Frequenz der Stromversorgung des Raumfahrzeugs

Ich weiß, dass Flugzeuge manchmal ein 400-Hz-Wechselstromsystem verwenden, um Gewicht bei Transformatoren zu sparen, und ich würde mir vorstellen, dass Raumfahrzeuge eine ähnliche Technik verwenden könnten. Ich frage mich, ob jemand aus der Luft- und Raumfahrt den Betrieb mit 400 Hz oder höheren Frequenzen im Weltraum bestätigen kann.

Die Situation bei Voyeager ist komplexer als in einer anderen Antwort oben. Hier sind die Details von der NASA :

Die Leistung der thermoelektrischen Radioisotopengeneratoren wird durch einen Nebenschlussregler auf einer konstanten Gleichspannung von 30 Volt gehalten. Die 30 Volt werden direkt an einige Raumfahrzeuggeräte geliefert und in der Stromverteilungsbaugruppe auf andere umgeschaltet. Dem Hauptwechselrichter werden auch 30 Volt Gleichstrom zur Umwandlung in 2,4-kHz-Rechteckwellen-Wechselstrom zugeführt, die von den meisten Raumfahrzeug-Subsystemen verwendet werden. Auch hier kann der Wechselstrom direkt an Geräte geliefert oder durch Leistungsrelais ein- oder ausgeschaltet werden.

Zu den Nutzern von Gleichstrom gehören neben dem Wechselrichter auch das Funk-Teilsystem, Kreisel, Antriebsisolationsventile, einige wissenschaftliche Instrumente, die meisten Heizgeräte zur Temperaturregelung und die Motoren, mit denen die planetaren Radioastronomieantennen eingesetzt wurden. Andere Elemente des Raumfahrzeugs nutzen den Wechselstrom.

Es gibt zwei identische 2,4-kHz-Wechselrichter - Haupt- und Standby-Wechselrichter. Der Hauptwechselrichter ist vom Start an eingeschaltet und bleibt während der gesamten Mission eingeschaltet. Bei einer Fehlfunktion oder einem Ausfall des Hauptwechselrichters wird die Stromkette nach einer Verzögerung von 1,5 Sekunden automatisch auf den Standby-Wechselrichter umgeschaltet. Sobald die Umschaltung erfolgt ist, ist sie irreversibel.

Ein 4,8-kHz-Synchronisations- und Zeitsignal vom Flugdaten-Subsystem wird als Frequenzreferenz im Wechselrichter verwendet. Die Frequenz wird durch zwei geteilt und die Ausgabe beträgt 2,4 kHz. Die AC-Regelung ist auf 0,004 Prozent genau. Das 4,8-kHz-Taktsignal wird wiederum an das Computer-Befehlssubsystem gesendet, das die Hauptuhr des Raumfahrzeugs enthält.

Sie verwendeten also zwei parallele Stromverteilungsmethoden (DC und AC).

EDIT: Und ja, der AC war 50V RMS. In einer späteren NASA-Konferenz wurde ein Diagramm gefunden :

Von dieser Konferenz an war Viking mit zusätzlichen 400-Hz-Wechselrichtern noch komplexer. In dieser Konferenz wird auch erwähnt, dass Galileo dieselbe redundante Wechselrichterkonfiguration wie Voyager hat (aber keine weiteren Details, vermutlich, weil es sich damals noch in der Entwurfsphase befand).

Aus einem GE Voyager- Designdokument geht hervor, dass Voyager ursprünglich ähnlich wie Viking mit 400-Hz-Bussen entworfen wurde, in der letzten Iteration jedoch nur 2,4-kHz-Wechselstrom verwendet wurde. Der Grund für die Verwendung von 400-Hz-Geräten liegt auf der Hand, dh Teile mit Luftfahrtgeräten zu teilen. Ich vermute, dass die 2,4-kHz-Ausrüstung recht einfach von der früheren abgeleitet wurde (da die Frequenz ein Vielfaches ist), aber ich habe noch nirgendwo explizit die Begründung für 2,4-kHz-Wechselstrom gefunden.

Hier sind die Details zu Viking , die die Verwendung von etwa 400-Hz-Leistungsbussen bestätigen:

Der VO hatte einphasige, dreiphasige, geregelte Gleichstromquellen mit 2,4 kHz und 400 Hz (30 V und 56 V) und ungeregelte Gleichstromquellen (25 V bis 50 V). Für den VLC wurde auch eine ungeregelte Gleichstromversorgung bereitgestellt. Anordnungen von Photovoltaikzellen, die auf vier doppelt unterteilten, faltbaren Solarmodulen angeordnet waren, lieferten Primärstrom für alle sonnenorientierten Operationen. Zwei identische Nickel-Cadmium-Batterien wurden als sekundäre Stromquelle für den Betrieb außerhalb der Sonne und zur Lastverteilung verwendet, wenn der Strombedarf die Kapazität der Solaranlage überstieg. Redundante Funktionen zur Stromkonditionierung und -verteilung wurden mit zwei Batterieladegeräten, zwei Booster-Reglern, zwei 2,4-kHz-Wechselrichtern, zwei 400-Hz-Dreiphasen-Wechselrichtern, zwei 30-V-Gleichspannungswandlern und der zugehörigen Stromquellenlogik sowie Steuerungs- und Schaltfunktionen bereitgestellt. (Siehe das vereinfachte Blockdiagramm in Abb. 6.) Die Hardware, Betriebsarten und Leistung werden im Abschnitt "Power Subsystem" ausführlich beschrieben. Der ungeregelte (Roh-) Energiebus VO wurde mit Sonnenkollektoren und Batterien versorgt. Diese beiden Energiequellen bildeten ein dynamisches System, das durch drei stabile Flugbetriebsarten und eine vierte Kurzzeitbetriebsart wie folgt gekennzeichnet ist:

Aus der Tabelle V auf S. 21 in NASA-HDBK-4001 (1998) Galileo und Magellan (beide 1989) waren die letzten NASA-Projekte, die 2,4-kHz-Wechselstrom verwendeten; auch daraus schließe ich, dass 2,4 kHz drei Jahrzehnte lang so ziemlich ein NASA-Standard war; die erste dort erwähnte Verwendung ist auf Mariner-2 (1962). Nach 1990 verwendeten Hubble, der Marsbeobachter von 1992, Cassini usw. nur noch DC.

Um die Verwendung von 400 Hz Wechselstrom zu untersuchen, lohnt sich ein Blick auf einen Mariner V-Bericht :

Der Booster-Regler wurde für den Betrieb mit Eingangsspannungsschwankungen zwischen 25 und 50 V konzipiert. Das Leistungsteilsystem umfasste zwei Booster-Regler: (1) einen Manöver-Booster-Regler zur Versorgung eines 2,4-kHz-Einphasen-Wechselrichters und eines 400-Hz-Dreiphasen-Wechselrichters Wechselrichter zur Lagesteuerung und Kreiselstromversorgung während der Manöver von Raumfahrzeugen und (2) ein Hauptverstärkerregler, der einen einphasigen 2,4-kHz-Wechselrichter ansteuerte, der alle Raumfahrzeuge und wissenschaftlichen Instrumente während der gesamten Mission mit Strom versorgte.

Es scheint also, dass (dreiphasige) 400 Hz einige, aber relativ begrenzte Anwendungen in NASA-Schiffen hatten: meistens für Kreisel und Lageregelung, während sie für viele weitere Subsysteme auch 2,4-kHz-Einphasen-Wechselstrom verwendeten. Ich kann keine Erwähnung von 400-Hz-Geräten in der Galileo / Magellan-Dokumentation finden (die leider ziemlich weit verbreitet ist). Es scheint also, dass die 400-Hz-Wechselstromausrüstung, die mehr Nische ist, zuerst auslief, wahrscheinlich zur Zeit der Voyager.

Ich habe Nutzlasten für ein Dutzend suborbitale Aufnahmen und einen Satelliten gebaut. Wechselstrom wurde nie benutzt. Da es sich bei unseren Einsätzen nicht um lange interplanetare Reisen handelte, verwendeten wir handelsübliche DC-DC-Wandler, die nach Luft- und Raumfahrtnormen gebaut wurden. Ich glaube, der Satellit funktioniert nach etwa sechs oder sieben Jahren immer noch. Die Wandlerfrequenzen betrugen meines Erachtens etwa 550 kHz.

Was die NASA für ihre Missionen tut, weiß ich nicht, obwohl ich davon ausgehe, dass sie ihre eigenen machen.

Die meisten Raumfahrzeuge verwenden Gleichstromverteilungssysteme mit hocheffizienten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern. Dies liegt daran, dass alle Energiequellen in Raumfahrzeugen Gleichstrom sind - Sonnenkollektoren, Batterien, Brennstoffzellen, RTGs usw. In Flugzeugen werden Generatoren verwendet, die an die Triebwerke angeschlossen sind. Die Verwendung von Wechselstrom ist daher unkompliziert. In einem Raumfahrzeug ist es sinnlos, es für die Verteilung in Wechselstrom umzuwandeln, da es immer mit Gleichstrom beginnt, nur um es später wieder in Gleichstrom umzuwandeln. (Naja, Schaltnetzteile wandeln es intern in Wechselstrom und zurück, aber es wird nicht als Wechselstrom verteilt). Ähnlich wie übliche Schaltnetzteile in Computern und anderen Unterhaltungselektronikgeräten arbeiten die DC / DC-Wandler von Raumfahrzeugen platzsparend mit hohen Frequenzen (kHz oder MHz). Es gibt jedoch irgendwann einen Kompromiss mit den Schaltverlusten.

Die Voyager-Sonden hatten eine 2,4-kHz-Stromversorgung mit 50-V-Rechteckwellen, was das Herausfiltern aus den Funkdaten mit 2,4 kHz und 7,2 kHz (dem nächsthöheren Oberton in einer Rechteckwelle) erforderlich machte. Quelle