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
1 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-Ionen 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 & Themen
Diese Arbeit befasst sich mit der technischen Auslegung und Optimierung von Energieversorgungssystemen (EVS) für Raumfahrzeuge unter Berücksichtigung verschiedener Missionsanforderungen, Orbitparameter und technischer Randbedingungen.
- Grundlagen der Energieerzeugung und -quellen (Fotovoltaik, Solardynamik, Nuklear)
- Prozess der EVS-Architekturauslegung und Anforderungsanalyse
- Vergleich und Bewertung von Hauptversorgungsbuskonzepten (geregelt, ungeregelt, semigeregelt, Hybrid)
- Technologien und Auslegung von Solargeneratoren und Energiespeichern (Batterien)
Auszug aus dem Buch
1.4.1 Hauptversorgungsbuskonzepte
Im Allgemeinen werden Gleichspannungs-Hauptversorgungsbusse konzipiert und nur in Ausnahmefällen wird sich der Wechselspannung zur Versorgung von Verbrauchern bedient.
• Geregelter Versorgungsbus
Der klassische vollständig geregelte Versorgungsbus (BR) erfordert einen wirkungsvollen Regelkreis für die drei Arbeitsbereiche Primärenergieumwandlung und -Transfer (mit DET oder MPPT), Energiespeicherung (Batterieaufladung) und Sekundärenergietransfer (Batterieentladung), um in jedem dieser drei Regelungsmodi und in allen Lastfällen am Versorgungsbus eine permanent stabilisierte Busspannung anbieten zu können.
Bei Raumfahrzeugen gebräuchliche BR-Spannungen sind:
• 28Vdc für Busleistungen bis zu 2.5kW
• 50Vdc für Busleistungen bis zu 8.0kW
• 100Vdc und 124Vdc (ISS Versorgung) für Busleistungen über 8kW
Es wird empfohlen, dass die Busspannung 20Vdc nicht unterschreiten und 125Vdc nicht übersteigen sollte. Busspannungen unter 20Vdc führen leicht zu unhandlichen Stromdichten, während bei Busspannungen über 125Vdc im Raumfahrzeug leicht gefährliche Potentialgradienten erzeugt werden, die besonders während Testverläufen im Teildruckbereich zu Ionisierung von Luftmolekühlen (Plasmabildung) führen und dadurch Korona- und Lichtbogenentladungen hervorrufen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 ENERGIEVERSORGUNG: Einführung in die wesentlichen Funktionsblöcke eines Energieversorgungssystems für Raumfahrzeuge sowie Darstellung der Anforderungen an Robustheit und Autonomie.
1.1 ENERGIEERZEUGUNG: Unterscheidung zwischen extern zugeführter Energie und mitgeführten Energiequellen unter Betrachtung verschiedener Umwandlungsprozesse.
1.2 ENERGIEQUELLEN: Detaillierte Analyse der verfügbaren Energiequellen wie Fotovoltaik, Solardynamik und nukleare Systeme für verschiedene Missionsszenarien.
1.3 ENTWICKLUNGSPROZESS ZUR AUSLEGUNG EINER OPTIMIERTEN EVS ARCHITEKTUR: Beschreibung der notwendigen Arbeitsschritte zur Identifikation von Designanforderungen und zur Kostenoptimierung im EVS-Entwurf.
1.4 EVS ARCHITEKTUREN: Detaillierte Betrachtung verschiedener Buskonzepte, Solargeneratortechnologien und Energiespeichersysteme sowie deren spezifische Vor- und Nachteile.
Schlüsselwörter
Energieversorgungssystem, EVS, Raumfahrzeug, Solargenerator, Batterie, Energiequelle, Busspannung, Fotovoltaik, Leistungsregelung, Missionslebensdauer, Eklipse, Wirkungsgrad, Energieaufbereitung, Batterieladeregelung, Strahlungsverhalten.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die elektrische Energieversorgung von Raumfahrzeugen, von den physikalischen Grundlagen der Energieerzeugung bis hin zu detaillierten Architekturentscheidungen und Auslegungsbetrachtungen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf Energiequellen, EVS-Architekturen, Solargeneratortechnologien, Batterietechnologien und den Designprozessen für zuverlässige Raumfahrt-Energieversorgungssysteme.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Ziel ist es, Methoden und Konzepte aufzuzeigen, um eine robuste, zuverlässige und anwendungsoptimierte EVS-Architektur zu wählen und auszulegen, die den jeweiligen Missionsanforderungen gerecht wird.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es handelt sich um eine fachliche Analyse und Zusammenstellung von ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen, Designstandards und bewährten Architekturen aus der Raumfahrttechnik.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil analysiert im Detail Buskonzepte, Solarzellentechnologien, verschiedene Batterietypen (NiCd, NiH2, Li-Ion), Laderegelungsverfahren sowie grundlegende Aspekte der Energieverteilung und des Schutzes.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie Energieversorgungssystem, EVS, Solargenerator, Batterie, Buskonzepte, Leistungsregelung und Missionsanforderungen charakterisieren.
Warum wird zwischen verschiedenen Versorgungsbuskonzepten unterschieden?
Die Wahl zwischen geregelten, ungeregelten, semigeregelten oder hybriden Bussen hängt stark von den Missionsanforderungen, dem benötigten Gewicht, der Kosteneffizienz und der Art der Verbraucherlasten ab.
Welchen Einfluss hat die Batterietechnologie auf das EVS-Design?
Unterschiedliche Batterietechnologien erfordern spezifische Ladeverfahren und Managementsysteme (z.B. Cell Balancing bei Li-Ion), was die Komplexität und Zuverlässigkeit des gesamten EVS beeinflusst.
Was ist "Power Lockup"?
Power Lockup ist ein Betriebszustand in bestimmten EVS-Topologien, bei dem der Solargenerator durch eine zu niedrige Batteriespannung gezwungen wird, unterhalb des benötigten Leistungsniveaus zu arbeiten, was zum Missionsende führen kann.
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- Reinhard Röder (Author), 2007, Energieversorgung von Raumfahrzeugen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/82336
