Электрическая система Международной космической станции - Electrical system of the International Space Station

Крыло солнечной батареи Международной космической станции ( экипаж 17-й экспедиции , август 2008 г.).
Панели солнечных батарей МКС , пересекающая Земли «s горизонт .

Электрическая система Международной космической станции является важным ресурсом для Международной космической станции (МКС) , потому что она позволяет экипажу комфортно жить, чтобы безопасно эксплуатировать станцию, а также для выполнения научных экспериментов. Электрическая система МКС использует солнечные элементы для прямого преобразования солнечного света в электричество . Большое количество ячеек собрано в массивы для получения высоких уровней мощности. Этот метод использования солнечной энергии называется фотовольтаикой .

В процессе сбора солнечного света, преобразования его в электричество, управления и распределения этого электричества накапливается избыточное тепло, которое может повредить оборудование космического корабля. Это тепло необходимо устранить для надежной работы космической станции на орбите. В системе питания МКС используются радиаторы для отвода тепла от космического корабля. Радиаторы защищены от солнечного света и ориентированы на холодную пустоту глубокого космоса.

Крыло солнечной батареи

Крупным планом вид сложенной солнечной батареи.
Повреждение крыла 4B крыла солнечной батареи P6, обнаруженное при передислокации после перемещения в окончательное положение во время миссии STS-120 .

Каждое крыло солнечной батареи МКС (часто сокращенно «SAW») состоит из двух выдвижных «одеял» солнечных элементов с мачтой между ними. Каждое крыло является крупнейшим из когда-либо развернутых в космосе, весит более 2400 фунтов и использует почти 33000 солнечных батарей, каждая из которых имеет площадь 8 см и 4100 диодов. В полностью выдвинутом состоянии каждая из них имеет длину 35 метров (115 футов) и ширину 12 метров (39 футов). Каждая SAW способна генерировать почти 31 киловатт (кВт) мощности постоянного тока. В сложенном состоянии каждое крыло складывается в защитный бокс для солнечных батарей высотой всего 51 сантиметр (20 дюймов) и длиной 4,57 метра (15 футов).

В целом восемь крыльев солнечной батареи могут генерировать около 240 киловатт под прямыми солнечными лучами, или от 84 до 120 киловатт средней мощности (чередование солнечного света и тени).

Солнечные батареи обычно отслеживают Солнце, при этом «альфа- стабилизатор » используется в качестве основного вращения, чтобы следовать за Солнцем, когда космическая станция движется вокруг Земли, а «бета- стабилизатор » используется для регулировки угла орбиты космической станции до эклиптики . В операциях используются несколько различных режимов слежения, от полного слежения за солнцем до режима уменьшения сопротивления (режимы ночного планера и солнечного слайсера ) до режима максимизации перетаскивания, используемого для снижения высоты.

Со временем фотоэлектрические элементы на крыльях постепенно деградируют и рассчитаны на 15-летний срок службы. Это особенно заметно при запуске первых массивов, с фермами P6 и P4 в 2000 г. ( STS-97 ) и 2006 г. ( STS-115 ).

Компания STS-117 поставила ферму S4 и солнечные батареи в 2007 году.

STS-119 (сборочный полет 15А МКС) доставил ферму S6 вместе с четвертым комплектом солнечных батарей и батарей на станцию ​​в марте 2009 года.

Чтобы увеличить самые старые крылья, НАСА запустило одну пару и намерено запустить еще две пары крупномасштабных версий Roll Out Solar Array на борту трех грузовых запусков SpaceX Dragon 2 с начала июня 2021 года до конца 2022 года, SpaceX CRS-22 , CRS-25 и CRS-26 . Эти группы предназначены для размещения вдоль центральной части крыльев до двух третей их длины. Работы по установке опорных кронштейнов iROSA на банках ферм мачты, на которых крепятся крылья солнечных батарей, были начаты членами экипажа 64-й экспедиции в конце февраля 2021 года. После того, как первая пара массивов была доставлена ​​в начале июня, 16 июня состоялся выход в открытый космос Шейна Кимбро. и Томас Песке из Expedition 65, чтобы разместить один iROSA на силовом канале 2B, и мачта фермы P6 закончилась досрочно из-за технических трудностей с развертыванием массива.

Новая развернутая солнечная батарея на МКС, как видно с камеры с увеличением на ферме P6

Во время выхода в открытый космос 20 июня iROSA была успешно развернута и подключена к энергосистеме станции. Во время выхода в открытый космос 25 июня астронавты успешно установили и развернули второй iROSA на мачте 4B напротив первого iROSA.

Аккумуляторы

Поскольку станция часто не находится под прямыми солнечными лучами, она полагается на перезаряжаемые литий-ионные батареи (первоначально никель-водородные батареи ) для обеспечения непрерывного питания во время «затмения» части орбиты (35 минут на каждые 90 минут орбиты).

Каждый аккумуляторный блок, расположенный на фермах S4, P4, S6 и P6, состоит из 24 легких литий-ионных аккумуляторных элементов и соответствующего электрического и механического оборудования. Каждая аккумуляторная батарея в сборе имеет паспортную емкость 110  Ач (396 000  C ) (первоначально 81 Ач) и 4 кВтч (14 МДж). Эта мощность подается на ISS через BCDU и DCSU соответственно.

Батареи гарантируют, что станция никогда не останется без электричества для поддержания систем жизнеобеспечения и проведения экспериментов. Во время солнечной части орбиты происходит подзарядка аккумуляторов. Никель-водородные батареи и блоки заряда / разряда батарей были произведены компанией Space Systems / Loral (SS / L) по контракту с Boeing . Батареи Ni-H2 на ферме P6 были заменены в 2009 и 2010 годах новыми батареями Ni-H2, доставленными миссиями Space Shuttle. Расчетный срок службы никель-водородных батарей составлял 6,5 лет и мог превышать 38 000 циклов заряда / разряда при глубине разряда 35%. Их меняли несколько раз в течение ожидаемого 30-летнего срока службы станции. Каждая батарея имела размеры 40 на 36 на 18 дюймов (102 на 91 на 46 см) и весила 375 фунтов (170 кг).

С 2017 по 2021 год никель-водородные батареи были заменены литий-ионными . 6 января 2017 года, экспедиция 50 членов Шейн Kimbrough и Пегги Уитсон начался процесс преобразования некоторых из самых старых батарей на МКС для новых литий-ионных батарей. Участники экспедиции 64 Виктор Дж. Гловер и Майкл С. Хопкинс завершили кампанию 1 февраля 2021 года. Между двумя технологиями аккумуляторов есть ряд различий. Одно отличие состоит в том, что литий-ионные аккумуляторы могут выдерживать удвоенный заряд, поэтому при замене потребовалось только половину меньшего количества литий-ионных аккумуляторов. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы меньше старых никель-водородных аккумуляторов. Хотя срок службы литий-ионных аккумуляторов обычно короче, чем у никель-водородных аккумуляторов, так как они не могут выдержать столько циклов зарядки / разрядки, прежде чем претерпят заметную деградацию, литий-ионные аккумуляторы ISS рассчитаны на 60000 циклов и десять лет жизни, что намного больше, чем Расчетный срок службы оригинальных Ni-H2 аккумуляторов составляет 6,5 лет.

Управление питанием и распределение

Распределение электроэнергии на МКС

Подсистема управления и распределения электроэнергии работает при напряжении первичной шины, установленном на V mp , пиковой мощности солнечных батарей. По состоянию на 30 декабря 2005 г. V mp составлял 160 вольт постоянного тока . Он может измениться со временем по мере разрушения массивов под действием ионизирующего излучения. Переключатели с микропроцессорным управлением контролируют распределение первичной энергии по станции.

Блоки заряда / разряда батареи (BCDU) регулируют количество заряда, помещаемого в батарею. Каждый BCDU может регулировать ток разряда от двух батарейных ORU (каждый с 38 последовательно соединенными Ni-H 2 элементами) и может обеспечивать до 6,6 кВт на космическую станцию. Во время инсоляции BCDU обеспечивает ток заряда для аккумуляторов и контролирует степень перезарядки аккумуляторов. Каждый день BCDU и аккумуляторы проходят шестнадцать циклов зарядки / разрядки. Космическая станция имеет 24 БКДУ, каждый весом 100 кг. BCDU предоставляются SS / L

Блок последовательного шунтирования (SSU)

Восемьдесят две отдельные гирлянды солнечных батарей питают последовательный шунтирующий блок (SSU), который обеспечивает грубое регулирование напряжения при желаемом V mp . SSU применяет «фиктивную» (резистивную) нагрузку, которая увеличивается по мере уменьшения нагрузки станции (и наоборот), поэтому массив работает при постоянном напряжении и нагрузке. SSU предоставляются SS / L.

Преобразование постоянного тока в постоянный

Преобразователи постоянного тока в постоянный обеспечивают питание вторичной системы питания постоянным током 124,5 В, позволяя напряжению первичной шины отслеживать точку пиковой мощности солнечных батарей.

Температурный контроль

Система терморегулирования регулирует температуру основной электроники распределения питания, батарей и связанной с ней управляющей электроники. Подробности об этой подсистеме можно найти в статье « Внешняя система активного терморегулирования» .

От станции к системе передачи энергии шаттла

С 2007 года система передачи энергии от станции к шаттлу (SSPTS; произносится как « косы» ) позволяла пристыкованному космическому шаттлу использовать энергию, обеспечиваемую солнечными батареями Международной космической станции . Использование этой системы сократило использование бортовых энергетических топливных элементов шаттла , что позволило ему оставаться в стыковке с космической станцией в течение дополнительных четырех дней.

SSPTS был обновлением шаттла, который заменил блок преобразователя мощности в сборе (APCU) новым устройством, называемым блоком передачи мощности (PTU). APCU был способен преобразовывать питание главной шины челнока 28 В постоянного тока в 124 В постоянного тока, совместимое с системой питания ISS 120 В постоянного тока. Это было использовано при первоначальном строительстве космической станции для увеличения мощности российского служебного модуля « Звезда ». PTU добавляет к этому возможность преобразовывать 120 В постоянного тока, подаваемое с МКС, в питание главной шины орбитального аппарата 28 В постоянного тока. Он способен передавать до 8 кВт энергии с космической станции на орбитальный аппарат. Благодаря этой модернизации и шаттл, и МКС могли использовать системы питания друг друга, когда это было необходимо, хотя МКС больше никогда не требовалось использовать системы питания орбитального корабля.

В декабре 2006 года, во время миссии STS-116 , PMA-2 (тогда находившийся в переднем конце модуля Destiny ) был изменен, чтобы позволить использование SSPTS. Первой миссией, в которой реально использовалась система, была STS-118 с космическим шаттлом Endeavour .

Только Discovery и Endeavour были оснащены SSPTS. Atlantis был единственным уцелевшим шаттлом, не оснащенным SSPTS, поэтому он мог выполнять только более короткие миссии, чем остальной флот.

использованная литература

внешние ссылки