Электроснабжение международной космической станции

Введение

Международная космическая станция (МКС), является символом человеческой кооперации и триумфом развития космонавтики, на ней ведутся многочисленные исследования в области биологии, ведутся наблюдения за Землей и другими космическими объектами, моделируются космические процессы в условиях невесомости и др. Сегодня, многие страны хотят построить свою собственную космическую станцию. Без преувеличения, запуск и эксплуатация МКС стали важнейшей вехой в истории освоения космоса, а сама станция превратилась в главный форпост человеческой цивилизации за пределами родной планеты. Значимость МКС, как совместного международного проекта, в жизни всей нашей планеты довольно велико, ее бесперебойная работа во многом зависит от необходимой для этого электрической энергии, это и побудило к написанию реферата на данную тему.
Естественно, международная космическая станция не может продуктивно работать без помощи и поддержки с Земли. Грузовые и транспортные корабли доставляют сюда всё необходимое. Но если говорить об электричестве, то в этом плане МКС полностью автономна. Единственный источник энергии для огромного орбитального комплекса – солнце. При помощи солнечных батарей, установленных на станции, свет солнца преобразуется в электроэнергию.
Актуальность темы реферата заключается в том, что любой космический полёт – с участием или без участия человека – не был бы возможен без решения проблемы автономных систем энергоснабжения. Электроснабжение станции — один из примеров международного сотрудничества в космосе. Для эффективной работы этой уникальной космической лаборатории необходимо взаимодействие всех стран-участниц полёта, и в первую очередь, России и США.
Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач: рассмотреть солнечную энергетику международной космической станции, электроснабжение американского и российского сегментов, основные потребители тока на МКС, а также новые технические горизонты и другие моменты.
Структура реферата включает в себя несколько частей: пояснительную записку, введение, основную часть (две главы), заключение и библиографический список, состоящий из пяти источников литературы.
1. Солнечная энергетика международной космической станции
На орбите нашей планеты Солнце излучает мощность своей энергии около 1400 ватт на квадратный метр. За счет этого можно на один квадратный метр солнечных батарей получать около 130 Ватт электрической энергии. Коэффициент полезного действия батарей варьируется от восьми до тринадцати процентов. Солнечные батареи располагают или на внешней поверхности аппарата или на раскрывающихся жёстких панелях.
Электростанция орбитальной станции должна обладать чрезвычайно высокой надёжностью при длительном сроке непрерывной работы, она должна быть полностью автоматизирована и иметь относительно небольшой вес. Кроме того, источник энергии на борту должен быть высокоэкономичным и не реагировать на специфические факторы космического полёта (невесомость, радиацию, метеорную опасность и т. п.).
Еще в середине восьмидесятых годов разговоры о создании международной космической станции уже ходили. Президент Соединенных Штатов Америки Рональд Рейган анонсировал проект Freedom («Свобода»), который должен был стать ответом на советскую станцию «Мир». Считалось, что в данной программе свое участие примут Европейское космическое агентство, Япония и Канада. Но американская разработка оказалась слишком дорогостоящей.
Тем временем после распада СССР стали налаживаться отношения между Россией и Соединенными Штатами Америки. В 1993 году Москва сама предложила Вашингтону построить совместную орбитальную станцию. К удивлению, большая часть политиков Соединенных Штатов Америки выступила против такого сотрудничества. Однако Палата представителей Конгресса с перевесом в один голос всё-таки поддержала строительство станции. И соглашение о создании международной космической станции было документально подтверждено в конце 1993 года.
На американском и российском сегментах международной космической станции мощность электрической сети неодинаковая. В отечественной части международной космической станции электричество вырабатывается солнечными батареями модулей «Заря» и «Звезда», а также может передаваться от американского сегмента через преобразователь напряжения.
Основная конфигурация международной космической станции была утверждена и подписана в 1996 году. Она состояла из двух основных сегментов: Российского и Американского. Также принимают участие, располагают свое научное космическое оборудование и проводят исследования такие страны как Япония, Канада и страны Европейского космического союза.
В 1998 году 28 января в Соединенных Штатах Америки подписано соглашение о строительстве МКС, которая имеет модульную архитектуру, то есть она состоит из различных модулей

. А уже 2 ноября 1998 года был отправлен на орбиту модуль международной космической станции «Заря», запущенный Российской Федерацией.
Всю свою энергию Международная космическая станция получает от Солнца. Как и Земля, станция находится на расстоянии в примерно 149 миллионов километров от ближайшей звезды. На этой дистанции возможно извлекать более киловатта энергии с каждого квадратного метра. Энергия на станции собирается солнечными панелями (Рисунок 1.1), которые используют фотоэффект для получения непосредственно электричества. Видны солнечные батареи модулей «Заря» и «Звезда», а также ферменная конструкция P6 с американскими солнечными батареями. Оборудование для связи, системы обработки воздуха, насосы, системы терморегуляции являются основными потребителями электрической энергии на международной космической станции.
Рисунок 1.1 – Международная космическая станция
Первый искусственный спутник Земли (1957 год) обладал энергоустановкой мощностью порядка сорока ватт, тогда как аппарат «Молния-1+» (1967 год) обладал установкой мощностью уже четыреста шестьдесят ватт. Для сравнения: солнечные батареи, установленные на международной космической станции, позволяют вырабатывать от восьмидесяти четырех до ста двадцати киловатт электрической мощности. В настоящее время все космические станции функционируют исключительно за счёт солнечной энергии.
2. Энергетическая система Международной космической станции
2.1 Электроснабжение американского сегмента МКС
Сначала создавались планы, что международная космическая станция будет получать электрическую энергию от Научно-энергетической платформы, которая принадлежит Российской Федерации, и это был довольно оптимальный вариант питания станции. Однако после катастрофы шаттла «Колумбия» программа сборки станции и график полётов шаттлов были пересмотрены. Среди прочего, отказались также от доставки и установки Научно-энергетической платформы, поэтому в данный момент большая часть электроэнергии производится солнечными батареями американского сектора.
В американском сегменте международной космической станции солнечные батареи организованы следующим образом: две гибкие складные панели солнечных батарей образуют так называемое крыло солнечной батареи (Solar Array Wing, SAW), всего на ферменных конструкциях станции размещено четыре пары таких крыльев. Каждое крыло имеет длину 35 м и ширину 11,6 м, а его полезная площадь составляет 298 м², при этом вырабатываемая им суммарная мощность может достигать 32,8 кВт. Первичное постоянное напряжение генерируется от солнечных батарей и имеет величину от ста пятнадцати до ста семидесяти трех вольт. Далее данное напряжение американского сегмента при помощи блоков DDCU трансформируется в постоянное стабилизированное напряжение, которое имеет значение в сто двадцать четыре вольта. Это стабилизированное напряжение непосредственно используется для питания электрооборудования американского сегмента международной космической станции.
На Рисунке 2.1 изображен пример реальных выдаваемых тока и напряжения для каждого из восьми крыльев. Согласно этим данным, панели вырабатывают примерно 52 киловатта энергии, а на Рисунке 2.2 видны названия каждого из крыльев.
Рисунок 2.1 - пример реальных выдаваемых тока и напряжения для каждого из восьми крыльев
Рисунок 2.2 - Названия каждого из крыльев
2.2 Электроснабжение российского сегмента МКС
Российские модули международной космической станции полностью автономны. По своей структуре и составу российский сегмент международной космической станции существенно отличается от американского. Вот в чем различия: российский модуль имеет солнечные панели, свои системы маневрирования, связи и контроля и, соответственно, на орбиту МКС его никто не доставлял. Первым модулем международной космической станции стала «Заря» или ФГБ/FGB, как его называют все астронавты. Две панели 10,67×3,35 метров и 6 никель-кадмиевых батарей «Зари» могут предоставлять в среднем 3 киловатта мощности. Сейчас солнечные панели этого модуля международной космической станции свёрнуты, чтобы не мешаться радиаторам на ферме американского сегмента. Солнечные панели «Звезды» раскрыты, их максимальная мощность составляет 13,8 киловатт, которые трудно достичь из-за тени от американского сегмента МКС.
На ферме российского сегмента панели вырабатывают около ста шестидесяти вольт, проходящие через устройство преобразования постоянного электрического тока