Электричество на МКС: от генерации до заземления

Электричество на МКС: от генерации до заземления

В 2026 году с 6 по 12 апреля в России впервые проходит «Неделя космоса». «МПО Электромонтаж» включается в масштабный информационный проект и рассказывает об увлекательной теме, которая ближе всего к компетенции компании — об электричестве и электротехнике. Для примера будет рассмотрена Международная космическая станция.

МКС  — гигантское сооружение, которое эксплуатируется с 1998 года и еще будет эксплуатироваться как минимум 2 года. Система электропитания МКС — крупнейшая из когда-либо построенной в космосе. Создание электрической энергетической системы (ЭЭС) было завершено в 2009 году.

Электрическая энергия — это важный ресурс для МКС. Она позволяет экипажу безопасно и комфортно жить ​​и работать. Энергия используется и для питания системы жизнеобеспечения и для научных экспериментов — работы печи, которая производит кристаллы, управления компьютерной сетью передачи данных или работы центрифуги.

Выработка 120 кВт

Солнце на околоземной орбите обеспечивает около 1,4 киловатта энергии на квадратный метр. Это богатый ресурс, который конструкторы космических аппаратов всячески стараются использовать. 

Сейчас на МКС более 250 тысяч кремниевых элементов установленных на 8 солнечных панелях генерируют мощность до 120 кВт. Это примерно соответствует потреблению 55 домов. Фотоэлектрические элементы непосредственно преобразуют свет в электричество. Их эффективность (КПД) достигает 30%, но она снижается из-за нагрева и радиационного повреждения.

Общая площадь панелей — 2500 кв. метров. Размах — 109 метров. Это больше, чем у самого большого в мире пассажирского самолета, Airbus A380 — 80 метров. Благодаря этому МКС можно наблюдать с Земли.

Хранение электроэнергии

На Международной космической станции энергия, вырабатываемая солнечными панелями во время освещённого периода, частично сохраняется в специальных никель-водородных аккумуляторных батареях. На каждую из солнечных панелей приходится по 6 таких батарей, которые рассчитаны на десятки тысяч циклов заряда-разряда. Эти аккумуляторы обеспечивают питание всех систем станции, когда она попадает в тень Земли во время орбитального движения. Срок службы батарей составляет около 6,5 лет, после чего их необходимо заменять. Сохранённая энергия используется для работы систем жизнеобеспечения, научных приборов и другого оборудования в периоды, когда солнечные панели не могут генерировать электричество. 

В американском сегменте первоначальный комплект батарей прослужил 10 лет и отработал 50 тыс. циклов зарядки/разрядки.

На МКС есть две системы электроснабжения — первичная и вторичная. Батареи подключены к первичной. Если во вторичной системе произойдет отключение электроэнергии, все нижестоящие потребители останутся без питания.

Обслуживание батарей

Так как снаружи станции установлены батареи и другое оборудование, для их обслуживания необходимо отключать проходящие по фермам кабели питания. Для этого космонавт, работающий в открытом космосе, может воспользоваться устройством изоляции цепей по сути являющимися поворотными переключателями.

Без этих устройств значительная часть станции должна была бы отключаться во время некоторых выходов в открытый космос, что увеличивало бы как сложность эксплуатации. УИЗ устранили эту проблему.

Километры проводов 

Электроэнергетическая система станции соединена 13 км медных проводов. Как сделана их изоляция и экранирование?

Для предотвращения электромагнитных помех многие провода экранированы медной оплеткой или лентами.

Изоляция сделана из каптона и тефцеля. На Земле оба изоляционных материала применяют для производства проводов и кабелей, эксплуатируемых в экстремальных условиях. В космосе каптон используется также для внешнего слоя скафандров. В рабочих условиях каптон и тефцель не выделяют газы — это важно для микроатмосферы на МКС.

Заземление

На МКС реализовано несколько независимых контуров заземления. При этом есть и общий уровень заземления, которым служит рама самой станции и концы солнечных батарей. На батареях установлен плазменный контактор с полым катодом, который «заземляет» на окружающую плазму.

Разъёмы

Провода и устройства соединяются с помощью разъемов, предназначенных для многократного использования в условиях невесомости. Внешне разъемы напоминают разъемы типа Separate Video (S-Video), разработанных компанией JVC в 1980-х годах. Такая конструкция обеспечивает правильную коммутацию.

Монтаж электроприборов

Как и всё оборудование на МКС, электроприборы монтируются по модульному принципу. Фиксация осуществляется болтами или защелками.

На станции используются стойки и крепежные элементы, которые позволяют зафиксировать прибор одной рукой пока вторая удерживает космонавта.

Напряжение и потери мощности

В разных сегментах станции используются разные параметры тока. В российском — 28 вольт, в японском — 50 вольт, в американском и европейском — 124 вольт. Более высокое напряжение снижает омические потери мощности в проводах.

Напомним, какое напряжение в домашних электрических сетях на Земле: в Европе — 230 В, в Японии — 100 В, в США — 120 В.

Управление обменом энергией

Электрические нагрузки спутника часто меняются в зависимости от того, какие приборы или подсистемы работают в тот или иной момент. Поэтому одной из важнейших задач системы стабилизации напряжения является оптимальное управление обменом энергией между генератором, батареей и нагрузками. Это означает обеспечение того, чтобы мощность, подаваемая на нагрузки, оставалась в пределах допустимого для них диапазона напряжения. При этом батарея не должна испытывать избыточного зарядного тока или напряжения. В исключительных ситуациях должна быть возможность отключения некритичных блоков чтобы избежать полного разряда батареи.

При необходимости питание распределяется между сегментами станции. Для этого есть повышающие и понижающие преобразователи напряжения, которые компенсируют разницу между уровнями напряжения в шинах США и России. Соответственно это «российско-американские» (RACU) и «американско-российские» (ARCU).

Перекрестному соединению подлежит только основное питание. После преобразования энергии во вторичное питание поток энергии через распределительную сеть не может быть перенаправлен. В результате, если произойдет сбой во вторичной системе электропитания, то так как резервирование отсутствует, весь путь от места сбоя остается без питания.

Прогнозирование

Для прогнозирования максимального уровня мощности, который система электропитания станции может производить и поддерживать на протяжении всего периода работы станции на конкретной орбите, в условиях солнечного света и тени был разработан компьютерный код SPACE (System Power Analysis for Capability Evaluation). Этот инструмент включает математические модели солнечных батарей, аккумуляторов и оборудования управления и распределения электроэнергии.

Защита: автоматы и предохранители

Система электропитания защищена от отказов питаемых блоков, особенно от коротких замыканий. Это та же проблема, что и в домах на Земле, где распределительный щит оборудован автоматическими выключателями и предохранителями для предотвращения неконтролируемых скачков тока. Поэтому на борту МКС также используются и предохранители, и электронные автоматические выключатели.

Защита: датчики

Почти во всем оборудовании установлены датчики тока, напряжения и температуры, которые контролируются встроенным программным обеспечением. Если напряжение, ток или температура выходят за пределы допустимого диапазона, будет инициировано соответствующее защитное действие. Оно предназначено для ограничения времени воздействия на устройство высокой мощности или высокой температуры. В случае скачков напряжения оно также предназначено для ограничения воздействия этого скачка на другое оборудование вдоль пути передачи электроэнергии. Функция защиты системы включает в себя способность архитектуры обнаруживать и локализовать неисправность, чтобы предотвратить повреждение соединительных компонентов, и выполнять процесс восстановления функциональности, если это возможно. 

Архитектура спроектирована таким образом, что каждое устройство защиты цепи, расположенное ниже по потоку, настраивается на более низкий номинальный ток и реагирует быстрее, чем устройство защиты, расположенное непосредственно выше по потоку.

Это гарантирует, что электрические неисправности или короткие замыкания в системе не будут распространяться к источнику питания.

Другая функция защиты системы в такой архитектуре заключается в отключении выработки электроэнергии, когда выходное напряжение массива падает ниже заданного нижнего порогового значения. Это предотвращает продолжение питания фотоэлектрических элементов при возникновении неисправности ниже по потоку. 

В итоге, все различные реализации защиты системы работают вместе, чтобы изолировать неисправности или короткие замыкания на самом низком уровне.

Такой подход минимизирует воздействие на пользователей энергосистемы и защищает ее от повреждений, вызванных неисправностями низкого уровня.

Схемы резервирования

На МКС существует три типа резервных схем:

• Компоненты могут быть подключены к нескольким источникам питания. Это обеспечивает возможность переключения между ними.

• Два или более компонента, выполняющих одну и ту же функцию, могут питаться от разных источников питания. Таким образом, обязанности одного компонента могут быть взяты на себя другим.

• Несколько компонентов могут работать вместе для выполнения одной функции; при выходе из строя одного компонента работоспособность снижается, но не теряется полностью.

Также существует набор доступных перемычек, которые можно использовать для временного восстановления питания нагрузки до тех пор, пока не будет отремонтирована сломанная цепь.

Нагрузка

Напряжение подается на системы жизнеобеспечения, научные приборы и приборы контроля.

Большую часть энергии потребляют системы жизнеобеспечения станции — те, что производят кислород, очищают воздух и воду, поддерживают нужные уровни влажности и температуры. Энергию расходуют и более 100 компьютеров и почти 2 тыс. различных терминалов и устройств, в том числе оборудование в лабораториях.

Отвод

Энергетическая система станции также включает в себя радиаторы для отвода тепла от космического аппарата. Радиаторы затенены от солнечного света. 

Подготовка космонавтов

Подготовка космонавтов включает изучение электротехнических дисциплин для работы с бортовыми системами, обеспечивающими жизнедеятельность и функционирование МКС. Ключевые направления включают электроэнергетику, электрооборудование летательных аппаратов, электронику, радиотехнические системы и автоматику.

Если вы хотите получить базовые знания по этой теме — читайте статью «Библия электромонтажника».

«Неделя космоса»

С 6 по 12 апреля в России проводится «Недели космоса». Основанием для ее проведения стал указ № 995, подписанный президентом РФ Владимиром Путиным 29 декабря 2025 года.

Неделя космоса стала частью юбилейных мероприятий в честь 65-летия первого полета человека в космос: 12 апреля 1961 года лётчик-космонавт СССР майор ВВС Юрий Алексеевич Гагарин на корабле «Восток» совершил первый в мире пилотируемый полёт в космическое пространство.

Денис Мантуров, назначенный указом № 995 председателем организационного комитета по подготовке к проведению «Недели космоса – 2026» на первом заседании этой структуры заявил, что «в целом Неделя космоса должна содействовать повышению престижа работы в отрасли. Вокруг этой задачи нужно консолидировать государственные органы, регионы, бизнес, научное, культурное и образовательное сообщества, а также средства массовой информации».

«Коммуникационную задачу недели можно выразить коротко: "Космос на максимум", — отметил на том же заседании глава Роскосмоса Дмитрий Баканов. — Наша цель, чтобы более 100 миллионов человек узнали о российской Неделе космоса и её событиях из разных источников».

Статьи по теме

Космос и электричество

Электричество из космоса

Энергетика космического базирования

Электричество - главное топливо в космосе

Электроснабжение Международной космической станции

Реклама ЗАО «МПО Электромонтаж» ИНН 7719079370 ERID 2W5zFJaJh5b