Солнечные батареи состоят из множества фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) – полупроводниковых устройств, дающих электрический ток при попадании на них обычного света. Эти маленькие (стандартный размер 20х50 мм) ячейки соединяются в цепочки-стринги как «банки» в обычном автомобильном аккумуляторе.

Солнечные батареи состоят из множества фотоэлектрических преобразователей – полупроводниковых устройств, дающих электрический ток при попадании на них обычного света
Фото: АО «Российские космические системы»

Итак, космический аппарат движется по своей орбите вокруг Земли, Солнце освещает его батареи и они дают ток. Но вот спутник смещается относительно солнца так, что часть батареи оказывается затенена другими его частями, например, корпусом. Или еще хуже – он пересекает терминатор и входит на теневую сторону планеты. Автоматика подключает к потребителям аккумуляторы, но принцип действия современных ФЭП таков, что в этот момент он не только перестает сам вырабатывать ток, но и начинает его потреблять – их тех же аккумуляторов.

 

С этим традиционно боролись установкой на каждом стринге блокирующих диодов. Но такое непроизводительное потребление электроэнергии – это полбеды. Сила обратного тока в системе современного крупного космического аппарата получается ненамного ниже ее номинальной величины при нормальной работе – этого достаточно, чтобы не только вывести из строя («сжечь») некоторые элементы ее автоматики, но даже вызвать пожар на борту, внутри корпуса.

 

В космосе нет воздуха, свет не рассеивается и такое изменение режима происходит не плавно, как на Земле, а «ударом». Кроме того, резко меняется температура солнечной батареи – ее скачки могут достигать 300 градусов, что не только пагубно влияет на свойства материала ФЭП, но и приводит к тепловой усталости каркасных деталей батарей, сокращая их «идеальный» ресурс.

 

Еще одна проблема – «безударное» отключение стрингов, ФЭП которых вышли из строя. В этом случае скачок напряжения обычно меньше, но и это может нести угрозу работе всей системы в целом.

 

С «ударными нагрузками» научились бороться путем установки на каждой ячейке ФЭП еще одного защитного диода – шунтирующего. Если блокирующий диод работает «как в учебнике физики», просто пропуская ток только в одном направлении, то диод шунтирующий сглаживает ударные пульсации напряжения.

 

На рубеже 1990-х годов «горбачёвское ускорение» резко затормозило развитие отечественных космических технологий, и производители солнечных батарей на Западе смогли выйти в этой отрасли на передовые позиции именно благодаря внедрению таких технологий. Готовые солнечные батареи с «двойной защитой» Россия стала закупать в 90-е годы, но вскоре стало ясно, что такие устройства можно и нужно делать и самим.

 

Созданием шунтирующих диодов для солнечных батарей для Международной космической станции (МКС) занялись два предприятия – входящее в госкорпорацию «Роскосмос» акционерное общество «Российские космические системы» и НПП «Квант». Благодаря их совместным усилиям российская космонавтика получила собственные защищенные солнечные батареи, избавившись от необходимости покупать их за рубежом.

 

Причем этот важнейший элемент оборудования космических аппаратов постоянно совершенствовался.

 

8 февраля 2017 г. пресс-служба АО «Российские космические системы» сообщила о завершении работ по созданию нового поколения систем диодной защиты солнечных батарей, которая замедляет их «старение» под воздействием суровых условий космической среды в 10 раз.

8 февраля 2017 г. пресс-служба АО «Российские космические системы» сообщила о завершении работ по созданию нового поколения систем диодной защиты солнечных батарей, которая замедляет их «старение» под воздействием суровых условий космической среды в 10 раз
Фото: АО «Российские космические системы»
Новые многослойные коммутирующие шины диодов на основе молибдена позволяют выдерживать более 700 термоударов
Фото: АО «Российские космические системы»

Новые многослойные коммутирующие шины диодов на основе молибдена позволяют выдерживать более 700 термоударов (на испытательном стенде изделия опытной партии выдерживали в 10 раз больше – более 7000 циклов), а специальное защитное покрытия металлических деталей диодов предотвращает окисление поверхности при контакте с окисляющими средами. Зачем нужно еще и это, ведь в космосе вакуум и никакой коррозии? А для увеличения срока складского хранения в нормальных условиях – теперь эти изделия могут оставаться на складе до пяти лет, а затем 15,5 года проработать в космосе.

Многослойная диэлектрическая изоляция кристалла диода выдерживает обратный ток напряжением до 1100 В
Фото: АО «Российские космические системы»

Многослойная диэлектрическая изоляция кристалла диода выдерживает обратный ток напряжением до 1100 В, что соответствует требованиям к системам электроснабжения таких объектов, как МКС, у которой общая площадь собственных батарей составляет многие десятки квадратных метров.

 

По массе и энергоэффективности российские солнечные батареи соответствуют лучшим зарубежным образцам, а теперь они получают существенные преимущества по надежности и ресурсу.

 

АО РКС – главный поставщик ФЭП и солнечных батарей для российской космической техники и годовая потребность предприятия в защитных диодах нового поколения оценивается более чем в 15 тысяч штук в год. Их поставки начнутся уже в этом году – специалисты АО РКС разработали не только сами уникальные полупроводниковые устройства, но и групповую технологию для их крупносерийного производства.