Никель-водородные аккумуляторные батареи
ОАО "Сатурн" в космических программах
Программы,
спутники		 Тип батареи
 Состояние
квалификации,
"литера"		 Начало эксплуа-
тации		 Изготовлено
батарей		 Заказчик
Низкие околоземные орбиты
Гонец-Д1 21НВ-25 "О1"1996 18НПО ПМ
Ресурс-ДК 28НВ-70Р НЭО 2005 5 ГНП РКЦ "ЦСКБ-Прогресс"
Монитор 28НВ-40 "О" 2005 2 ГКНПЦ им. Хруничева
МКС 22НВ-100 ЭП -- РКК "Энергия"
Аркон-2 30НВ-70А ЭП 2007 - НПО им. Лавочкина
Белка 17НВ-90 "О" 2005 1 РКК "Энергия"
Геостационарные орбиты
Экран-М 28НВ-45 "О1"198812НПО ПМ
Космос 28НВ-45 "О1"19906 НПО ПМ
Галс 28НВ-60 "О" 19906 НПО ПМ
Экспресс 28НВ-60 "О" 19926 НПО ПМ
Экспресс-А 28НВ-70 "О" 200012НПО ПМ
SESAT 40НВ-70 "О" 20003 НПО ПМ
Ямал-200 18НВ-100 "О" 20034 РКК "Энергия"
Диалог 28НВ-40 "О" 20062 ГКНПЦ им. Хруничева
Экспресс-АМ40НВ-70 "О" 200315 НПО ПМ
Космос 40НВ-70 "О" 20052 НПО ПМ
APSTAR-VI 27НВ-110 FM 20054 Alcatel
KazSat 18НВ-80 НЭО 20052 ГКНПЦ им. Хруничева
Электро-Л 30НВ-70A ЭП 20061 НПО им. Лавочкина
Zohreht 60НВ-30 ЭП2008-НПО ПМ
Высокоэллиптические орбиты
Молния-3К 28НВ-45М "О" 1998 6 НПО ПМ
ВЭО ЕКС 30НВ-70 ЭП  - НПО им. Лавочкина
Высокие круговые орбиты
Глонасс28НВ-50"О" 20038 НПО ПМ
Дальний космос
Интербол 28НВ-45"О1"1995 4 НПО им. Лавочкина
Фобос-Грунт 18НВ-50ЭП   -НПО им. Лавочкина
К концу 2005 года запущено 54 космических аппарата со 102-мя батареями разработки ОАО "Сатурн", а суммарная лётная наработка НВА составляет 90 млн. аккумуляторо-часов

ЭП -эскизный проект
НЭО – наземная экспериментальная отработка
Литера "О" - опытное производство
Литера "О1" - мелкосерийное производство

Никель-водородные аккумуляторные батареи ОАО "Сатурн"
Тип АБ Напря-
жение, В		 Емкость,
А·ч		 Масса, кг Удельная
 энергия,
Вт·ч/кг		 Тип
орбиты		 САС *,
лет		 Тип
охлаждения		 Элементы
управления		 Год завер-
шения ква-
лификации
21НВ-25 2620 15,5 29НОО 3 контактный СД, ТС 1995
19НВ-25 2427 14 46НОО 5 контактный СД, ТС, БД 2003
28НВ-40 3545 27,5 51НОО, ГСО 6-10 радиационный АДД, ТС 2001
28НВ-45 3543 39,5 38ГСО 5 газовый СД, ТС 1987
28НВ-45 3543 39,5 38ВЭО 5 газовый СД, ТС 1997
18НВ-50 2255 26 48- 3   СД, АДД, ТС,БД  
28НВ-50 3553 37 50ВКО 7 газовый АДД, ТС, БД 2002
28НВ-60 3555 44,5 43ГСО 5 газовый СД, ТС 1993
28НВ-70 3572 48,5 52ГСО 7 жидкостной СД, АДД, ТС,БД 1999
28НВ-70Р 3572 54 46НОО 3 жидкостной СД, АДД, ТС,БД 2003
30НВ-70 3772 55 49ВЭО 5-7 ТСО СД, АДД, ТС,БД -
30НВ-70А 3772 65 42НОО 5-7 ТСО АДД, ТС,БД -
40НВ-70 5072 72 50ГСО 10,5 жидкостной СД, АДД, ТС,
КЗОД, БД		 1999
40НВ-70 5072 73 49ВЭО 7 жидкостной СД, АДД, ТС, БД 2002
22НВ-100 2710058 47НОО 15 жидкостной СД, АДД, ТС,БД -
18НВ-100 2213052,2556ГСО 12,25радиационный АДД, ТС, БД 2002
 
НОО - низкая околоземная орбита
ГСО - геостационарная орбита
ВЭО - высокоэллиптическая орбита
ВКО - высокая круговая орбита
ТСО - термостабилизированное основание
САС - срок активного существования 		СД - контактный сигнализатор давления
АДД - аналоговый датчик давления
ТС - термометр сопротивления
БД - байпасный диод
КЗОД - короткозамыкатель одноразового действия

Основные технические характеристики
никель-водородных аккумуляторов ОАО "Сатурн"
Тип НВА Номинальная емкость, А · ч Удельная энергия, Вт · ч/кг Использование в АБ Использование в КА
НВ-8 11 65-70 Малые КА
НВ-25 27 50 19НВ-25 Космос
НВ-40 45 75 28НВ-40 Монитор, Диалог
НВ-45 45 90-95 40НВ-45 Экспресс-1000
НВ-50 53 75 28НВ-50, 18НВ-50 Глонас, Фобос-Грунт
НВ-70К72 75 40НВ-70 SESAT, Экспресс-АМ, Космос
НВ-70И72 75 28НВ-70, 28НВ-70Р, 28НВ-70П, 30НВ-70, 30НВ-70А Экспресс-А, Ресурс-ДК, Лиана, Персона, ВЭО EКС, Аркон-2
НВ-10010095-100 60НВ-100 Экспресс-2000
НВ-12013080 18НВ-100 Ямал-200
Емкостный диапазон, А · ч 8..25 20..40 40..60 60..140
Габаритные размеры (DxL), мм Ø40x (80..120) Ø76x (125..190) Ø76x (190..215) Ø96x (215..340)
Виды исполнений А, Б Б, Г А, Б, Г, Д Б, Г, Д, Е
Размер резьбы под клеммы(+)
(-)		 М4x0,75
корпус		 М6x0,75
корпус, М6x0,75		 М6x0,75
корпус, М6x0,75		 М8x1,0
М8x1,0

Отличительные особенности НВА
Электрохимическая группа НВА
Окисно-никелевый электрод (ОНЭ) - электрохимически пропитанный на волоконной никелевой основе.
Структура ОНЭ обеспечивает:
  • разряд токами до 2С;
  • практически неограниченный срок службы -

    •   - пренебрежимо малая коррозия,
      - после приработочных циклов набухания ОНЭ не наблюдается.
    Водородный электрод (ВЭ) -
    гидрофобизированный, с Pt-Pd катализатором, на никелевой металлокерамической основе. Мощность ВЭ обеспечивает:
  • замкнутый кислородный цикл при концентрации О2 менее 1 %;
  • замкнутый водородный цикл при абсолютном давлении Н2 0,1 атм.

    • Сепаратор - асбестовая матрица.
    Газовый экран - полипропиленовый.
    Никель-водородный аккумулятор
       Блок электродов, состоящий из набора электро-химических групп, зажимается между двумя металлическими мостиками.
       Расположение блока электродов в корпусе НВА определяется схемой теплосъема в аккумуляторной батарее.
       Корпус НВА выполнен из сплава Inconel 718. Необходимый запас прочности корпуса выбирается из условий обеспечения требуемого количества циклов нагружения. Для обеспечения надежности расчет ведется на тройной запас по циклам.
    НВА разработки ОАО "Сатурн":
  • отличаются высокой удельной энергией - от 75 до 85 Вт · ч/кг (планируется 95-100 Вт · ч/кг);
  • обладают практически неограниченным сроком службы - гарантируется 15 лет на ГСО и 10 лет на НОО;
  • имеют высокую степень отработки - суммарная летная наработка более 80 млн. аккумуляторо-часов;
  • работоспособны в широком диапазоне температур - от минус 20 до 40 °С;
  • устойчивы к перезаряду и переразряду;
  • имеют небольшое внутреннее сопротивление - разряжаются токами до 2С.



     
    		•
    Никель-водородная аккумуляторная батарея
    Механический интерфейс
       Во всех разработках (кроме аккумуляторной батареи с газовым охлаждением - 28НВ-45 и 28НВ-60) корпус батареи - моноблочный. Это обеспечивает его высокую прочность и позволяет крепить батарею в нескольких точках по периметру, а не по всей поверхности днища корпуса.
       В случае, когда НВА крепятся в индивидуальных теплосъемных гильзах, силовую нагрузку несет теплосъёмное основание, к которому крепятся гильзы. Таким образом, моноблочная конструкция отличается от гильзовой тем, что может быть использована в качестве силового элемента конструкции КА.
       В то же время, если режимы эксплуатации теплонапряженны и возникает необходимость увеличения площади аккумуляторной батареи, возможно создание аккумуляторной батареи гильзового типа, в которой НВА в индивидуальных теплосъёмных гильзах рассредоточенно компонуются на теплосъёмное основание КА требуемой площади.

    Тепловой интерфейс
    Теплосъем от НВА осуществляется по корпусу аккумуляторной батареи:
  • к его периметру, далее на корпус КА;

  • к боковым поверхностям корпуса аккумуляторной батареи

  • или к его днищу.

    		•
    Менеджмент АБ
       Основная функция алгоритма управления АБ - обеспечение максимальной степени заряженности перед началом разряда в тени при минимальном перезаряде, в частности при условии соблюдения заданного суточного теплового баланса. Для обеспечения оптимального управления используются показания:
  • аналоговых датчиков давления;
  • контактных сигнализаторов давления дискретного типа (в качестве резервных);
  • термометров сопротивления;
  • поэлементного напряжения НВА.

       В некоторых КА предусмотрен переход на подзаряд АБ малым током после достижения при заряде штатным током давления в управляющих НВА, соответствующего пороговым значениям при данной температуре. Пороговые уставки давления могут корректироваться после проведения тестовых циклов.
       Кроме того, менеджмент АБ допускает проведение восстановительных циклов (при необходимости), для чего в состав некоторых АБ включены разрядные сопротивления.
       Для уменьшения кабельной сети КА некоторые АБ могут иметь встроенные блоки первичной обработки информации о состоянии АБ.

    • Обеспечение надежности АБ
       Надежность АБ обеспечивается резервированием:
  • НВА (с помощью байпасных диодов или короткозамыкателей одноразового действия);
  • контактных сигнализаторов давления, аналоговых датчиков давления и термометров сопротивления;
  • электропроводки.

       Таким образом, отказ любого элемента не приводит к отказу АБ. Надежность АБ обеспечивается также всеобъемлющей квалификацией (в том числе ресурсными испытаниями) и тщательным контролем при изготовлении и подтверждается.
       Степень отработки и надежности АБ ОАО "Сатурн" характеризуют следующие факты:
       Первый спутник ("Экран-М") с НВАБ 28НВ-45 разработки ОАО "Сатурн" на борту был запущен в декабре 1988 г. Все 3 батареи, входящие в комплект АБ, безотказно проработали в течение всего срока активного существования КА, при этом более чем в 3 раза превзойдя гарантируемый ресурс.
       С момента первого запуска к концу 2005 года запущено 54 КА со 102-мя АБ разработки ОАО "Сатурн".

    • Перспективные характеристики АБ
       Основные технические характеристики АБ, квалифицированные в 2002 году и планируемые к 2004 году представлены в таблице.
    Характеристикина 2002 годна 2004 год
    Удельная энергия, Вт · ч/кг
  • номинальная
    		• 55 80
  • на конец САС
    		• 45 65
    Глубина разряда, % 80 80
    Срок активного существования, лет
  • на ГСО, ВЭО
    		• 12,515,25
  • на НОО
    		• 5-7 7

    Характеристики НВА
    Зарядно-разрядные характеристики НВА (температура 15 °С) Измерение характеристик НВА в ходе ресурсных испытаний при глубине разряда 80 % (заряд С/10, разряд С/5)
    Ход концентрации О2 и температуры НВА при перезаряде током С/3 Реализация замкнутого водородного цикла при переразряде НВА током С/2
    Зависимость удельной энергии НВА от температуры
    Безотказная наработка НВА в ходе ресурсных испытаний на начало 2003 г. Зависимость циклической наработки до разгерметизации деталей корпуса НВА от напряжения растяжения.
     
       О предприятии | Солнечные батареи | Аккумуляторные батареи | Версия для печати