Какие критерии определяют дизайн солнечной панели?

Поэтому, работая над дизайном солнечной панели, вы, как правило, начинаете с верхнего уровня. Ваше основное требование — это необходимая площадь панели, и она определяется на основе требований вашей миссии для:

• Выработка энергии. Сколько энергии мне нужно для генерации?
• Расстояние от Солнца. Сколько солнечной энергии достигает моего космического корабля (в самой дальней точке)?
• Угол падения. Какая часть этой энергии должна быть передана моей панели? Обычно на ранних стадиях этому присваивается предполагаемое значение. Стоит отметить, что это не всегда 90 градусов, так как некоторые космические аппараты ( например, BepiColombo ) намеренно наклоняют свои панели по тепловым причинам.
• Эффективность солнечной панели/массива. Какая часть солнечной энергии, падающей на мои панели, преобразуется в электричество, и какая часть этого электричества попадает в мою энергосистему/хранилище?
• Сочетание продолжительности миссии и скорости разрушения панели. Солнечные батареи со временем теряют эффективность, поэтому вам нужно рассчитать площадь, которая вам понадобится в запланированном конце вашей миссии, а не в начале.
• Допуск. В зависимости от того, где вы работаете, у вас, скорее всего, будет стандарт того, какую маржу применять и где ее применять. Обычно это добавляет процент к площади, рассчитанной как безопасная.

Эти факторы определяют приблизительные предварительные требования к площади, я, вероятно, могу отредактировать некоторые формулы в своем ответе позже, если это необходимо.

Как только у вас появится эта область, и станет известно больше о конструкции вашего космического корабля, вы сможете еще больше конкретизировать конструкцию. Вопрос, кажется, сосредоточен на форме/внешнем виде солнечных панелей, поэтому я сосредоточусь на этом и не буду касаться более тонких деталей электрических, тепловых или структурных конструкций, поскольку ни в одном из них у меня нет большого опыта.

С точки зрения формы проблема заключается в том, как вписать эту область в конфигурацию космического корабля. Я бы сказал, что с этой точки зрения дизайн определяется тремя аспектами.

1. Запуск. Ваш летательный аппарат должен поместиться в ракету-носитель и/или в систему развертывания. Это означает, что панели, если они большие, должны быть сложены в достаточно маленькую область, чтобы поместиться. Пространство, доступное внутри корпуса ракеты-носителя или развертывателя, определяет конструкцию складывания панели. Простой пример: CubeSat развертывается из того, что по сути представляет собой коробку с направляющими, известную как P-POD, у которой есть небольшой запас на каждом краю, в который можно сложить панели. Таким образом, сложенные панели (если их можно развернуть) должны быть меньше, чем размер одной стороны спутника, и тоньше, чем зазор между спутником и краем P-POD. В общем, если большая площадь должна быть помещена в меньшую оболочку, необходимо использовать более сложный метод складывания или уменьшить площадь.
2. Операции. В какую сторону будет направлен спутник в пространстве, и что панели при этом могут блокировать/не блокировать? Вы не можете поставить панель там, где она будет блокировать, например, вид с камеры, которую ваш т/к использует для науки. Другим примером является то, что некоторые методы электрического движения могут привести к серьезной деградации, если вы поместите панель в выхлоп двигателя. При этом нужно следить, чтобы панели не находились в тени космического корабля (где это возможно), и имели правильный угол падения с солнцем. Это определяет положение, в котором панели размещаются на космическом корабле, их форму при развертывании и необходимость сборки привода солнечной батареи (SADA) для ориентации панелей.
3. Риск и сложность (и связанные с этим затраты). Чем больше движущихся частей, тем больше вероятность того, что миссия может пойти не так. Вот почему многие небольшие CubeSat предпочитают работать с солнечными панелями, установленными на корпусе, если это позволяют их требования к мощности, поскольку они позволяют избежать затрат, сложности и риска, связанных с развертыванием солнечных батарей. Другая часто принимаемая мера заключается в том, что «складывание» развертываемых массивов выполняется таким образом, чтобы в сложенном виде обращенная наружу часть массива могла генерировать энергию, даже если развертывание не удастся. Конструктор должен учитывать, насколько «рискован» дизайн, что часто зависит от того, летали ли и сколько этот или аналогичный дизайн на предыдущих самолетах. Точно так же, чем сложнее или инновационнее дизайн, тем выше затраты, связанные с его реализацией.

Основываясь на этих трех соображениях и других (например, тепловых, так как предметы, направленные на солнце, имеют тенденцию сильно нагреваться в космосе), вы, как правило, выполняете компромисс, чтобы определить «лучший» дизайн для вашего варианта использования, взвешивая различные факторы. Я понимаю, что этот ответ довольно расплывчатый, поскольку при разработке подробного проекта конфигурации необходимо учитывать множество критериев, но я надеюсь, что это ответит на ваш вопрос!

Редактировать: Еще один более нишевый аспект, о котором я забыл, — это перетаскивание. Атмосфера Земли (или любой планеты с чьей-либо) создает сопротивление космического корабля, из-за чего высота его орбиты со временем снижается. Для космических кораблей, находящихся на низкой орбите Земли, большие солнечные панели могут значительно сократить продолжительность миссии или увеличить требования к двигательной установке. По этой причине космические аппараты с чрезвычайно низкой орбитой, как правило, предпочитают солнечные панели, устанавливаемые на корпусе, или меньшие по размеру. Это также влияет на соображения конфигурации, поскольку асимметричные панели, таким образом, вносят (небольшой) момент в s/c. Давление солнечного излучения может иметь аналогичный эффект, также оказывая воздействие на панели и оборудование.