По мере того как требования к мощности космических аппаратов возрастают до киловатт, напряжение на шинах спутников переключается с 28 В на более высокие цифры.
Космический сектор претерпел глубокую трансформацию, о чем свидетельствует сегодняшнее внимание СМИ к предстоящему первичному публичному размещению акций крупных компаний.
То, что когда-то было исключительной сферой деятельности горстки правительственных агентств, теперь управляется расширяющейся экосистемой частных предпринимателей, созданием крупных космических группировок, многоразовыми ракетами, исследованиями дальнего космоса и амбициозными долгосрочными миссиями.
Многие новые космические компании, такие как SpaceX и Blue Origin, ускорили индустриализацию космической деятельности. Широкополосные группировки, электрические двигательные установки, планируемые орбитальные центры обработки данных и передовые бортовые вычисления постепенно меняют требования к проектированию космических аппаратов.
Эти преобразования имеют последствия для спутниковых систем электроснабжения. Современным космическим аппаратам все чаще требуется более высокая бортовая мощность для поддержки таких технологий, как:
• Высокопроизводительные системы связи с полезной нагрузкой;
• Лазерные линии связи между спутниками;
• Автономная обработка данных;
• Сложные системы терморегулирования.
На многих платформах нового поколения требования к энергопотреблению изменяются с сотен ватт до нескольких киловатт, а в некоторых случаях и до десятков киловатт.
Эволюция бортовых систем электропитания
Исторически сложилось так, что в первые десятилетия освоения космоса спутниковые электрические шины эволюционировали от относительно простых систем с низким энергопотреблением к широко распространенной архитектуре шин с регулируемым напряжением 28 В. Отчасти это было заимствовано из существующих аэрокосмических и военных стандартов.
Для большинства спутников основным источником питания являются солнечные батареи. В зависимости от размера и архитектуры космических аппаратов напряжение на солнечных батареях может варьироваться от нескольких вольт в CubeSats до 100-200 В в больших современных космических аппаратах. В то время как шины напряжением 28 В были обычным явлением, в новых мощных спутниках все чаще используются распределительные шины напряжением 50-300 В для снижения уровня тока, массы кабеля и потерь мощности.
Питание от солнечных батарей затем регулируется и используется как для зарядки бортовых аккумуляторов, так и для питания шины питания космического аппарата. Напряжение на аккумуляторах сильно варьируется в зависимости от требований миссии, а химический состав батарей варьируется от примерно 20 В до более чем 100 В.
Электронные подсистемы обычно питаются от преобразователей постоянного тока (некоторые из них с гальванической развязкой), которые генерируют регулируемые напряжения, такие как 12 В, 5 В и 3,3 В, с более низким напряжением точки нагрузки (PoL), используемым для современных цифровых микросхем, процессоров и ПЛИС, иногда ниже 1 В.
Несмотря на то, что существует множество установленных стандартов энергопотребления в аэрокосмической отрасли и на космических аппаратах, не существует единой универсальной архитектуры напряжения, используемой на всех спутниковых платформах.
В течение многих лет платформа с напряжением 28 В представляла собой разумный компромисс между безопасностью, простотой, доступностью компонентов и энергопотреблением. Однако растущие масштабы и сложность современных спутников приводят к постепенному переходу на высоковольтные шины питания, которые обеспечивают большую мощность при повышенном КПД и уменьшенной массе.
Увеличение напряжения на шине снижает ток при заданном уровне мощности, тем самым уменьшая потери на сопротивление, массу кабеля, размер разъема и тепловыделение. Высоковольтные архитектуры также обеспечивают улучшенную масштабируемость для больших платформ и электрических силовых установок.
Почему так важно повышенное напряжение?
Основная причина перехода на высоковольтные шины кроется в базовых понятиях электротехники.
Электрическая мощность определяется следующим образом: P=IV. При фиксированном уровне мощности увеличение напряжения пропорционально уменьшает ток.
Такое снижение тока имеет серьезные практические последствия, поскольку потери на сопротивление в кабелях пропорциональны квадрату тока: Ploss=I2R.
По мере увеличения мощности космических аппаратов низковольтным системам требуются все более высокие токи для подачи необходимой энергии на полезную нагрузку и двигательные установки.
На спутниках большой мощности особую проблему представляют требования к массе электропроводки и тепловым характеристикам, которые сильно влияют на успех полета космического аппарата.
Например, для подачи 10 кВт по шине напряжением 28 В требуется ток, превышающий 350 А. Такие уровни тока значительно увеличивают массу проводника и потери мощности. Напротив, распределение той же мощности при напряжении 300 В снижает ток примерно на порядок, значительно повышая эффективность и масштабируемость системы.
Электрическая двигательная установка
Развитие технологии двигательной установки космических аппаратов также приводит к внедрению архитектуры с более высоким напряжением. Традиционная химическая двигательная установка обеспечивает высокую тягу за счет высвобождения химической энергии, запасенной в топливе, включая криогенные комбинации жидкого водорода и жидкого кислорода, для образования высокоскоростных выхлопных газов, что, как правило, требует лишь небольшой электрической мощности.
С другой стороны, электрические двигательные установки, включая двигатели на эффекте Холла и ионные двигатели, напрямую зависят от значительной электрической мощности.
В этих системах топливо, такое как ксенон или криптон, ионизируется, и образующиеся ионы разгоняются до очень высоких скоростей выхлопа. В зависимости от профиля миссии, для платформ с электрическими двигателями могут потребоваться уровни мощности от нескольких сотен ватт до десятков киловатт, а будущие проекты в дальнем космосе потенциально могут достигать мегаваттного класса.
Типичные двигатели Холла работают при напряжении разряда в диапазоне приблизительно 200-800 В, в то время как ионные двигатели с сеткой обычно используют напряжение ускорения ионов от 1 до 3 кВ.
Для эффективного питания этих нагрузок современные космические аппараты используют первичные шины питания напряжением от десятков до нескольких сотен вольт. Напряжения, необходимые для двигательной установки, генерируются и регулируются специализированными блоками обработки энергии.
Поскольку электрические двигатели становятся все более распространенными в телекоммуникационных спутниках, астероидных зондах и орбитальных платформах следующего поколения, электрические системы космических аппаратов должны поддерживать архитектуры распределения более высокого напряжения, которые снижают уровень тока, снижают потери при распределении, повышают эффективность преобразования и облегчают интеграцию мощных двигательных подсистем.
Современные космические устройства
Современные телекоммуникационные спутники обеспечивают огромную пропускную способность данных по сравнению с предыдущими поколениями. Широкополосные группировки и геостационарные платформы большой емкости требуют усовершенствованной бортовой обработки, электроники формирования луча для управления коммуникационными лучами и мощных радиочастотных систем, что увеличивает потребность в электроэнергии.
В крупных спутниковых группировках снижение массы космических аппаратов, повышение эффективности и упрощение масштабируемого производства становятся важными экономическими факторами.
Будущая лунная инфраструктура, исследование Марса и длительные космические полеты могут в конечном итоге потребовать таких уровней электрической мощности, которые недостижимы с помощью традиционных спутников.
Проблемы высоковольтных систем
Несмотря на преимущества систем напряжением 50 В, 100 В и 300 В, эти высоковольтные космические системы сталкиваются со значительными инженерными трудностями.
Одной из наиболее важных проблем является электрический разряд. Космические аппараты работают в глубоком вакууме, где изоляция ведет себя иначе, чем в земных условиях. Интенсивные электрические поля могут вызвать электростатический разряд, поверхностное возгорание или образование дуги, что может привести к повреждению аппаратуры космического аппарата.
Радиационное облучение еще больше повышает надежность изоляции. Долговременная деградация диэлектрических материалов увеличивает вероятность выхода из строя электрооборудования при длительных испытаниях.
Электромагнитную совместимость (ЭМС) может быть сложнее контролировать при более высоких напряжениях и частотах переключения. Силовая электроника играет важную роль в оптимизации схемы подключения, тем самым предотвращая помехи в работе чувствительного коммуникационного оборудования и научных приборов.
Другой важной проблемой является предотвращение сбоев. Высоковольтные системы требуют точных методов изоляции, процедур идентификации неисправностей и надежного управления питанием, чтобы безопасно справляться с ненормальными условиями эксплуатации.
Силовая электроника в современных космических аппаратах
Современные топологии преобразователей постоянного тока обеспечивают значительно более высокую эффективность, частоту переключения и плотность мощности, чем в предыдущих версиях. Эффективность преобразования энергии космического уровня часто дополнительно повышается за счет использования широкополосных полупроводников, таких как GaN и SiC.
Цифровые схемы управления питанием позволяют осуществлять интеллектуальный мониторинг и управление энергосистемами космического аппарата, повышая эффективность, обнаруживая неисправности, перенастраивая автономные ресурсы и повышая общую надежность системы при одновременном снижении сложности эксплуатации.
