Разработка байпасного устройства аккумуляторных батарей космического назначения с термомеханическим преобразователем на основе материала с эффектом памяти формы

На правах рукописи

Проценко Николай Александрович Разработка байпасного устройства аккумуляторных батарей космического назначения с термомеханическим преобразователем на основе материала с эффектом памяти формы 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты 05.16.09 – Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 2013 г.

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный технологический университет»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Бледнова Жесфина Михайловна

Официальные оппоненты: Букреев Виктор Григорьевич, доктор технических наук, профессор.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет, кафедра электропривода и электрооборудования, профессор Тарасов Сергей Юльевич, доктор технических наук.

Институт физики прочности и материалове дения Сибирского отделения РАН, лабора тория физики упрочнения поверхности, старший научный сотрудник

Ведущая организация: ОАО «НПЦ «Полюс», г. Томск

Защита состоится 30 апреля 2013 года в 15 часов на заседании диссерта ционного совета Д212.269.11 при Национальном исследовательском Томском политехническом университете по адресу: 634050, г. Томск, ул. Усова, 7, аудитория 217.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского Томского политехнического университета.

Автореферат разослан 29 марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного Ю.Н. Дементьев совета к.т.н., доцент

Общая характеристика работы

Актуальность. Система электропитания бортовых систем космических аппаратов (КА) – жизненно важный элемент обеспечения их надежной работы.

Все возрастающие требования к удельным весовым характеристикам бортовых источников питания и увеличение срока их активного существования вызывают необходимость поиска новых путей решения этой задачи, новых материалов и технологий. Наиболее энергоемкими среди всех перезаряжаемых химических источников тока являются литий-ионные аккумуляторы (ЛИА). Для обеспече ния безотказной работы аккумуляторных батарей (АБ) космического аппарата необходимо предусматривать байпасные устройства (БУ), парирующие отказ неисправного аккумулятора. Использование низковольтных контактов в каче стве коммутаторов БУ для переключения силовых цепей АБ при локализации аварийных ЛИА является наиболее эффективным решением.

Исследованиями физических явлений в низковольтных сильноточных кон тактах, созданием технологий их изготовления и условиями работы в вакууме занимались известные ученые и конструкторы: Р. Хольм, И.С. Таев, О.Б. Брон, Б.К. Буль, В.В. Усов, И.В. Крагельский, С.Б. Айнбиндер и др. Однако до насто ящего времени отсутствуют промышленно выпускаемые байпасные устройства, обеспечивающих высоконадежное отключение аварийного ЛИА в течение все го срока активного существования космического аппарата с предварительным тестированием в производственных условиях.

Важным фактором при эксплуатации БУ является влияние переходного электрического сопротивления контактов, значение которого определяется не только конструкцией и характеристиками используемых материалов, но и тех нологией изготовления элементов байпасного устройства с учетом тепловыде ления и КПД аккумуляторных батарей.

Кроме того, существующие в настоящее время БУ отечественного и зару бежного производства имеют принципиальный недостаток - невозможность об ратимой проверки работоспособности на стадии изготовления и приемо сдаточных испытаний. Эта задача может быть решена за счет использования функциональных материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) в термомехани ческом преобразователе фиксатора, разрешающего переключение силовых кон тактов байпасного устройства.

Значительный вклад в теоретические исследования материалов с ЭПФ и прикладные аспекты их реализации в различных изделиях внесен российскими (М.И. Алымов, В.А. Андреев, С.П. Беляев, А.Е. Волков, В.Г. Курдюмов, В.А.

Лихачев, А.И. Лотков, Н.А. Махутов, А.А. Мовчан, А.И. Разов, Н.Н. Реснина, В.Г. Пушин, В.Е. Панин, С.Д. Прокошкин, В.Н. Хачин, М.А. Хусаинов, С.В.

Шишкин и др.) и зарубежными учеными (С.М. Вейман, О. Ооцука, Э. Хорнбо ген и др.).

Однако отсутствие оптимальной технологии изготовления силовых эле ментов из материалов с эффектом памяти формы служит препятствием при ми нимизации массогабаритных параметров термомеханического преобразователя БУ.

Таким образом, актуальными задачами являются: создание новых кон струкций байпасных устройств, повышающих уровень эксплуатационной без опасности функционирования ЛИАБ космических аппаратов;

пути улучшения технологии изготовления элементов БУ, обеспечивающие необходимые харак теристик срабатывания силовых контактов.

Объектом исследования является байпасное устройство для коммутации электрических цепей литий-ионной аккумуляторной батареи космического ап парата.

Предметом исследования является конструкция байпасного устройства литий-ионной аккумуляторной батареи и технологии изготовления его элемен тов.

Цель работы состоит в улучшении характеристик байпасного устройства, гарантирующего необходимый уровень надежности литий-ионных аккумуля торных батарей космического назначения в процессе эксплуатации.

Задачи исследования:

- анализ особенностей и тенденция развития байпасных устройств ЛИАБ космического назначения, формулировка путей повышения эксплуатационных характеристик;

- разработка тепловой модели ЛИАБ для определения необходимого вре мени срабатывания БУ и максимальной допустимой температуры термомеха нического преобразователя из материала с ЭПФ с экспериментальной провер кой расчетных значений;

- разработка новых конструктивно-технологических решений БУ с термо механическими преобразователями на основе современных материалов и тех нологий;

- разработка математических моделей усилий исполнительного механизма и силовых контактов БУ;

- разработка технологии изготовления силовой контактной группы для снижения переходного сопротивления;

- решение задачи оценки реактивных усилий и напряжений в упругом тер момеханическом элементе из материалов с ЭПФ;

- разработка технологии изготовления термомеханического преобразовате ля с оптимизацией режимов обработки материала с ЭПФ;

- экспериментальная проверка БУ на устойчивость к воздействию эксплуа тационных факторов с оценкой вероятности безотказной работы предложенных конструктивно-технологических решений.

Методы исследования. В диссертационной работе использовались: тео рия электрических аппаратов, технология машиностроения, физическое и ма тематическое моделирование, электронная микроскопия и физические методы исследования. Оценка адекватности результатов теоретических исследований осуществлялась на экспериментальных стендах и опытных образцах байпасно го устройства.

Достоверность полученных результатов исследований обеспечивается использованием современного оборудования и методов исследования, а также согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследова ний, сравнительной оценкой с результатами работ других авторов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны конструкции байпасного устройства с термомеханическим преобразователем на основе материала с эффектом памяти формы, позволяю щие обеспечить многократную проверку работоспособности на стадии изготов ления и испытаний при заданной вероятности безотказной работы в процессе эксплуатации устройства;

- предложены модели усилий исполнительного механизма и силовых кон тактов байпасного устройства, учитывающие условия возникновения искровых разрядов и дуги между подвижным и неподвижными контактами;

- оптимизированы режимы термообработки материала с эффектом памяти формы, обеспечивающие максимальное усилие при перемещении фиксатора исполнительного механизма байпасного устройства.

Практическая ценность работы:

- разработана технология изготовления силовой контактной группы бай пасного устройства, позволяющая получить минимальное переходное сопро тивление контактов;

- предложена технология изготовления термомеханического преобразова теля байпасного устройства, сочетающая классическую технологию изготовле ния пружин с технологией производства изделий из материалов с эффектом памяти формы;

- разработана тепловая модель, позволяющая определить граничные значе ния температур фазовых превращений материала с ЭПФ для термомеханиче ского преобразователя, учитывающая характеристики среды в КА.

Основные защищаемые положения:

- конструкции БУ с термомеханическим преобразователем на основе мате риала с ЭПФ, впервые позволившие обеспечить многократную проверку рабо тоспособности на стадии изготовления и испытаний при заданном уровне веро ятности безотказной работы устройства;

- модели усилий исполнительного механизма и силовых контактов БУ, учитывающие динамический характер условий возникновения искровых разря дов и дуги между подвижным и неподвижными контактами;

- тепловая модель ЛИАБ, позволяющая определить предельно допустимое время переключения БУ и граничные значения температуры фазовых перехо дов материала с ЭПФ, используемого в термомеханическом преобразователе байпасного устройства ЛИАБ космического назначения;

- технология изготовления силовой контактной группы БУ, позволяющая получить минимальное переходное сопротивление контактов;

- технология изготовления термомеханического преобразователя, сочета ющая классическую технологию изготовления пружин с технологией произ водства изделий из материалов с ЭПФ для обеспечения оптимальных реактив ных усилий.

Реализация результатов работы. Работа выполнялась в рамках Феде ральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно - технологического комплекса России на 2007 2012 годы»;

Федеральной космической программы России на 2006-2015 годы, (подраздел: перспективные технологии и обеспечение надежности ракетно космической техники), предусматривающей разработку интеллектуальных дат чиков, новых конструкционных и функциональных материалов, систем измере ния, контроля, диагностики и аварийной защиты ракетно-космической техники, а также повышение надежности космических комплексов;

при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (проекты 2.1.2/6803 2009 2010 гг. и 2.1.2/9426-2011г.) по НИР «Разработка физико-технологических ос нов создания высоконадежных электромеханических устройств с использова нием материалов с памятью формы для обеспечения эффективной и надежной работы литий-ионных аккумуляторных батарей космического назначения».

Разработанное БУ внедрено в производство на ОАО «Сатурн» (г. Красно дар) и используется для локализации неисправных аккумуляторов ЛИАБ кос мических аппаратов «Глонасс – К2». Результаты исследований также исполь зуются в учебном процессе при подготовке студентов Кубанского государ ственного технологического университета по направлению «Конструкторско технологическое обеспечение машиностроительных производств» по курсу «Механика материалов и конструкций».

Апробация результатов диссертации. Результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: II Всероссийской конференции «Ин формационные технологии в авиационной и космической технике - 2009» М.:

МАИ, 2009 г.;

IV Российской научно-технической конференции «Ресурс и диа гностика материалов и конструкций», Екатеринбург, 2009;

III Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» DFMN-2009, ИМЕТ им. А.А. Байкова, Москва, 2009;

международной конферен ции «Актуальные проблемы прочности» Витебск 2012;

Международной конфе ренции «Живучесть и конструкционное материаловедение» М.: ИМАШ РАН, 2012;

European Symposium on Martensitic Transformations ESOMAT-2012;

Все российской конференции «Безопасность и живучесть технических систем», Красноярск, 2009, 2012;

XVIII научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства», Томск, 2010;

Всероссийской научно-практической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии в машиностроении», Самара, 2010;

научно-технических семинарах кафедры электропривода и электрооборудования Национального исследователь ского Томского политехнического университета.

Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 25 пуб ликациях, в том числе: 5 в научно-технических журналах, определенных переч нем ВАК, 2-х патентах РФ на изобретение и решении на выдачу патента на по лезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 167 страницах, состоит из введения, пяти глав, заключения, перечня литерату ры и приложения, в том числе 78 рисунков, 20 таблиц, перечня литературы из 76 наименований и 3-х приложений на 3-х страницах.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность выполняемой разработки, сформу лирована цель диссертационной работы, научная новизна и практическая цен ность исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту, представлена структура диссертации.

В первой главе выполнен анализ отказов ЛИА в АБ космического аппара та, которые парируются байпасным устройством путем создания обводной электрической цепи неисправного аккумулятора. Обзор известных конструкций промышленно выпускаемых БУ (NEA (США) для SAFT (Франция), Mitsubishi Electric (Япония), НПЦ «Полюс» (Россия)), используемых для оснащения ЛИАБ КА, отражает их существенный недостаток – невозможность проверки срабатывания каждого образца устройства на этапе приемо-сдаточных испыта ний перед установкой в ЛИАБ, что повышает вероятность отказа этого узла.

Определены основные требования, предъявляемые к байпасному устрой ству ЛИАБ космических аппаратов: обеспечение максимальной надежности срабатывания БУ с возможностью проверки его работоспособности при мини мальных массогабаритных характеристиках;

контактная группа БУ должна иметь минимальное переходное сопротивление и обеспечить неразрывность электрической цепи батареи во время переключения силовых контактов (табл. 1).

Таблица 1 - Количественная оценка требований предъявляемых к БУ кос мического аппарата.

Для выполнения требования Переходное сопротивление силовой кон 500 возможности проведения проб тактной группы, не более, мкОм:

ных срабатываний БУ при сохра Масса, не более, г, нении высоких удельных мас Время переключения, не более, мс 0, Вероятность безотказной работы, не хуже 0,999 согабаритных характеристик предложено использовать термомеханический преобразователь из сплава с ЭПФ в конструкции фиксатора исполнительного механизма. Материалы ЭПФ обладают значительным циклическим ресурсом, что обеспечивает проведение всех наземных испытаний и гарантирует активацию БУ на орбите в составе космического аппарата.

Среди существующих силовых элементов термомеханических преобразо вателей наиболее рациональными для использования в конструкции БУ ЛИАБ являются пружины витые и тарельчатые из материалов с ЭПФ. В тарельчатой пружине инициирование памяти формы осуществляется плоским нагреватель ным элементом, установленным между несколькими пружинами, а в витых пружинах различной конструкции – пропусканием тока управления при нали чии электроизоляционного слоя между витками.

Вторая глава содержит анализ тепловых режимов работы ЛИАБ в про цессе эксплуатации, которые могут оказать существенное влияние на работо способность БУ, в частности, на возможность ложного срабатывания термоме ханического преобразователя. В космическом аппарате интенсивность нагрева элементов аккумуляторной батареи определяется теплоемкостями, тепловыми связями элементов и мощностью тепловыделения с учетом температуры окру жающей среды. Мощность тепловыделения, в свою очередь, существенно зави сит от времени короткого замыкания байпасным устройством неисправного ак кумулятора.

Для оценки теплофизических параметров аккумулятора разработана энер гобалансная модель ЛИА, основанная на уравнении энергетического баланса:

WT = (U ЛИА U ТН ) I (1) где: WТ - мощность тепловыделения аккумулятора при циклировании;

U ЛИА напряжение, соответствующее текущей температуре аккумулятора;

U ТН - тер монейтральное напряжение;

I - ток, протекающий через аккумулятор (имеет положительное значение при заряде ЛИА).

При определении мощности WТ тепловыделения аккумулятора в циклах «заряд-разряд» предполагается, что КПД в процессе заряда ЛИА принимает максимальное значение, а ток саморазряда пренебрежимо мал.

На основе экспериментальных и теоретических исследований установ лено, что такие параметры аккумуля тора, как зарядное RЗ и разрядное RP сопротивления, определяющие уста новившиеся значения напряжения ак кумулятора, существенно зависят от температуры (рис.1).

При этом вольт-амперную харак теристику аккумулятора для разных Рис. 1 Зависимость внутреннего сопротив- температур, с определенной точно ления аккумуляторов типа ЛИГП-25 стью, можно аппроксимировать ли (ОАО «Сатурн») от температуры нейной зависимостью (рис. 2).

Изменение температуры литий-ионного аккумулятора можно рассчитать по уравнению теплового баланса, используя циклограмму тепловыделения, по формуле (1) при известных значениях теплового сопротивления RЛИА и тепло емкости C ЛИА :

dT (T TTП ) WT = CЛИА +, (2) dt RЛИА где: T - температура аккумулятора;

TTП – температура термоплаты.

Идентификация параметров теп ловой модели ЛИА проводилась мето дом подбора по результатам испытаний на примере опытного образца батареи 6ЛИ-25. На рис. 3 схематично пред ставлена конструкция АБ 6ЛИ-25 с установленными термодатчиками. Для испытаний АБ помещается в зарядно Рис. 2 Напряжения аккумуляторов типа разрядный стенд с регулируемой тем ЛИГП-25 (ОАО «Сатурн») при степени пературой термоплаты. Тепловое со заряженности равной 0,5 противление RЛИА для каждого указан ного ЛИА определялось интегрированием по последним нескольким режим ным циклам «заряд – разряд» до момента отключения (достижения стабилиза ции температуры АБ). Значения C ЛИА и U TH определялись подбором их значе ний при решении уравнения (1) в сравнении с экспериментальными кривыми.

Критериями работоспособно сти БУ является время его срабаты вание, при котором возникающее вследствие короткого замыкания тепловыделение в объеме ЛИА не приводит к значениям температур соседних ЛИА выше 90°C и зна чению температуры медного про вода в районе борна выше 100°C.

Ограничение по температуре про вода в районе борна определено из соображений сохранения герметич ности ЛИА и локализации неис Рис. 3 Расположение термодатчиков на правности.

АБ 6ЛИ- При моделировании тепловых процессов в ЛИАБ приняты следующие допущения: задача распределения тем пературы в системе решается в двумерной области и рассматривается фрагмент АБ, состоящий из одного ряда ЛИА, в числе которых находится ЛИА с корот ким замыканием (рис.4);

ЛИА с КЗ является крайним и теплопередача через провод от ЛИА с к.з. осуществляется к одному соседнему аккумулятору;

в со ответствии с энергобалансной моделью ЛИА в расчетах используется усред ненная по объему ЛИА (в каждый интервал времени) температура;

блок элек тродов занимает весь внутренний объем ЛИА;

в районе борна и БУ теплофизи ческие характеристики элементов определяется только массогабаритными ха рактеристиками силовых проводов.

а) б) Рис. 4 Схема расположения ЛИА в АБ – а);

расчетная сетка для решения уравнения теплопроводности – (б) Результаты моделирования тепловых процессов в ЛИАБ в случае отказа одного из аккумуляторов на основе разработанной модели представлены на рис. 5. Максимальный нагрев провода в районе борна ЛИА с к.з. происходит в момент окончания работы БУ (рис. 5) при t БУ = 3 с. Поэтому оптимальным значением критерия безопасной работы БУ следует считать время срабатыва ния tБУ 2 3 с. Тепловая модель ЛИА позволяет достаточно точно прогнози ровать мощность тепловыделений при разных режимах эксплуатации АБ. Мо дель адекватна для аккумуляторов, полученных масштабированием, в кон струкции которых использованы одинаковые материалы электрохимической группы.

В результате детального анали за режимов работы и конструкций аккумуляторных батарей и БУ с учетом температур хранения и экс плуатации АБ определена мини мальная температура начала обрат ного мартенситного превращения в материале с ЭПФ термомеханиче ского преобразователя БУ, которая составила 80°C и максимальная температура конца данного фазово го перехода, примерно 120°C. На Рис. 5 Температура провода в районе борна и основе анализа источников инфор температура исправного ЛИА мации для термопреобразователя БУ рекомендован сплав на основе TiNi, по составу, близкий к эквиатомному. Из менение интервала мартенситных превращений сплава на основе TiNi регули ровалось термомеханической обработкой.

В третьей главе предложены конструкции исполнительного механизма и силовой контактной группы БУ. Байпасное устройство (рис. 6) состоит из кор пуса 1 с рабочей пружиной 2, штока 3 с подвижным контактом 4, неподвижных контактов 5, штока фиксатора 6, термомеханического преобразователя на осно ве термочувствительного элемента с ЭПФ 7, электрического нагревательного элемента 8.

При выходе из строя или снижении характеристик аккумулятора на электро нагревательный элемент 8 соответству ющего БУ подается напряжение, термо механический преобразователь 7 нагре вается. При фазовом переходе преобразо ватель 7 генерирует механические усилия и перемещает шток фиксатора 6 вниз, освобождая путь движению штока 3 с подвижным контактом 4 под действием рабочей пружины 2. Подвижный контакт 4, на определенный промежуток времени, замыкает нормально разомкнутые кон Рис. 6 Байпасное устройство с силовым такты К2, а затем размыкает нормально элементом в форме тарельчатых пру замкнутые контакты К1. При этом общая жин (патент № 2415489) цепь соединения аккумуляторов не раз рывается в процессе переключения. Этот вариант БУ имеет существенное пре имущество перед аналогичными устройствами других производителей. Отли чительная особенность конструкции заключается в том, что исполнительный механизм и фиксатор выделены в отдельные узлы, движение которых осу ществляется последовательно и независимо друг от друга. Скорость перемеще ния исполнительного механизма и такой важный параметр как время КЗ ЛИА не зависят от времени разогрева термомеханического преобразователя и скоро сти перемещения фиксатора, а определяется скоростью движения штока и ли нейным размером установленного на нем подвижного контакта.

Расчет силового элемента БУ в форме тарельчатых пружин из сплава TiNi, выполненный с использованием термомеханической диаграммы, показал, что для обеспечения необходимого перемещения штока = 2, 4мм достаточно двух колец (размеры: толщина тарельчатой пружины h = 0,5 мм, внутренний R1 = 2 мм, радиус и наружный радиус R2 = 8 мм при коэффици енте трения f тр = 0, 25 ), а) предварительно дефор мированных на угол = 13,049° (рис. 6), при этом генерируемое уси лие составляет 77 H.

Другой вариант БУ б) фактически является мо Рис. 7 БУ с контактной группой в виде трех неподвижных дернизацией конструк соосных контактов и подвижного контакта в виде разрез ной втулки (цанги а) - подвижный контакт БУ;

б) - термо- ции, описанной выше.

Модернизация связана, в преобразователь из материала с ЭПФ в виде двойной кон первую очередь, с более центрической пружины (1) (патент № 2392494, решение о технологичной конструк выдаче патента по заявке № 2011122292, опуб. 07.12.2012) цией контактной группы, обеспечивающей наименьшее, по сравнению с другими вариантами БУ, пере ходное сопротивление контактов. В результате изменения конструкции разрабо тана контактная группа, состоящая из трех неподвижных контактов с соосными отверстиями, в которых перемещается подвижный контакт (рис. 7б). Подвиж ный контакт представляет собой втулку (цангу) с разрезами для придания свойств плоской пружины. Это обеспечивает постоянное поджатие элементов подвижного и неподвижных контактов. Кроме того, шесть разрезов с каждой стороны делят втулку на 12 параллельных проводников, каждый из которых имеет точки соприкосновения с неподвижными контактами. Такая конструкция позволяет значительно снизить переходное электрическое сопротивление кон тактов.

Конструкция термомеханического преобразователя на основе материала с ЭПФ для перемещения штока фиксатора БУ, в первом варианте состоит из двух тарельчатых пружин и расположенного между ними нагревательного элемента (рис. 6). Во втором варианте исполнения (рис. 7) термомеханический преобра зователь представляет собой двойную концентрическую пружину 1 (рис. 7б).

Двойная пружина необходима для того чтобы увеличить усилие, развиваемое при нагреве, и увеличить омическое сопротивление, так эта пружина одновре менно является и нагревателем. Для возврата в исходное положение пружины в конструкции предусмотрена линейно упругая контрпружина 2, которая разви вает усилие, достаточные для сжатия остывшей пружины 1.

Задача определения реактивных усилий P силового элемента в форме двойной концентрической пружины решена из условия, что перераспределение жесткостей между двумя связанными между собой концентрическими пружи нами из материалов с ЭПФ, является нелинейной и происходит в соответствии с условными моментами инерции (рис.8). Исходными данными являются: ра диус проволоки r0 ;

радиус навивки наружной и внутренней пружин R1 и R2 ;

число витков n ;

модуль сдвига G материала;

экспериментально определяемые параметры Е и m, учитывающие особенности структуры, химического состава, термообработки и определяемые по термомеханической диаграмме деформиро вания. Полное перемещение силового элемента определяется (3) 2 m + (cos(a )) 2 m+2 m 1 (sin(2a )) m+1 m 1 1 1 = 2 n P R [( ) + ( m m )] (3) G J kr 2E J x где J kr = 2 (r0 2)m+3 и Jx = 1.02 (r0 2)m+3 - условные моменты инерции пружин.

m+ При разработке БУ проведен анализ выполнения требований назначения, что предполагает моде лирование процессов, происходящих во время его срабатывания, начиная с момента подачи управляющего сиг нала и заканчивая остановкой штока исполнительного механизма после полного его перемещения.

В диссертации предложена мо дель длительности ТМП перемещения Рис. 8 Реактивные усилия, возникающие при штока фиксатора БУ с учетом време срабатывании силового элемента БУ (r0=0, ни нагрева термомеханического пре мм) образователя до температур фазовых переходов в материале с эффектом памяти формы:

t ( cпруж mпруж + сшток mшток + cстакан mстакан + cконтрпруж mконтрпруж ) ТМП = + I S (4) sm ( F ks ) ( Fконтр k контр s ) Fтр где: с – удельная теплоемкость пружины с ЭПФ, штока, стакана, контр пружины;

m – масса пружины с ЭПФ, штока, стакана, контрпружины;

t – из менение температуры;

I – значение электрического тока в цепи термомеханиче ского преобразователя;

– удельное электрическое сопротивление материала с ЭПФ;

l – длина пружины с ЭПФ;

S – площадь сечения проводника;

k - коэффи циент пропорциональности изменения усилия пружины с ЭПФ;

kконтр - коэффи циент пропорциональности изменения усилия контрпружины;

s – величина пе ремещение штока;

m – масса штока и стакана;

F – сила генерируемая пружиной с ЭПФ;

Fконтр – сила развиваемая контрпружиной;

Fтр – сила трения.

Моделирование выполнено для всего диапазона температур эксплуа тации ЛИАБ, следовательно, и байпас ного устройства. Результаты модели рования представлены на рис. 9.

Разработана модель длительности ИМ перемещения штока исполнитель ного механизма с подвижным контак том БУ. Эта модель учитывает элек тродинамические усилия (ЭДУ), кото рые возникают в контактной группе БУ во время прохождения по ней токов Рис. 9 Зависимость времени работы фик заряда или разряда ЛИАБ и токов к.з..

сатора от величины тока управления при различных температурах АБ sm (5) ИМ = 1 µ 2a ( F ks ) [( 0 a Г ) + ] ( Pразж + 2 10 7 I 2 [ln + 0.25]) E a r (1 + ( ) + 1) I где: I – ток через контакты, А;

а1 – расстояние между неподвижными кон тактами (при штатных токах разряда и заряда аккумулятора), мм;

а2 – расстоя ние между неподвижными контактами (при токах к.з. аккумулятора), мм;

r – радиус неподвижного контакта, мм;

l – длина неподвижного контакта, мм.;

0 – сдвиговое сопротивление, кгс/мм2;

– упругая постоянная материала;

Г – ко эффициент гистерезисных потерь;

fТР – коэффициент трения между подвижным и неподвижным контактами;

µ - коэффициент Пуассона;

Е – модуль упругости, кгс/см2;

Рразж – усилие разжатия подвижного контакта;

– коэффициент упроч нения молекулярной связи.

Токи короткого за мыкания и, вызванные ими ЭДУ, увеличивают длительность перемеще ния подвижного контак та и длительность, при котором отключаемый аккумулятор находится в замкнутом состоянии (рис. 10). На графике Рис. 10 График движения подвижного контакта при раз- наблюдаются моменты ных токах, проходящих через силовую контактную группу начала и окончания ко роткого замыкания аварийного аккумулятора, а также замедление скорости пе ремещения из-за воздействия на контакты БУ электродинамических усилий.

Выполненный анализ возможности сваривания силовых контактов пока зал, что температура локального перегрева в области стягивания токов равна для золота 37°C, а для серебра 26°C, что значительно ниже максимально до пустимых значений для этих материалов. На основании проведенных исследо ваний можно утверждать, что падение напряжения и температура на контакт ных площадках БУ не приводят к процессу рекристаллизации контактного ма териала и подтверждает отсутствие возможности сваривания их во время экс плуатации устройства.

В четвертой главе изложена технология изготовления силовых контактов БУ, позволившая снизить их переходное сопротивление. Целью отработки тех нологии являлось достижение стабильности размеров деталей, входящих в узел силовой контактной группы, отработка приемов совместной обработки деталей не только в процессе механической обработки, но и в процессе нанесения раз личных покрытий, позволяющих повысить точность деталей, как на этапе изго товления, так и на этапе сборки БУ.

В результате удалось сни зить переходное сопротивление силовой контактной группы со значения 250 мкОм до ста бильных значений, равных 100 130 мкОм (рис. 11).

Для изготовления силового элемента БУ использовалась проволока из сплава Ti Рис. 11 Сопоставление переходного сопротивления 50,1ат.%Ni. Проволока изго БУ с лучшими мировыми аналогами тавливалась методом ротаци онной ковки и горячего волочения. Температуры мартенситных превращений на различных этапах технологического процесса изготовления проволоки сле дующие: промежуточное сечение (5,35,3) мм;

отжиг 800°С, 1 ч, охлаждение на воздухе от 800°С до ~ 500°С, затем охлаждение под струей воды: Мs= 65(± 3)°С;

Мf = 32(± 3)°С;

Аs=77(±3)°С;

Аf = 95(± 3) °С, проволока 0,8 мм, отжиг 800°С, 1 ч, охлаждение на воздухе от 800°С до ~ 500°С, затем охлаждение под струей воды: Мs = 58(± 3)°С;

Мf = 34(± 3)°С;

Аs = 73(± 3)°С;

Аf = 88(± 3)°С.

Предложенная технология изготовления термопреобразователя из сплава TiNi включает закалку, отжиг, протяжку, навивку пружины в специальном при способлении, отжиг, термофиксацию под нагрузкой в течение 12 час при Т=130°С. Исследования показывают, что после термофиксации наблюдается изменение характеристических температур обратного мартенситного превра щения в сторону низких температур ( Af снижается со 106 до 100оС) при сохра нении фазового состава. При этом наблюдается увеличение эффекта восстанов ления формы на 3 - 4 % и достигает 92 - 93%. Указанное снижение температуры Af находится в пределах требований технических условий, а увеличение эф фекта восстановления повышает уровень надежности БУ.

Технология изготовления термомеханического преобразователя в виде двойной концентрической пружины из сплава с ЭПФ, объединяющая техноло гии изготовления классических линейно упругих пружин и особенности техно логии наведения памяти формы в материалах с ЭПФ, позволили в сочетании с проведенной оптимизацией режимов термообработки добиться генерации наибольших усилий в силовом элементе БУ (рис. 12).

Для байпасных устройств, ис пользуемых в настоящее время ти пов ЛИА на 50А, 100А и 200А, предложен единый конструктивно технологический принцип. Разли чие характеристик БУ определяется необходимым усилием срабатыва ния термомеханического преобра зователя. Для оценки величины не обходимого реактивного усилия термомеханического преобразова Рис. 12 Зависимость реактивного усилия сило теля БУ типового ряда ЛИАБ вы вого элемента БУ в виде двойной концентриче полнен расчет методом последова ской пружины из сплава TiNi от температуры тельных догружений для двойной отжига и времени выдержки концентрической пружины при условии параллельной работы. Значения реактивных усилий и массогабаритные характеристики БУ типового ряда ЛИА приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Технические характеристики байпасных устройств ЛИАБ Анализ ЛИА 50 ЛИА 100 ЛИА Типовой ряд ЛИА полученных Рабочий диаметр силового элемента, мм 8 10 характери Наружный диаметр проволоки, мм 0,8 1,0 1, стик предла Количество витков силового элемента 12 16 гаемых кон Длина пружины, мм 153,4 131,0 126, Реактивные напряжения экв, МПа 153,6 131 126,4 струкций БУ Масса байпасного устройства, г 60 70 80 убедительно Габаритные размеры, мм 572422 572625 доказывает возможность выполнения жестких требований, предъявляемых к байпасным устройствам ЛИАБ современных космических аппаратов. Так, при увеличении номинальных значений коммутируемых токов в 4 раза, массогабаритные раз меры возрастают, в среднем, не более чем в 1,3 раза.

В пятой главе описано влияние эксплуатационных факторов КА на работу байпасного устройства. К эксплуатационным факторам относятся такие факто ры космического пространства (ФКП) как невесомость, вакуум, различного ро да излучения и метеорные частицы. Анализ предполагаемых воздействий ФКП показал, что БУ спроектировано и установлено в АБ таким образом, что от из лучения космического характера БУ защищают крышка и детали батареи. Про веденный расчет показал, что время встречи АБ с метеорной частицей, имею щей фатальный вес для разрушения БУ, составляет порядка 3,6·109 ч (112 лет).

В процессе стендовых испытаний БУ подвергалось воздействию гармони ческой и случайной вибрации с перегрузкой величиной 22g, одиночных и мно гократных ударов, имитирующих отделение ступеней ракеты-носителя (до 300g) и транспортировку автомобильным транспортом. Такие испытания бай пасного устройства проводились на следующих стендах: вибростенд Dactron;

ударная установка УУМ 100/150-100. Моделирование влияния внешней среды на БУ при смене солнечных и теневых участков орбиты космического аппарата обеспечивалось температурными режимами в термокамере типа КТХ-1 и КТХБ-0,16-155 Х.037.0003. Установлено, что после всех тестовых испытаний БУ сохранило свои параметры и работоспособность.

Выполненная сравни тельная оценка теоретиче ских и экспериментальных характеристик силовой контактной группы показа ли (рис. 13), что БУ в пред ложенном конструктивном исполнении в сочетании с отработанной технологией заметно превосходит из вестные образцы БУ по ос Рис. 13 Сравнительная оценка величины Rпер зарубежных новному параметру – пере и отечественных производителей БУ ходному сопротивлению силовой контактной группы.

Рис. 14 Промышленный образец байпасного Рис. 15 Изменение напряжения на шунте во устройства на коммутируемые токи 50А время короткого замыкания ЛИА (RШ=75 мкОм) В результате проведения экспериментальных исследований разработанно го байпасного устройства (рис. 14) при отключении ЛИА типа ЛИГП-50 уста новлено, что выполняются требования по быстродействию срабатывания и от сутствуют нежелательные последствия, связанные с искровыми и дуговыми яв лениями (рис. 15). Как следует из графика (рис. 15), работа контактов происхо дит стабильно, без дребезга и резких изменений переходного сопротивления.

Возникновение дуги связано с перенапряжениями, возникающими вследствие индуктивности силовых проводов, соединяющих отключаемый аккумулятор и байпасное устройство.

Для оценки надежности байпасного устройства в составе ЛИАБ использо вались методика и расчетные формулы, рекомендованные для изделий косми ческой техники (Надежность электрорадиоизделий: Единый справочник М:

ВНИИ «Электрон-стандарт», 1992. Т. 1,3,4: Изделия электротехнические. ГОСТ Р51901.14-2007 Менеджмент риска. Структурная схема надежности и булевы методы. Реут Е.К., Саксонов И.Н. Электрические контакты. Воениздат, 1971 г.

Прытков С.В., Горбачева В.М. Борисов А.А. и др. Надежность электрорадиоиз делий. Справочник. М.: 22 ЦНИИИ МО РФ, 2006).

Разработанная конструкция байпасного устройства и предложенные тех нологии изготовления его элементов позволяет обеспечить вероятность безот казной работы байпасного устройства на уровне 0,999.

Экономическая эффективность рассчитывалась без учета стоимости меро приятий по парированию повышенной массы АБ космического аппарата. Так, по сравнению с ЛИАБ, в котором вероятность производственного дефекта вы ше 0,001, экономический эффект составит минимум 30 млн. рублей в год. В случае, если вероятность производственного дефекта удастся свести к значени ям ниже 0,001, то экономический эффект составит, примерно 5 млн. рублей в год.

В заключении изложены основные результаты исследований, представ ленных в диссертационной работе.

В приложении приведены акты внедрения результатов исследований в промышленность и учебный процесс, копии патентов на изобретения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. В результате анализа известных конструкций байпасных устройств для ЛИАБ определены основные требования к характеристикам БУ современных космических аппаратов: вероятность безотказной работы не хуже 0,999;

обес печение устойчивой коммутации тока короткого замыкания аккумулятора при условии неразрывности электрической цепи, минимальное переходное сопро тивления силовых контактов, проверка работоспособности каждого промыш ленно выпускаемого изделия на стадии изготовления и приемо-сдаточных ис пытаний с возможностью дальнейшей эксплуатации на космическом аппарате, минимальные массогабаритные характеристики.

2. На основе разработанной тепловой модели ЛИАБ и экспериментальных исследований на испытательном оборудовании установлено, что максимальное тепловыделение происходит в борне аккумулятора при его коротком замыка нии. С учетом действия токов короткого замыкания определены предельные значения характеристик срабатывания байпасного устройства: максимально допустимая температура - 100°С и длительность срабатывания в пределах 2-3 с.

3. Разработана конструкция байпасного устройства ЛИАБ, обеспечиваю щая снижение массогабаритных характеристик за счет использования в каче стве исполнительного механизма БУ термомеханического преобразователя из материала с эффектом памяти формы. Применение материала с ЭПФ позволило впервые обеспечить многократную проверку работоспособности байпасного устройства без снижения уровня надежности.

4. Предложена технология изготовления силовых контактов БУ, позволя ющая снизить величину переходного сопротивления до значений, сопостави мых с лучшими мировыми аналогами;

в процессе отработки технологии сфор мулированы требования к точности изготовления и сборки элементов контакт ной группы БУ и качеству сопрягаемых поверхностей.

5. Проведены исследования деформационно-силовых характеристик тер мопреобразователя БУ из сплава TiNi и разработана методика его термосило вой подготовки на определенную величину деформации памяти формы, при ко торой во время обратного мартенситного превращения силовой элемент гене рирует напряжения, достаточные для срабатывания БУ. Предложена методоло гия контроля и управления структурными (температуры фазовых превраще ний) и механическими характеристиками (рабочий ход и усилие срабатывания) термопреобразователя БУ из материала с ЭПФ. Выполненные эксперименталь ные исследования влияния эксплуатационных факторов (циклического измене ния температуры, гармонических и случайных вибраций, однократных и мно гократных ударов) на силовые элементы термопреобразователя БУ подтверди ли сохранение в нем деформаций и напряжений памяти формы.

6. Разработана необходимая документация для выпуска промышленных серий байпасных устройств ЛИАБ космического назначения на предприятии ОАО «Сатурн» (г. Краснодар). Результаты исследования внедрены примени тельно к аккумуляторным батареям космического аппарата «Глонасс-К2» с экономическим эффектом не менее 5 млн. руб. в год.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Бледнова Ж.М., Галкин В.В., Махутов Н.А., Проценко Н.А. Пути обеспечения безопасности и ресурса литий-ионных аккумуляторных бата рей космического назначения. Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций, 2010. -№ 1. С. 43-54.

2. Проценко Н.А., Лапшин В.Ю, Бледнова Ж.М. Расчетно экспериментальная оценка распределения температур в случае техноло гических сбоев в работе литий-ионного аккумулятора (ЛИА) космического назначения. Известия Самарского научного центра РАН, 2010. – Т.12. - № 4(3). С. 596-600.

3. Бледнова Ж.М. Лапшин В.Ю., Проценко Н.А. Моделирование теп ловых процессов ЛИАБ космического назначения в случае отказа одного из аккумуляторов. Труды Академэнерго, 2011. - № 4. - С.117-127.

4. Бледнова Ж.М., Галкин В.В., Проценко Н.А. Байпасное устройство с использованием материалов с эффектом памяти формы для обеспечения работоспособности ЛИАБ космического назначения. Журнал «Полет», 2011. - №6. - С. 58-60.

5. Галкин В.В., Бледнова Ж.М., Проценко Н.А. Оценка ресурса бай пасного устройства литий-ионной аккумуляторной батареи космического назначения с силоприводом из материалов с памятью формы. Журнал «Полет», 2012. - №5. - С. 20-27.

6. Бледнова Ж.М., Галкин В.В., Проценко Н.А. Байпасное устройство с ис пользованием материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) для обеспечения работоспособности ЛИАБ космического назначения в случае технологических сбоев. Проблемы безопасности полетов, 2011. - № 3.- С. 64-70.

7. Галкин В.В., Лихоносов С.Д., Лапшин В.Ю., Шевченко Ю.М., Кулыга В.П., Проценко Н.А. Результаты наземной отработки литий-ионной аккумуля торной батареи космического назначения //7 международная конференция «Авиация и космонавтика-2008»: Тезисы докладов. - М.: Из-во МАИ-ПРИНТ, 2008. - С. 207.

8. Проценко Н.А., Галкин В.В., Лихоносов С.Д., Шевченко Ю.М. Устрой ство защиты литий-ионной аккумуляторной батареи. //Тез. докладов 2-я Все российская конференция ученых, молодых специалистов и студентов «Инфор мационные технологии в авиационной и космической технике – 2009», Москва, 20-24 апреля 2009г. М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009. - С. 35.

9. Проценко Н.А., Бледнова Ж.М. Инженерно-технологические аспекты обеспечения надежности химических источников тока космического назначе ния. Машиностроение. Сб. научных статей. Краснодар: Изд-во КубГТУ.- 2009. С.82-85.

10. Бледнова Ж.М., Галкин В.В., Махутов Н.А., Проценко Н.А. Конструк тивно-технологические методы обеспечения безопасности и ресурса химиче ских источников тока космического назначения. Сб. материалов III Межд.

конф. «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов ”DFMN2009”.

М.: ИМЕТ РАН, 2009. - Т 2.- С. 171-173.

11. Бледнова ЖМ., Галкин В.В., Махутов Н.А., Проценко Н.А. Пути обес печения безопасности и ресурса литий-ионных аккумуляторных батарей кос мического назначения. Тр. Конференции «Безопасность и живучесть техниче ских систем». Красноярск, 2009. – С. 112-116.

12. Шевченко Ю.М., Галкин В.В., Проценко Н.А. Повышение энергетиче ской эффективности литий-ионных аккумуляторных батарей для систем элек тропитания космических аппаратов конструктивными способами при сохране нии надежности. Материалы XII Международной конференции «Фундамен тальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических си стемах». Краснодар: Кубанский гос. ун-т, 2012.- С. 55-57.

13. Бледнова Ж.М., Галкин В.В., Проценко Н.А Использование материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) для обеспечения надежности литий-ионных аккумуляторных батарей космического назначения. Тез. докл. IV Российской научно-техн. конф. «Ресурс и диагностика материалов и конструкций». Екате ринбург 26-28 мая 2009. Екатеринбург. – С. 157.

14. Галкин В.В. Шевченко Ю.М., Проценко Н.А. Байпасный переключа тель для литий-ионной аккумуляторной батареи. Тез. докл. XVIII научно технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства» Томск, 22-23 апреля 2010. Томск - С. 25-27.

15. Проценко Н.А., Бледнова Ж.М. Интеллектуальный термопривод кос мического назначения. Машиностроение. Сб. научных статей. Краснодар, Изд во КубГТУ, 2011. – С.133-140.

16. Проценко Н.А., Мышевский И.С. Проектировочный расчет силового элемента байпасного устройства ЛИАБ в форме тарельчатых пружин из мате риала с ЭПФ. Машиностроение. Сб. научных статей. Краснодар, Изд-во КубГТУ, 2009. – С. 74-77.

17. Procenko N.A., Blednova Zh.M., Structural-mechanical Control of Bypass Reactivity in lisb for Space Application using Alloys with Shape Memory Effect / European Symposium on Martensitic Transformations Esomat-2012, September 9 16, Sankt-Peterburg, Russia. Р.112.

18. Бледнова Ж.М, Проценко Н.А., Мышевский И.С. Влияние термовре менных и механических воздействий на эксплуатационные свойства силового элемента байпасного устройства ЛИАБ космического назначения из материала с ЭПФ. Сборник материалов 53 международной конференции «Актуальные проблемы прочности». 2-5 октября 2012. Витебск, Беларусь, 2012. – С. 54-57.

19. Бледнова Ж.М, Галкин В.В., Проценко Н.А. Технологическая эффек тивность и функциональная надежность байпасного устройства ЛИАБ с сило приводом из материала с эффектом памяти формы в условиях космического пространства. Труды 4-й Всероссийской конференции «Безопасность и живу честь технических систем» 9-13 октября 2012. Красноярск, 2012. – С 112-116.

20. Бледнова Ж.М, Проценко Н.А., Мышевский И.С. Управление структу рой и комплексом функционально-механических свойств силового элемента термопривода байпасного устройства из материала с эффектом памяти формы для работы в экстремальных условиях космического пространства. Материалы международной конференции «Живучесть и конструкционное материаловеде ние» 21-23 октября 2012 г. М.: ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, 2012. - С.

12.

21. Проценко Н.А., Авдеенко А.Б., Бледнова Ж.М. Оценка Влияние факто ров космического пространства на функциональные свойства сплава с ЭПФ на основе TiNi. Машиностроение. Сб. научных статей. Краснодар, Изд-во КубГТУ, 2011.- С. 127-133.

22. Protsenko N.A., Blednova Zh.M. Structural-mechanical Control of Bypass Reactivity in LISB for Space Application using Shape Memory Alloys. Materials Science Forum Vols. 738-739 (2013) pp 601-606.

23. Патент РФ № 2392494 Термомеханический силопривод / Бледнова Ж.М., Галкин В.В., Чаевский М.И., Мышевский И.С., Проценко Н.А. Опуб.

20.06.2010.

24. Патент РФ № 2415489 Байпасный переключатель / Галкин В.В., Шев ченко Ю.М., Бледнова Ж.М. Проценко Н.А. Опубл. 27.03.2011.

25. Решение о выдаче патента на полезную модель по заявке № 2011122292 Байпасный переключатель для космического аппарата. Приори тет от 01.06.2011. Опубл. 07.12.2012.

Личный вклад автора. В публикации [1], [7], [10] - [12] автором выпол нен анализ особенностей и тенденций развития БУ ЛИАБ. В публикациях [2], [3] автором лично выполнена экспериментальная проверка тепловой модели. В публикациях [4], [6], [8], [9], [14], и патентах [23], [24], [25] - разработана кон струкция БУ, разработана технология изготовления контактов силовой кон тактной группы и термомеханического преобразователя из материала с ЭПФ. В публикациях [15] - [18], [20], [22] определены реактивные усилия в термомеха ническом преобразователе c оценкой влияния термовременных и механических воздействий. В публикациях [5], [13], [19], [21] выполнено исследование рабо чих поверхностей контактов БУ, рекомендованы мероприятия по улучшению качества их рабочей поверхности;

выполнена экспериментальная проверка БУ на устойчивость к воздействию эксплуатационных факторов с оценкой вероят ности безотказной работы.