Az ESEO műhold központi energiaellátó rendszere
(Rovat: Álmuk a világűr - 2008.06.07 06:00.)

Az előző hónapokban bemutatott két magyar kísérlet mellett a 14 európai ország mintegy 25 egyeteme által fejlesztett ESEO (European Student Earth Orbiter) műhold egy harmadik egységét, az Energiaellátó Rendszert (EPS, Electrical Power System) is magyar egyetemisták készítik.

Az EPS csapatot a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem 7 villamosmérnök hallgatója alkotja, valamint a csapat tagja egy görög egyetemista is, aki kezdettől fogva aktívan részt vesz a csapat munkájában. Mind a csapaton belüli, mind a többi csoporttal való nemzetközi együttműködés interneten keresztül történik, továbbá az átlagosan évente kétszer az ESA hollandiai központjában megrendezett workshopokon személyes találkozásra is lehetőség nyílik.

ESEO workshop, ESTEC (Noordwijk, Hollandia)

Míg a már ismertetett Langmuir szonda és a Triel dozimetriai műszer az ESEO legfontosabb tudományos céljait végzik, addig az Energiaellátó Rendszer más szempontból kritikus: ez a műhold egyik alaprendszere, melynek hibátlan működése szükséges alapfeltétele az egész misszió sikerének. Az EPS feladata a műhold energiaforrásainak kezelése és a műholdfedélzeti alrendszerek tápellátásának biztosítása. Az elsődleges energiaforrást a két forgatható szárnyon elhelyezett két-két napelemtábla képezi (1. ábra). Ezek közül mindkét szárnyon a belső, kis teljesítményű panel technológiai kísérlet céljából elhelyezett vékonyréteg szilícium cellákból áll. Ez a két panel azonban a fedélzeti alrendszerek energiaigényének csak kis hányadát képes fedezni. A szükséges nagyjából 200 W teljesítmény nagyobbik részét a napelemszárnyak külső paneljei szolgáltatják. Ezeken űrminősített, egyrétegű Si vagy GaAs cellák lesznek. A műhold másodlagos energiaforrása Li-Ion akkumulátor, mely két párhuzamosan kapcsolt hét cellás sztringből áll. A típusválasztás hátterében a Li-Ion akkumulátorok megbízhatósága és jó tömeg-energiasűrűség aránya áll. A műholdpálya árnyékos szakaszán az akkumulátor látja el energiával a műhold egységeit, a napos szakaszon pedig a napelemektől érkező teljesítmény részben a fedélzeti egységek táplálására, részben pedig az akkumulátor töltésére fordítódik. Mivel az ESEO geostacionárius átmeneti pályára (GTO) kerül, így a 11 és fél órás periódusidőből az árnyékos szakasz maximális hossza nagyjából 2 óra.

Az ESEO szerkezeti felépítése

Az Energiaellátó Rendszer alapkoncepciója szabályozatlan buszfeszültségű architektúrára épül, vagyis a fő energiabusz feszültségét alaphelyzetben az akkumulátor-feszültség határozza meg. Erről a buszról kapja az energiát az összes fedélzeti alrendszer, a magyar kísérletektől kezdve a kommunikációs, stabilizáló, hőszabályzó, meghajtást vezérlő rendszereken át egészen a fedélzeti számítógépig. Az akkumulátor kapcsolóval leválasztva csatlakozik a fő buszra, nincs külön akkumulátor töltést és kisütést szabályozó konverter. Ennek a megoldásnak a legfontosabb előnye az, hogy a konverterek számának csökkentésével nagyobb hatásfok érhető el, ezen felül a rendszer megbízhatósága is növelhető. Kevesebb konverter esetén ugyanis kisebb a meghibásodási valószínűség, továbbá kevesebb a tápegységek működése során eldisszipált hőmennyiség. A maximális hatásfok elérése érdekében a napelemeknek a fő energiabuszra illesztésére egy speciális áramkör, az MPPT (Maximum Power Point Tracker) szolgál. Mind a négy napelemtáblához külön MPPT egység kapcsolódik, melyek egymástól függetlenek, így biztosítva a rendszer redundanciáját. Bármelyik napelemtábla tönkremenetele estén a többi továbbra is képes energiát szolgáltatni a műhold számára. Az MPPT feladata a napelemek maximális teljesítményű munkapontba vezérlése. Erre azért van szükség, mert a napelem karakterisztika a megvilágítás és a hőmérséklet függvényében jelentősen változik. Például ha egy adott feszültségen vizsgáljuk a napelemet, akkor annak árama a megvilágítás növelésével szintén nőni fog. Ezért a napelem karakterisztika maximális teljesítményű munkapontja sem állandó. A karakterisztika ezen vándorlásának követésével elérhető, hogy a fő energiabuszra minden pillanatban a napelemekből kivehető maximális teljesítmény jusson, így növelve a rendszer hatékonyságát. Természetesen a vezérlés fordítva is alkalmazható: ha a napelemekből kivehető teljesítmény meghaladja a fedélzeti alrendszerek táplálásához és az akkumulátor töltéséhez szükséges energiamennyiséget, akkor az MPPT kimozdítja a napelemet a maximális teljesítményű munkapontból, vagyis kisebb lesz a napelemekből kinyerhető teljesítmény. Így a napelemek csak annyi teljesítményt szolgáltatnak, amennyi ténylegesen szükséges, tehát nem kell fölösleges teljesítményt disszipálni, az Energiaellátó Rendszer nem termel fölöslegesen hőt. Az MPPT hardver vezérlő köre ún. auto-oszcillációs elven működik, vagyis szoftver vezérlésre nincs szükség. Jelenleg a vezérlőkör tesztelése zajlik, az MPPT kapcsolóüzemű konverterének méretezése azonban csak a végleges napelemválasztást követően történhet meg.

Az Energiaellátó Rendszer vezérlése és a fedélzeti számítógéppel történő kommunikáció a PCU (Power Control Unit) feladata. Ez az egység CAN buszon keresztül fogadja a számítógép parancsait, és azoknak megfelelően kapcsolja be, illetve ki a fedélzeti alrendszereket. Emellett a rendszer állapotát leíró telemetria adatokat, valamint információs és vészjelzéseket küld a számítógép számára. A PCU lelke két hidegtartalékolt FPGA, melyeknek a megbízhatóság érdekében az ipari változata kerül a repülő példányba. A PCU számára nagy megbízhatóságú, redundáns tápegység szolgáltat stabil 5V-os tápfeszültséget.

A fedélzeti alrendszerek áramlimitált kapcsolókon keresztül csatlakoznak a fő energiabuszra. Ha valamelyik egység meghibásodik és a megengedettnél nagyobb áramot venne fel, akkor a kapcsolók automatikusan korlátozzák a hibás egység áramfelvételét, és ezzel egyidőben vészjelzést küldenek a fedélzeti számítógépnek, mely ezután kiadja az utasítást a hibás egység lekapcsolására. Az Energiaellátó Rendszernek – és az egész műholdnak – az űrben tapasztalható extrém hőmérsékleti viszonyokkal szembeni védelme egyrészt a megfelelő alkatrészválasztással, másrészt kiegészítő védelmi áramkörök beépítésével biztosítható. Az egyik legfontosabb ilyen kiegészítő védelem a Wakeup áramkör, mely a kritikusan alacsony, -50°C körüli hőmérsékleten lekapcsolja az Energiaellátó Rendszert, és így az egész műhold működése leáll. Ilyen alacsony hőmérsékleten ugyanis a legtöbb alkatrész nem működtethető, ezért az elsődleges feladat a műhold felfűtése. Mivel az ESEO-n nem lesz aktív hőmérséklet-szabályozás, ezért a műholdpálya árnyékos szakaszán előfordulhat az ilyen mértékű lehűlés. A Wakeup áramkör a rendszer lekapcsolásakor a fő energiabuszra kapcsol egy nagy értékű fűtőellenállást, mely a napelemektől beérkező teljesítményt eldisszipálva felmelegíti az EPS dobozt. Amint a hőmérséklet megfelelő értékű lesz, továbbá a napelemektől érkező teljesítmény elegendő a működés folytatásához, a Wakeup egység bekapcsolja a PCU-t valamint a fedélzeti számítógépet, és újraindul a műhold működése.

Fejlesztés alatt – az EPS Akkumulátor Monitor áramkörének deszkamodellje

Egy másik fontos kiegészítő áramkör az Akkumulátor Monitor. Mivel az akkumulátor az Energiaellátó Rendszer egyik legkritikusabb része, ezért annak állapotáról folyamatos információval kell rendelkezni. Az Akkumulátor Monitor az akkumulátor összes cellájának feszültségét mV-os pontossággal méri, és a mért értékeket telemetria adatként szolgáltatja. Így a legkisebb anomália is azonnal detektálható. Noha az ESEO rendszermérnöki specifikációja nem tartalmazza, az áramkör később felhasználható egy teljes cellamenedzsmentet megvalósító tápellátó rendszerben. Egy ilyen rendszer lehetővé teszi, hogy az akkumulátor celláit egyenként kezeljük, a meghibásodott vagy pillanatnyilag szükségtelen cellákat lekapcsoljuk. Az ESEO-n kísérleti jelleggel helyet kapó Akkumulátor Monitor tehát egy következő műholdra fejlesztett Energiaellátó Rendszer megbízhatóságának egyik alapja lehet.

Az ESEO EPS védelmi funkcióit ellátó áramkörök – az áramlimitált kapcsolók, a Wakeup egység és az Akkumulátor Monitor – deszkamodelljei elkészültek, és a nyár folyamán várhatóan az Energiaellátó Rendszerben található többi egység deszkamodelljeinek fejlesztése is befejeződik. Ezek a deszkamodellek a repülő példánnyal funkciójukban tökéletesen megegyeznek, de az áramköri fejlesztés alatti módosíthatóság érdekében méretüknek még nem kell egyeznie a véglegessel, és a drágább alkatrészek helyett itt még olcsóbbak szerepelnek. A deszkamodellek kifejlesztése után következik az áramkörök bemérése és tesztelése. A hőkamrás tesztek után következik a mérnöki modellek elkészítése, melyek mind méretükben, mind a felhasznált alkatrészek tekintetében megegyeznek a repülő példánnyal.