способ эксплуатации герметичной металл-водородной аккумуляторной батареи космического аппарата в процессе полета и система для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ эксплуатации герметичной металл-водородной акуумуляторной батареи космического аппарата в процессе полета, включающий измерение в текущий момент времени давления водорода в батарее и температуры корпуса батареи, определение по измеренным значениям плотности водорода, сравнение определенной плотности с заданной, отключение заряда батареи при превышении плотностью заданной величины и включение заряда батареи при снижении плотности ниже заданной величины, отличающийся тем, что в текущий момент времени измеряют температуру на вновь введенном рабочем радиационном теплообменнике батареи, измеряют температуру на вновь введенном калориметрическом радиационном теплообменнике, по измеренным значениям температур на калориметрическом радиационном теплообменнике определяют коэффициенты деградации поверхности рабочего радиационного теплообменника батареи, по измеренному значению температуры на рабочем радиационном теплообменнике и определенным коэффициентам его деградации определяют величину результирующего теплового потока через рабочий радиационный теплообменник батареи, определяют по режиму работы величину внутреннего тепловыделения батареи, по измеренным значениям температуры на корпусе, а также определенным величинам результирующего теплового потока через рабочий радиационный теплообменник батареи и ее внутреннего тепловыделения определяют среднеобъемную температуру водорода в корпусе батареи, а значение плотности водорода в текущий момент времени определяют по измеренному значению давления водорода и определенному значению среднеобъемной температуры водорода в корпусе батареи.

2. Система эксплуатации герметичной металл-водородной аккумуляторной батареи для осуществления способа по п. 1, включающая датчики давления и температуры, установленные на корпусе металл-водородной аккумуляторной батареи, блок измерения давления в корпусе батареи, блок измерения температуры корпуса батареи, блок определения плотности водорода в корпусе батареи, блок формирования команд на выключение заряда батареи, зарядно-разрядное устройство, блок управления батареи, при этом выходы датчиков температуры корпуса связаны со входом блока измерения температуры корпуса батареи, выходы датчиков давления связаны со входом блока измерения давления в корпусе батареи, выход которого связан с первым входом блока определения плотности водорода в корпусе батареи, выход блока определения плотности водорода в корпусе батареи связан с первым входом блока формирования команд на включение-выключение заряда батареи, выход которого, в свою очередь, связан со входом зарядно-разрядного устройства, а выход блока управления батареи связан со вторым входом блока формирования команд на включение-выключение заряда батареи, отличающаяся тем, что в нее введены рабочий радиационный теплообменник с установленными на нем датчиками температуры, колориметрический радиационный теплообменник с установленными на нем датчиками температуры, блок измерения температуры рабочего радиационного теплообменника, блок измерения температуры калориметрического радиационного теплообменника, блок определения результирующего теплового потока через рабочий радиационный теплообменник, блок определения коэффициента деградации поверхности рабочего радиационного теплообменника, блок ввода угла засветки Солнцем поверхностей рабочего и калориметрического радиационных теплообменников, блок определения внутреннего тепловыделения батареи, блок ввода режимов работы батареи, блок определения среднеобъемной температуры водорода в корпусе батареи, блок задания начальных условий, при этом выходы датчиков температуры рабочего радиационного теплообменника связаны со входом блока измерения температуры рабочего радиационного теплообменника, выход которого, в свою очередь, связан с первым входом блока определения результирующего теплового потока через рабочий радиационный теплообменник, выходы датчиков температуры калориметрического радиационного теплообменника связаны со входом блока измерения температуры калориметрического радиационного теплообменника, выход которого связан с первым входом блока определения коэффициента деградации поверхности рабочего теплообменника, выход блока ввода угла засветки Солнцем поверхности рабочего и калориметрического радиационных теплообменников связан со вторым входом блока определения коэффициентов деградации поверхности рабочего теплообменника и со вторым входом блока определения результирующего теплового потока через рабочий радиационный теплообменник, выход блока ввода режимов батареи связан со входом блока определения внутреннего тепловыделения батареи, выход которого связан с первым входом блока определения среднеобъемной температуры водорода в корпусе батареи, первый и второй выходы блока задания начальных условий связаны соответственно со вторым и пятым входом блока определения среднеобъемной температуры водорода в корпусе батареи, третий выход блока задания начальных условий связан с третьим входом блока определения коэффициентов деградации поверхности рабочего теплообменника, выход которого связан с третьим входом блока определения результирующего теплового потока через рабочий радиационный теплообменник, выход которого связан с третьим входом блока определения среднеобъемной температуры водорода в корпусе батареи, а выход блока измерения температуры корпуса батареи связан с четвертым входом блока определения среднеобъемной температуры водорода в корпусе батареи, выход которого связан со вторым входом блока определения плотности водорода в батареи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации герметичной металл-водородной аккумуляторной батареи космического аппарата в процессе полета.

Известен способ эксплуатации металл-водородной аккумуляторной батареи (МВАБ) [см.1, стр.262], принятый за аналог. Способ эксплуатации заключается в следующем. При снижении, за счет саморазряда или разряда, давления в корпусе батареи до установленного в алгоритме управления уровня по показаниям аналоговых датчиков давления блок управления подключает зарядное устройство к батарее. При повышении, в процессе заряда, давления в корпусе батареи до установленного в алгоритме управления уровня по показаниям аналоговых датчиков давления блок управления отключает зарядное устройство от аккумуляторной батареи (АБ). Заряд отключается также при срабатывании контактов дискретного датчика давления, настроенного на предельно допустимое давление.

Известна система для осуществления вышеописанного способа, включающая в себя металл-водородную батарею с электродной группой и корпусом, аналоговые датчики давления, резервный дискретный датчик давления, установленные на корпусе батареи, зарядное устройство и блок управления [см.1, стр.260].

Описанные способ и система позволяют эксплуатировать батарею не на предельных уровнях давления, гибко управлять уровнем заряженности батареи в зависимости от требуемой для питания нагрузки разрядной энергии, т.е. эксплуатировать батарею на минимально необходимом уровне заряженности.

Однако этот способ и система эксплуатации не позволяют осуществлять управление МВАБ при изменениях ее температуры. Этот способ и систему можно применять только при какой-то определенной температуре, так как давление водорода, как и любого газа, зависит от температуры. Так, при нахождении космического аппарата (КА) на теневом участке орбиты давление в МВАБ будет падать за счет ее охлаждения, что может привести к более раннему включению заряда, и, как следствие, возможен риск постоянного перезаряда МВАБ, что может вывести ее из строя. В случае нахождения КА на солнечной стороне, наоборот, невозможно будет зарядить МВАБ до требуемых значений емкости, так как давление водорода будет повышаться за счет нагрева батареи.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемым результатам является способ эксплуатации герметичной МВАБ КА в процессе полета [см.2], принятый авторами за прототип, включающий измерение в текущий момент времени давления водорода в батарее и температуры корпуса батареи, определение по измеренным значениям плотности водорода, сравнение определенной плотности с заданной, отключение заряда батареи при превышении плотностью заданной величины и включение заряда батареи при снижении плотности ниже заданного уровня.

Схема системы для осуществления вышеописанного способа, принятого за прототип, представлена на фиг.1, где показаны 1 - МВАБ, 2 - датчики давления водорода в корпусе АБ (ДДК), 3 - датчики температуры, расположенные на корпусе АБ (ДТК), 4 - блок измерения давления водорода в корпусе АБ (БИДК), 5 - блок измерения температуры корпуса АБ (БИТК), 6 - блок определения плотности водорода в корпусе АБ (БОП), 7 - блок формирования команд на включение-выключение заряда АБ (БФК), 8 - блок управления АБ (БУ), 9 - зарядно-разрядное устройство МВАБ (ЗРУ), при этом выход ДДК 2 связан со входом БИДК 4, выход которого связан с первым входом БОПВ 6, выход ДТК 3 связан со входом БИТК 5, выход которого связан со вторым входом БОПВ 6, выход БОПВ 6 связан с первым входом БФК 7, выход которого связан со входом ЗРУ 9, а выход БУ 8 - со вторым входом БФК 7.

Способ эксплуатации МВАБ, осуществляемый описанной системой, заключается в следующем.

Уровень заряженности металл-водородной батареи прямо пропорционален плотности водорода в объеме ее корпуса. Плотность водорода в замкнутом объеме, в свою очередь, определяется по состоянию уравнения



где Z - коэффициент сжимаемости водорода;

Ркорп[кг/м²] - давление водорода в корпусе батареи;

Ткорп[К] - температура корпуса МВАБ.

R_H2[Дж/кгК] - газовая постоянная водорода.

В текущий момент времени в БИДК 4 и БИТК 5 определяются давление водорода в корпусе АБ (Ркорп) и средняя температура корпуса АБ (Ткорп), поступающие соответственно на первый и второй входы БОПВ 6 для определения плотности водорода в корпусе АБ _H2 по уравнению (1). В БФК 7 происходит сравнение определенной в момент плотности водорода с заданными из БУ 8 величинами _H2max, _H2min. В зависимости от результатов сравнения БФК 7 формирует команды для ЗРУ 9 на включение или отключение заряда МВАБ.

Однако способ и система для его осуществления, принятые за прототип, имеют следующий существенный недостаток - они не позволяют обеспечить достоверный уровень заряженности батареи.

Этот недостаток связан с неправильным определением плотности водорода только по температуре корпуса МВАБ. Плотность водорода определяется среднеобъемной температурой газа (Тг) в корпусе МВАБ, которая зависит как от температуры корпуса, так и от температуры газа в электродной группе МВАБ. Таким образом, плотность водорода будет определяться выражением



Среднеобъемная температура газа в корпусе МВАБ является среднеарифметической величиной среднеобъемной температуры электродного блока батареи и средней температуры газового зазора между электродным блоком и корпусом батареи



где Т_АБV [К] - Среднеобъемная температура электродного блока батареи - рассчитываемая величина;

Тгз [К] - средняя температура газового зазора между электродным блоком и корпусом батареи - рассчитываемая величина.

Обе эти температуры являются функцией величины тепловыделения в батарее и величины и направления теплообмена батареи с окружающей средой в данный момент времени, вследствие чего они могут существенно отличаться от температуры корпуса батареи.

Неправильное определение достоверного уровня заряженности батареи может привести к риску не обеспечить необходимой энергией при разряде батареи на нагрузку, что ставит под угрозу выполнение космическим аппаратом целевой задачи, а также вызвать перезаряд батареи, момент начала которого при одном и том же значении давления зависит от температуры батареи [1, стр.259], а это при многократном повторении приведет к ухудшению ее характеристик.

Задачей, стоящей перед предлагаемым способом и системой для его осуществления, является определение достоверного значения среднеобъемной температуры водорода в батарее и, следовательно, достоверного значения количества водорода и уровня заряженности батареи.

Поставленная задача решается тем, что в способе эксплуатации герметичной металл-водородной аккумуляторной батареи космического аппарата в процессе полета, включающем измерение в текущий момент времени давления водорода в батарее и температуры корпуса батареи, определение по измеренным значениям плотности водорода, сравнение определенной плотности с заданной, отключение заряда батареи при превышении плотностью заданной величины и включение заряда батареи при снижении плотности ниже заданной величины, в отличие от известного, в текущий момент времени измеряют температуру на вновь введенном рабочем радиационном теплообменнике батареи, измеряют температуру на вновь введенном калориметрическом радиационном теплообменнике, по измеренным значениям температур на калориметрическом радиационном теплообменнике определяют коэффициенты деградации поверхности рабочего радиационного теплообменника батареи, по измеренному значению температуры на рабочем радиационном теплообменнике и определенным коэффициентам его деградации определяют величину результирующего теплового потока через рабочий радиационный теплообменник батареи, определяют по режиму работы величину внутреннего тепловыделения батареи, по измеренным значениям температуры на корпусе, а также определенным величинам результирующего теплового потока через рабочий радиационный теплообменник батареи и ее внутреннего тепловыделения определяют среднеобъемную температуру водорода в корпусе батареи, а значение плотности водорода в текущий момент времени определяют по измеренному значению давления водорода и определенному значению среднеобъемной температуры водорода в корпусе батареи.

Поставленная задача решается тем, что в систему эксплуатации герметичной металл-водородной аккумуляторной батареи космического аппарата в процессе полета, включающую датчики давления и температуры, установленные на корпусе металл-водородной аккумуляторной батареи, блок измерения давления в корпусе батареи, блок измерения температуры корпуса батареи, блок определения плотности водорода в корпусе батареи, блок формирования команд на включение-выключение заряда батареи, зарядно-разрядное устройство, блок управления батареи, при этом выходы датчиков температуры корпуса связаны со входом блока измерения температуры корпуса батареи, выходы датчиков давления связаны со входом блока измерения давления в корпусе батареи, выход которого связан с первым входом блока определения плотности водорода в корпусе батареи, выход блока определения плотности водорода в корпусе батареи связан с первым входом блока формирования команд на включение-выключение заряда батареи, выход которого, в свою очередь, связан со входом зарядно-разрядного устройства, а выход блока управления батареи связан со вторым входом блока формирования команд на включение-выключение заряда батареи, в отличие от известных, в нее введены рабочий радиационный теплообменник с установленными на нем датчиками температуры, калориметрический радиационный теплообменник с установленными на нем датчиками температуры, блок измерения температуры рабочего радиационного теплообменника, блок измерения температуры калориметрического радиационного теплообменника, блок определения результирующего теплового потока через рабочий радиационный теплообменник, блок определения коэффициентов деградации поверхности рабочего радиационного теплообменника, блок ввода угла засветки Солнцем поверхностей рабочего и калориметрического радиационных теплообменников, блок определения внутреннего тепловыделения батареи, блок ввода режимов работы батареи, блок определения среднеобъемной температуры водорода в корпусе батареи, блок задания начальных условий. При этом выходы датчиков температуры рабочего радиационного теплообменника связаны со входом блока измерения температуры рабочего радиационного теплообменника, выход которого, в свою очередь, связан с первым входом блока определения результирующего теплового потока через рабочий радиационный теплообменник, выходы датчиков температуры калориметрического радиационного теплообменника связаны со входом блока измерения температуры калориметрического радиационного теплообменника, выход которого связан с первым входом блока определения коэффициентов деградации поверхности рабочего теплообменника, выход блока ввода угла засветки Солнцем поверхности рабочего и калориметрического радиационных теплообменников связан со вторым входом блока определения коэффициентов деградации поверхности рабочего теплообменника и со вторым входом блока определения результирующего теплового потока через рабочий радиационный теплообменник, выход блока ввода режимов батареи связан со входом блока определения внутреннего тепловыделения батареи, выход которого связан с первым входом блока определения среднеобъемной температуры водорода в корпусе батареи, первый и второй выходы блока задания начальных условий связаны соответственно со вторым и пятым входами блока определения среднеобъемной температуры водорода в корпусе батареи, третий выход блока задания начальных условий связан с третьим входом блока определения коэффициентов деградации поверхности рабочего теплообменника, выход которого связан с третьим входом блока определения результирующего теплового потока через рабочий радиационный теплообменник, выход которого связан с третьим входом блока определения среднеобъемной температуры водорода в корпусе батареи, а выход блока измерения температуры корпуса батареи связан с четвертым входом блока определения среднеобъемной температуры водорода в корпусе батареи, выход которого связан со вторым входом блока определения плотности водорода в батареи.

На фиг.1 приведена блок-схема системы, принятой за прототип, для осуществления способа эксплуатации герметичной МВАБ КА в процессе полета.

На фиг. 2 приведена блок-схема предлагаемой системы для осуществления способа эксплуатации герметичной МВАБ КА в процессе полета.

На фиг.3 приведены алгоритмы блоков 16 и 17.

На фиг.4 приведены алгоритмы блоков 6,7,18 и 19.

Блок-схема предлагаемой системы, приведенной на фиг.2, включает в себя 1 - МВАБ, 2 - датчики давления водорода в корпусе аккумуляторной батареи (ДДК), 3 - датчики температуры, расположенные на корпусе АБ (ДТК), 4 - блок измерения давления водорода в корпусе АБ (БИДК), 5 - блок измерения температуры корпуса АБ (БИТК), 6 - блок определения плотности водорода в корпусе АБ (БОП), 7 - блок формирования команд на включение-выключение заряда АБ (БФК), 8 - блок управления АБ (БУ), 9 - зарядно-разрядное устройство МВАБ (ЗРУ), 10 - рабочий радиационный теплообменник (РРТ), 11 - датчики температуры РРТ (ДТРРТ), 12 - калориметрический радиационный теплообменник (КРТ), 13 - датчики температуры КРТ (ДТКРТ), 14 - блок измерения температуры РРТ Тр-т (БИТРРТ), 15 - блок измерения температуры КРТ Тр-к (БИТКРТ), 16 - блок определения результирующего теплового потока через РРТ Nрезульт (БОТПРРТ), 17 - блок определения коэффициентов деградации поверхности РРТ Kd Kdas (БОКДРРТ), 18 - блок определения внутреннего тепловыделения батареи N_АБ (БОВТПАБ), 19 - блок определения среднеобъемной температуры водорода в корпусе батареи Тг (БОСОТ), 20 - блок ввода угла засветки Солнцем поверхности РРТ и КРТ (БВУЗ), 21 - блок ввода режима работы АБ (БВРРАБ), 22 - блок задания начальных условий для работы системы (БНУ), при этом выход ДДК 2 связан со входом БИДК 4, выход которого связан с первым входом БОПВ 6, выход ДТК 3 связан со входом БИТК 5, выход которого связан с четвертым входом БОСОТ 19, выход которого связан со вторым входом БОПВ 6, выход которого связан с первым входом БФК 7, выход БУ 8 связан со вторым входом БФК 7, выход которого связан со входом ЗРУ 9, выход ДТРРТ 10 связан со входом БИТРРТ 14, выход которого связан с первым входом БОТПРРТ 16, выход ДТКРТ 13 связан со входом БИТКРТ 15, выход которого связан с первым входом БОКДРРТ 17, выход БВУЗ 20 связан со вторым входом блока определения БОКДРРТ 17 и со вторым входом БОТПРРТ 16, выход БВРРАБ 21 связан со входом БОВТПАБ 18, выход которого связан с первым входом БОСОТ 19, первый и второй выходы БНУ 22 связаны соответственно со вторым и пятым БОСОТ 19, третий выход БНУ 22 связан с третьим входом БОКДРРТ 17, выход которого связан с третьим входом БОТПРРТ 16, выход которого связан с третьим входом БОСОТ 19.

Система для осуществления предлагаемого способа работает следующим образом.

Решение поставленной задачи начинается выдачей из БНУ 22 начальных условий, а именно, для определения изменения скорости температуры КРТ на третий вход БОКДРРТ 17 из третьего выхода БНУ 22 поступает начальное значение температуры КРТ Т_Р.КО, для определения изменения скорости температуры корпуса батареи на пятый вход БОСОТ 19 из второго выхода БНУ 22 поступает начальное значение температуры корпуса Т_КОРПО и для начала расчета среднеобъемной температуры электродного блока батареи T_АБV на второй вход БОСОТ 19 из первого выхода БНУ поступает абсолютное значение температуры Т_АБVO.

Далее, в текущий момент времени в БИДК 4 определяется давление водорода в корпусе АБ (Р_КОРП), которое поступает на первый вход БОПВ 6, в БИТК 5 определяется средняя температура корпуса АБ (Т_КОРП), поступающая на четвертый вход БОСОТ 19, в БИТРРТ 14 измеряется температура РРК Тр-т, поступающая на первый вход БОТПРРТ 16, в БИТКРТ 15 определяется температура КРТ Тр-к, поступающая на первый вход БОКДРРТ 17. На второй вход БОКДРРТ 17 и на второй вход БОТПРРТ 16 из БВУЗ 20а поступает величина - угол засветки Солнцем поверхности РРТ и КРТ.

Затем производится определение коэффициентов деградации поверхности рабочего радиационного теплообменника в БОКДРРТ 17. Оптические характеристики поверхности рабочего радиационного теплообменника РРТ (интегральный коэффициент поглощения Солнечного излучения и излучательная способность) существенно изменяются в процессе эксплуатации, что влияет на соотношение поглощенного и излученного тепловых потоков. На вводимом в предлагаемую систему калориметрическом радиационном теплообменнике КРТ всегда соблюдается баланс поглощенного и излученного потоков тепла, что позволяет определить изменения оптических характеристик поверхности РРТ.

Алгоритм расчета коэффициентов деградации поверхности РРТ (БОКДРРТ 17) приведен на фиг.3. Когда КА находится в тени, при <0 (23), рассчитывается текущий коэффициент деградации излучательной способности радиационного теплообменника Кdтек (27). Предварительно в этом блоке происходит расчет изменения скорости температуры КРТ по двум соседним измерениям Тр-к (25)

dTр-к/d = (Tр-кпред-Tр-к)/(_i-_i-1), (4)

где _i и _i-1 - моменты времени текущего и предыдущего измерений;

Тр-кпред - запомненное значение температуры КРТ с предыдущего шага измерений. На первом шаге работы алгоритма поступает из третьего выхода БНУ и равна Т_Р-КО (24), в дальнейшем Тр-кпред присваивается значение Тр-к на предыдущем шаге работы (26).

Коэффициент деградации излучательной способности радиационного теплообменника рассчитывается по формуле



где Ср-к [Дж/К] - теплоемкость радиатора-калориметра - известная величина;

Fp-к [м²] - площадь радиатора-калориметра - известная величина;

_p0 - начальное значение излучательной способности терморегулирующего КРТ радиационного теплообменника - известная величина, определена расчетно-экспериментальным путем при наземной отработке;

- постоянная Стефана-Больцмана 5,6710^-8 Вт/м²гр⁴;

q₃ [Вт/м²] - удельный тепловой поток от Земли - известная величина, зависит от высоты орбиты космического аппарата;

Пока КА находится в тени, Кdтек уточняется на каждом шаге измерений и присваивается значению Kd, которое используется в дальнейших расчетах (28).

Когда РРТ освещен Солнцем, при >0 (23), в блоке 17 и рассчитывается коэффициент деградации поглощательной способности РРТ (29)



где q_s= 1360-1400 [Вт/м²] - Солнечная постоянная (значение зависит от положения Земли на орбите);

- угол засветки Солнцем поверхностей РРТ и КРТ;

A_s0 - начальное значение интегральной поглощательной способности Солнечного излучения терморегулирующего покрытия радиационного теплообменника - известная величина, определена расчетно-экспериментальным путем при наземной отработке.

Следующим расчетным блоком является блок определения результирующего теплового потока через РРТ Nрезульт (БОТПРРТ 16). Алгоритм расчета приведен на фиг. 3 (30-33). Определенные значения Kd и Kdas из БОКДРРТ 17 поступают на третий вход блока 16. На второй вход БОТПРРТ 16 из БВУЗ 20 поступает величина - угол засветки Солнцем поверхности РРТ и КРТ. С выхода БОТПРРТ полученное значение Nрезульт поступает на третий вход БОСОТ 19.

N_РE3УЛЬT=N_ПОГЛ-N_ИЗЛ (7)





N_ИЗЛ = _p0KdFр-тТр-т⁴ (10)

где N_ПОГЛ [Вт] - поглощенный РРТ тепловой поток (от Солнца на освещенном участке орбиты, от Земли - на теневом участке орбиты);

N_ИЗЛ [Вт] - излученный радиационным теплообменником тепловой поток - рассчитываемая величина. Присутствует в уравнении со знаком минус, т.к. характеризует потери тепла из системы;

Fp-т [м²] - площадь радиационного теплообменника - известная величина.

Для определения средней температуры газового зазора между электродным блоком и корпусом батареи Тгз и среднеобъемной температуры электродного блока батареи Т_АБV необходимо определить тепловой поток от корпуса МВАБ Nкорп. Алгоритм расчета приведен на фиг.4. На четвертый вход БОСОТ 19 с выхода БИТК 5 поступает измеренная в текущий момент температура Ткорп. Первоначально в этом блоке происходит расчет изменения скорости температуры корпуса по двум соседним измерениям Ткорп (35)

dTр-к/d = (Tкорппред-Tкорп)/(_i-_i-1), (11)

где _i и _i-1 - моменты времени текущего и предыдущего измерений;

Ткорппред - запомненное значение температуры корпуса с предыдущего шага измерений. На первом шаге работы алгоритма поступает из второго выхода БНУ и равна Т_КОРПО (34), в дальнейшем Ткорппред присваивается значение Ткорп на предыдущем шаге работы (36).

Далее рассчитывается тепловой поток от корпуса батареи (37)

Nкорп = СкорпdТкорп/d, (12)

где

С_КОРП [Дж/К] - интегральная теплоемкость корпуса - известная величина, определена расчетным путем по конструкции корпуса.

Затем определяется средняя температура газового зазора (38) между электродным блоком и корпусом батареи, которая зависит от теплообмена между корпусом и наружной поверхностью электродной группы батареи и описывается выражением



где

H₂ [Вт/мК] - коэффициент теплопроводности водорода - известная величина;

H₂ [м] - толщина слоя водорода между корпусом и наружной поверхностью электродной группы - известная величина;

F_корп[м²] - площадь поверхности корпуса батареи.

Из БВРРАБ 21 в БОВТПАБ 18 поступает признак режима МВАБ: заряд, саморазряд, разряд (39). В зависимости от текущего режима работы батареи определяется N_АБ (40) - тепловыделение в батарее, известная величина, поступающая на первый вход БОСОТ 19.

Среднеобъемная температура электродного блока батареи Т_АБV (41) определяется по выражению



С_АБ [Дж/К] - интегральная теплоемкость электродной группы батареи - известная величина, определена экспериментально расчетным путем при наземной отработке батареи;

Т_{АБVПРЕД} - на первом шаге работы алгоритма поступает из первого выхода БНУ и равна Т_АБV0 (44), в дальнейшем Т_{АБVПРЕД} присваивается значение Т_АБV на предыдущем шаге работы (42).

Выходной величиной БОСОТ 19 является величина среднеобъемной температуры водорода в корпусе батареи (43), которая поступает на второй вход БОПВ 6:



В БОПВ 6 по формуле 2 определяется плотность водорода (45), которая поступает на первый вход БФК 7.

На второй вход БФК 7 поступают величины _H2max, _H2min из БУ 8. В этом блоке происходит сравнение определенной в момент плотности водорода с заданными из БУ 8 величинами. Если _H2<_H2min, то БФК 7 формирует команду для ЗРУ 9 на включение заряда МВАБ (46). Если _H2>H2max, то БФК 7 формирует команду для ЗРУ 9 на отключение заряда МВАБ (47).

Реализацию предлагаемого способа и системы для его осуществления можно проиллюстрировать нижеследующим примером.

Для определения текущей плотности водорода внутри МВАБ в систему ее эксплуатации при полете КА, помимо используемых в прототипе датчиков температуры корпуса ДТК 3 и датчиков давления внутри батареи ДДК 2, вводятся датчики температуры ДТРРТ 11, расположенные на рабочем радиационном теплообменнике РРТ 10, и датчики температуры ДТКРТ 13 вновь вводимого калориметрического радиационного теплообменника КРТ 12 (см. фиг.2). В качестве вводимых датчиков температуры ДТРРТ 11 и ДТКРТ 13 могут использоваться идентичные ДТК 3 датчики, например, типа ТЭПО18-04 (здесь и далее обозначение изделия, принятое в РКК "Энергия"). На выходе датчиков температуры и давления формируются аналоговые электрические сигналы, пропорциональные измеряемым температурам и давлению. Рабочий радиационный теплообменник РРТ 10 (300ГК. 20Ю 7130-101) обеспечивает сброс избыточного тепла, выделяемого при работе МВАБ в окружающее пространство. Вводимый калориметрический радиационный теплообменник КРТ 13 конструктивно аналогичен РРТ 11 и располагается на корпусе КА рядом с ним. КРТ, в отличие от РРТ, не связан с МВАБ тепловыми трубами для отвода излишков тепла, и поэтому на нем всегда соблюдается баланс поглощенного и излученного потоков тепла, что позволяет определить коэффициенты деградации излучательной и поглощательной способности поверхности РРТ.

Блоки измерений температур радиационных теплообменников БИТРРТ 14 и БИТКРТ 15 идентичны используемому в прототипе блоку измерения температуры корпуса БИТК 5. В качестве единого измерительного устройства предлагаемой системы, включающего БИДК 4, БИТК 5, БИТРРТ 14, БИТКРТ 15, можно использовать информационно-телеметрическую систему ИТС (ЯЮ1.570.207), устанавливаемую на КА РКК "Энергия". На каждом такте своей работы ИТС последовательно опрашивает датчики ДДК, ДТК, ДТРРТ и ДТКРТ, преобразует их показания в цифровой эквивалент и хранит эти значения в своей буферной памяти.

Блоки БНУ 22, БВУЗ 20, БВРРАБ 21, БОВТПАБ 18, БОКДРРТ 17, БОТПРРТ 16, БОСОТ 19, БОПВ 6, БФК 7 реализованы в виде программы, заложенной в бортовую вычислительную машину (БВМ). Алгоритм реализации данных блоков (программы БВМ) приведен на фиг.3 и 4. БВМ опрашивает буферную память ИТС и получает цифровые значения измеренных температур и давления. На основании полученных данных и хранимых в памяти значений коэффициентов БВМ вычисляет в текущий момент времени плотность водорода внутри МВАБ и формирует команды на включение или отключение заряда МВАБ. Данные команды формируются в результате сравнения вычисленной текущей плотности водорода внутри МВАБ с полученными из БУ 8 значениями допустимой максимальной и минимальной плотности. В качестве реализации блока управления БУ 8 используется бортовая аппаратура служебного канала управления КА (БА СКУ, 300ГК.15Ю0000А-0), которая осуществляет прием из центра управления полетом цифровой командной информации и передачу ее в БВМ.

Команды на включение или отключение заряда МВАБ с выхода БВМ через вспомогательные блоки преобразования и усиления поступают в зарядно-разрядное устройство МВАБ (ЗРУ 9). З РУ может быть реализовано в виде блока автоматики регулирования и контроля (АРК-100, МКТН.436123.002), который по полученным командам или коммутирует заряд МВАБ током, поступающим от солнечных батарей КА, или отключает заряд.

Эффективность и полезность предлагаемого способа может быть проиллюстрирована на основе анализа экспериментальных данных, приведенных в [1, стр. 112,113]

Графики на рис. ГУ. 6б [см.1, стр.112] демонстрируют, что уже в течение первой минуты разряда при незначительном начальном тепловыделении среднеобъемная температура электродной группы батареи Т_АБV возрастает с ~ 26,5^oС до ~ 34^oС, в то время, как температура корпуса батареи Ткорп возрастает с ~ 26^oС только до ~ 31^oС и разность между среднеобъемной температурой электродной группы батареи и температурой ее корпуса достигает ~ 3^oС.

Графики на рис.IV.8б [см.1, стр.113] демонстрируют, что к концу первого часа разряда температура корпуса батареи Ткорп возрастает на ~ 3^oС и достигает -34^oС (-307К), что означает, при постоянном коэффициенте теплоотдачи с корпуса возрастание тепловыделения в батарее в 6 - 8 раз. Это означает, что при постоянном коэффициенте теплопроводности электродной группы и коэффициента теплоотдачи в межэлектродных зазорах разность среднеобъемной температуры электродной группы Т_АБV и температуры корпуса Ткорп возрастает до - 20^oС. Следовательно, ошибка в определении количества водорода (уровня заряженности батареи) по температуре корпуса в этот момент составит



Рассмотренный эксперимент проводился в условиях гравитации, когда конвективный теплообмен в межэлектродных зазорах и в зазоре между электродной группой и корпусом превышает или сравним с теплопередачей за счет теплопроводности конструкционных материалов электродов и теплопроводности газового зазора между корпусом и электродной группой. При эксплуатации батареи в условиях невесомости конвективный теплообмен отсутствует и разность температур между электродной группой и корпусом возрастает, как минимум, в два раза, что приводит к еще большей ошибке при определении количества водорода в батарее по температуре ее корпуса. Кроме того, наличие при эксплуатации батареи в космосе такого внешнего источника тепла, как Солнце, поглощенный на радиационном теплообменнике поток, от которого добавляется к тепловыделению в батарее, приводит к еще большей разнице этих температур. Вследствие этого ошибка в определении количества водорода в батарее (уровня ее заряженности) по температуре ее корпуса возрастает до 15-20%.

Способ и система для его осуществления предлагаются для использования на КА, разрабатываемых в РКК "Энергия" им. С.П. Королева. Применение способа позволит, по сравнению со способом-прототипом, увеличить точность определения уровня заряженности батареи на 10-20% в зависимости от режима работы батареи (заряд, разряд, саморазряд) и освещенности КА на орбите.

Литература

1. "Металл-водородные электрохимические системы". Б.И. Центер, Н.Ю. Лызлов. Ленинград "Химия", Ленинградское отделение, 1989 г.

2. Авторское свидетельство РФ 2084055, кл. H 01 M 10/44, 1995г.