работать в любом положении в пространстве;
- минимальная масса;
- минимальная стоимость.
Система электроснабжения генерирует энергию,преобразует и
регулирует её, запасает её для периодов пикового потребления или работы в
тени, а также распределят её по космическому аппарату. Подсистема
электроснабжения может также преобразовывать и регулировать напряжение
или обеспечивать ряд уровней напряжений. Она часто включает и выключает
аппаратуру и, для повышения надёжности, защищает от короткого замыкания
и изолирует неисправности. Конструкция подсистемы зависит от космической
радиации, которая вызывает деградацию солнечных батарей [2, 3].
Структурная схема системы энергоснабжения представлена на рисунке
1.1 [3]. Из рисунка видно, что подсистема энергоснабжения обеспечивает
генерацию, хранение, распределение и управление потоками электроэнергии
на борту космического аппарата.
Рисунок 1.1 - Структурная схема системы энергоснабжения космического
аппарата
Рассмотрим основные компоненты системы энергоснабжения. Источник
электрической энергии предназначен для генерирования энергии на борту
космического аппарата. Для космических аппаратов наибольшее применение
находят три типа источников энергии:массивы фотоэлектрических
преобразователей или солнечные батареи, статические источники энергии и
динамические источники энергии. Классификация источников электрической
энергии представлена на рисунке 1.2 [2, 6].
Рисунок 1.2 – Источники электрической энергии
Массивы фотоэлектрических преобразователей, или солнечные батареи,
обеспечивают прямое преобразование энергии солнечного излучения в
электрическую энергию [18].
Статические источники энергии используют источник тепла – обычно
ядерный реактор, работающий на плутонии-238 или уране-235, для прямого
преобразования тепловой энергии в электрическую энергию [13].
Динамические источники энергии также используют источник тепла –
обычно концентраторы солнечного излучения, тепловыделяющие элементы на
плутонии-238 или обогащенном уране.
Накопитель электрической энергии является неотъемлемой составной
частью системы энергоснабжения космического аппарата [15]. Накопители
энергии предназначены для накопления излишков энергии на участках работы
потребителя с малой нагрузкой и расходования энергии, когда потребляемая
энергия превосходит возможности источника энергии [2]. Накопление
электроэнергии обеспечивается с помощью аккумуляторной батареи, хотя в
некоторых случаях могут использоваться альтернативные варианты
накопителей, например на базе маховиков или топливных элементов.
Аккумуляторы бывают двух видов:
- первичные;
- вторичные.
Аккумуляторные батаре
Вторичные
Первичные
- преобразуют химическую энергию в
электрическую, но не имеет возможности
выполнять обратное преобразование
- преобразует химическую энергию в
электрическую в процессе разряда
аккумуляторов и электрическую энергию в
химическую в процессе заряда аккумуляторов
Рисунок 1.3 – Виды аккумуляторных батарей
Подсистема распределения электрической энергии космического
аппарата включает в свой состав кабели, средства обеспечения
отказоустойчивости и коммутационные устройства, предназначенные для
подключения и отключения бортового оборудования космического аппарата
[10]. Кроме того, в состав рассматриваемой подсистемы входит дешифратор
команд, обеспечивающий исполнение специальных команд на включение и
отключение отдельных бортовых нагрузок. Подсистема распределения
электрической энергии космического аппарата является уникальной частью
его бортовой подсистемы энергоснабжения, и ее облик часто отражает
особенности бортовых нагрузок и требования к коммутации электропитания
конкретного космического аппарата.
Регулирование электроэнергии на борту космического аппарата
определяется используемым источником энергии. Задачи управления
электроэнергией на борту космического аппарата разделяются на три большие
группы [2, 3]:
- управление солнечной батареей;
- регулирование напряжения на выходной шине;
- управление зарядом аккумуляторной батареи.
Система энергоснабжения на современных КА является уже не простым
генератором электрической энергии, а электростанцией с комплексом
вспомогательных устройств и сложной автоматикой управления и контроля,
от нормального функционирования которой зависит существование КА.
Кроме того, для СЭС в общей массе КА может достигнуть 20-40% и оказывать
влияние на его конструкцию и компоновку [2].
Рассмотрим типовые функции, выполняемые системой энергоснабжения
[3]:
- обеспечение непрерывного снабжения электрической энергией
нагрузок на борту космического аппарата в течение всего времени его полета;
-контроль и распределение электрической энергии между
потребителями на борту космического аппарата;
- выполнение требований по средней и пиковой мощности питания
электрической нагрузки;
- обеспечение при необходимости преобразования электроэнергии с
формированием шин переменного тока и шин постоянного тока с
регулируемым напряжением;
-обеспечение возможностей командного управления и
телеметрического контроля со стороны наземной станции или автономной
бортовой системы управления, с целью поддержания подсистемы
энергоснабжения в работоспособном состоянии;
-защита бортового оборудования космического аппарата от
последствий возможных отказов подсистемы энергоснабжения;
- подавление переходных напряжений в шинах электропитания и защита
от отказов шин электропитания;
- обеспечение, при необходимости, возможностей для срабатывания
пиротехнических устройств.
А конструкция и компоновка, в свою очередь, должны обеспечивать [2,
4]:
- удобство и безопасность транспортировки, монтажа и обслуживания
на технической и стартовой позициях;
- оперативный и надежный контроль основных параметров системы
энергоснабжения на всех этапах ее подготовки и эксплуатации;
- необходимую механическую прочность узлов и элементов при
ускорениях и вибрациях, возникающих в процессе вывода КА на орбиту и в
орбитальном поле;
- работоспособность в любом положении и пространстве.
Система энергоснабжения космического аппарата должна сохранять
работоспособность в условиях космического пространства, а также иметь
минимальные габаритные размеры и массу [16].
Выбор и проектирование системы энергоснабжения производят исходя
из общих требований к системе энергоснабжения и конкретных, диктуемых
целевой направленностью проектируемого КА. К ним относятся:
- необходимая среднесуточная и пиковая мощность, обеспечивающие
функционирование потребителей электроэнергии;
- форма и степень стабильности выходного электрического напряжения;
- степень автоматизации контроля, диагностики и управления.
В настоящее время применяются следующие разновидности систем
энергоснабжения космических аппаратов [11, 12, 18]
- на основе химических источников тока;
- на основе солнечных энергетических установок;
- на основе ядерных энергетических установок.
Системы энергоснабжения на основе химических источников тока
строится с использованием химических гальванических сухозаряженных
серебряно-цинковых элементов. Такая система энергоснабжения обеспечивает
бортовую аппаратуру КА постоянным током на участке выведения,
орбитальном полете, на участках спуска и после приземления.
Наибольшее распространение получили системы энергоснабжения на
основе солнечной энергоустановки с солнечными батареями. Их широкое
применение обусловлено [2]:
- относительно небольшой массой системы;
- простотой конструкции;
- надежностью в работе;
- удовлетворительным КПД преобразования солнечной энергии в
электрическую.
Недостатками такой системы энергоснабжения являются [3, 7]:
- необходимость ориентации солнечных батарей на Солнце;
-зависимость выходных характеристик солнечных батарей от
температуры фотоэлектрических преобразователей;
- периодичность работы солнечных батарей из-за наличия на орбите
участков, затененных Землей, или из-за затенения элементами конструкции;
- деградация ФЭП в радиационных поясах Земли.
Структурная схема системы энергоснабжения на основе солнечной
энергетической установки представлена на рисунке 1.4 [2].
Рисунок 1.4 - Структурная схема системы энергоснабжения на основе
солнечной энергетической установки: 1 - блок коммутации, 2 - солнечная
батарея, 3 - буферный накопитель, 4 - автоматика контроля, 5,6 -
аккумуляторные батареи
Система энергоснабжения на основе солнечной энергетической
установки включает в себя комплекс автоматики, осуществляющий
поддержание оптимальных режимов заряда и разряда, поэлементный
контроль аккумуляторов, что позволяет увеличить ресурс работы
аккумуляторов и обеспечить высокое качество выходного напряжения[11].
Система энергоснабжения космических аппаратов на основе солнечной
энергетической установки имеет два основных режима работы [2]:
- режим ориентации солнечной батареи на Солнце с cos 1. При этом
обеспечивается большая сила тока. Солнечная батарея обеспечивает как
питание бортовой аппаратуры, так и заряд аккумуляторных батарей, который
прекращается по сигналу, формируемому аккумулятором. Стабильное
напряжение на выходе солнечной батареи поддерживается с помощью
регулятора, ограничивающего мощность солнечной батареи;
- режим работы системы энергоснабжения при затенении солнечных
батарей или при большом токе нагрузки. Мощность нагрузки обеспечивается
за счет энергии, запасенной в накопителе.
Контроль за аккумуляторными батареями осуществляется по глубине
разряда и напряжению на каждом аккумуляторе батареи [13, 14]. При
достижении пороговых глубин разряда или напряжения подается сигнал в
систему управления КА.
При освоении космического пространства возникают условия, когда
применение солнечных установок становится затруднительным. В связи с
этим возникает потребность в других видах энергетических установок. В
настоящее время разрабатываются и создаются высокотемпературные
ядерные энергетические установки для производства тепловой и
электрической энергии [2].
Любой тип ядерных энергетических установок включает в себя три
основных элемента:
- источник первичной энергии - ядерный реактор;
- преобразователь первичной энергии в электрическую;
- устройство для отвода части первичной энергии в окружающее
пространство.....