Электропитание современных спутников связи

[anovikov]

Каков в настоящее время мировой рекорд по доступной на спутнике электрической мощности (вт/кг сухого веса)?

Изучал вопрос о электрореактивных межорбитальных буксирах, выходило что в сравнении со спутниками 80-х буксир должен иметь в 2-5 раз большую удельную мощность чтобы обеспечить перелеты в разумное время при существенной экономии массы по сравнению с химическими двигателями (6-12 месяцев на низкую окололунную орбиту с низкой околоземной). Интересно будет глянуть, какова ситуация сейчас.

Ситуацию осложняет то, что для спутников связи обычно дается end-of-life мощность, а не начальная - очевидно что у одноразовго буксира за полгода-год работы деградация мощности будет незначительной в сравнении со спутником связи работающим 10-15 лет, интересно бы узнать именно для начальной мощности!

[...а с платформы говорят:]

DirecTV-10, 11, 12 - 3715 кг сухой массы при 18 кВт (в начале ресурса). Платформа BSS-702 (реконструированная)
EchoStar 3 - 1325 кг при 10 кВт начальных. Платформа A2100AX
Hot Bird 7A - 1740 кг при 10 кВт начальных. Платформа Spacebus-3000B3
Intelsat 12 - 1717 кг при 12 кВт начальных. Платформа LS-1300
Thaicom 4/ IPStar 1 - 3400 кг (до прошлогоднего TerreStar-1 это был самый тяжелый гражданский связник на ГСО) при 17.6 кВт начальных. Платформа LS-1300S

[anovikov]

В общем выходит 7-8 ватт на килограмм. Получается, что учитывая очень маленькую массу двигателей типа VASIMR (около 1% массы спутника такой же мощности) и исключении целевого оборудования - ретрансляторов - 10 ватт на килограмм реально. То есть сухой вес ступени, способной обеспечить энергией 200-КВт VASIMR с тягой 0.5 кг, будет 20 тонн. Значит полный вес сборки - выходит 100 тонн, если больше 20% приходится на сухой вес ступени то смысла маловато. Приращение скорости 4.3 м/с в сутки, то есть на типичную межорбитальную траекторию "LEO-LLR" учитывая земную тень которая будет сильно мешать вначале, потребуется около 3.5 лет, что определенно перебор. Если выкрутить удельный импульс до обеспечивающего годовую траекторию, выгода по ПН получается уже относительно небольшой (45% от массы на LEO против 32% у гипотетической ступени с хранимым 3 суток кислородно-водородным топливом, уи 462 с и относительным весом 10%), разница в 40% скорее всего не стоит свеч - а перелет длиннее года это перебор. Вот при увеличении удельной мощности буксира в 2 раза - до 20 вт/кг - выходит определенное преимущество, 61% от стартовой массы на низкой окололунной орбите - 19% топливо и 20% ступень - причем если прооптимизировать выйдет еще лучше.

Реально ли без каких-то особенных прорывов улучшение энерговооруженности спутников в 2 раза?

[Azteckium]

Если про абстрактную электрическую мощность, у полониевых изотопных источников - 140 вт/гр, у ядерных реакторов 15 Квт/т.

[anovikov]

Столько полония думаю на Земле не наработано еще... Да и проблема отвода тепла при увеличении размера источника станет нерешаемой.

Думаю достаточно очевидно что в ближайшие десятилетия никаких ядерных реакторов в космосе не будет.

Попробовал на коленке пооптимизировать - в примере выше я похоже, попал достаточно близко к оптимальной точке, наивыгоднейшее соотношение ПН к массе на низкой орбите при массе сухой ступени в 18%, чуть больше 61% ПН на низкой окололунной при старте с низкой околоземной, рабочее тело 21%. При энерговооруженности как у нынешних спутников - при 24%, масса ПН составит 46%, рабочее тело 30%.

[Pova]

Хоть я и не фанат использования СБ в таких делах, но уверен, что без всяких проблем можно увеличить энерговооруженность раза в 3, так как не требуется работа в течение 15 лет, как я понял...
Лучше найти вес панели СБ МКС...

[anovikov]

На МКС как раз очень тяжелые и кондовые батареи. Там вся мощность электропитания 130 КВт на 370 тонн веса, т.е. на порядок меньше энерговооруженность чем у спутников, можно было не мелочиться.

[Azteckium]

Столько полония думаю на Земле не наработано еще... Да и проблема отвода тепла при увеличении размера источника станет нерешаемой.
Думаю достаточно очевидно что в ближайшие десятилетия никаких ядерных реакторов в космосе не будет.

Дык, вопрос-то был про рекорд

Думаю достаточно очевидно что в ближайшие десятилетия никаких ядерных реакторов в космосе не будет.

Вроде как разрабатывают их сейчас и у нас, и в Штатах

[anovikov]

Разрабатывают их уже более полувека как. Просто "прогрессивная общественность" этого не допустит. Кроме того, реальной потребности нет. Сверхмощных энергоустановок на орбите сейчас нет потому что они не нужны, нужны будут - куда проще довести СБ на складных линейных линзах Френеля, которые в стендовых образцах, работавших в т.ч. и в вакуумных камерах и проходивших другие испытания на пригодность к космосу, давали 300 вт/кг - реактор по любому не переплюнет (это больше удеальной мощности земных реакторов на АЭС и подлодках). Вполне очевидно что сделать сколько угодно сложную солнечную батарею проще, и она будет безопаснее и надежнее чем реактор.

[anovikov]

А где найти-то?
Про Россию не очень интересно, нарисовать все можно - в то же что что-то может быть создано в этой стране реально давно уже нет никаких причин верить, максимум деньги распилят. Какие там реакторы, кофе варить никак не могут научиться...

[Azteckium]

Кроме того, реальной потребности нет. Сверхмощных энергоустановок на орбите сейчас нет потому что они не нужны,

Во-во, зачем они нужны-то?
Вопрос даже не в количестве электроэнергии, а в том, как ее дальше преобразовывать и отводить тепло- с этим проблемы.

[anovikov]

В общем, да. Технически "космические" СБ с выходом 150-300 вт/кг созданы, их доводка до летающего в космосе состояния - вопрос несомненно более простой, чем создание хотя бы самого завалящего космического реактора. Электричества на единицу веса они будут производить больше, стоить будут дешевле...

[Pova]

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_panels_on_spacecraft

Power Available

In 2005 Rigid-Panel Stretched Lens Arrays were producing 7 kW per wing. Solar arrays producing 300 W/kg and 300 W/m² from the sun's 1366 W/m² energy near the Earth are available. Entech Inc. hopes to develop 100 kW panels by 2010 and 1 MW panels by 2015

Сверхлегкие солнечные батареи на базе бескаркасных пленочных конструкций, формируемых центробежными силами, для широкого класса космических аппаратов:
http://www.icsti.su/base/base2/tec/0059.shtml

Безумно интересная ПДФ-ка:
http://slasr.com/Papers/STAIF04.pdf

Abstract. The state of the art for currently flying space solar photovoltaic arrays is represented by the following
key metrics: Areal Power: < 300 W/m2, Specific Power: < 60 W/kg and Operating Voltage: < 200 V. To enable the
most ambitious and challenging space missions 10-20 years in the future, each of these performance metrics must be
improved dramatically. Only one future solar array technology has the potential to simultaneously extend all of these
performance metrics: ultra-light refractive concentrator array technology. Under NASA funding, our team has
recently developed a near-term rigid-panel concentrator array with the following excellent metrics: Areal Power:
> 300 W/m2, Specific Power: > 180 W/kg, and Operating Voltage: > 500 V. More recently, under NASA and NSF
funding, our team has been investigating longer term versions of the same basic technology, and has identified a path to
the following revolutionary metrics: Areal Power: > 600 W/m2, Specific Power: > 1,000 W/kg, Operating Voltage:
> 1,000 V. In addition to these breakthrough performance metrics, the cost ($/W) of the far-term ultra-light
concentrator will be much lower than for competing approaches, the stowed power at launch will be unprecedented at
more than 100 kW/m3, and the array capacity will be extended from the current limit of about 30 kW to 100 kW and,
eventually, to multi-MW systems. The paper describes the ultra-light concentrator technology, including the
developmental road map to achieve the mission-enabling far-term performance metrics summarized above

[bob]

Cпасибо, ув. anovikov. Хорошая тема. Вывешу на портал.