Исследователи из Университета Сакарья и Университета Дюздже совместно со специалистами Научно-технического исследовательского совета Турции подробно изучили, как литий-ионный аккумулятор ведет себя в условиях, характерных для низкой околоземной орбиты. Для спутников это принципиально важно: батарея должна оставаться в безопасном температурном диапазоне как на ярком солнце, так и в холодной тени Земли. В вакууме тепло уходит крайне медленно, а перепады внешней температуры легко приводят к переохлаждению ячеек и ускоренной деградации электроники. Поэтому уже на этапе проектирования необходимо создать цифровую модель, способную заранее просчитать тепловой режим батареи при любых сценариях полета.
Чтобы создать такую модель, ученые провели тепловакуумный балансный тест – эксперимент, максимально приближенный к условиям космоса. В термовакуумную камеру, где можно задать давление, близкое к космическому вакууму, и температуру от –10 до +40 °C, поместили полноразмерный макет батареи, изготовленный из тех же материалов и по той же конструкции, что и будущий полетный образец. Нагреватели имитировали работу электроники, а 27 термодатчиков фиксировали температуру всех ключевых частей – от платы управления до самих аккумуляторных ячеек.
Собранные данные легли в основу узловой тепловой модели – метода, при котором сложную конструкцию разбивают на несколько зон, внутри которых температура считается равномерной. Например, корпус блока управления и его крышка нагревались практически синхронно, поэтому в модели они были объединены в один узел. Первая версия модели учитывала только теплопроводность, то есть передачу тепла через материалы. Для умеренных температур этого хватало, расчеты совпадали с экспериментами.
Но в «горячих» режимах такая простая модель дала сбои. Выяснилось, что при высоких температурах значительную роль начинает играть тепловое излучение – тот же физический эффект, из-за которого нагревается рука, если поднести ее к костру. Интенсивность излучения резко растет с температурой и без его учета точный прогноз становится невозможен. Поэтому модель расширили, добавив расчет излучения и влияние многослойной термоизоляции, которой покрывают спутниковые приборы.
После этих доработок гибридная модель стала практически полностью совпадать с результатами экспериментов во всем рабочем диапазоне – от 0 до +40 °C. Особенно важно, что она точно отражает температурное поведение наиболее чувствительных компонентов: аккумуляторных ячеек и электронной платы, от стабильности которых зависит надежность всей системы.
В итоге исследователи получили компактную, но очень точную математическую модель из семи узлов, способную описывать тепловую работу батареи как в штатных, так и в экстремальных условиях. Разница между расчетными и измеренными температурами сократилась до нескольких градусов, что соответствует международным стандартам теплового моделирования космических аппаратов.
