Energieversorgung von Raumfahrzeugen

Grundlagen, Architekturen, Entwicklungsprozess, Anwendungsbewertung, Berechnungsgrundlagen, Auslegungsbetrachtungen und Konzeptgegenüberstellungen

Textbook , 2007 , 42 Pages

Engineering - Aerospace Technology

Die elektrische Energieversorgung wird für den Betrieb von allen aktiven Raumfahrzeugsystemen und -Geräten benötigt. Das elektrische Energieversorgungssytem (EVS) eines Raumfahrzeugs schließt die Energieerzeugung, Energieaufbereitung, die Energiespeicherung, den Stromleitungsschutz und die Stromverteilung an die Verbraucher über Niederspannungsbordnetze ein. Die Bordnetze versorgen Raumfahrzeuge in Leistungsbereichen von einigen 10W bis derzeitig ca. 50kW im Netzspannungsbereich von 20 bis 125V. Die voll ausgebaute internationale Raumstation ISS mit einer Leistung von 110 kW bildet bisher eine Ausnahme.
Hochspannungstechnik in Raumfahrzeugen kommt im zunehmenden Maße bei der Versorgung elektrischer Triebwerke zum Einsatz.
Das EVS muss die Versorgung der angeschlossenen Stromverbraucher während aller Missionsphasen des Raumfahrzeugs unter allen angetroffenen Weltraum-Umweltverhältnissen zuverlässig und wartungsfrei sicherstellen.
Eine zumindest bei unbemannten Raumfahrzeugen wichtige Anforderung besteht darin, die Energieversorgung in jedem möglichen Ausfallmodus des Raumfahrzeugs völlig autonom, ohne Betreiberintervention, aufrecht zu erhalten, denn der Verlust der Raumfahrzeugenergie führt fast immer zum irreversiblen Gesamtausfall des Raumfahrzeugs. Die Rückführung des Raumfahrzeugs in den Nominalbetrieb durch Bodenoperationen ist nach einem Ausfall nur möglich, wenn das Telekommunikationssystem und die Bahn- und Lageregelung des Raumfahrzeugs funktionsfähig bleiben.
All dieses erfordert ein gut durchdachtes, robustes und zuverlässiges EVS, das zudem in all seinen Funktionen testbar ist.
Das Buchkapitel beschreibt die Möglichkeiten zur Energieversorgung von Raumfahrzeugen und deren derzeitige Nutzung, sowie die in der Raumfahrt gängigen EVS-Architekturen. Es beschreibt den Entwicklungsprozess und analysiert durch Konzeptgegenüberstellungen die Auslegungskriterien, die beachtet werden müssen, um ein betriebs- und kostenoptimiertes EVS-Design vorlegen zu können. Das Ganze wird durch Berechnungsgrundlagen, anschauliche Bilder, Kennwertetabellen, Funktions- und Kennliniendiagramme sinnvoll unterstützt.
Diese Ausarbeitung ist keine Synthese aus vielen herangezogenen Literaturquellen, sondern ein Extrakt des Wissensfundus des Autors, der sich bereits mehr als zwei Jahrzehnte beruflich mit dem beschriebenen Fachgebiet beschäftigt.

Inhaltsverzeichnis

• ENERGIEVERSORGUNG
  • 1.1 ENERGIEERZEUGUNG.....
  • 1.2 ENERGIEQUELLEN.
    • 1.2.1 Fotovoltaik
    • 1.2.2 Solardynamik.
    • 1.2.3 Nukleare Energieversorgung.
    • 1.2.4 Chemische Energie / Brennstoffzelle.
  • 1.3 ENTWICKLUNGSPROZESS ZUR AUSLEGUNG EINER OPTIMIERTEN EVS ARCHITEKTUR.
    • 1.3.1 Identifikation der EVS Designanforderungen
  • 1.4 EVS ARCHITEKTUREN.......
    • 1.4.1 Hauptversorgungsbuskonzepte..
      • 1.4.1.1 Geregelter Versorgungsbus
      • 1.4.1.2 Ungeregelter Versorgungsbus......
      • 1.4.1.3 Semigeregelter Versorgungsbus
      • 1.4.1.4 Hybrid-Versorgungsbus ...
    • 1.4.2 Solargenerator ........
      • 1.4.2.1 Solarzellentechnologien
      • 1.4.2.2 Silizium-Solarzellen
      • 1.4.2.3 Multijunction Gallium-Arsenid auf Germanium (GaAs/Ge) Solarzellen.
      • 1.4.2.4 Elektrische Kennwerte von Solarzellen
      • 1.4.2.5 Temperatur- und Strahlungsverhalten..
      • 1.4.2.6 Solargenerator-Technologien ..
      • 1.4.2.7 Reihenschaltung von Solarzellen
      • 1.4.2.8 Parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten.
      • 1.4.2.9 Betriebstemperaturen.
      • 1.4.2.10 Elektrostatische Aufladung, Entladung und Durchschlagseffekte.
    • 1.4.3 Energiespeicher
      • 1.4.3.1 Sekundärbatterie-Technologien.
      • 1.4.3.2 Eigenschaften und Lebensdauer.
      • 1.4.3.3 Vergleich der Batterietechnologien
      • 1.4.3.4 Berechnungsgrundlagen zur Auslegung von Batterien.
    • 1.4.4 Batterieladeregelung.......
      • 1.4.4.1 Nickel-Cadmium- und Nickel-Wasserstoff-Batterie
      • 1.4.4.2 Lithium-lonen Batterie...
    • 1.4.5 Grundsätzliche EVS Designbetrachtungen.
      • 1.4.5.1 Busspannung.......
      • 1.4.5.2 Aufbereitung der Solargeneratorenergie.
      • 1.4.5.3 Spannungswandler und Leistungsregler.
      • 1.4.5.4 Erdungskonzept....
      • 1.4.5.5 Maßnahmen zum Schutz des Energieversorgungsbusses.
      • 1.4.5.6 Energieverteilung.

  Zielsetzung und Themenschwerpunkte

  Das Ziel dieses Textes ist es, ein umfassendes Verständnis für die Energieversorgung von Raumfahrzeugen zu vermitteln. Dabei werden sowohl grundlegende Prinzipien als auch fortschrittliche Architekturen, Entwicklungsprozesse und praktische Anwendungsszenarien beleuchtet.

  • Die verschiedenen Energiequellen für Raumfahrzeuge und ihre Eigenschaften.
  • Die Auslegung und Optimierung von EVS-Architekturen für unterschiedliche Missionen.
  • Der Entwicklungsprozess für die Gestaltung eines robusten und zuverlässigen EVS.
  • Die Bedeutung der Energiespeicherung und Batterieladeregelung.
  • Praktische Aspekte des Energiemanagements und der -verteilung in Raumfahrzeugen.

  Zusammenfassung der Kapitel

  Der Text beginnt mit einer Einführung in die Bedeutung der Energieversorgung für Raumfahrzeuge. Es werden verschiedene Energiequellen vorgestellt, darunter Fotovoltaik, Solardynamik, nukleare Energie und Brennstoffzellen. Anschließend wird der Entwicklungsprozess für die Gestaltung eines EVS-Systems beschrieben, einschließlich der Identifikation von Designanforderungen.

  Im weiteren Verlauf werden verschiedene EVS-Architekturen vorgestellt, darunter geregelte, ungeregelte, semigeregelte und Hybrid-Versorgungsbusse. Ein detaillierter Abschnitt befasst sich mit Solargeneratoren, einschließlich verschiedener Solarzellentechnologien, elektrischen Kennwerten, Temperatur- und Strahlungsverhalten, und Betriebstemperaturen.

  Der Text untersucht auch Energiespeicher, insbesondere Sekundärbatterien, ihre Eigenschaften, Lebensdauer und den Vergleich verschiedener Batterietechnologien. Es werden Berechnungsgrundlagen für die Auslegung von Batterien vorgestellt, sowie die Prinzipien der Batterieladeregelung.

  Schließlich werden grundlegende EVS Designbetrachtungen wie Busspannung, Energieverarbeitung, Spannungswandler, Erdungskonzepte und Maßnahmen zum Schutz des Energieversorgungssystems behandelt.

  Schlüsselwörter

  Energieversorgung, Raumfahrzeuge, EVS, Energieerzeugung, Energiequellen, Fotovoltaik, Solardynamik, nukleare Energie, Brennstoffzelle, EVS-Architekturen, geregelter Versorgungsbus, ungeregelter Versorgungsbus, semigeregelter Versorgungsbus, Hybrid-Versorgungsbus, Solargenerator, Solarzellen, Energiespeicher, Sekundärbatterien, Batterieladeregelung, Energiemanagement, Energieverteilung.

• Author: Reinhard Röder (Author)
• Publication Year: 2007
• Pages: 42
• Catalog Number: V82336
• ISBN (eBook): 9783638864169
• Language: German
• Tags: Energieversorgung, Raumfahrzeugen