Раздел 9

1. Системы энергоснабжения ка

В настоящей лекции приведены общие сведения об энергетичес­ких системах КА, рассмотрены различные виды первичных источ­ников тепловой энергии, имеющих наибольшее значение для кос­мической энергетики.

Конечной целью преобразования первичной энергии, как прави­ло, является получение электрической энергии, генерируемой по определенной временной программе.

Элект­рическая энергия может быть получена на борту КА непосредст­венно из первичных источников (электрохимические реакции, фото­электрическое преобразование лучистой энергии), либо из проме­жуточной формы — тепловой энергии, в которую предварительно превращается первичная энергия (химическая, солнечная, ядер­ная). В первом случае источник энергии и соответствующий непосред­ственный ее преобразователь трудно разграничить и по этой при­чине подобные устройства (топливные элементы и фотоэлектриче­ские преобразователи) рассматриваются как непосред­ственные преобразовате­ли энергии. Второй случай является более общим. Полученная в результа­те тех или иных процессов тепловая энергия может быть исполь­зована помимо получения электроэнергии и в других целях: для системы жизнеобеспечения экипажа, обогрева бортового оборудо­вания и т. д.

Таким образом, возникает необходимость специального рассмот­рения первичных источников тепловой энергии, основными из которых являются изотопные генераторы и реакторы деления. Сис­темы солнечных концентраторов-приемников нами специально не рассматриваются, поскольку они не нашли широкого распространения. Аналогично, химические источники тепла так же не вы­деляются, поскольку энергетическим характеристикам различных; топливных компонентов посвящено большое число работ как расчетно-теоретического, так и справочного характера.

Любой тип энергетической установки КА включает следующие три основных элемента: источник первичной энергии, преобразователь первичной энергии в электрическую (иногда эти два элемента объединены) и устройство для отвода неиспользованного в процессе преобразования тепла в окружающее пространство.

Все виды первичных источников энергии могут быть разделены две группы: бортовые, т. е. имеющиеся на борту КА, и внешние, т. е. находящиеся вне КА. К бортовым источникам энергии относятся механические, химические и ядерные. Механическими источниками энергии являются, например, сжатые газы, пружины, маховики.

Энергия химических связей может быть использована двумя основными путями: электрохимическим и тепловым. В первом случае химическая энергия непосредственно преобразуется в электрическую, а во втором — в тепло, которое затем должно быть преобразовано в электрическую энергию.

Важнейшую роль в космической энергетике играет ядерная энергия. Ее энергоемкость на много порядков выше химической и, тем более, механической. Из числа ядерных источников первичной энергии в настоящее время используются радиоактивные изотопы и реакторы деления. Выделяющаяся при различных радиоактивных превращениях энергия представляет собой, главным образом, кинетическую энергию элементарных частиц и осколков деления как нейтральных, так и обладающих определенным зарядом. Некоторая доля энергии уносится излучением. Отсюда вытекают три возможных пути использования ядерной энергии в виде:

I) кинетической (т.е. механической) энергии частиц, например, для создания тяги;

2) электрической путем создания разности потенциалов в определенных точках активной зоны при разлете заряженных частиц;

3) т е п л а, выделяющегося при торможении элементарных частиц и осколков деления в среде активной зоны.

Ведутся работы по использованию более энергоемких управляемых реакций синтеза и процессов аннигиляции материи, однако практически реализуемые результаты пока еще не достиг­нуты.

Основным видом внешнего источника энергии является солнеч­ное излучение, которое в принципе можно использовать в двух формах: световой и тепловой.

В качестве внешних источников энергии можно использовать также космические лучи, потоки протонов, магнитные поля, свобод­ные радикалы, имеющиеся в верхних слоях атмосферы, и др. За исключением энергии свободных радикалов, плотность остальных источников энергии чрезвычайно мала. На рис. 1 изображены различные виды первичных источников энергии (обозначены прямоугольниками) и те виды, в которые они трансформируются (обозначены кружками). Конечным видом всех преобразований является электрическая энергия. Реализуемые или находящиеся в стадии разработок источники и направления транс­формации генерируемой ими энергии показаны сплошными линиями перспективные — пунктиром. Упрощенная принципиальная схема процесса преобразования тепла показана на рис. 2.

Рис. 1. Упрощённая схема преобразования энергии

Двойными линиями показан случай, когда подвод и отвод тепла осуществляется с помощью контуров с теплоносителями или тепловых труб. Распространены также установки, в которых отсутствуют один или оба контура теплоносителя. В этих случаях тепло непосредственно от источника передается преобразователю или отводится от него (линии со стрелками).

В настоящее время проектируются, разрабатываются и используются на практике преобразователи многих типов. Они существенно отличаются один от другого по принципу действия и устройству. Тем не менее, все они обладают одной общей характерной особенностью: их эффективность (работа, мощность, КПД) повышается (правда, в разной степени) с увеличением температуры горячего контура или участка теплоподвода и с уменьшением температуры холодного контура или участка теплоотвода.

Преобразователи тепла делятся на машинные и безмашинные или прямые. В машинных преобразователях тепло переходит в механическую энергию, а в прямых — непосредственно в электрическую. Механическая энергия расходуется на привод генераторов электрического тока. К машинным преобразователям относятся паротурбинные и газотурбинные установки. Возможно также использование поршневых расширительных машин, двигателей Стирлинга и двигателей внут­реннего сгорания.

Основными типами прямых преобразователей тепла, имеющих особенно большое значение для космической энергетики, являются термоэлектричеекие (ТЭЛП) и термоэмиссионные (ТЭМП).

Можно указать еще ряд идей прямого преобразования тепла в электрическую энергию. Например, при изменении температуры некоторых магнитопроводов их периодическим нагреванием и охлаждением создается переменный магнитный поток, в результате чего в соответствующих проводниках может индуцироваться ЭДС. Другой пример возможного прямого преобразования тепла основан на свойствах кристаллических решеток некоторых веществ перестраивать свою внутреннюю структуру под воздействием тепловых потоков. К их числу относится кварц, турмалин, которые способны и изменять внутреннюю структуру кристаллов из хаотического в направленное состояние, и создавать при этом с помощью ориентированных диполей некоторую разность потенциалов.

Последние два принципа практического применения в космической энергетике пока еще не нашли.

Помимо рассмотренных выше преобразователей тепла, немаловажное значение имеют и непосредственные преобразователи первичной энергии. К их числу относятся так называемые топливные элементы и солнечные батареи. Первые преобразуют в электрическую энергию химическую энергию, а вторые — световую форму солнечного излучения.

Энергетические установки на основе топливных элементов, обладают высокими энергоемкостями и КПД, возможностью утили­зации продуктов реакции (например, воды) и т. д. В качестве при­мера можно указать на водородно-кислородные топливные элемен­ты, применявшиеся в энергетических системах космических кораб­лей «Джемини» и «Аполлон», станциях «Скайлэб».

Другой тип непосредственного преобразователя первичной энер­гии — полупроводниковые фотоэлементы — преобразует солнечное излучение прямо в электрическую энергию и до сего времени ши­роко используется на практике.

Перейдем к последнему элементу энергетической установки — устройству для отвода неиспользованного тепла. Взаимное преоб­разование различных видов энергии сопровождается, как известно, определенными потерями. При электрохимическом преобразовании, взаимном преобразовании механической и электрической энергии потери невелики, а КПД преобразования весьма высок. В то же время преобразование тепла в электрическую энергию связано со значительными потерями так, что общий КПД процесса, как пра­вило, не превышает 25—30%.

Рис. 2. Виды источников энергии и направления их трансформации

Кроме того, при работе различных бортовых потребителей всегда выделяется тепло, которое так же, как и в процессах преобразования энергии должно отводиться с борта КА.

Единственной возможностью отвода тепла в космическом про­странстве без выброса массы является излучение. По этой причи­не основой рассматриваемых устройств являются так называемые холодильники-излучатели.

Наибольшее распространение получили конструкции излуча­телей в виде оребренных трубок, по которым протекает тепло­носитель, соединенных в плоские, цилиндрические или конические панели.

В некоторых случаях теплоноситель может отсутствовать и теп­ло излучается непосредственно с холодной поверхности преобра­зователя, которая в этих случаях дополнительно оребряется. Холодильники-излучатели трубчато-ребристого типа являются одним из самых значительных по массе и габаритам элементов энергетической установки. Доля их массы по отношению к массе всей энергетической установки в зависимости от ее типа и мощно­сти может составлять от 0,3 до 0,7.

Кроме излучения существуют два способа отвода тепла с борта КА. Одним из этих способов является выброс вещества, когда теп­ло уносится в окружающее пространство в виде кинетической энер­гии и теплосодержания выбрасываемой массы. Возможен также отвод тепла поглощением различными веществами: за счет тепло­емкости, при фазовых превращениях (испарение, сублимация). Очевидно, что при этих способах на борту КА необходимо иметь определенный запас соответствующего рабочего тела, пропорциональный количеству отводимого тепла (т. е. мощности и продолжительности работы).

Особое место занимают устройства для отвода тепла, выделяющегося при работе бортовых потребителей, т. е. низкотемператур­ные устройства, поскольку, как правило, допустимая температура большинства потребителей составляет <20° С. В этих случаях без принятия специальных мер необходимые размеры излучателей получаются чрезвычайно большими, поскольку потребные излучающие поверхности обратно пропорциональны четвертой степени температуры. С целью снижения потребной площади низкотемператур­ных излучателей могут использоваться так называемые тепловые насосы, позволяющие при неизменном температурном режиме охлаждаемых объектов повысить температуру излучения. Могут применяться комбинированные схемы устройств для отвода тепла, где часть его отводится излучением, а часть (в основном, пиковые, кратковременные тепловыделения) за счет испарения и выброса соответствующего количества рабочего тела.

Рис. 3. Классификационная схема энергетических установок

Приведем в заключение общую классификационную схему энергетических установок КА (рис. 3), включающую рассмотрен­ные источники и преобразователи энергии.

На этой схеме установки, нашедшие себе применение, разрабатываемые или проектируе­мые, обозначены прямыми линиями, а перспективные — пунктиром.

Важно также подчеркнуть, что проектирование ядерных систем энергопитания, как правило, должно осуществляться заранее, с ориентацией на целую группу КА с различными целевыми задачами. Указанное обстоятельство обусловлено, как показал отечественный и зарубежный опыт, существенной разницей сроков проектирования КА (~4…5 лет ) от сроков проектирования ЯЭУ (~20 лет), поэтому системную методологию проектирования ЯЭУ космического базирования приходится разрабатывать практически автономно от конкретного КА.

При этом в качестве большой технической системы необходимо рассматривать собственно ЯЭУ, которые обладают всеми приведенными признаками сложных систем в полном объёме.

Космические аппараты являются, в данном случае, суперсистемами, в которые в итоге интегрируется система энергопитания на базе ЯЭУ.