Длительное функционирование научной ОКС невозможно без развитой сети энергоснабжения на борту станции.

Пока еще не представляется возможной передача энергии с Земли прямо на борт орбитального корабля. Использование электромагнитных колебаний для беспроводной передачи энергии на расстояние дало бы, по некоторым оценкам, суммарный к. п. д. всего лишь около 0,02 %. Правда, большие возможности в этом отношении таит изобретение последних лет — квантовый генератор. Концентрация энергии в пучки высокой плотности обещает целую революцию в области передачи энергии.

А пока конструкторам ОКС приходится решать проблему источника энергии, который обладал бы качествами, свойственными всему космическому оборудованию. Электростанция орбитальной станции должна обладать чрезвычайно высокой надежностью при длительном сроке непрерывной работы, она должна быть полностью автоматизирована и иметь относительно небольшой вес. Кроме того, источник энергии на борту ОКС должен быть высокоэкономичным и не реагировать на специфические факторы космического полета (невесомость, радиацию, метеорную опасность и т. п.).

Как известно, создать энергию нельзя. Ее можно лишь откуда-то получить и соответствующим образом преобразовать. Но где же брать энергию в космосе? Может ли источник ее находиться непосредственно на борту ОКС или энергию нужно получать извне?

Прежде чем ответить на эти вопросы, следует получить хотя бы некоторое представление о потребностях ОКС в электроэнергии.

Основные потребители тока — это научно-исследовательское и специальное техническое оборудование, система обеспечения жизнедеятельности экипажа, радиоаппаратура связи с Землей или какими-либо космическими объектами, а также различные вспомогательные установки, например для управления ориентацией станции, для коррекции и изменения ее орбиты.

Потребная мощность элементов оборудования может быть различной — от долей ватта до нескольких киловатт. Но обычно приборы, проектируемые специально для использования в космосе, потребляют относительно небольшие мощности. Так, например, устанавливаемый на некоторых американских спутниках Земли детектор космического излучения потребляет 2 вт, магнетометр — 5 вт, счетчик микрометеоров — 2,5 вт, масс-спектрограф — 17 вт, аппаратура активного ретранслятора радиосигналов — 10 вт и т. д.

По-разному оценивается мощность, необходимая для поддержания условий жизнедеятельности экипажа на борту ОКС. Иностранные специалисты чаще всего здесь называют цифры 100–500 вт, иногда 1000 вт на человека [31].

Значительную долю мощности источника электропитания будут потреблять радиоаппаратура связи с Землей при передаче на Землю и обратно различной научной информации, а также системы радиосвязи с космическими кораблями-путешественниками, системы навигации и др. Мощность отдельных элементов электронной аппаратуры может составить лишь несколько десятков ватт. Но телевизионная связь с Землей потребует нескольких сот ватт, активная же многоканальная ретрансляция — нескольких киловатт, а может быть, и десятков киловатт.

Двигатели коррекции орбиты, управления станцией на орбите или изменения параметров орбиты также потребуют нескольких киловатт мощности.

Суммарная мощность бортовых электростанций на большинстве искусственных спутников США колеблется от 0,3 до 150 вт. Однако здесь нужно заметить, что оборудование большинства американских спутников довольно невелико по объему ввиду малого веса полезной нагрузки их ракет-носителей. Значительно выше мощность энергоустановки на обитаемых космических кораблях. Например, средняя мощность, потребная для орбитального полета американской пилотируемой капсулы «Меркурий», составляет около 260 вт, максимальная потребляемая мощность — не более 1 квт.

Для ОКС потребная мощность источника энергии будет еще выше: от 0,8–1 квт для небольшой станции с экипажем из одного — двух человек и до 50-100 квт для крупной орбитальной лаборатории.

Одной из трудностей в проектировании космической энергоустановки является необходимость периодически обеспечивать мощности, значительно большие, чем обычные средние потребляемые нагрузки, — так называемые пиковые нагрузки, которые могут превосходить номинальные в два — три раза. Если на борту ОКС иметь установку с постоянным потреблением энергии, которая может обеспечить пиковые нагрузки, то, очевидно, большую часть времени она будет работать с существенной недогрузкой. А это лишний вес, так как вес энергетической установки пропорционален ее мощности.

В связи с этим некоторые авторы предлагают иметь в системе энергоснабжения ОКС две энергоустановки: главную — для длительной непрерывной эксплуатации, обеспечивающую среднюю потребляемую нагрузку, и дополнительную — для кратковременной работы при пиковых нагрузках. Источник питания, рассчитанный на редкое и кратковременное применение, может быть, например, аккумулятором энергии, который подзаряжается от главного источника при невысокой загруженности последнего. Дополнительная энергоустановка имеет небольшой вес, а в целом наличие ее при оптимальном соотношении мощностей обоих источников даст возможность получить выигрыш в весе всей энергоустановки.

Кроме того, дополнительный источник энергии будет служить резервом на случай отказа главной установки или при ее ремонте и профилактике. Возможно, что в связи с этим, кроме мощной централизованной системы энергоснабжения, на борту ОКС будут автономные источники энергии небольшой мощности.

Все это свидетельствует о том, что типы космических электростанций, применяемых для ОКС, могут быть самыми разнообразными, различных мощностей и ресурсов. Конечно, на небольшой ОКС с экипажем из двух — трех человек едва ли будет возможно иметь дополнительную энергоустановку. Это, несомненно, потребует очень высокой надежности единственного бортового источника питания.

Теперь обратимся к тем методам генерирования энергии, которые могут быть применены в космическом пространстве.

 

АККУМУЛЯТОРЫ И СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ

На первых спутниках Земли аппаратура потребляла относительно небольшие мощности тока и время работы ее было очень непродолжительным. Поэтому в качестве первых космических источников энергии успешно применялись обыкновенные аккумуляторы.

Как известно, на самолете или автомобиле аккумулятор является вспомогательным источником тока и работает совместно с электромашинным генератором, от которого периодически подзаряжается.

Основными достоинствами аккумуляторов являются их высокая надежность и отличные эксплуатационные качества. Существенный недостаток аккумуляторных батарей заключается в большом весе при малой энергоемкости. Например, серебряно-цинковая батарея при емкости 300 а-ч весит около 100 кг [31]. Это означает, что при мощности тока 260 вт (нормальное потребление на обитаемом спутнике «Меркурий») такая батарея будет работать менее двух суток. Удельный вес батареи, характеризующий весовое совершенство источника тока, составит около 450 кг/квт.

Поэтому аккумулятор как автономный источник тока применялся в космосе до сих пор лишь при небольших потребляемых мощностях (до 100 вт) при сроке службы несколько десятков часов.

Для больших автоматических спутников Земли, насыщенных разнообразным оборудованием, потребовались более мощные и легкие источники тока с весьма продолжительным сроком действия — до нескольких недель и даже месяцев.

Такими источниками тока явились чисто космические генераторы — полупроводниковые фотоэлектрические элементы, работающие на принципе преобразования световой энергии солнечного излучения непосредственно в электричество. Эти генераторы называют солнечными батареями.

Рис. 30. Схема работы кремниевой солнечной батареи:

1 — чистый монокристаллический кремний; 2 — «загрязненный» кремний; 3 — аккумулятор

Мы уже говорили о мощности теплового излучения Солнца. Напомним, что за пределами земной атмосферы интенсивность солнечной радиации довольно значительна: поток энергии, падающей на поверхность перпендикулярную солнечным лучам, составляет 1340 вт на 1 мг. Эту энергию, а вернее, способность солнечной радиации создавать фотоэлектрические эффекты и используют в солнечных батареях. Принцип действия кремниевой солнечной батареи показан на рис. 30.

Тонкая пластина состоит из двух слоев кремния с различными физическими свойствами. Внутренний слой представляет собой чистый монокристаллический кремний. Снаружи он покрыт очень тонким слоем «загрязненного» кремния, например с примесью фосфора. После облучения такой «вафли» солнечными лучами между слоями возникает поток электронов и образуется разность потенциалов, а во внешней цепи, соединяющей слои, появляется электрический ток.

Толщина кремниевого слоя требуется незначительная, но из-за несовершенства технологии она обычно бывает от 0,5 до 1 мм, хотя в создании тока принимает участие лишь около 2 % толщины этого слоя. Поверхность одного элемента солнечной батареи по технологическим причинам получается очень небольшой, что требует последовательного соединения в цепь большого числа элементов.

Кремниевая солнечная батарея дает ток лишь тогда, когда на ее поверхность падают лучи Солнца, причем максимальный съем тока будет при перпендикулярном расположении плоскости батареи по отношению к солнечным лучам. Это означает, что при движении космического корабля или ОКС по орбите необходима постоянная ориентация батарей на Солнце. Батареи не будут давать тока в тени, поэтому их необходимо применять в сочетании с другим источником тока, например с аккумулятором. Последний будет служить не только накопителем, но и демпфером возможных колебаний в величине потребной энергии.

К.п.д. солнечных батарей невелик, он не превышает пока 11–13 %. Это значит, что с 1 м2 современных солнечных батарей снимается, мощность около 100–130 вт. Правда, есть возможности увеличения к.п.д. солнечных батарей (теоретически до 25 %) за счет совершенствования их конструкции и улучшения качества полупроводникового слоя. Предлагается, например, накладывать две или несколько батарей одну на другую так, чтобы нижняя поверхность использовала ту часть спектра солнечной энергии, которую пропускает, не поглощая, верхний слой.

К.п.д. батареи зависит от температуры поверхности полупроводникового слоя. Максимальный к. п. д. достигается при 25 °C, а при увеличении температуры до 30 °C к.п.д. уменьшается почти вдвое. Солнечные батареи выгодно применять, так же как аккумуляторы, для небольших потребляемых мощностей тока из-за большой площади их поверхности и высокого удельного веса. Для получения, например, мощности 3 квт требуется батарея, состоящая из 100 000 элементов с общим весом около 300 кг, т. е. при удельном весе 100 кг/квт. Такие батареи займут площадь более 30 м2.

Тем не менее солнечные батареи прекрасно зарекомендовали себя в космосе как достаточно надежный и стабильный источник энергии, способный работать очень длительное время.

Главную опасность для солнечных батарей в космосе представляют космическая радиация и метеорная пыль, вызывающие эрозию поверхности кремниевых элементов и ограничивающие срок службы батарей.

Для небольших обитаемых станций этот источник тока, видимо, будет оставаться единственно приемлемым и достаточно эффективным, но крупные ОКС потребуют иных источников энергии, более мощных и с меньшим удельным весом. При этом необходимо учесть трудности получения с помощью солнечных батарей переменного тока, который потребуется для больших научных космических лабораторий.

 

ЯДЕРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Применение энергии ядерного распада дает в отличие, например, от солнечных источников питания качественно иные типы космических электростанций длительного действия. Дело в том, что источники энергии, космических ядерных установок (реактор или радиоактивный изотоп) не получают эту энергию из космоса, a являются как бы аккумуляторами. В то же время ядерный реактор не является непосредственно источником электроэнергии. Реактор или изотоп — это мощный источник тепла. Получение электрического тока в ядерном источнике питания сводится к преобразованию тепловой энергии в электрическую.

Ядерный источник энергии будет находиться непосредственно на борту ОКС, а это дает возможность получать энергию практически непрерывно и независимо от каких-либо внешних факторов.

Здесь мы не будем останавливаться на принципе действия и устройстве ядерного реактора, об этом написано достаточно много и обстоятельно. Рассмотрим лишь некоторые способы преобразования тепловой энергии в электрическую.

Турбогенераторная установка с ядерным реактором считается одной из наиболее перспективных систем для длительного применения в космосе, поэтому рассмотрим ее подробнее.

На рис. 31 показана принципиальная схема такой установки, с теплопередающим агентом и рабочим телом которой является жидкость.

Рис. 31. Схема ядерной турбогенераторной установки:

1 — реактор; 2 — кипятильник; 3 — насос; 4 — турбина; 5 — электрогенератор; 6 — холодильник; 7 — насос

Выделяющееся в ядерном реакторе тепло воспринимается теплоносителем первичного контура. Нагретая до высокой температуры жидкость поступает в теплообменный аппарат — кипятильник, где отдает свое тепло рабочему телу вторичного контура. После этого первичный теплоноситель насосом высокого давления перегоняется снова в реактор.

Основной рабочий цикл установки осуществляется во вторичном контуре. Рабочее тело (также жидкость) сначала нагревается до температуры кипения в кипятильнике, а затем здесь же полностью испаряется. Пар, который поступает на рабочие лопатки паровой турбину, приводит во вращение обыкновенный машинный электрогенератор. Отработанный пар по выходе из турбины поступает в холодильник, где полностью конденсируется, т. е. снова превращается в жидкость.

Как мы уже говорили, единственным способом отдача тепла в окружающее пространство в космосе является радиационное излучение. Поэтому холодильником любой космической установки является излучатель тепла. Рабочее тело, пришедшее к первоначальному жид-кому состоянию, перегоняется насосом снова в кипятильник. На этом цикл основного рабочего контура замыкается.

Схема, в которой основное рабочее тело не нагревается непосредственно в реакторе, а воспринимает тепло через промежуточный теплоноситель, называется двухконтурной.

Возможно применение и одноконтурной схемы теплопередачи, в которой нет первичного контура и рабочее тело нагревается и испаряется не в кипятильнике, а непосредственно в каналах тепловыделяющих элементов реактора.

Очевидно, что одноконтурная схема проще и легче, так как в ней нет теплообменного аппарата — кипятильника и магистралей первичного контура. Кроме того, при такой схеме можно было бы значительно увеличить съем тепла с тепловыделяющей поверхности реактора, получить более высокую температуру цикла, а следовательно, и больший к.п.д. Но несмотря на все эти преимущества, одноконтурную схему нельзя применить для ОКС. Главная причина — засорение теплоносителя системы радиоактивными продуктами распада и возникновение так называемой наведенной активности в элементах конструкции установки. А это влечет за собой увеличение веса антирадиационной защиты для экипажа и, кроме того, делает в значительной мере невозможным ремонт и профилактику установки в условиях эксплуатации. При двухконтурной схеме основное рабочее тело не имеет непосредственного контакта с ядерным реактором и вторичный контур системы вполне доступен для обслуживания.

Реальное осуществление космической электротурбоустановки с ядерным реактором связано с выбором подходящего рабочего тела для основного (вторичного) контура.

В наземных атомных электростанциях с турбогенератором в качестве рабочего тела применяется вода. Но высокая коррозионная активность, большие давления пара (до 280 атм и более), высокая наведенная радиоактивность, а главное, низкие максимальные температуры цикла (не выше 300 °C) делают воду совершенно неприменимой для космических энергоустановок.

Наилучшие свойства имеют жидкометаллические теплоносители. Жидкие металлы: ртуть, натрий, калий, рубидий, цезий и некоторые другие — обладают очень высокой теплопроводностью, большой скрытой теплотой парообразования, небольшими давлениями паров при высоких температурах, что и оправдывает их широкое распространение в конструктивных разработках ядерных турбогенераторных установок. Антикоррозионные свойства и наведенная активность их также вполне приемлемы.

Принципиально турбогенераторная схема может осуществляться не только на парах жидких металлов, но и с газом в качестве рабочего тела — по так называемому циклу Брайтона, т. е. как газотурбинная установка, в состав которой вместо насоса входит компрессор. Но такая схема при некоторых преимуществах (более высокие температуры и высокие эксплуатационные качества) имеет очень существенные недостатки, в частности очень большой удельный вес.

Конструктивное решение турбогенераторной ядерной установки можно рассмотреть на примере разработанной в США системы SNAP-2 с электрической мощностью 3 квт (рис. 32).

Рис. 32. Энергетическая установка SNAP-2:

1 — трубка конденсатора; 2 — излучатель; 3 — активная зона реактора; 4 — дополнительный подогреватель; 5 — насос теплоносителя; 6 — отражатель реактора; 7 — управление нагрузкой; 8 — полезная нагрузка; 9 — расширительный бак; 10 — ртутный насос; 11 — подшипник скольжения и упорные подшипники; 12 — статор электрогенератора; 13 — турбина; 14 — подшипник скольжения; 15 — насос

В качестве теплоносителя первичного контура применен сплав натрия с калием, температура которого на выходе из реактора 650 °C. Теплоноситель вторичного контура — ртуть. Максимальная температура рабочего цикла 621 °C. Турбина — двухступенчатая. Площадь радиационного холодильника — излучателя — 9,3 м2. Электрический генератор дает переменный ток напряжением 110 в, частотой 2000 гц.

Полный к. п. д. SNAP-2 равен всего лишь 6,5 %. Это значит, что из 50 квт тепловой мощности реактора около 47 квт рассеивается излучателем или уходит на нагрев конструкции. Общий вес системы SNAP-2 без биологической защиты — 270 кг (из них 90 кг приходится на реактор), т. е. удельный вес установки без защиты составляет 90 кг/квт.

Но и этот довольно высокий удельный вес ядерной установки заметно увеличится из-за веса биологической защиты, который в большой степени зависит от размещения энергоустановки на станции, а также от условии эксплуатации, в частности от места запуска реактора — будет ли он производиться на Земле или после выведения ОКС на орбиту.

Наземный запуск ядерной установки усложняет обслуживание стартовой площадки, но обеспечивает условия для полной проверки работы всей энергосистемы.

Запуск же на орбите связан со снижением надежности всей энергетической системы и довольно сложен в осуществлении. В случае запуска на Земле экипаж в момент подготовки к старту и в полете при прохождении атмосферы должен быть полностью защищен не только от направленной радиации, но и от «разбрызгивания» ее молекулами окружающего воздуха, т. е. практически защита должна быть круговой, сплошной. На орбите же достаточно лишь так называемой теневой защиты экипажа, вес которой, очевидно, намного меньше. Кроме того, на орбите энергоустановка может быть удалена от основной конструкции ОКС на некоторое расстояние, например с помощью выдвижной телескопической штанги или другим способом. А так как толщина защиты зависит от расстояния до источника радиации, то вес теневого защитного экрана можно будет сделать еще меньше. Сколько же должна весить биологическая защита для турбогенератора SNAP-2? При ее расчете исходят из допустимой дозы облучения экипажа. Если принять, что суммарная доза для экипажа ОКС за три месяца не должна превысить 15 рентген, то вес защиты при удавлении реактора от экипажа на 15 м составит от 200 до 450 кг в зависимости от взаимной компоновки реактора и кабины экипажа.

Таким образом, суммарный вес установки может достичь 720 кг, а удельный вес — 240 кг/квт. Следует заметить, однако, что с увеличением мощности установки эти Цифры значительно уменьшаются.

Турбогенераторная установка — не единственный способ использования энергии ядерного реактора в космосе. Существуют и другие способы преобразования ее в электричество. Об этих способах мы расскажем в разделе о немашинных методах преобразования энергии.

Энергия ядерного распада может быть получена не только в реакторе, но и с помощью радиоактивных изотопов. Основные достоинства этого источника энергии, применимого для небольших мощностей до 0,5 квт), — малый вес и длительное время непрерывной и стабильной работы.

Принципиальная схема использования изотопов ничем не отличается от схемы турбогенераторной установки с реактором — теплоноситель прокачивается через специальный котел с трубками из материала, насыщенного изотопом, например стронцием-90 или цезием-144. Но может использоваться я схема, применяемая в солнечных батареях: облученный теплом от изотопа слой люминофора излучает фотоны, которые попадают на кремниевый элемент, аналогичный солнечной батарее. Получить большую электрическую мощность с помощью радиоизотопов очень трудно, да и вряд ли выгодно, если учесть сложность получения изотопов и их высокую стоимость.

 

ТЕПЛОВУЮ ЭНЕРГИЮ — ОТ СОЛНЦА

Мы уже рассказали о применении энергии Солнца для получения электрического тока в кремниевых батареях, использующих световую энергию солнечной радиации. Но для энергоснабжения ОКС можно использовать и другую часть энергии Солнца — тепло, которое оно щедро распространяет в космическом пространстве.

В турбогенераторной схеме получения электроэнергии ядерный реактор как источник тепла может быть заменен специальными коллекторами — собирателями тепловых лучей Солнца.

В такой схеме для нагрева кипятильника с теплоносителем, циркулирующим в замкнутом контуре, используются сферические или цилиндрические вогнутые зеркала.

С одной стороны, применение дешевой солнечной энергии в турбогенераторной схеме дает большие преимущества: нет реактора, а значит, и нет радиационной опасности, исходящей от энергетической установки, нет потребности в биологической защите. Разумеется, в этом случае нет надобности и в двухконтурной схеме — конструкция установки значительно упрощается. Но нельзя забывать об относительно невысокой мощности солнечного теплового потока. Мы уже говорили о величине тепловой мощности потока солнечных лучей за пределами атмосферы. На 1 м2 поверхности солнечного коллектора падает тепловой поток, составляющий без учета потерь всего лишь около 0,316 ккал/сек. Поэтому для использования тепловой энергии Солнца необходимы большие зеркальные поверхности, постоянно ориентируемые на Солнце.

Например, вес турбогенераторной системы мощностью 3 квт, работающей по схеме SNAP-2, но с нагревом от солнечного коллектора, оценивается почти в 350 кг, считая и вес механизмов управления ориентацией коллектора на Солнце. Если эффективность использования поверхности солнечного коллектора составляет 40 %, а продолжительность пребывания ОКС в тени — 35 % времени каждого оборота вокруг Земли, то к.п.д. такой установки будет 10 %, а диаметр круглого солнечного коллектора — 10 м. При большей мощности размеры солнечного зеркала могут достигать в диаметре нескольких десятков метров. Очевидно, что до выхода на орбиту такой рефлектор должен находиться в сложенном состоянии и иметь компактную форму. Он может быть выполнен, например, в виде нескольких подвижных лепестков, напоминающих складной веер, распускающийся под лучами Солнца, или в виде надувной мягкой оболочки с вогнутой сферической формой.

На рис. 33 изображена схема нагрева в солнечной турбогенераторной установке, использующей двухмерные параболические зеркала, которые концентрируют тепловые лучи на трубах кипятильника. На той части трубы, которая воспринимает отраженные лучи, делается покрытие специальным поглощающим слоем, например окисью меди. Остальная поверхность трубы покрыта слабо излучающим веществом, например серебром, с тем чтобы уменьшить потери тепла. Наружные поверхности зеркал можно использовать как излучатели. Это повысит компактность системы. По расчетам такал установка при работе на парах ртути и максимальной температуре цикла 500 °C может дать примерно 0,3 квт мощности с каждого квадратного метра зеркальной поверхности.

Рис. 33. Схема солнечной турбогенераторной установки:

1 — параболическое зеркало; 2 — трубка кипятильника; 3 — турбина; 4 — генератор; 5 — излучатель; 6 — насос; 7 — поглощающий слой; 8 — слабо излучающее покрытие

Срок службы солнечных коллекторов энергоустановки ОКС ограничен воздействием метеорных потоков, которые вызывают эрозию и снижают фокусирующую способность зеркал.

 

ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Постоянное стремление найти способы получения электроэнергии, не связанные с такими конструктивными и эксплуатационными трудностями, какие возникают при использовании ядерной или солнечной энергии, пусть даже при некотором проигрыше в весовом отношении, приводит к возникновению самых различных схем. Использование энергии химического топлива, широко распространенное в наземном транспорте и авиации, может найти себе применение и в космических энергоустановках, особенно при непродолжительном времени их работы. Одним из таких источников энергии может быть вращающая электрогенератор турбина, которая работает на истекающих из реактивного сопла продуктах сгорания какого-либо топлива, например обычного жидкого ракетного, одно- или двухкомпонентного. На рис. 34 показана схема химического источника энергии, работающего на продуктах реакции водорода и кислорода. Топливные компоненты могут служить для охлаждения камеры сгорания и других элементов схемы. При реакции водорода и кислорода в камере сгорания образуется горячий газ с температурой до 1200 °C, который и подается через реактивное сопло на рабочие лопатки многоступенчатой турбины.

Рис. 34. Схема турбогенератора на химическом топливе:

1 — горючее; 2 — окислитель; 3 — регулятор соотношения компонентов; 4 — регулятор расхода; 5 — камера сгорания; 6 — турбина; 7 — генератор

Расчеты показывают [17], что четырехступенчатая турбина мощностью 0,5 квт будет расходовать в час 0,55 кг топлива. В сутки это составит 13,2 кг, а в месяц — около 400 кг.

Применение химического источника энергии возможно и в той схеме, которую мы рассматривали для солнечной энергоустановки. Нагрев теплоносителя в замкнутом контуре будет осуществляться с помощью тепловой энергии продуктов реакции. В отличие от предыдущей схемы, где использовалась кинетическая энергия газов, здесь важно будет добиться такого соотношения расходов компонентов, чтобы от каждого килограмма смеси получить максимальное количество тепла.

При такой схеме температура сгорания будет ограничиваться не жаропрочностью лопаток турбины, как в предыдущей схеме, а жаростойкостью покрытия трубок теплообменника. Вес конструкции такой системы будет, Конечно, больше, но расход топлива может быть снижен, что при длительном сроке работы даст заметный выигрыш в удельном весе установки. Большие перспективы применения таких установок заложены в возможности снижения расхода топлива за счет применения специальных высококалорийных и легких топлив, например лития с фтором или атомарного водорода.

Так как вес баков и топлива зависит от суммарного времени работы химической установки, использовать ее, вероятно, окажется выгодно лишь как дополнительный источник энергии для ОКС при кратковременном или импульсном применении.

 

НЕМАШИННЫЕ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ

Большой ресурс энергоустановок, предназначаемых для ОКС, требует максимального повышения надежности всех систем. Одним из путей повышения надежности является уменьшение вращающихся, трущихся и других напряженных в тепловом и механическом отношении узлов и агрегатов. Во всех рассмотренных нами после аккумуляторов и солнечных батарей схемах наиболее напряженными узлами являются турбина и электрогенератор. Но турбогенераторная установка — не единственный принципиальный способ получения электричества из тепловой энергии.

На рис. 35 показана схема термоэлектрического генератора с ядерным реактором. Работа его основана на получении термической электродвижущей силы (или термо-э.д.с.), т. е. на том же принципе, на котором работает обычная термопара, применяемая при измерениях температур.

Рис. 35. Схема термоэлектрического генератора:

1 — горячий слой; 2 — холодный слой

Чем выше температура горячего спая, тем совершеннее термоэлектрический генератор. Поэтому одной из основных проблем осуществления такой схемы является подбор пар материалов, обладающих высокой жаропрочностью и высокими термоэлектрическими свойствами: малыми электросопротивлением и теплопроводностью материалов. Рекомендуется применять материалы с большим атомным весом, например свинец, теллур, висмут, у которых наилучшим образом сочетаются высокая термо-э.д.с. с минимальными электросопротивлением и теплопроводностью, что позволяет получить низкое рассеивание электрической мощности и небольшиe потери тепла.

К.п.д. термопар невелик. Так, по сообщениям иностранной печати, при максимальной температуре горячего спая 1100 °C и температуре холодного спая 550 °C к.п.д. не превышает 2 %. Экспериментальные термопары, например висмут плюс теллур, никель плюс серебро, дают к.п.д. до 5–7%. В перспективе к. п. д. термоэлектрических установок может быть доведен до 15 %.

После выхода на основной режим ядерная термоэлектрическая система не нуждается в системе регулирования, так как соответствующее конструирование системы «реактор — термопара — излучатель» дает возможность получить автоматическое саморегулирование перепада температур в течение нескольких лет [31].

Термоэлектрический преобразователь может быть с успехом использован также в солнечной или в радиоизотопной энергетических установках. Теплоноситель горячего спая в такой установке вообще не нужен. Нагрев будет осуществляться непосредственно сфокусированным пучком солнечных лучей или изотопом. К.п.д. таких установок будет выше, а удельный вес меньше.

Значительно лучшие характеристики дает другой немашинный способ генерирования электроэнергии — термоэлектронный. Принцип работы ядерной энергосистемы с таким генератором показан на рис. 36. Катод получает постоянный приток тепла от ядерного реактора, анод же отдает тепло во внешнюю среду с помощью радиационного излучателя. Нагретый до высокой температуры катод эмитирует, т. е. излучает электроны, которые попадают на холодный анод. Таким образом, возникает э.д.с., т. е. разность потенциалов. Пространство между анодом и катодом представляет собой глубокий вакуум. Подобное устройство напоминает простейшую электpоннyю лампу — диод.

Рис. 36. Схема термоэлектронного генератора:

1 — горячий катод; 2 — холодный анод

В таком генераторе параметры тока также зависят от максимальной температуры катода. К.п.д. термоэлектронного устройства может достигать довольно больших величин. Так, при температуре, катода 1250 °C и анода 550 °C был получен к.п.д. преобразования, равный 13 %. Считается, что к.п.д., равный 30 %, далеко не предел для термоэлектронных генераторов. Удельный вес таких преобразователей оценивается в 50-100 кг/квт без защиты, но в будущем предполагается получить 10 кг/квт, что позволит успешно применить термоэлектронные установки для энергоснабжения ОКС.

Хорошие весовые данные можно получить и от солнечной энергоустановки с термоэлектронным преобразователем, а также от установки, работающей на химическом топливе.

В настоящее время в зарубежной печати появляются сообщения о разработке принципиально новых, еще более эффективных бестурбинных электросистем с высоким к.п.д., например магнитогидродинамического генератора с к. п. д. 60 % и выше при относительно небольшом удельном весе.

Кроме немашинных схем получения электроэнергия, которые основаны на преобразовании тепловой энергии, существует еще один довольно перспективный способ получения небольших мощностей тока, основанный на применении так называемого топливного элемента, который является непосредственным преобразователем химической энергии в электрическую. В этом отношении данный способ во многом напоминает действие аккумулятора. Устройство топливного элемента схематически показано на рис. 37. Через емкость, заполненную электролитом, например раствором едкого калия, проходят электроды — полые стержни из специального пористого материала, например графита.

Рис. 37. Схема топливного элемента:

1 — пористые графитовые трубки; 2 — электролит

Через внутренние полости электродов под давлением пропускаются газы — водород и кислород. Диффундируя через пористую поверхность, они вступают в контакт с электролитом. На водородном электроде в результате химической реакции освобождаются электроны, которые по внешней электрической цепи поступают на кислородный электрод. Движущиеся между электродами ионы замыкают цепь, причем образующаяся в результате химической реакции вода уходит через полый электрод вместе со струей водорода.

Топливные элементы могут дать очень высокий к.п.д. — до 80 % (теоретически до 100 %) при мощности в несколько киловатт. Удельная мощность и расходы газов через топливный элемент зависят от температуры электролита и давления газов. Расход газообразного водорода через один элемент с напряжением 0,8 в — около 1100 л/час на каждый киловатт мощности. Удельный вес топливных элементов при мощности 1 квт оценивается в 30–60 кг/квт [32].

Как видим, в качестве основных рабочих компонентов для топливного элемента (а также для рассмотренных ранее химических источников энергии) применяются водород и кислород. Транспортировать эти газы в жидком состоянии на орбиту и хранить их на борту ОКС — весьма сложная задача. Но в этом и нет необходимости. Существует целый ряд способов получения газообразных водорода и кислорода непосредственно на орбите из различных «полуфабрикатов», транспортировка и хранение которых не представляют трудностей и не требуют очень больших емкостей. Водород, например, можно получать из воды разложением ее с помощью гидрида кальция или гидрида лития, а также разложением аммиака или углеводородов с помощью катализаторов. Очень выгодно получать сразу оба компонента — и кислород, и водород. Как известно, если воду подвергать фотоэлектролизу, то она будет разлагаться, выделяя газообразный водород и кислород. Этот способ очень удобен для применения на ОКС, так как солнечных лучей, ультрафиолетовая часть спектра которых служит отличным средством электролиза, на орбите вполне достаточно. При этом запасы воды на борту ОКС практически не расходуются, так как в результате реакции в топливном элементе снова образуется вода. Чувствительность исходного продукта — воды — к ультрафиолетовым лучам Солнца может быть повышена более чем в 10 раз специальными светочувствительными добавками — сенсибилизаторами.

 

ЧТО ЖЕ ЛУЧШЕ?

Мы рассмотрели несколько способов получения электроэнергии, которые могут найти применение для космической станции. В табл. 4[31, 32] приведены некоторые параметры различных источников тока. Разумеется, приведенные цифры нельзя считать окончательными, так как известно еще слишком мало успешно работающих конструкций космических электростанций.

Таблица 4

Табл. 4 свидетельствует о преимуществах ядерных и солнечных тепловых установок перед остальными, особенно в отношении максимальной мощности и ресурса, что прежде всего важно для применения на ОКС.

Если недостатками ядерных систем являются потребность в защите и эксплуатационные трудности, то недостатками солнечных систем являются необходимость развертывания в космосе огромных солнечных рефлекторов, сложность их постоянной ориентации на Солнце с высокой точностью, а также неэффективность работы в неосвещенной части орбиты. Кроме того, длительное воздействие потока микрометеоров на зеркальное покрытие рефлектора приведет со временем к ухудшению свойств отражающей поверхности.

Такой показатель, как удельный вес, сам по себе еще не определяет пригодности системы для данного летательного аппарата. Зато очень важны такие показатели, как надежность и стабильность работы.

С точки зрения надежности несомненные преимущества имеют немашинные генераторы электроэнергии — у них нет вращающихся в тяжелых температурных условиях узлов, каким является турбина. Они хороши для небольших энергоустановок длительного действия. Из немашинных способов наиболее перспективен с точки зрения весовой отдачи термоэлектронный источник, но он требует более высоких температур и сложен в конструктивном отношении.

Для малых мощностей очень перспективны радиоактивные изотопы и топливные элементы.

Применение электролиза воды под действием солнечных лучей может выдвинуть топливные элементы в ряд самых перспективных источников тока для небольших ОКС.