О передаче света на солнечные панели спутника с целью подзарядки его аккумулятора

Авторы

Веиси С.

Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Московское шоссе, 34, Самара, 443086, Россия

e-mail: veisi.saajjad@gmail.com

Аннотация

Рассматривается задача передачи света на солнечные панели пассивного спутника, находящегося на высокоэллиптической орбите Марса, с целью реанимации бортовой системы электропитания пассивного спутника. Задача выполняется с использованием системы светопередачи на борту активного спутника, включающей аккумулятор, параболический отражатель и светодиодную лампу. Исследуются две конфигурации светодиодной лампы с входными токами светодиодов 20 и 100 мА, и две конфигурации отражателя: симметричную и асимметричную. Предполагается, что спутники уже сблизились на необходимое расстояние с установленной ориентацией и развернутым отражателем. Анализируется частичная подзарядка аккумулятора пассивного спутника на 10% от его полной емкости, выполняемая как в статическом состоянии, так и при вращении. При этом также анализируется разряд аккумулятора активного спутника. Выявлено, что система светопередачи с низким входным током светодиодов (20 мА) и асимметричным отражателем наиболее эффективна: при отсутствии вращения пассивного спутника подзарядка до 10% достигается за 40 мин, при этом аккумулятор активного спутника разряжается на 33%. При анализе вращения пассивного спутника были смоделированы изменения освещенности солнечной панели и угла падения лучей, что позволило рассчитать эффективность подзарядки аккумулятора. Предложены две стратегии подзарядки: первая, начиная с нулевой минуты цикла вращения пассивного спутника, обеспечивает подзарядку на 10% за 73 мин, требует поддержания ориентации и расстояния в течение 264 минут и разрядки аккумулятора активного спутника на 61%. Вторая стратегия, начиная с определенного момента вращения, достигает 10% подзарядки за 77 мин, с разрядом активного спутника на 64% и поддержанием ориентации на 389 или 187 мин, в зависимости от начального времени.

Ключевые слова:

обслуживание космических аппаратов, передача световой энергии, подзарядка аккумулятора, параболический отражатель, солнечные батареи

Библиографический список

1. Eteng A.A., Rahim S.K.A., Leow C.Y. et al. Low-power near-field magnetic wireless energy transfer links: A review of architectures and design approaches // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. Vol. 77, pp. 486–505. DOI: 10.1016/j.rser.2017.04.051
2. Гридин В.Н., Квасников Л.А., Саввин В.Л., Смахтин А.П., Чуян Р.К. Беспроводная энергетика как основа создания глобальных энергетических систем // Вестник Московского авиационного института. 2009. Т. 16. № 5. С. 87–91.
3. Аликаев В.В., Егоров А.Н., Латышев Л.А., Семашко Н.Н. Способ передачи энергии в вакууме. Патент RU 2 117 398 C1, 10.12.1998.
4. Baraskar A., Chen H., Yoshimura Y. et al. Verify the Wireless Power Transmission in Space using Satellite to Satellite System // International Journal on Emerging Technologies. 2021. Vol. 12. No. 2, pp. 110–118.
5. Toyota H., Miyazawa Yu, Kanaya S. et al. Development of Lithium-Ion Pouch Cell Using Stainless-Steel Laminated Film for JAXA’s SLIM Lunar Lander // Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences. 2023. Vol. 66. No. 6, pp. 199–208. DOI: 10.2322/tjsass.66.199
6. Мансуров В.С., Московкин С.А., Ребров С.Г., Янчур С.В. Результаты разработки и наземной отработки литий-ионной аккумуляторной батареи космического назначения // Труды МАИ. 2014. № 77. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=52967
7. Mendoza O., Bolay L.J., Horstmann B. et al. Durability Analysis of the REIMEI Satellite Li-ion Batteries after more than 14 Years of Operation in Space // Electrochemistry -Tokyo. 2020. Vol. 88. No. 4. DOI: 10.5796/electrochemistry.20-00046
8. Uno M., Ogawa K., Takeda Y. et al. Development and on-orbit operation of lithium-ion pouch battery for small scientific satellite “REIMEI” // Journal of Power Sources. 2011. Vol. 196. No. 20, pp. 8755–8763. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2011.06.051
9. Sone Y., Watanabe H., Tanaka K. et al. Internal Impedance of the Lithium-Ion Secondary Cells Used for Reimei Satellite after the Eleven Years Operation in Space // 11th European Space Power Conference. 2017. Vol. 16: 07005. DOI: 10.1051/e3sconf/20171607005
10. Ye H., van Zeijl H., Sokolovskij R. et al. Advanced LED package with temperature sensors and microfluidic cooling // 63rd Electronic Components and Technology Conference (28-31 May 2013; Las Vegas, NV, USA), pp. 1920–1925. DOI: 10.1109/ECTC.2013.6575840
11. Li P., Zhao Y.B., Li H.J. et al. Very high external quantum efficiency and wall-plug efficiency 527 nm InGaN green LEDs by MOCVD // Optics Express. 2018. Vol. 26. No. 25, pp. 33108–33115. DOI: 10.1364/OE.26.033108
12. Anand D.K., Hester R.B. Heat pipe applications for spacecraft thermal control. - Johns Hopkins Univ Tech Memo TG-922. 1967.
13. Pearton S.J., Aitkaliyeva A., Xian M. et al. Review—Radiation Damage in Wide and Ultra-Wide Bandgap Semiconductors // ECS Journal of Solid State Science and Technology. 2021. Vol. 10. No. 5: 055008. DOI: 10.1149/2162-8777/abfc23
14. Baba T., Hasbullah N.F., Saidin N.B. Degradation of InGaN LEDs by Proton Radiation // 8th International Conference on Business and Industrial Research (8-19 May 2023; Bangkok, Thailand), pp. 932–936. DOI: 10.1109/ICBIR57571.2023.10147696
15. Bai W., Xuan T., Zhao H. et al. Perovskite Light‐Emitting Diodes with an External Quantum Efficiency Exceeding 30% // Advanced Materials. 2023. Vol. 35. No. 39: 2302283. DOI: 10.1002/adma.202302283
16. Song J., Wang O., Shen H. et al. Over 30% External Quantum Efficiency Light-Emitting Diodes by Engineering Quantum Dot-Assisted Energy Level Match for Hole Transport Layer // Advanced Functional Materials. 2019. Vol. 29. No. 33: 1808377. DOI: 10.1002/adfm.201808377
17. Веиси С., Любимов В.В. Применение генетического алгоритма при моделировании дистанционной подзарядки аккумулятора пассивного спутника посредством световой системы маневренного спутника // XXVI Всероссийский семинар по управлению движением и навигации летательных аппаратов: Сборник трудов семинара (14-16 июня 2023; Самара). Самара: Изд-во Самарского университета, 2023. С. 14–21.
18. Терлецкий Г.С., Зыков А.О., Тайгин В.Б. Анализ конструкций мембранных трансформируемых антенн космических аппаратов // Космические аппараты и технологии. 2022. Т. 6. № 3. С. 149–162. DOI: 10.26732/j.st.2022.3.01
19. Schmid M., Andrae P., Manley P. Plasmonic and photonic scattering and near fields of nanoparticles // Nanoscale Research Letters. 2014. Vol. 9. No. 1: 50. DOI: 10.1186/1556-276X-9-50
20. Muñoz-Acevedo A., Burgos S., Sierra-Castañer M. Performance comparison between serrated edge and rolled edge reflectors inside CATR facilities // 5th European Conference on Antennas and Propagation (11-15 April 2011; Rome, Italy).
21. Papež N., Dallaev R., Ţălu S., Kastyl J. Overview of the Current State of Gallium Arsenide-Based Solar Cells // Materials. 2021. Vol. 14. No. 11, pp. 3075. DOI: 10.3390/ma14113075
22. Yamaguchi M., Takamoto T., Araki K., Kojima N. Recent results for concentrator photovoltaics in Japan // Japanese Journal of Applied Physics. 2016. Vol. 55. No. 4S: 04EA05. DOI: 10.7567/JJAP.55.04EA05
23. Geisz J.F., France R.M., Schulte K.L. et al. Six-junction III–V solar cells with 47.1% conversion efficiency under 143 Suns concentration // Nature Energy. 2020. Vol. 5. No. 4, pp. 326–335. DOI: 10.1038/s41560-020-0598-5
24. Maalouf A., Okoroafor T., Jehl Z. et al. A comprehensive review on life cycle assessment of commercial and emerging thin-film solar cell systems // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2023. Vol. 186. No. 2: 113652. DOI: 10.1016/j.rser.2023.113652
25. Pan X., Ju X., Yuan M. et al. Energy tracing of solar cells for spectral-beam-splitting photovoltaic/thermal (PVT) systems // Applied Energy. 2023. Vol. 345: 121320. DOI: 10.1016/j.apenergy.2023.121320
26. Veisi S., Lyubimov V.V. Utilizing A Genetic Algorithm for Optimization of Two-Impulse Rendezvous Maneuvers Between Spacecraft in the Martian Orbit // Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (14–15 November 2023; Omsk, Russian Federation). 2023. DOI: 10.1109/Dynamics60586.2023.10349672
27. de Soto W., Klein S.A., Beckman W.A. Improvement and validation of a model for photovoltaic array performance // Solar Energy. 2006. Vol. 80. No. 1, pp. 78–88. DOI: 10.1016/j.solener.2005.06.010