发电在光秃秃的电动范围在空间碎片减缓

文摘

发电可以实现在太空中当电流诱导的电动式缆索系统。发电性能的讨论基于碎片减排任务的数值模拟。锂离子电池子系统是用来完成能量conversion-harvest和供应能量。电池可以提供10 - 300 W平均电力不断在几百个小时的任务时间。能量转换效率最大值范围从1%到30%。在恒定的功耗,电池操作一般经历一个放电阶段,充电阶段和稳定阶段。前两个阶段确定任务的风险系数。稳定阶段的加热问题不容忽视。电池的优化设计和系绳设计应考虑为每个碎片减排任务。额外的控制电路或小电池电压和大容量电池设计建议消除稳定阶段。 Wide or long tether designs are more appropriate for mission with high or low power demands on board, respectively. The power generation is affected by the system mass and the mission orbit parameters.

1。介绍

的电动范围是一个有前途的设备来扩大太空任务的范围(1]。它利用一个裸露导电系绳和一个电子发射装置完成与空间等离子体电荷交换。“裸”的概念被首次引入Sanmartin et al。2),以避免电子收集限制的问题。裸露的电缆传到用作阳极吸收电子和比以前更有效率和更容易实现策略,如阳极等离子体接触器或球形收集器。随着裸电动范围使一个大电流,它可以完成许多太空任务更好的狮子座(低地球轨道)特定的脉冲和高non-or-less推进剂消耗相比传统系统(3,4]。

当外部能源应用于范围改变感应电流的方向,范围在推进器工作模式:洛伦兹力组件具有相同的方向范围可用于轨道速度提高和阻力补偿5),但已被更多的关注被动模式(或发电机模式)。光秃秃的电动范围可以产生感应电流和重大阻力,导致两个令人印象深刻的功能:可以生成力量上的负载和系统可以转移到一个较低的轨道。后者因为有极大的兴趣范围。由于简单的特点,重量轻,和没有外部能量需求,它被认为是一个潜在的活跃的残骸清除系统无法使用卫星和上阶段利奥(6,7]。已经完成了大量的工作,以便更好地理解系统设计(8,9),电子收集(10],稳定性问题[11- - - - - -13),系统生存能力(14,15),和任务性能(16,17]。

尽管Sanmartin et al。2]建议的电动范围可以发电早在1993年,相关研究主要出现在2000年。与不断增长的电力需求,发电,裸露的电动范围逐渐重视能源可以在任何时间收获。大部分的研究(2,18- - - - - -20.)关注发电性能的理论分析来估计的力量和效率,提出优化方法。发电系统的性能将受到每个部分的等效电阻和等离子体参数;然而,等离子体参数变化范围操作,所以通常适用于点分析的理论公式。数值模拟与特定的环境模型应该用来显示长期的发电性能。的力量和效率不同,因为多变的等离子体参数;然而,模拟显示,裸露的电动范围在木星(通常有效的太空任务21),是一个可行的设备对会议不同的电力需求上(22]。ProSEDS(推进小型消耗品部署系统)任务(23]证明没有原则问题,发电工程范围的应用程序,虽然这个项目后来被取消了。

能源分析,对大多数发表的研究仍然存在一些有争议的问题:首先,能量存储子系统模型不准确,和一般简化为一个常量阻力。这使它方便分析,当所有的零件都可以转换为统一的参数,但它是不切实际的。正常的能源存储子系统可能想到的伏安特性和最大容量。一个超级电容器24相比之下更常见。第二,发电受到轨道高度减少大多数商业用途而言这是不可容忍的缆索系统设计时仅仅作为一个发电机。提出了相关措施Sanmartin et al。20.]和霍伊特[25),然而,直接增加了系统的复杂性和控制困难。采用更为合理的方法Sanjurjo-Rivo和Pelaez26)和McTernan et al。27)谁将碎片减排任务和发电功能。第三,所有的能量分析基于累计总额最大化;事实上,能量不断收获和消费,这意味着能源可能不会充分的利用。能量存储子系统的动态操作的现实意义。第四,系绳设计的影响和轨道参数对发电仍不清楚。能源存储子系统的等效电阻通常是变化的。理论公式确实可以给估计在不同条件下,但长期的结果都是不可用的。发电更实用,这些问题不容忽视,他们都认为在目前的研究。

在这项研究中,裸露的电动范围的发电的分析是基于一个碎片减排任务。由于长时间的任务(通常几周或几个月),需要大量的能量来维持电器的操作。与常见的电源相比,这种能量来源很简单,经济,和持续。在数值模拟中,锂离子电池系统作为能量存储子系统获取能量从范围和提供电力系统在同一时间。电池子系统直接连接到范围。计算动态行为评估在某些情况下的工作性能。数据和数据将显示该发电系统的能力。此外,电池的优化设计和系绳设计进行了探讨。系统的性能在不同任务要求(主要是系统质量和轨道参数)也进行了研究。

2。系统模型和数值模拟设置

2.1。物理过程范围的发电系统

当系统开始执行轨道转移任务,产生电力,裸露的缆索长度(公里)是分散在一个较低的初始速度的母亲飞船(图1)。利用制动系统和重力梯度,长,薄,使最后达到一个稳定状态的完全变直,和矢量的同时,当地的垂直位置。长电缆传到保持高速切削地磁感应线(通常是8公里/秒),创建一个相当大的感生电动势可高达0.15 V / m。产生感应电流,裸露的范围和等离子体接触器,这两种解释后,应用。由于产生的电位差感生电动势,裸露的范围可以收集电子在当地积极的潜力空间等离子体潜在而等离子体接触器将发出一个电子吸收负电位以有条理的方式。发电是实现当感应电流流经能量存储系统。与此同时,洛伦兹力的方向是相反的系统速度是由电流和磁场,完成轨道转移的任务。

2.2。仿真过程和系统组件的体现

(图的仿真过程2)由五部分组成:初始化,系统状态的决心,使电流分布和运动计算,能量存储系统操作和结果。初始化后,模拟开始循环的步骤。根据目前缆索系统有关的信息,当前和力范围可以计算以便发电的性能分析。与此同时,系统更新其位置使电流,和力量,范围的变化。仿真循环会一直持续下去,直到满足终止条件。

系统简化为一个母亲的结合航天器,阴极接触器,电池系统中,裸露的范围,和结束质量,。母亲飞船是一个质点系绳的一端。电池系统和阴极接触器被视为一个无质量的设备,但独特的特点。的范围被视为符合一定质量分布和固定的形状。最终的质量也是一个质点系绳的另一端。很好地连接,所有部分的身体和电。

2.3。系统状态的决心

系统状态是由时间、位置和环境。协调世界时(UTC)是用来描述轨道传播的时间系统。经典轨道元素在地球中心惯性(ECI)(图3)坐标系统28是用来提供有关轨道参数的详细信息。六个元素可以转换,并且,系统质心的速度v和位置r,包括半长轴 ,偏心 ,倾向 ,升交点经度 ,近拱点的参数 ,和真正的异常 。六个元素只能用于描述系统的运动质量中心:速度和位置范围的其他部分都是由此推断。

地球周围的空间环境是复杂多变的。大多数参数随时间和位置。国际参考电离层等离子体参数获得(IRI)模型(29日]。对于一个给定的位置、时间和日期,IRI提供每月平均电离层等离子体参数的高度范围内。例如,等离子体密度可高达 在阳光一样低 在一个eclipse在500公里的高度。世界地磁场信息是由磁模型(个子)[30.]。从模型中,三个方向组件可以获得地磁场强度。总强度不等 元, nT。NRLMSISE-00模型(31日]给出了大气总质量密度的大气阻力计算。订单的空气质量密度的10^-14年或10^-13年公斤∙米³在给定的条件。以上结果显示在500公里的高度和UTC 2010.01.01.12.00.00。

2.4。使电流分布和运动计算

上的电流分布范围是根据电子的能力自动调整的系统的收集和排放。电子收集光范围,实现电子发射是由等离子体接触器完成。图4显示电压和电流分布沿着一条光秃秃的范围(32]。系绳太长,将经验变量条件在不同的位置。它可以分成许多短段长度(每个d ),每一个都有自己的潜力,目前,速度,和当地的等离子体和地磁场参数。

缆索长度d ,目前收集到的维可以被描述为方程(1)[2在轨道运动有限理论的假设:

范围可能是由电流流经范围的电阻,而等离子体潜力可以被视为一个函数的感生电动势和相关的位置分布范围(2]: 在哪里的值是向量 在地方范围的部分。为一个特定的系统位置,分布的是一种已知的数量。等离子体势结束时质点 通常设置为0,这样获得分布:

当前最后质点 和其他的终点 产量:

等离子体接触器位于另一个终点 的电子发射的能量存储系统坐落在等离子体接触器。这一点的电位分布然后写成:

在模拟、空心阴极等离子体接触器(HCPC) [33采用]作为电子发射装置。根据可用的实验数据在我们的实验室,我们得到:

方程(1)- (7)描述电流分布的非线性边值问题。MATLAB™内置函数“bvp4c”是用来解决BVP问题,有限的迭代。洛伦兹力可以计算一次电流分布是明确的:

电场的力造成的环境并不像通常认为可以忽略不计(24]。

大气阻力是: 向量的方向在哪里的正常范围迎风面和价值相当于区域。阻力系数设置为1。

整个系统被视为质量中心在描述上的运动这意味着天平动长范围将被忽略。系统的动力学方程是: 在哪里包含所有除重力以外的力量。在仿真中,只有洛伦兹力和大气阻力是包括在内。忽略其他扰动的任务时间相对较短。

2.5。能量存储系统

在初级设计,使用的是锂电池系统。发电策略依赖于正极直接连接到等离子体接触器在- 1连接到裸露的范围。图5显示的内部电路由电池模块,稳定电路,保护电路。

能量存储系统可以生成和供应电力的电池模块和维护车载电器提供能量。电池模块还可以维持一个相对稳定的电压。保护电路用于避免过度充电电池模块。为简化,整个电池系统的电压被视为一个常数在操作期间。发电效率的电池模块在不同的多变的电流消耗应该是100%。发电的性能可以表示为:

电池的动态操作系统也是了。的电池容量将10∙h。一个常数电力消费下的工作性能描述了SOC(电荷状态),在方程(12)和国防部(放电深度),显示在方程(13)。 在哪里电流通过电池模块。当电流流入电池,这是一个积极的价值;否则,它是负的。电池系统有四种工作模式:(1) 和 ,使电流流入电池模块和稳定电路;(2)如果 和 ,使电流流入保护电路和稳定电路;(3)如果 ,使电流流入稳定电路;(4)如果 ,额外的范围从电池模块的电流就稳定电路来弥补赤字的力量。

2.6。在缆索系统能量分布

产生的电力来自航天器的轨道能量。轨道能量的总和的重力势能和动能飞船:

这将是恒定的,如果只有重力作用。缆索系统开始时它的轨道转移和发电、洛伦兹力和大气阻力导致能量变化,并改变等于工作从而:

然后转移到轨道能量电能和摩擦加热能源,分别(图6)[24]。电能是反映在当前感应范围。是分布式四部分:使阳极,缆索欧姆电阻,电池系统,使阴极。能量耗散使阳极用于吸收离子和电子而使阴极吗是用来发射电子。与此同时,部分电能是输给了欧姆焦耳热 。电池的能量储存系统是一种能量回收策略能电力电器。因此,发电的性能主要是由范围当前和其他部分的等效伏安特性。最后,一小部分的轨道能量转移到摩擦加热能源由空气动力阻力引起的。

3所示。结果和分析

如图7,来验证HCPC模型与可变电压(交流模式在图7)和代码,是用比较研究Sanchez-Arriaga et al。34在不同恒定的偏置电压的影响(0、20和40 V图7)。地球使命范围从800到500公里的高度,和系绳的尺寸是3公里,4厘米,50μm,分别。下的地球时间的不同倾向没有显著不同,恒定电压,和持续时间的增长模式也类似的参考。

表1显示了基本的参数设置。铝的电阻率和质量密度值代表的首选材料目前这样的束缚。其他参数可能会改变根据这个表在以下变量参数的研究。

结果的准确性影响的时间步长:短时间内步骤可以使结果更接近现实,但它需要更多的计算资源。模拟,应该设置为一个适当的时间步的最大时间步当使用Runge-Kutta-Fehlberg 4/5的方法。表2显示电池的总能量,可以收获子系统和轨道转移时间不同的时间步骤。实际上,偏差是可以接受的,因为他们都是不到1%。高分辨率的描述SOC, 90年代是所有的计算选择。

3.1。电池子系统的动态特性

直接连接电池子系统的范围,它应该工作上的所有时间,以确保当前循环范围和操作系统的整个使命。图8显示电池的动态行为子系统的基本输入参数设定的条件下。功耗船上的电器将39.7 W电池子系统可以承受的最大价值。最初的电量是10∙h在整个能源消耗约350∙h。在任务的开始,等离子体,在高轨道,不能产生足够的电流范围,所以电池的平均功率收获子系统(近36 W)低于所需的总功率。由于缺少能源,电池开始向系统提供能量,尤其是在晚上(在地球的阴影)。尽管有时收获力量超过要求,电池系统主要工作在放电模式。SOC减少,直到达到最大国防部0.41归一化时间。之后,平均功率增加随着等离子体密度的增加在低轨道。电池系统开始工作主要在充电模式,SOC的提高。在过去的使命的一部分,权力可以收获远远大于功耗。电池是满的,而多余的电能消耗在保护电路。 In the mission, the tether is ohm-dominant so that the energy dissipated on the tether (78.18%) is much larger than that stored in the battery subsystem (2.61%). The energy conversion efficiency (the ratio of来 )很小,但电池子系统可以提供所需的电力。对于这个应用程序,平均收获力量,或最大可用功率,更重要的是(这些都是40.5 W和39.7 W,分别)。大气阻力的影响占6.46%的轨道能量变化,使其减少了任务时间。

电池的SOC的动态变化曲线子系统”看起来就像一个山谷。“它达到最大国防部只有一次,没有典型的充电放电周期(充电和放电是某些SOC值几次)。作为解释,这个过程可以分为三个时期:放电阶段,我充电二期和稳定的第三阶段。最初的电力储存在电池是用于帮助通过第一阶段决定了成功的使命。如果足够,电池可以进入它的充电阶段和稳定阶段,这意味着可以完成任务。一般来说,一个设计良好的电池子系统至少会经历所有的第一阶段和第二阶段代表成就的最大能力。“精心设计”一词表明电池特性和应该匹配碎片减缓需求(范围参数、轨道参数和功耗 );否则,它将有问题的电池子系统。

3.2。受雇于ProSEDS差异的策略

不管功耗,电动式缆索系统可以完成碎片都是一样的减排任务在不同条件下,只要任务时间用户可以接受的;然而,电池子系统的灵活性远低于范围。图9(一个)显示电池的工作性能在不同的能耗水平子系统。更小的功耗会导致较低的国防部。放电和充电区域的持续时间降低功耗的降低是权力和收获能源的需求之间的差异减少。稳定区域的行为对I和II的地区。低功耗意味着一个大的稳定区域;然而,这个稳定区域的存在意味着收获的能量电池系统并不都是转移到有用的地方(电池模块或电器):稳定的地区,越长越利用率。船上有用能量的比率(包括消费和储存在电池)总能量收获的电池是0.738,0.860,0.934,和0.976时功耗是30 W, 35 W, 38 W,分别和39.7 W。大量的能源应该消散在电池的保护电路子系统焦耳热的形式,导致一个重要的问题没有被认为是在以前的缆索系统的能量分析。图9 (b)显示了一定的累计时间浪费电池系统的功率范围将受到影响。浪费电力的价值可以高于24 W和累计时间是相当大的。辐射产生的热量在如此高的权力和在很长一段时期,特殊的结构设计或电子元件是必需的。如果没有,电池的性能和寿命子系统将受损。

直接连接到电池子系统范围,以便它不能切断停止能源获取稳定的地区。这是最基本的差异相比,该策略用于ProSEDS [23]。在ProSEDS,高压继电器被放置在范围和电池系统范围和接触器(图10 ())。如果有必要,可以断开电池子系统范围主要电路,和当前的范围可以通过另一条线流,直接减少了加热功率。图10 (b)说明了动态行为假设模式下功耗恒定过渡点 和 。范围未能完成任务的时候39.7 W(最高功率下降到38.3 W)。当很大,SOC的变化也看起来像一个“硅谷”使命的开始。在其他情况下,电池正常工作。在这些情况下,模式转换的数量不超过10次。模式转换频率主要取决于比消耗的能量收获。令人印象深刻的这个策略的优点在于系统可以完成任务有广泛的电力需求没有加热问题。继电器的问题是需要额外的能源和潜在的故障点。相比之下,我们的直接连接策略的优点是,可以保持一个相对稳定的电压降的一端拴绳,避免潜在的动态振荡电流瞬态变化。

3.3。电池性能不同的电池参数

正如上面提到的,电池子系统的设计应与任务的参数。电器的可用功率主要取决于两种和 。 决定了电池的最大能源系统可以收获,确定的比例可以实际使用的能量。更重要的是它的成正比,这样,过去的研究只关注或等效电阻。数据(11日)和11 (b)显示电池的性能不同(归一化表的价值1)。电池的能量转换效率子系统几乎是线性电池电压成正比;然而,高电池电压的电压范围小(图阳极4),导致小范围电流进一步导致长时间任务(如图11 (c))。由于减少范围电流,平均功率逐渐增加到最大值(约260 W)的能量转换效率上升到近30%。如果电压进一步增加,平均功率将下降(24,25),不计算在我们的模拟。值得一提的是,应该有一个限制电池电压的选择。一旦超过最低范围上的感生电动势,整个系统将不断遭受任何现状。从图11 (d)提出,最大电压不超过600 V(归一化值约14)。

相比之下,不影响发电的数量:它决定了实际可用的电器电源,但其可用功率的影响不是那么明显的 。尽管如此,对于电源优化是必要的。图12显示了不同电池的最大可用功率和浪费功率参数。对于一个给定的电力需求(从船上那些电器),几个电池参数的组合可以实现需求:一个更大的电池电压意味着更少的系统质量;然而,船上的最大浪费功率限制等设计;大电池容量可以减少浪费的权力,但也使系统重和直接降低了经济(电池容量的比例由车载电器总功率消耗)。因此,电池系统之间的权衡应该考虑质量和最大浪费功率。从图12,小电池电压有足够能力者优先。表中给出的条件1,当是40 W,电池电压在1电池容量的1.4是一个更好的选择。与此同时,更高的输出使国防部低这意味着低风险的任务。如果电力需求过高(> 60 W),缆索结构的优化设计建议。

3.4。能量收集性能不同的输入参数

表3单电池性能在不同范围的参数。范围的质量将是一个常数。在条件1,最大可用功率的变化,地球时间,和能量转换效率都是大约10%范围时截面周长约5毫米,10毫米,20毫米。大周边意味着高范围电流,从而导致更高的最大功率,那么地球时间,能源效率较低。建议增加周边少产生更多的可用功率和加热。条件2的变化显示出相反的结果。长范围会导致更高的推力,尽管当前的减少是因为周长。前三个指标表3可以改变高达66%、40%和100%,分别在缆索长度是20公里,10公里和5公里。这意味着长范围的设计更适合低车载电力需求的任务。

碎片的质量(母亲航天器的质量)改为一半或表的基本价值的两倍4。一个小碎片质量自然意味着更短的任务时间与质量成正比的。从轨道获取能量的能力是小碎片质量的影响,因为目前,力,小范围变化。电池的能量转换效率系统几乎是相同的这意味着最大可用功率应该几乎相同,但随着电力的负担需要弥补赤字减少的能量较短卸料部分,最大可用功率增加时,质量降低。

如表所示5,电池系统的性能变化规律,当轨道参数变化。半长轴带来更高的等离子体密度较低,而较低的倾向主要意味着更高的等离子体密度较高的有效地磁场强度(垂直于系统速度)的一部分。半长轴和倾角较低时,电流感应的范围很大,所以最高功率很大,任务时间减少。最大功率的比率最大浪费功率减少半长轴和倾角增加:如果倾向过高(超过60°),最高功率降到极低的值,这样电池系统电池电压高的需要。

4所示。结论

(1)一个数值模型计算的发电性能的电动范围基于锂电池子系统空间碎片减缓。基本的工作性能、发电策略分析,电池优化,和缆索系统的适用性进行了讨论(2)四个参数可以用来描述发电的性能:任务时间、能量转换效率、最大可用功率和最大浪费功率。前三个是用来查看减排任务和发电性能,虽然最后是用来讨论电池系统的适用性(3)一般来说,电池的SOC作为“谷”:这是不可避免的,因为大型空间等离子体参数的变化在轨道转移。最后一部分的任务(在某些情况下),收获力量将比这更大的要求。多余的能量应该消散的电池子系统不能切断从当前循环,导致电池系统的加热问题。问题的严重程度由最大浪费电力。额外的控制电路,帮助从缆索可以避免电池子系统切断加热问题(4)电池电压直接决定了电池容量最大力量的大小而影响最终的可用价值和浪费力量。建议找一个组合的低电池电压和大电池容量的电池设计,以避免加热问题;然而,这个选择将导致电池系统的质量增加,使之间的权衡应该考虑质量和浪费电力(5)大范围可以增加最大可用功率在一个有效的方式,虽然很长,瘦,范围更有利的低电源要求的任务。碎片的质量没有显著影响电池性能除了对所需的任务时间。高轨道半长轴和高倾角增加任务时间,和最大可用功率较低

命名法

:	地磁场矢量,T
:	微扰力向量,N
:	大气阻力向量,N
:	洛伦兹力向量,N
:	系链矢量,米
:	系绳位置向量,m
:	缆索迎风面矢量
:	速度矢量系统质量的中心,m / s
:	系绳横截面面积,m2
:	电子电荷,C
:	能量耗散使阳极,J
:	电池系统能量收获,J
:	由阴极接触器能量消散,J
:	工作由大气阻力,J
:	感生电动势,V / m
:	能量耗散的缆索阻力,J
:	轨道能量,J
:	地理高度,公里
:	绳索,
:	使阳极电流,
:	电池系统电流、
:	电池模块电流
:	阴极电流接触器,
:	系绳的长度,米
:	距离阳极的地步 ,米
:	整个系统质量,公斤
:	电子质量,公斤
:	离子质量,公斤
:	电子密度,m3
:	离子密度,米3
:	系绳横截面周长,m
:	电池系统能量收获力量,W
:	需求力量,W
:	电池系统浪费力量,W
:	电池容量,∙h
:	级的位置向量,m
:	时间,年代
:	速度系统的质量中心,m / s
:	使等离子体阳极潜力潜力,V
:	电池系统电压,V
:	接触器的偏置电压,V
:	等离子体的潜力,V
:	范围的潜力,V
:	微扰力所做的功,J
:	重力参数,米3/秒2
:	大气质量密度,公斤/米3
:	缆索电导率,S / m。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的高级研究项目在载人航天(批准号0130)。

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