Frecuencia de suministro de energía de naves espaciales

Sé que las aeronaves a veces emplean un sistema de CA de 400Hz para ahorrar peso en los transformadores, por lo que me imagino que las naves espaciales podrían emplear una técnica similar. Me pregunto si alguien en el campo aeroespacial puede confirmar la operación de 400 Hz o más en el espacio.

La situación con Voyeager es más compleja de lo que se dijo en otra respuesta anterior. Aquí están los detalles de la NASA :

La energía de los generadores termoeléctricos de radioisótopos se mantiene a 30 voltios CC constantes mediante un regulador de derivación. Los 30 voltios se suministran directamente a algunos equipos de naves espaciales y se cambian a otros en el subconjunto de distribución de energía. El inversor de potencia principal también recibe 30 voltios de CC para la conversión a CA de onda cuadrada de 2.4 kHz utilizada por la mayoría de los subsistemas de naves espaciales. Nuevamente, la alimentación de CA se puede suministrar directamente al equipo o se puede encender o apagar mediante relés de alimentación.

Entre los usuarios de corriente continua, además del inversor, se encuentran el subsistema de radio, giroscopios, válvulas de aislamiento de propulsión, algunos instrumentos científicos, la mayoría de los calentadores de control de temperatura y los motores que desplegaron las antenas de radioastronomía planetarias. Otros elementos de la nave espacial usan la corriente alterna.

Hay dos inversores de potencia idénticos de 2.4 kHz: principal y en espera. El inversor principal está encendido desde el lanzamiento y permanece encendido durante toda la misión. En caso de mal funcionamiento o falla en el inversor principal, la cadena de energía, después de un retraso de 1.5 segundos, se cambia automáticamente al inversor en espera. Una vez que se realiza el cambio, es irreversible.

Se utiliza una señal de sincronización y sincronización de 4.8 kHz del subsistema de datos de vuelo como referencia de frecuencia en el inversor. La frecuencia se divide por dos y la salida es de 2.4 kHz. La regulación de CA tiene una precisión de 0,004 por ciento. La señal de sincronización de 4,8 kHz se envía, a su vez, al subsistema de comando de la computadora, que contiene el reloj maestro de la nave espacial.

Entonces utilizaron dos métodos de distribución de energía en paralelo (CC y CA).

EDITAR: Y sí, el AC era de 50V RMS. Encontré un diagrama en una conferencia posterior de la NASA :

Desde esa conferencia, Viking fue aún más complejo al tener inversores de CA de 400 Hz adicionales. También se menciona en esa coferencia que Galileo tiene la misma configuración de inversor redundante que Voyager (pero ningún otro detalle, presumiblemente porque era solo en la etapa de diseño en ese momento).

Según un documento de diseño de GE Voyager, parece que la Voyager se diseñó inicialmente de manera similar a Viking, con unos buses de 400 Hz, pero se revisó para usar solo 2.4 KHz AC en la última iteración. La razón para el uso de equipos de 400 Hz es obvia, es decir, compartir partes con equipos de aviación. Supongo que el equipo de 2.4 KHz se derivaba razonablemente del primero (ya que la frecuencia es múltiple), pero aún no he encontrado la razón para 2.4KHz de CA explícitamente en ningún lado.

Aquí están los detalles sobre Viking , que confirman el uso de algunos buses de potencia de 400 Hz:

El VO tenía fuentes de alimentación de CC reguladas (30 V y 56 V) monofásicas, trifásicas, de 400 Hz, monofásicas de 2,4 kHz y fuentes de alimentación de CC no reguladas (de 25 V a 50 V). También se proporcionó corriente continua no regulada para el VLC. Las matrices de células fotovoltaicas dispuestas en cuatro paneles solares plegables de doble sección suministraron energía primaria para todas las operaciones orientadas al sol. Se usaron dos baterías idénticas de níquel-cadmio como fuente secundaria de energía para las operaciones fuera del sol y para compartir la carga cuando la demanda de energía excedía la capacidad del conjunto solar. Las funciones redundantes de acondicionamiento y distribución de energía se proporcionaron con dos cargadores de batería, dos reguladores de refuerzo, dos inversores de 2.4 kHz, dos inversores trifásicos de 400 Hz, dos convertidores de CC de 30 V y funciones asociadas de lógica de fuente de alimentación y control y conmutación. (Consulte el diagrama de bloques simplificado en la figura 6.) El hardware, los modos de funcionamiento y el rendimiento se describen en detalle en la sección "Subsistema de energía". El bus de potencia VO no regulado (en bruto) fue suministrado por paneles solares y baterías. Estas dos fuentes de energía formaron un sistema dinámico caracterizado por tres modos operativos estables en vuelo y un cuarto modo operativo a corto plazo de la siguiente manera: [continúa durante un par de páginas, así que he cortado los modos]

De la tabla V en la p. 21 en NASA-HDBK-4001 (1998) Galileo y Magellan (ambos 1989) fueron los últimos proyectos de la NASA en utilizar 2,4 kHz de CA; También a partir de ahí concluyo que 2.4 kHz fue más o menos un estándar de la NASA durante tres décadas; El primer uso mencionado allí es en Mariner-2 (1962). Sin embargo, después de 1990, Hubble, el Observador de Marte de 1992, Cassini, etc., solo usaron DC.

Para investigar el uso de 400 Hz AC, vale la pena mirar un informe de Mariner V :

El regulador de refuerzo fue diseñado para funcionar con variaciones de voltaje de entrada entre 25 y 50 V. El subsistema de potencia incluía dos reguladores de refuerzo: (1) un regulador de refuerzo de maniobra para alimentar un inversor monofásico de 2.4 kHz y un trifásico de 400 Hz inversor para control de actitud y potencia giroscópica durante las maniobras de naves espaciales, y (2) un regulador de refuerzo principal que impulsó un inversor monofásico de 2.4 KHz que suministró energía a todas las naves espaciales e instrumentos científicos a lo largo de la misión.

Parece que 400 Hz (trifásico) tuvieron un uso limitado pero relativamente limitado en las naves de la NASA: principalmente para giroscopios y control de actitud, mientras que también usaron alimentación de CA monofásica de 2.4 kHz para muchos más subsistemas. No puedo encontrar ninguna mención de los equipos de 400 Hz en la documentación de Galileo / Magellan (que lamentablemente está bastante dispersa). Por lo tanto, parece que el equipo de CA de 400 Hz, que era más nicho, se eliminó primero, probablemente en la época de la Voyager.

He construido cargas útiles para una docena de disparos suborbitales y un satélite. AC nunca se usó. Como nuestras misiones no eran realmente viajes interplanetarios de larga duración, utilizamos convertidores DC-DC disponibles comercialmente construidos según los estándares aeroespaciales. El satélite, creo, sigue funcionando después de unos 6 o siete años. Las frecuencias del convertidor fueron, creo, de aproximadamente 550 KHz.

Lo que la NASA hace para sus misiones, no lo sé, aunque espero que hagan lo suyo.

La mayoría de las naves espaciales usan sistemas de distribución de energía CC con convertidores CC a CC de alta eficiencia. Esto se debe a que todas las fuentes de energía en las naves espaciales son CC: paneles solares, baterías, celdas de combustible, RTG, etc. Los aviones usan generadores conectados a los motores para obtener energía, por lo que usar CA es sencillo. En una nave espacial, dado que siempre comienza con DC, no tiene sentido convertirlo en AC para su distribución solo para volver a convertirlo en DC más tarde. (Bueno, las fuentes de alimentación conmutadas lo convierten a CA y viceversa internamente, pero no se distribuye como CA). Al igual que las fuentes de alimentación conmutadas comunes en computadoras y otros productos electrónicos de consumo, los convertidores de CC a CC en las naves espaciales funcionarán a altas frecuencias (kHz o MHz) para ahorrar espacio. Sin embargo, existe una compensación en algún momento contra las pérdidas por cambio.

Las sondas Voyager tenían una fuente de alimentación de 50 V de onda cuadrada de 2.4 kHz que requería el filtrado de los datos de radio a 2.4 kHz y 7.2 kHz (el siguiente sobretono más significativo en una onda cuadrada). fuente