Was sind die Grundlagen von CubeSat-Netzteilen und -Systemen?

Ich werde fortfahren und mich für meine Unwissenheit in Bezug auf dieses Thema entschuldigen, da mein Hintergrund Aerodynamik und nicht Elektrotechnik ist. Soweit ich weiß, erzeugen CubeSats ihren Strom normalerweise durch die Verwendung von Solarzellen. Meine Fragen zur CubeSat-Leistung sind unten:

  1. Wie wird diese Leistung verteilt, um die verschiedenen Subsysteme auf dem CubeSat zu betreiben?
  2. Liegt die CubeSat-Leistungsabgabe von Solarzellen üblicherweise in standardisierter Form vor?
  3. Werden für die Subsysteme Standardanschlüsse verwendet, um die CubeSat-Stromversorgung anzuzapfen?

Es wäre wahrscheinlich hilfreich für mich, ein wenig mehr Hintergrundinformationen zu dem zu geben, was ich zu erreichen versuche. Letztendlich entwerfen mein Team und ich ein Luftwiderstandsgerät, das zur Vermeidung von Satellitenkollisionen in LEO verwendet werden kann. Das Ziel ist es, einem CubeSat-Betreiber die Möglichkeit zu geben, auf eine Kollisionswarnung hin zu reagieren, indem er ein Signal an seinen CubeSat sendet, um unser aerodynamisches Widerstandsgerät auszulösen, und dieses Widerstandsgerät dann zurückzuziehen, sobald das Kollisionsrisiko vorüber ist.

Tolle Frage! Es gibt Präzedenzfälle für Smallsats in LEO, die Luftwiderstand für Orbitalmanöver verwenden, aber normalerweise sind es nur die Sonnenkollektoren und über längere Zeiträume. Beachten Sie, dass für Raumfahrzeuge aerodynamische Kräfte in Richtungen senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor oft (aber nicht immer) als "Auftrieb" bezeichnet werden, unabhängig davon, ob sie nach oben, unten oder seitwärts gerichtet sind. Der Schlüssel zu zuverlässiger Stromversorgung besteht darin, einige Solarmodule, wann immer möglich, beleuchtet zu halten, gute Batterien für etwa die Hälfte jeder Umlaufbahn bei Sonnenfinsternis (Erdschatten) und eine intelligente Batterieverwaltungssoftware und eine Sturzwiederherstellung, wenn sie auf Null gehen.

Antworten (1)

Die meisten CubeSats verfügen über ein elektrisches Energiesystem (EPS) als dediziertes Modul auf einer einzelnen PC104-ähnlichen Leiterplatte. Je nach benötigter Kapazität der sekundären (wiederaufladbaren) Batterien können diese auf der gleichen Platine oder als zusätzliche Module untergebracht werden.

Solarzellen-Arrays mit Bypass (erforderlich bei Zellverschattung und -fehlern) und Sperrdioden (unterbinden des Rückflusses von Strom in die Zellen und wirken als guter Schutz gegen mehrere Fehlermodi) Dioden werden in Solarmoduleinheiten montiert, die elektrisch mit verbunden sind EPS und thermisch mit der Struktur. Beide Verbindungen müssen gut ausgelegt sein, um unnötige Leistungsverluste zu vermeiden.

EPS enthält Maximum Power Point Tracker (MPPT), das ist ein DC-DC-Wandler mit der Fähigkeit, seine Belastung an die Solarzellen mit variabler (abhängig von der einfallenden Sonneneinstrahlung) Strom-Spannungskurve anzupassen. Abhängig von der Anzahl der Solarzellen in einem Array und davon, ob sie in Reihe oder parallel geschaltet sind, muss der Ausgang des DC-DC hoch- oder herunterskaliert werden, um den Anforderungen an die Ladespannung der Batterien zu entsprechen. Batterielade-, Schutz- und Trennschaltkreise sind normalerweise vorhanden, ebenso wie eine Batterieheizung. Darüber hinaus werden von den Batterien bis zur Stromverteilung für den Rest des Systems zusätzliche DC-DC-Wandler hinzugefügt, normalerweise für 12 V, 5 V und 3,3 V. Teilweise wird eine ungeregelte Batterieleitung vertrieben. Manchmal sind Schalter in das EPS integriert, um dedizierte Stromleitungen zu steuern. Häufig ist eine Verarbeitungseinheit vorhanden, um den MPPT und die Ausgangs-DC-DC-Wandler und -Schalter sowie andere Verwaltungs- und Telemetrieanforderungen zu steuern. Darüber hinaus ist EPS für das Hochfahren des Systems nach dem Einsatz aus der Trägerrakete verantwortlich, wofür Einsatzschalter und ein Verzögerungszeitgeber erforderlich sind. Manchmal führt EPS auch den automatischen Einsatz von Antennen und ausfahrbaren Solarmodulen durch. Redundante Komponenten und Submodule sind üblich.

  1. Wie wird diese Leistung verteilt, um die verschiedenen Subsysteme auf dem CubeSat zu betreiben?

CubeSats (mindestens 1 HE bis 3 HE) haben ein knappes verfügbares Volumen und viele Designs entscheiden sich für kundenspezifische integrierte Verbindungsbusse und es gibt keine einheitliche Standardisierung für die Stromverteilung. Wie beim PC104-Standard sind die meisten Module jedoch mit Stack-Steckverbindern verbunden, über die einige Leitungen für die Stromverteilung vorgesehen sind.

  1. Liegt die CubeSat-Leistungsabgabe von Solarzellen üblicherweise in standardisierter Form vor?

Nein. Die beste Strategie besteht darin, für jedes Solarmodul individuell eine geeignete Parallel-/Serienverbindungskonfiguration von Solarzellen zu finden. Die Größen der Solarmodule auf einem einzelnen CubeSat können unterschiedlich sein. Darüber hinaus bietet die Skalierung von 1U auf 2U auf 3U und mehr verschiedene bevorzugte Konfigurationen.

  1. Werden für die Subsysteme Standardanschlüsse verwendet, um die CubeSat-Stromversorgung anzuzapfen?

Stapelverbinder, wie im PC104-Standard, kommen standardisierten Verbindungen am nächsten, die Sie bekommen können. Dies wird oft von Subsystemanbietern bevorzugt, aber es gibt viele kundenspezifische Lösungen.

Hier finden Sie eine Übersicht über verfügbare Lösungen von Subsystemanbietern: https://blog.satsearch.co/2020-06-10-satellite-electrical-power-systems-eps-on-the-global-marketplace-for-space

+1für eine gründliche Antwort.
Was sind die Grundlagen von CubeSat-Netzteilen und -Systemen?
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