Анализ конструкций перспективных солнечных батарей космических аппаратов
Опубликовано: 21.03.2022
Авторы: Рябцева М.В., Лебедев А.А., Наумова А.А., Болотин А.М., Вагапова Н.Т., Черенков П.Г.
Опубликовано в выпуске: #3(123)/2022
DOI: 10.18698/2308-6033-2022-3-2162
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов
Представлены результаты расчетов мощности в стартовом объеме, мощности в массе, удельной массы и других основных абсолютных и относительных эксплуатационных характеристик современных и перспективных солнечных батарей различных типов для космических аппаратов. Приведено описание и предложена классификация фотовосприимчивых электрогенерирующих частей солнечных батарей по типу используемых фотоэлектрических преобразователей и по реализации их защиты от воздействия факторов космического пространства, по созданию коммутации элементов и пр. Рассмотрены каркасы: рамные с гибким полотном, жесткие. Показано, что отечественные рамные струнные каркасы (разработки АО «ИСС») имеют удельные характеристики на одном уровне со сплошными (жесткими) каркасами зарубежных фирм. Однако экспериментальные интегральные конструкции или сотовые каркасы (разработки АО «ГНЦ «Исследовательский центр имени М.В. Келдыша») с малой строительной высотой обладают преимуществом — в несколько раз большими рассматриваемыми параметрами. Показано, что солнечные батареи с фотовосприимчивой электрогенерирующей частью из четырехкаскадных фотоэлектрических преобразователей на основе материалов АIIIBV имеют лучшие значения удельных характеристик мощности в массе и в стартовом объеме для каркасов всех типов и наименьшую деградацию от радиационного излучения на геостационарной орбите. Среди фотовосприимчивых электрогенерирующих частей с трехкаскадными фотоэлектрическими преобразователями разных типов лучшие значения этих параметров на струнном и сотовом каркасах показала фотовосприимчивая электрогенерирующая часть из фотоэлектрических преобразователей типоразмера 80 × 80 мм, на отечественном рынке представленные продукцией АО «НПП «Квант».
Литература
[1] Слыщенко Е.В., Наумова А.А., Лебедев А.А. и др. Обзор современных фотоэлектрических преобразователей космического назначения на основе соединений AIIIBV. Сибирский журнал науки и технологий, 2018, т. 19, № 2, с. 308–324.
[2] Наумова А.А., Лебедев А.А., Вагапова Н.Т, Каган М.Б., Синева М.В. Особенности создания и результаты испытаний экспериментальной солнечной батареи космического назначения с каркасом сотовой конструкции из углепластика. Инженерный журнал: наука и инновации, 2020, вып. 8. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2020-8-2003
[3] Байбакова Н.Н., Гаценко Л.С., Летин В.А. и др. Способ изготовления подложки солнечной батареи. Пат. № 2068212 Российская Федерация, 1996, бюл. № 1, 7 с.
[4] Кузоро В.И., Миронович В.В., Шамова Н.А. и др. Подложка панели солнечной батареи и способ ее изготовления. Пат. № 2449226 Российская Федерация, 2012, бюл. № 12, 7 с.
[5] Туманов А.В., Зеленцов В.В., Щеглов Г.А. Основы компоновки бортового оборудования космических аппаратов. 3-е изд. Москва, Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018, 572 с.
[6] Билалов Б.А., Саркаров Р.Н., Сафаралиев Г.К. Солнечный модуль Пат. № 2468305 Российская Федерация, 2012, бюл. № 33, 5 с.
[7] Кожевникова Л.А. Солнечные элементы и батареи космического применения. Решетнёвские чтения, 2018, с. 126–127.
[8] Guter W., Dunzer F., Ebel L., Hillerich K., Köstler W., Kubera T., et al. Space solar cells — 3G30 and next generation radiation hard products. 11th European Space Power Conference. E3S Web of Conferences, 2017, vol. 16. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20171603005
[9] Богушевская В.А., Жалнин Б.В., Заяц О.В., Масляков Я.Н., Мацак И.С., Никонов А.А., Обручева Е.В., Тугаенко В.Ю. Экспериментальное исследование возможности использования кремниевых и арсенидгаллиевых солнечных батарей космических аппаратов для приема энергии лазерного ИК излучения. Известия РАН. Энергетика, 2012, № 2, с. 10–17.
[10] Naumova A.A., Lebedev A.A., Milovanov A.F. et al. Method for determining the balance of optical and ohmic losses for modifying the contact grid of modern solar cells based on InGaP/InGaAs/Ge heterostructures. AIP Conference Proceedings, 2021, vol. 2318, Art. no. 040010. https://doi.org/10.1063/5.0036184
[11] Sineva M.V., Voevodkin G.S., Vagapova N.T., Kagan M.B. Ways optimization of the electrical characteristics of multi-junction solar cells for space application. AIP Conference Proceedings, 2021, vol. 2318, Art. no. 040009. https://doi.org/10.1063/5.0035982
[12] Воеводкин Г.С., Синева М.В., Вагапова Н.Т. Способ восстановления характеристик солнечных элементов космического назначения после срока активного существования. XLIV Академические чтения по космонавтике, посвященные памяти академика С.П. Королёва и других выдающихся отечественных ученых — пионеров освоения космического пространства. Москва, Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020, т. 1, с. 245–247.
[13] Murphy D.M. The Scarlet Solar Array: Technology Validation and Flight Results. Deep Space 1. Technology Validation. Report, p. 36. Available at: https://pdssbn.astro.umd.edu/holdings/ds1-c-micas-3-rdr-visccd-borrelly-v1.0/document/doc_Apr04/int_reports/Scarlet_Integrated_Report.pdf
[14] Семенов А.В. Технология тонкопленочных солнечных модулей большой площади на основе аморфного и микрокристаллического кремния: дис. … канд. техн. наук. Санкт-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015, 149 с.
[15] Афанасьев В.П., Теруков Е.И. Тонкие пленки аморфного гидрогенизированного кремния и солнечные модули на их основе. Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника, 2016, № 2, с. 106–113.
[16] Yasterebova N.V. High-efficiency multi-junction solar cells. Centre for research in photonics, University of Ottawa, 2007. URL: http://sunlab.site.uottawa.ca/pdf/whitepapers/HiEfficMjSc-CurrStatus&FuturePotential.pdf
[17] Емельянов В.М., Калюжный Н.А. и др. Многопереходные солнечные элементы с брэгговскими отражателями на основе структур GaInP/GaInAs/Ge. Физика и техника полупроводников, 2010, т. 44, вып. 12, с. 1649–1654.
[18] [Вагапова Н.Т., Лебедев А.А., Леднев А.М. Направления улучшения энергомассовых характеристик солнечных элементов космического назначения А3В5. Тезисы докладов ХХ Науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов, РКК «Энергия» им. С.П. Королёва. Королев, 2014, 707 с.
[19] Space solar cells. CESI Shaping a Better Energy Future. URL: https://www.cesi.it/space-solar-cells/
[20] Наумова А.А., Лебедев А.А., Вагапова Н.Т. и др. Оптимизация конструкции фотопреобразователя для увеличения удельных характеристик солнечных батарей космических аппаратов. Электронные и электромеханические системы и устройства: ХХ науч.-техн. конф. Томск, АО «НПЦ «Полюс», 2020, с. 8.
[21] Strobl G.F.X., Dietrich R., Hilgarth J. et al. Evolution of fully European triple GaAs solar cell. Proc. Seventh European Space Power Conference, 2005 (ESA SP-589, May 2005). URL: http://www.azurspace.com/images/pdfs/Download%20PDF_9.pdf
[22] Вагапова Н.Т., Наумова А.А., Лебедев А.А. и др. Способ изготовления фотопреобразователя. Пат. № 2730050 Российская Федерация, 2020, бюл. № 23, 8 с.
[23] Ho F., Yeh M.Y., Chu Ch.-L., Iles P.A. Solar cell having an integral monolithically grown bypass diode. Patent US 2005/0183765A1, 2005.
[24] Басовский А.А. и др. Шунтирующие диоды для каскадных фотопреобразователей на основе соединений A3B5. Труды Всерос. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». Москва, Litres, 2018, с. 357.
[25] Azur Space Solar Power GmbH. URL: http://www.azurspace.com/index.php/en/
[26] Аблаев Г.М., Абрамов А.С., Няпшаев И.А. и др. Гибкие солнечные модули на основе аморфного гидрогенизированного кремния. Физика и техника полупроводников, 2015, т. 49, вып. 5, с. 693–696.
[27] Путято М.А., Валишева Н.А., Петрушков М.О. и др. Легкий гибкий солнечный элемент на основе гетероэпитаксиальной структуры InGaP/GaAs. Журнал технической физики, 2019, т. 89, вып. 7, с. 1071–1078.
[28] Битков В.А., Хвостиков В.А., Полянсков Ю.Н. Солнечная батарея. Пат. № 2293398 Российская Федерация, 2007, бюл. № 4, 9 с.
[29] Надоров В.П., Каган М.Б., Иванов В.Ф. и др. Гибкий модуль солнечной батареи. Пат. № 2234166 Российская Федерация, 2004, бюл. № 36, 7 с.
[30] Катаев Ю.П. Конструкторско-технологическая разработка изготовления типового ультралегкого каркаса панелей солнечных батарей: дис. … канд. техн. наук. Казань, 2018.
[31] Двирный В.В., Еременко Н.В., Двирный Г.В. Уменьшение массы кабельной продукции для космических аппаратов. Сибирский журнал науки и технологий, 2015, т. 16, № 3, с. 658–663.
[32] Лосев Н.Н., Головков В.В., Киндякови Д.Г. др. Универсальный стенд сборки и испытаний аппаратуры бортового информационно-навигационного комплекса космического аппарата «ГЛОНАСС-К2». Космические аппараты и технологии, 2018, № 3, с. 175–179.
[33] Заславский Г.С., Захваткин М.В., Степаньянц В.А. и др. Баллистико-навигационное обеспечение полета космического аппарата Спектр-Р. Космонавтика и ракетостроение, 2014, т. 74, № 1, с. 15–29.
[34] Боярчук А.А. и др. Научные задачи космического проекта «Спектр-УФ» («Всемирная Космическая Обсерватория-Ультрафиолет»). Астрономический журнал, 2016, т. 93, № 1, с. 3. DOI: 10.7868/S0004629916010011
[35] Волков М.В., Ануфриенко В.Е., Кузнецов А.Д. Каркас с трубами треугольного сечения и методика оптимизации геометрических размеров изогридных конструкций, выполненных из композиционных материалов. Сборник материалов Всерос. молодежного конкурса науч.-техн. работ «Орбита молодежи». Санкт-Петербург, 2019, с. 253–260.
[36] Каган М.Б., Жалнин Б.В., Вагапова Н.Т. и др. Улучшение энергомассовых характеристик гетеропереходных трехкаскадных фотопреобразователей космического назначения. Электронные и электромеханические системы и устройства: сб. науч. трудов. Томск, Изд-во Томского политехн. ун-та, 2016, с. 411–416.
[37] Дрондин А.В., Зернов О.Д., Янчур С.В. Способ изготовления ячеистого сотового заполнителя из композиционных материалов. Пат. № 2623781 Российская Федерация, 2017, бюл. № 19, 7 с.
[38] Ардашов А.А., Силантьев С.Б., Фоминов И.В. Модель масс для обоснования облика малого космического аппарата. Труды Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского, 2013, № 640, с. 26–33.
[39] Салосина М.О. Оптимизация многослойного теплозащитного экрана солнечного зонда. Космическая техника и технологии, 2018, № 3, с. 32–41.
[40] Лопатин А.В., Нестеров В.А., Шумкова Л.В. Модель анизогридного композитного сетчатого каркаса солнечной батареи космического аппарата. Решетнёвские чтения, 2010, т. 1, № 14, c. 70–72.
[41] Гибадулин Н.Н., Чехович В.Н., Набиуллин Ф.Х. и др. Способ монтажа фотопреобразователей. А.С. № 272989A1 СССР, 1970, бюл. № 23, 2 с.
[42] Гибадулин Н.Н., Далецкий Г.С., Иванов В.Ф. и др. Солнечная батарея. А.С. № 562155 СССР, 1995, 5 с.
[43] Гайдар М.И., Иванов В.Ф., Каган М.Б. Панель солнечной батареи. Пат. № 2332750 Российская Федерация, 2007, бюл. № 24, 7 с.
[44] Беркаль Р.И., Битков В.А. Солнечная батарея. Пат. № 2297076 Российская Федерация, 2007, бюл. № 10, 7 с.
[45] Балтянский Г.А., Бас-Дубов С.Ш., Гибадулин Н.Н. и др. Солнечная батарея. Пат. 206734 СССР, 1995, бюл. № 1, 4 с.
[46] Биткин В.Е., Денисов А.В., Назаров Е.В. и др. Конструкция каркасов солнечных батарей из углепластика и способ изготовления каркаса. Пат. № 2654882 Российская Федерация, 2018, бюл. № 15, 7 с.