Spacecraft Power Systems

0849327865......Page 1
Preface......Page 8
Acknowledgment......Page 10
About the Book......Page 11
About the Author......Page 13
Acronyms and Abbreviations......Page 14
Systems of Units and Conversion Factors......Page 21
Other Units and Conversions......Page 22
Space Flight Constants......Page 23
List of Chapters......Page 25
Contents......Page 27
Part A......Page 42
1.1 Introduction......Page 44
1.2.2 Attitude and Orbit Control System......Page 45
1.2.5 Thermal Control System......Page 46
1.3 Earth Orbit Classification......Page 47
1.3.1 Geostationary Orbit......Page 49
1.3.2 Geosynchronous Orbit......Page 50
1.3.4 Low Earth Orbit......Page 52
1.4 Orbit Mechanics......Page 53
1.5.3 Spin Stabilization......Page 54
1.5.4 Three-axis Stabilization......Page 55
1.6 Launch and Transfer Orbits......Page 56
1.8 Eclipse due to Earth......Page 57
1.8.1 Example......Page 61
1.9 Eclipse due to Moon......Page 62
1.10 Solar Flux......Page 63
1.11 Beta Angle......Page 64
1.12 Spacecraft Mass......Page 65
Reference......Page 66
2.2 Launch and Transfer Orbit Environment......Page 67
2.3.2 Magnetic Field......Page 68
2.3.3 Meteoroids and Debris......Page 69
2.3.4 Atomic Oxygen......Page 70
2.3.5 Charged Particles......Page 71
2.4 Van Allen Belts......Page 72
2.5 Solar Wind and Solar Flare......Page 75
2.6 Geomagnetic Storm......Page 77
2.8 Total Radiation Fluence......Page 78
References......Page 80
3.1 Introduction......Page 81
3.2 Primary Battery......Page 82
3.3 Fuel Cell......Page 83
3.4 Solar PV-Battery......Page 84
3.5 Solar Concentrator-Dynamic Power System......Page 86
3.6 Nuclear-Thermoelectric......Page 89
3.7 Nuclear or Chemical-Dynamic......Page 90
3.8.1 Thermo-Photovoltaic......Page 91
3.8.3 Thermionic......Page 92
3.9 Technology Options Compared......Page 93
3.10 System Voltage Options......Page 94
3.11 Scaling for Power Level......Page 97
References......Page 98
4.1.1 Solar Array......Page 99
4.1.2 Battery......Page 100
4.1.3 Power Regulation......Page 101
4.2.1 Direct Energy Transfer......Page 103
4.3 Fully Regulated Bus......Page 104
4.3.4 Battery......Page 105
4.3.8 Mode Controller......Page 106
4.3.9 Battery Bus......Page 107
4.4 Bus Voltage Control......Page 108
4.5.2 Digital Control......Page 110
4.6 Sun-Regulated Bus......Page 111
4.7 Fully Regulated Versus Sun-Regulated Bus......Page 112
4.8 Peak Power Tracking Bus......Page 114
4.9 Architecture Trades......Page 119
4.10 The International Space Station 160- to 120-V Bus......Page 120
4.11.1 100-V Bus......Page 124
4.11.2 70-V Bus......Page 125
4.12 Small Satellite Bus......Page 127
4.13 Micro-Satellite Bus......Page 130
References......Page 132
5.2 Solar Array Degradation......Page 133
5.3 Electrostatic Discharge in the Solar Array......Page 134
5.4 Damage to the Power Electronics......Page 136
5.5 Effects on other Components......Page 139
5.6 Mass Erosion under Atomic Oxygen......Page 140
5.8 Predicting Damage......Page 143
References......Page 145
6.1 Introduction......Page 146
6.2 Self-Derived Requirements......Page 147
6.3 System Specifications......Page 148
7.2 Spacecraft Level Trades......Page 152
7.3 Power System Level Trades......Page 154
7.3.1 PV Cell Trades......Page 155
7.3.2 Solar Array Trades......Page 157
7.3.4 Bus Voltage Trades......Page 158
7.3.5 Pyro Power Trades......Page 159
7.4 Load Power Profile......Page 160
7.5 Solar Array Sizing......Page 163
7.6 Battery Sizing......Page 165
7.7 Power Flow Analysis......Page 166
7.9 Worst-Case Error Margin......Page 168
7.10 Design Process Phases......Page 170
7.11 Factory-to-Orbit Events......Page 171
7.12 Power System Functions Over Life......Page 172
Part B......Page 174
8.2 Photovoltaic Cell......Page 176
8.3 PV Technologies......Page 178
8.3.1 Single-Crystal Silicon......Page 179
8.3.5 Amorphous......Page 181
8.4 Equivalent Electrical Circuit......Page 182
8.5 I-V and P-V Characteristics......Page 184
8.7 Back-Surface Illumination......Page 188
8.8.1 Rigid Panels......Page 189
8.8.2 Body Mounted Array......Page 191
8.8.4 Flexible Array......Page 192
8.8.5 Inflatable Arrays......Page 194
8.9.2 Sun Angle......Page 195
8.9.3 Temperature Effect......Page 196
8.9.4 Sun Acquisition......Page 199
8.9.5 Sun Tracking......Page 202
8.9.6 Peak Power Extraction......Page 203
8.9.7 Shadow Effect......Page 206
8.10 Array Design......Page 207
8.10.2 Radiation Damage......Page 210
8.10.3 Fluence Calculation......Page 216
8.10.4 Offsetting from Sun......Page 217
8.10.5 Magnetic Moment......Page 218
8.11 Advances in PV Technology......Page 219
8.12 Concentrator Array......Page 224
8.12.1 Stretched Lens Array......Page 227
8.12.2 Light Concentrating Panel......Page 229
8.12.3 Parabolic Concentrator......Page 232
References......Page 234
9.2 Electrochemical Cell......Page 236
9.3 Types of Battery......Page 238
9.3.1 Nickel Cadmium......Page 239
9.3.2 Nickel Hydrogen......Page 241
9.3.3 Nickel Metal Hydride......Page 249
9.3.4 Lithium-Ion......Page 250
9.3.5 Lithium Polymer......Page 253
9.4 Electrical Circuit Model......Page 254
9.5.1 Charge/Discharge......Page 255
9.5.3 Charge Efficiency......Page 258
9.5.4 Energy Efficiency......Page 259
9.5.6 Self-Discharge......Page 260
9.5.7 Self-Heating......Page 262
9.6 Cycle Life......Page 265
9.7 Burst Power Capability......Page 268
9.9 Battery Design......Page 269
9.10 Launch and Ascent Power......Page 275
9.11 Thermal Design......Page 276
9.11.1 Flat Pack......Page 278
9.12 Safety Considerations......Page 279
9.13 Charge Regulation......Page 281
9.13.2 Single Charge Rate......Page 283
9.14 Battery Management......Page 284
9.15 Dynamic Model......Page 286
9.16 Cycle Life Model......Page 289
9.18 Advances in Battery Technologies......Page 292
References......Page 294
10.2 Switching Devices......Page 296
10.3 Shunt Regulator......Page 298
10.3.1 Full and Partial Shunts......Page 299
10.3.2 Linear and PWM Shunts......Page 300
10.3.4 Multistage PWM Shunt......Page 302
10.3.5 Polyphase PWM Shunt......Page 303
10.4.1 Full Versus Partial Shunts......Page 304
10.4.3 Typical Shunt Circuit Design......Page 305
10.5 Bus Ripple Filter Design......Page 306
10.6.1 Battery Charge (Buck) Converter......Page 307
10.6.2 Battery Discharge (Boost) Converter......Page 311
10.6.3 Buck-Boost Converter......Page 312
10.6.4 Flyback Converter (Buck or Boost)......Page 313
10.6.5 Transformer Coupled Forward Converter......Page 314
10.6.8 Resonant Converter......Page 315
10.6.9 Multiple Output Converter......Page 316
10.6.10 Load Power Converter......Page 317
10.6.11 Voltage and Current Regulators......Page 318
10.7 Magnetics......Page 320
10.7.1 Power Losses in Core and Coil......Page 323
10.7.2 Inductor Design......Page 325
10.7.3 Transformer Design......Page 327
10.8 Design for Maximum Efficiency......Page 329
References......Page 332
11.2 Ampacity of Wires......Page 334
11.3 R-L-C Parameters......Page 335
11.4 Conductor Materials......Page 338
11.6 Connectors......Page 340
11.7 Harness Mass Minimization......Page 342
11.7.1 Example......Page 344
11.8 Harness Design Process......Page 345
11.10 Fuse Protection......Page 347
11.10.1 Fuse rating......Page 350
11.10.2 Types of Fuse......Page 352
11.10.3 Fuse Characteristics......Page 353
11.10.4 Fuse Derating......Page 355
11.10.6 Redundant and Parallel Fuses......Page 356
11.10.7 Fuse Testing......Page 357
11.11 Remote Power Controllers......Page 358
11.12 Early Fault Detection......Page 359
12.2 Solar Array Drive......Page 360
12.3.1 Electro-Explosive Device......Page 363
12.3.2 Laser-Initiated Deployment......Page 364
12.4 Deployment Controller......Page 365
12.5.3 Thermistor......Page 367
12.6 Relays......Page 368
12.7 BPM and BCVM......Page 369
12.9.1 Shunt......Page 371
12.9.3 Magnetic Amplifier......Page 372
12.10.2 Metalized Polypropylene Capacitor......Page 373
12.11 Filters......Page 374
12.12 Telemetry and Commands......Page 375
12.13 Electronic Packaging......Page 377
12.14 Radiation Shield......Page 378
12.14.1 Example of Radiation Shield Design......Page 380
12.15 EMI Shield......Page 381
Part C......Page 386
13.1 Introduction......Page 388
13.2 Energy Balance Analysis......Page 390
13.3.1 Battery Module......Page 391
13.3.2 Solar Array Module......Page 395
13.3.5 Output Format......Page 396
13.4 Energy Balance Simulation Runs......Page 397
13.4.1 On-Orbit Simulation......Page 398
13.4.2 Transfer Orbit Simulation......Page 399
13.4.3 Transfer Orbit Load Budget......Page 402
13.4.4 Launch and Ascent Simulation......Page 403
13.5 Battery State of Health Monitoring......Page 404
13.6 Battery Latch-up in Sun-Regulated Bus......Page 406
References......Page 408
14.2 Bus Impedance and System Stiffness......Page 409
14.2 Voltage Regulation and Transients......Page 412
14.4 High-Frequency Ripples......Page 415
14.5 Ripple Measurement......Page 417
14.7 Minor Fuse Blow Cross-Talk......Page 419
14.7.1 Example......Page 420
14.8 Major Fuse Blow Transient......Page 421
14.9 Stability and Bus Impedance......Page 423
14.10 The dynamic Stability of a Control System......Page 427
14.11 Dynamic Simulation Model......Page 429
14.11.1 Solar Array Model......Page 430
14.11.2 Other Component Models......Page 432
14.12 Simulation Runs......Page 433
References......Page 434
15.2 Sources of EMI......Page 435
15.2.2 Radiated EMI......Page 436
15.3 Modes of Coupling......Page 438
15.4 EMI/EMC Specifications......Page 444
15.5 EMI Suppression Methods......Page 448
15.5.2 Grounding......Page 449
15.5.3 Cable Shielding......Page 450
15.5.4 Bonding......Page 451
15.6 Common Mode EMI......Page 452
15.7 Broadband EMI......Page 453
15.8 Commercial Off-the-Shelf Equipment......Page 454
15.8.1 EMI Requirements in Commercial Equipment......Page 455
15.8.2 NASA Versus Commercial Test Methods......Page 456
15.8.3 Testing COTS for Space Compliance......Page 457
15.9 Electromagnetic Pulse/Nuclear Threat......Page 458
16.2 ESD in GEO......Page 462
16.3 ESD in LEO......Page 463
16.4 Dielectric Breakdown......Page 464
16.5 ESD Entry Points......Page 465
16.6 Effect of ESD......Page 466
16.7 ESD Mitigation......Page 467
16.8 ESD Control in Solar Array......Page 468
16.9 Part Sensitivity......Page 470
Reference......Page 471
17.1 Introduction......Page 472
17.2 Random Failures......Page 474
17.4 Fundamental Theorems of Reliability......Page 475
17.5 Series-Parallel Reliability......Page 476
17.5.1 Examples......Page 477
17.6 Redundancies......Page 480
17.6.1 Active n for (n - 1) Units......Page 481
17.6.3 Dormant n and Active m Units......Page 482
17.6.4 Shared Versus Separate Battery Chargers......Page 483
17.6.5 Diode O-Ring for Active Redundancy......Page 484
17.7 Failure Rate Statistics......Page 485
17.8 MIL-HDBK-217......Page 486
17.9 Parts-Count Method of Reliability Estimate......Page 487
17.10 Derating for Reliability......Page 488
17.11.1 Example......Page 489
17.13 Non-Redundant Components......Page 490
17.14 Example of Reliability Calculation......Page 491
18.2 Test Limits......Page 492
18.2.5 Temperature Location......Page 496
18.3.2 Leak......Page 497
18.3.7 Acoustic......Page 498
18.4 Solar Cell Tests......Page 499
18.6 Power System Tests......Page 500
18.6.1 Solar Array......Page 501
18.6.2 Solar Array Drive......Page 503
18.6.3 Battery Assembly......Page 504
18.6.5 Bus Impedance and Stability......Page 505
18.7.2 Electrical Power System Test......Page 506
18.8 Test Points......Page 507
18.10 Launch Site Testing......Page 508
Part D......Page 512
19.1 Introduction......Page 514
19.2 Temperature in Deep Space......Page 516
19.4 Mercury Mission......Page 519
19.5 Near-Sun Mission......Page 521
19.6 Mars Mission......Page 522
19.7 Missions to Jupiter and Saturn......Page 525
19.8 Deep Space Missions......Page 527
References......Page 529
20.1 Introduction......Page 530
20.2 Thermoelectric Fundamentals......Page 531
20.2.1 Single-Stage Unicouple......Page 533
20.2.2 Single-Stage Multicouple......Page 534
20.2.4 RTG Assembly......Page 535
20.3 Electrical Model of RTG......Page 536
20.4 Maximum Power Transfer......Page 537
20.5 The Effect of Temperature and Aging......Page 538
20.7 Segmented TECs......Page 541
20.8 Advanced RTGs......Page 542
20.9 Thermoelectric Cooler......Page 544
References......Page 545
21.1 Introduction......Page 546
21.2.1 Stirling Engine......Page 549
21.3 Electromechanical Energy Conversion......Page 551
21.4.1 Brief Description of Each Machine......Page 553
21.4.4 Voltage Regulation and Field Excitation......Page 556
21.4.5 Speed and Frequency Limitations......Page 557
References......Page 558
22.1 Introduction......Page 559
22.2 High-Voltage PV Array......Page 560
22.3 High-Power Nuclear TEC......Page 561
22.4.1 Paschen Breakdown Voltage......Page 565
22.4.2 Dielectric Stress Concentration......Page 566
22.4.3 Corona Degradation......Page 567
22.4.5 Plasma and Charged Particles......Page 570
22.4.6 Temperature Extremes......Page 575
22.4.7 Design Guidelines......Page 576
22.5 High-Voltage Direct Current......Page 577
22.6 Alternating Current Versus Direct Current......Page 578
22.7 High-Frequency Alternating Current......Page 580
22.7.1 20-kHz Cable......Page 582
22.7.2 EMI in 20-kHz Alternating Current......Page 583
22.8 High-Power Components......Page 584
22.8.1 Rotary Power Transfer......Page 585
22.8.2 Switching and Protection......Page 586
22.8.3 Semiconducting Devices......Page 588
22.8.5 Power Converters......Page 589
22.8.6 Transformer and Inductor......Page 590
22.9 Very-High-Voltage System......Page 591
22.10 Repetitive Pulse Power......Page 593
22.11 Multi-Megawatt Burst-Power......Page 596
22.12 High-Temperature Components......Page 602
References......Page 606
23.1 Introduction......Page 607
23.2 Specific Impulse......Page 609
23.3.2 Hydrazine Arcjet......Page 611
23.3.3 Ion Thruster......Page 612
23.3.4 Stationary Plasma Thruster......Page 615
23.3.5 Magneto-Hydrodynamic......Page 616
23.4 Performance Comparison......Page 617
23.5 Solar PV Propulsion......Page 619
23.6 Solar Thermal Propulsion......Page 621
23.7 Nuclear Power Propulsion......Page 622
23.8 Microwave Beam Propulsion......Page 623
23.9 Tether Power Propulsion......Page 624
23.9.3 Keeping the Space Station Afloat......Page 630
References......Page 631
24.1 Introduction......Page 632
24.2 Electrochemistry of a Fuel Cell......Page 633
24.3 Electrical Performance......Page 634
24.4 Types of Fuel Cells......Page 637
24.5 Regenerative Fuel Cells......Page 639
24.6 RFCs for Space Colonies......Page 640
24.7 RFCs for Satellites......Page 641
24.8 Commercial Fuel Cells......Page 643
References......Page 644
25.1 Introduction......Page 645
25.2 Photovoltaic-Flywheel Power System......Page 647
25.3 Flywheel System Components......Page 648
25.3.3 Magnetic Bearings......Page 649
25.3.6 Sensors......Page 651
25.4 Power and Momentum Management Electronics......Page 653
25.5 Energy and Stress Relations......Page 654
25.6 Flywheel Application Example......Page 656
25.7 Integrated Energy and Momentum Storage......Page 658
25.7.1 Energy and Momentum Relations......Page 660
25.7.2 Energy Depletion Constraints......Page 661
25.8 Energy-Momentum Wheel Example......Page 663
25.8.1 Providing Launch and Ascent Power......Page 664
25.8.2 Replacing Batteries and Reaction Wheels with IEMS......Page 665
25.9 Electrical Machine Options......Page 666
25.9.1 Synchronous Machines......Page 667
25.9.2 Induction Machine......Page 668
25.9.3 Direct Current Machine......Page 669
25.10 Motor-Generator Design Issues......Page 670
25.10.1 Constant Torque Versus Constant Power Design......Page 671
25.11 Magnetic Bearings Design Issues......Page 672
25.11.2 High-Speed Bearings......Page 673
25.12 Flywheel System Controller......Page 674
25.13 NASA Flywheel Program......Page 676
References......Page 679
26.2 Magnetic Energy Storage......Page 681
26.3 Critical J, B, and T......Page 684
26.5 System Configuration......Page 687
26.6 Cryogenic Temperature......Page 689
26.7.1 Semiconductors......Page 690
26.7.2 Magnetics......Page 691
26.7.4 Resistors......Page 692
References......Page 693
27.1 Introduction......Page 694
27.2 Microwave Beam......Page 695
27.4 Space-to-Ground Power......Page 696
27.5 Solar Dynamic Power Generation......Page 699
27.6 Powersat Developments......Page 701
References......Page 702
A......Page 704
B......Page 705
C......Page 707
D......Page 708
E......Page 710
F......Page 713
G......Page 714
H......Page 715
I......Page 716
L......Page 718
M......Page 719
N......Page 721
O......Page 722
P......Page 723
R......Page 725
S......Page 727
T......Page 730
V......Page 731
Z......Page 732
Back cover......Page 734