2.2 Расчёт СЭП

Для начала расчёта СЭП необходимо выбрать солнечные батареи. При рассмотрении различных СБ выбор пал на следующие: солнечные батареи организации ОАО «Сатурн» на основе GaAs фотопреобразователей со следующими характеристиками:

Расчёт проводится в программе к Лабораторной работе № 3: "Исследование влияния параметров системы электропитания на ее массовые и габаритные характеристики" (см. Приложение 1).

При определении площади СБ и расчётной мощности СБ необходимо учитывать их дезориентацию относительно Солнца и деградацию ФЭП. Так как они будут крепиться к корпусу КА, то коэффициент освещенности СБ не будет превышать 30-40%. Реальная зависимость потребляемой КА мощности от времени имеет сложную форму, поэтому все расчёты ведутся по максимальной загруженности систем, то есть все значения мощностей взяты по максимуму.

Для начала необходимо составить график энергопотребления СМКА:

где Nср - средняя потребляемая мощность за виток, N_s - мощность, потребляемая целевой системой за виток, N_ss - мощность, потребляемая служебными системами за виток.

где - плотность теплового потока, идущего от Солнца, на орбитах Земли; - КПД ФЭП; - коэффициент заполнения площади СБ; - коэффициент деградации ФЭП; - срок активного существования КА; - коэффициент освещенности СБ.

Формула для расчёта средней мощности, полученной из графика, имеет вид:

Из условия равенства емкостей заряда и разряда АБ найдем среднюю мощность СБ:

Приравнивая эти выражения, получим:

Далее получим площадь СБ:

Масса СЭП складывается из нескольких составляющих:

В результате расчётов были получены следующие данные по СЭП:

1. площадь СБ - 3.436 м2

2. масса СБ - 5.5 кг

3. масса АБ - 9.411 кг

4. суммарная масса СЭП - 38.207 кг.

Вывод: на массу КА в значительной мере влияет СЭП. Для увеличения эффективности СЭП нужно стремиться к уменьшению массы энергопотребляемой аппаратуры за счёт применения более эффективных солнечных и аккумуляторных батарей. Необходимо искать СБ и АБ с более высоким КПД и меньшими массовыми характеристиками.

2.3 Расчёт тепловых потоков, действующих на МКА

К общим задачам проектирование относят сброс теплоты при помощи СОТР малой массы и размеров и поддержание диапазона температур, необходимых для нормальной работы аппаратуры. Так как платформа не герметична, то теплообмен будет осуществляться посредством теплопроводности (передача теплоты от более нагретой части тела к менее нагретой) и излучения (перенос теплоты от более нагретого тела к менее нагретому при помощи электромагнитных волн).

Расчёт радиационного теплообменника начинается с вычисления действующих тепловых потоков на МКА. Таких потоков четыре: поток прямого солнечного излучения, отраженный от поверхности планеты солнечный тепловой поток, поток собственного планетного излучения и поток от тепловыделяемой аппаратуры. Суммарный тепловой поток вычисляется по следующей формуле:

где - поток прямого солнечного излучения, - отраженный от поверхности планеты солнечный тепловой поток, - поток собственного планетного излучения, - тепловая мощность, рассеиваемая бортовой аппаратурой.

Общее выражение для поглощенного КА внешнего теплового потока имеет следующий вид (для случая осредненных по поверхности угловых коэффициентов):

,

где и - оптические характеристики радиационной поверхности, , - плотности прямого солнечного и собственного планетного излучений, - площадь миделевого сечения радиационной поверхности по отношению к потоку прямого солнечного излучения, - площадь радиационной поверхности, 0,37 - среднее альбедо планеты Земля, и - осредненные угловые коэффициенты.

Угловыми коэффициентами и определяются доля падающего на поверхность КА собственного планетного излучения () и доля отраженного от планеты солнечного излучения (). Осредненные значения угловых коэффициентов имеют следующий вид:

где - угол между местной вертикалью и направлением, касательным к земной поверхности (угол 2 является сечением телесного угла обзора планеты); - зенитное расстояние Солнца (угол между направлениями Земля - КА и Земля -- Солнце), - угол освещенности плоскости орбиты (угол между нормалью к плоскости орбиты и направлением падающего солнечного теплового потока _s) определяется из тригонометрического соотношения:

где - наклонение и долгота восходящего узла орбиты; =23°27 - угол между плоскостью эклиптики и плоскостью экватора; = 0,9856 N_2I (N_2I - количество суток, отсчитываемых от 21 марта до текущего дня) - угол в градусах, определяющий положение Солнца на эклиптике на текущий момент.

Тепловая мощность, рассеиваемая бортовой аппаратурой, зависит от потребляемой электрической мощности и может быть определена как:

где - потребляемая электрическая мощность i-го источника тепловыделений; - коэффициент полезного действия аппаратуры.

Для расчёта необходимо знать площади граней МКА, поэтому предварительные габаритные размеры одной грани рассчитаем исходя из полученной площади СБ:

Для начального анализа примем площадь всех граней одинаковой и форма МКА - куб. Тогда длина каждой грани будет равна 1.088 м, а объем:

Для упрощения возьмем вместо куба шар того же объема с радиусом:

Тогда площадь круга:

Таким образом, были получено среднее значение суммарного теплового потока, действующего на МКА (Приложение 1):