¿Por qué la nave espacial Apolo usó equipos de CA y CC? ¿Todavía se usa en diseños presentes y futuros?

¿Por qué la nave espacial Apolo usó tanto corriente continua como alterna, requiriendo inversores pesados? ¿Fue poco práctico diseñar todo para que funcionara solo con alimentación de CC? ¿Por qué? ¿Se siguen utilizando tanto la alimentación de CA como la de CC en los diseños de naves espaciales actuales y futuras?

Este informe de la NASA brinda una buena descripción general del sistema eléctrico, pero no establece explícitamente la justificación del sistema dual de CA y CC. Sí dice que la mayor parte de la CA se usó para alimentar "motores de bomba de celda de combustible". ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19740011403.pdf
Gracias, he hojeado algunos de los documentos de Apollo pero, como dijiste, la razón no siempre está ahí. Los motores de CC estaban disponibles en ese momento, y los diseños sin escobillas se implementaron en los años 60... ¿Los sistemas de radar necesitaban CA? ¿Un solo inversor tiene menos masa que diseñar instrumentos para trabajar con CC? :/
Las celdas de combustible en el SM y las baterías en el CM proporcionaron CC. Pero la electrónica necesitaba diferentes voltajes de CC, no solo uno. Para proporcionar varios voltajes de CC diferentes, el uso de inversores fue la mejor solución, en los tiempos de Apolo y en la actualidad. Pero hay algunos dispositivos que necesitan CA en lugar de CC, por ejemplo, los giroscopios utilizados para la navegación. El radar necesita HF CA, si se usaron tubos de magnetrón para generar HF, se necesitaba un alto voltaje de CC y se generaba mediante un inversor.
Shuttle usó ambos; la CA trifásica de 400 hz era principalmente para bombas y motores. Algunos otros dispositivos lo usaron (computadoras de control SSME).
Apolo también usó 400 Hz. Las aeronaves usaban 400 Hz antes de que se construyeran las naves espaciales.
@Uwe, ¿los sistemas de 28 V CC también eran comunes en los aviones en los años 60?
Si los aviones en los años 60 todavía usaban válvulas electrónicas para radio, etc., 400 Hz CA era mejor para generar los altos voltajes para las válvulas. No puedo decir acerca de los sistemas de 28 V CC.
Los inversores de Apollo CM también generaron CA trifásica de 400 Hz. El instrumento y la iluminación de control utilizaron láminas o cables electroluminiscentes, este tipo de fuentes de luz funcionan solo con CA. El control de brillo se hizo con transformadores variables, un método muy simple y confiable.
Pero aparte del radar, del que no sé nada, creo que hay versiones DC disponibles para todo. Es posible que se necesite un inversor pequeño para alimentar la retroiluminación, pero no creo que sea una justificación razonable para los inversores grandes. Parece que los buses de CA complican mucho el sistema eléctrico, por lo que debe haber alguna razón importante (nuevamente, el radar es lo único que se me ocurre, a menos que haya algo con el uso de motores de CC que haya pasado por alto)
@Innovine Sin usar CA, no se pueden generar de manera eficiente varios voltajes de CC diferentes, pequeños y más grandes, a partir de una sola fuente de CC. Para mejorar la inmunidad al ruido eléctrico, es mejor utilizar fuentes de CC independientes y aisladas para circuitos sensibles, incluso cuando se utiliza el mismo voltaje nominal. Usar muchas baterías diferentes para diferentes voltajes es malo para la confiabilidad. Necesitaría baterías redundantes para cada voltaje de CC importante. Los buses AC no complican el sistema eléctrico, lo simplifican.
Respuesta corta: porque la ingeniería de naves espaciales se deriva/toma mucho de la ingeniería de aviación debido a numerosos problemas y limitaciones compartidas; Las aeronaves tienen una larga y establecida historia de uso de 400 Hz CA y 28 V CC por razones prácticas. Un voltaje más alto es simplemente más práctico / eficiente como una forma de entregar una gran cantidad de energía a una distancia más larga: ahorra en la masa del conductor (que se suma). Se utilizan 400 Hz en lugar de 50 o 60 Hz porque los transformadores pueden ser más pequeños/ligeros.
¡La recompensa de @Innovine también te incluye a ti!
No conozco detalles específicos sobre Apollo, pero algunas de las mismas consideraciones se aplican al transbordador. Uno de nuestros nuevos estudiantes astronautas se interesó mucho en saber por qué los controladores SSME funcionaban con CA; sintió que esto los hacía innecesariamente propensos a ciertos problemas eléctricos. Al igual que con muchas decisiones de diseño de transbordadores originales, las razones de esto eran algo turbias. Pero siguió investigando y utilizando un poco de poder astronómico logró ponerse en contacto con algunos de los diseñadores originales. Resulta que hubo varios intercambios, pero quizás el más importante fue que el voltaje de salida de la celda de combustible no estaba bien regulado.
...otro fue que el cableado para el diseño de CC pesaba varios cientos de libras más.
El cableado para un diseño de bajo voltaje pesaría mucho más que para un sistema de voltaje medio a alto de la misma potencia máxima. El bajo voltaje da como resultado una alta corriente para transmitir la misma potencia. La alta corriente requiere un cableado más pesado. Esto es cierto para los sistemas de CA y CC. Para cables de transmisión muy largos en la Tierra, un sistema de CC necesita menos peso que un sistema de CA. Es por eso que se utilizan sistemas de transmisión de CC de alto voltaje para evitar pérdidas adicionales causadas por la potencia reactiva.

Respuestas (1)

No había un solo voltaje de CC útil para todo el sistema electrónico. Se necesitaban muchos voltajes diferentes, para sistemas muy sensibles al ruido, se utilizaron fuentes de CC dedicadas para evitar interferencias.

El uso de corriente alterna trifásica de 400 Hz era un método bien establecido que se usaba antes en aeronaves. Proporcionar CA de 400 Hz permitió el uso de instrumentos de aeronaves dentro de la nave espacial. Se podría ahorrar mucho peso en los núcleos de los transformadores utilizando 400 Hz en lugar de 50 o 60 Hz, aproximadamente un 87 % menos. Con CA trifásica, se podrían utilizar motores sin escobillas y sin arco muy simples, robustos y confiables. Las luces del panel de instrumentos también requerían corriente alterna. El ajuste del brillo se hizo de manera muy simple usando variacs.

Generar varios voltajes de CC a partir de CA trifásica de 400 Hz es fácil y requiere mucho menos filtrado que una CA monofásica de 50/60 Hz. Los condensadores de filtro pueden ser pequeños si es necesario. Las grandes computadoras centrales de CDC y Cray de esa época también usaban fuentes de alimentación de CA trifásicas de 400 Hz, no solo en los años sesenta, sino también en los años setenta y ochenta.

Las celdas de combustible del módulo de servicio necesitaban estabilización de todos modos, el voltaje nominal era de 28 V CC, de 27 a 31 V CC bajo carga normal, pero con una potencia máxima de 20,5 V, los inversores entregaban 115 ± 2 V. Para un diseño redundante confiable había 3 pilas de celdas de combustible conmutables a 2 buses de CC y 3 inversores conmutables a 2 buses de CA. Un solo inversor era capaz de suministrar toda la corriente alterna para el vehículo. Pero los inversores no estaban sincronizados y no podían conectarse en paralelo sin sufrir daños. Por lo tanto, solo dos de los tres inversores podrían usarse simultáneamente.

Después de la separación del SM, el sistema usó baterías dentro del módulo de comando. Después del Apolo 13, se agregó una batería adicional de 400 Ah al SM.

El transbordador también usó 28 V CC de 3 pilas de celdas de combustible, 3 buses de CC y 3 inversores para 3 buses de CA con corriente de 115 V CA trifásica de 400 Hz. Se utilizaron 3 inversores monofásicos para cada sistema trifásico, en conjunto 9 unidades.

Algunos artículos de la NASA: 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 .

¿Por qué la nave espacial Apolo usó equipos de CA y CC? ¿Todavía se usa en diseños presentes y futuros?
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