Аккумуляторные батареи для аэрокосмической области

В аэрокосмической области используют разные устройства, работающие от аккумуляторных батарей. В их числе:

• приборы жизнеобеспечения на МКС;
• инструменты космонавтов;
• ИБП, заряжающиеся от солнечных панелей;
• искусственные спутники Земли – в частности, Starlink и другие спутники связи;
• космические телескопы, исследовательские зонды и другие аппараты для изучения космоса;
• бортовая аппаратура космических систем, получающая питание от солнечных панелей в сочетании с АКБ.

К аккумуляторам для аэрокосмонавтики выдвигаются особые требования. Они должны быть эффективными и долговечными, не бояться ударов, вибраций и воздействия радиации, эффективно работать в условиях невесомости и не выделять вредных веществ. Кроме того, батареи для аэрокосмической области должны иметь высокую удельную емкость – накапливать как можно больше энергии при минимальной массе. Ведь при увеличении массы аппарата значительно возрастает стоимость его запуска в космос.

Эволюция АКБ, применяемых в аэрокосмонавтике

Серебряно-цинковые АКБ

В первых спутниках в роли накопителей энергии выступали серебряно-цинковые аккумуляторы (СЦА). В таблице приведены их основные плюсы и минусы:

При запуске первого искусственного спутника Земли в 1957 году питание его передатчиков обеспечивали СЦА массой порядка 50 кг. Их массовая доля составляла порядка 60% суммарного веса конструкции. В результате аккумуляторы обеспечили постоянную работу передатчиков на протяжении 21 дня.

Также серебряно-цинковые АКБ нашли применение в лунных автомобилях, перевозящих астронавтов по Луне в рамках программы «Аполлон». По расчетам 2 батареи с параметрами 36 В и 120 Ач каждая обеспечивали дальность хода 92 км. Но наибольшая дистанция, которую астронавты преодолели на практике, составила 36 км.

Серебряно-кадмиевые и никель-кадмиевые АКБ

Из-за скромного срока службы серебряно-цинковые батареи со временем уступили первенство более массивным, но долговечным источникам питания – серебряно-кадмиевым и никель-кадмиевым АКБ. Такие накопители энергии использовались на МКС, орбитальной научной станции «Салют», автоматических межпланетных станциях «Марс» и «Венера». Также они обеспечивали электропитание на метеорологическом спутнике «Метеор», спутнике связи «Молния», космическом аппарате «Надежда», спутнике «Космос» и других проектах.

По удельным характеристикам серебряно-кадмиевые аккумуляторы уступают серебряно-цинковым моделям, зато превосходят их по сроку службы:

• удельная энергоемкость 45–90 Вт·ч/кг, ≈120 Вт·ч/дм³;
• ЭДС 1,6 В;
• допустимый температурный диапазон от -30 до +50 °С;
• ресурс от 3000 до 6000 циклов заряд-разряд.

Использование кадмиевых АКБ по максимуму ограничено из-за высокой токсичности кадмия. Но в сферах, где нужно обеспечить стабильное питание и надежную работу мощным устройствам, Ni-Cd аккумуляторы все еще остаются конкурентоспособными. В частности, они используются в роли бортовых АКБ самолетов и вертолетов.

Основные характеристики Ni-Cd аккумуляторов:

• ЭДС ≈ 1,37 В, рабочее напряжение 1,35–1 В;
• удельная энергоемкость ≈ 45–65 Вт·ч/кг, ≈50–150 Вт·ч/дм³;
• низкое внутреннее сопротивление;
• высокая токоотдача;
• отсутствие нагрева при зарядке большим током;
• удельная мощность до 500 Вт/кг;
• ресурс 100–900 циклов, а у современных промышленных моделей – до 25 лет;
• допустимость хранения в разряженном состоянии;
• стабильная работа при температуре от -50 до +40 °С;
• незначительный саморазряд – до 10% в месяц;
• прочный герметичный корпус, выдерживающий внутреннее давление газов в сложных условиях эксплуатации;
• несклонность к возгоранию при разгерметизации.

Никель-водородные аккумуляторы

Такие ХИТ получили развитие в 1970 году и впервые были применены в 1977 году на борту спутника NTS-2 ВМС США. В дальнейшем масштабы использования никель-водородных АКБ в аэрокосмической области значительно расширились.

В частности, такими накопителями оснащали МКС, космический аппарат Messenger, орбитальный аппарат НАСА «Марс Одиссей», автоматическую межпланетную станцию «Марс Глобал Сервейор» и Марсианский разведывательный спутник MRO. Такие же ХИТ применялись на телескопе-рефлекторе «Хаббл», причем срок их службы до замены в 2009 году составил рекордные 19 лет.

Главные преимущества АКБ с типом химии Ni-H₂ – хорошая удельная энергоемкость (75 Вт·ч/кг, 60 Вт·ч/дм³) и впечатляющий ресурс (свыше 20 000 циклов, более 15 лет работы). Напряжение на их контактах равно 1,55 В, разрядное напряжение – 1,25 В. К минусам Ni-H₂ аккумуляторов относится использование дорогих сосудов и большой саморазряд, который уменьшается при низких температурах.

Никель-металлогидридные АКБ

Развитие и совершенствование источников питания этого типа началось в конце 1980-х. Характеристики Ni-MH моделей различны в зависимости от технологии их изготовления и назначения, а применяются они повсеместно – от медтехники до электромобилей, от радиоаппаратуры и фонарей до систем автономного энергоснабжения и ракетно-космической техники.

Ni-MH аккумуляторы имеют экологически безопасный состав, высокую удельную энергоемкость и мощность, но скромный ресурс. Их ориентировочные характеристики:

• удельная энергоемкость ≈70 Вт·ч/кг или 150 Вт·ч/дм³;
• ЭДС 1,25 В;
• температурный диапазон от -60 до +55 °С;
• ресурс 300–1000 циклов;
• саморазряд до 100% в год – примерно вдвое выше, чем у Ni-Cd;
• у лучших моделей, в т. ч. используемых в аэрокосмической области, – незначительное снижение мощности на морозе (при -20 °С – максимум на 12%), низкое внутреннее сопротивление, высокая токоотдача, совместимость с мощной техникой, стабильное рабочее напряжение, ресурс до 1500 циклов.

Литий-ионные аккумуляторы

С 1990-х годов в открытом космосе начали использовать Li-ion батареи. Эти легкие, высокоэффективные источники питания стали основным выбором для спутников и разнообразных космических систем. Они и сейчас обеспечивают автономное питание лунных зондов, геостационарных спутников, аппаратов на низко- и средневысотной околоземной орбите.

Для литий-ионных элементов характерны:

• номинальное напряжение 3,6 В;
• рабочий диапазон – от 2,5 до 4,2 В;
• удельная энергоемкость ≈ 118–165 Вт·ч/кг;
• ресурс – до 1000 циклов, 5–6 лет;
• высокая токоотдача;
• КПД 95%;
• низкий саморазряд;
• температурный диапазон от −20 до +60 °C.

В зависимости от химического состава, Li-ion элементы питания делятся на подвиды, значительно различающиеся своими характеристиками и возможностями использования.

Современные требования к АКБ для аэрокосмонавтики

Сейчас в космических программах применяются батареи разных типов: Li-ion, Li-MnO2, Li-SO2, LiSOCl2, Ni-Cd, Ni-H2. Преимущественно они выступают резервными источниками питания на случай, когда космические аппараты пребывают в тени и не получают энергию от солнечных панелей. От аккумуляторных батарей для аэрокосмической области требуются:

1. Долгий срок службы – особенно важный параметр для аппаратов, используемых на низких планетарных орбитах.
2. Компактность и легкий вес – например, применение на телекоммуникационных спутниках Li-ion аккумуляторов вместо батарей предыдущих поколений позволяет снизить массу аккумуляторной сборки на 300 кг.
3. Высокая удельная энергоемкость – этому требованию максимально соответствуют Li-ion аккумуляторы.
4. Наличие эффективной системы предохранителей и защиты электронных блоков автоматики. Такие системы контролируют параметры батареи, управляют процессом заряда-разряда, не допускают разбаланса напряжений по элементам.
5. Снижение рабочих температур – в частности, для АКБ роуверов и посадочных аппаратов.
6. Способность стабильно работать в нужном диапазоне температур – в предстоящих программах температуры могут колебаться в от -150 °C до +450 °C.
7. Способность работать при повышенном радиационном фоне.

Преимущества литий-титанатных АКБ

Литий-титанатные (LTO) аккумуляторы – очень перспективный подвид Li-ion элементов питания, и по многим параметрам они отлично подходят для использования в аэрокосмической области. Замена графита в аноде на пентатитанат лития обеспечила значительное увеличение площади поверхности анода и весомые изменения в технических характеристиках:

• удельная энергоемкость ≈ 100 Вт·ч/кг;
• ресурс свыше 15 000 циклов;
• температурный диапазон от -60 до +60 °C;
• минимальное внутреннее сопротивление;
• возможность использования сверхбыстрого заряда;
• незначительный саморазряд – ≈ 0,02 % в сутки;
• КПД сохранения энергии, вырабатываемой солнечными панелями, – 96%;
• номинальное напряжение 2,3 В;
• рабочие напряжения – от 1,6 до 2,7 В;
• соответствие высоким требованиям безопасности – при пробитии не случается возгорания;
• способность переносить огромные нагрузки.

Выводы

Идеальных аккумуляторов для современной аэрокосмонавтики пока не создали. Но есть немало перспективных научных разработок, которые в будущем могут стать гениальным решением этой трудновыполнимой задачи. А пока ученые совершенствуют имеющиеся технологии и ищут принципиально новые материалы для электродов, экспериментируют с литий-серными аккумуляторами (Li-S) и другими инновационными разработками, наилучшим выбором для оснащения космической техники остаются Li-ion элементы.

В предыдущей статье блога VirtusTec.ru мы рассказали о проектировании литий-ионных АКБ на заказ.