-ѕоиск по дневнику

ѕоиск сообщений в Topbot

 -ѕодписка по e-mail

 

 -—татистика

—татистика LiveInternet.ru: показано количество хитов и посетителей
—оздан: 22.04.2008
«аписей: 41847
 омментариев: 7653
Ќаписано: 171873



 осмическа€ энергетика

ѕонедельник, 23 ћарта 2020 г. 22:20 + в цитатник
—оветский ученый Ќиколай  ардашев полвека назад сформировал шкалу, в которой уровень развити€ цивилизации определ€лс€ количеством используемой энергии. ѕодход очень логичный - когда человечество осваивало энергию лошади, угл€, нефти и атомного распада - каждый раз оно поднималось на новый уровень могущества. ќсвоение космоса зависит не только от возможностей вывести спутник на орбиту, но и от технологий, позвол€ющих ему функционировать. » обеспечение энергией космических аппаратов €вл€етс€ одной из важнейших граней космонавтики.  акие способы успели придумать люди?


’удожник James Vaughan

ѕостановка задачи


¬ задаче энергоснабжени€ космического аппарата можно выделить два критери€, позвол€ющие нагл€дно распределить различные подходы. Ёто мощность и длительность. ƒействительно, логично, что одни технические решени€ используютс€ дл€ задачи Умного, но недолгоФ и другие - дл€ Удес€тилети€ми, пусть и немногоФ. ≈сли вз€ть эти критерии как оси графика, то получитс€ следующа€ картина:


Spacecraft Power Systems, David W. Miller, John Keesee
ѕервый спутник отправилс€ в полет с зар€женными серебр€но-цинковыми аккумул€торами, которые обеспечивали Убип-бипФ передатчика 21 день. –ешение было логичным - экспериментальные солнечные панели ждали своей очереди на объекте УƒФ, который стал У—путником-3Ф (запущен 15 ма€ 1958). —еребр€но-цинковые батареи, благодар€ высокой плотности энергии и большим токам разр€да, нашли широкое применение в космонавтике, а их недостаток - небольшое количество циклов перезар€дки неважен в случае, когда батаре€ используетс€ один раз. Ћюбопытна€ метаморфоза произошла с кораблем У—оюзФ - первые корабли летали с солнечными панел€ми, на модификации 7 -“ (У—оюз-10Ф - У—оюз-40Ф, кроме -13, -16, -19, -22) их убрали, оставив только аккумул€торы с запасом электроэнергии на двое суток, а со следующей модификации У-“ћФ солнечные панели снова вернули и уже насовсем. ƒо сих пор аккумул€торы остаютс€ рациональным решением дл€ аппаратов, которые будут работать не дольше нескольких суток и не требуют больших объемов электричества. »ногда на аппараты став€т даже неперезар€жаемые элементы, например, прыгающий зонд MASCOT, сброшенный с межпланетной станции Hayabusa-2 на астероид –югу использовал литий-тионилхлоридные элементы, которых хватило на 16 часов. Ќо перезар€жаемые элементы встречаютс€ чаще, с ними удобнее работать, потому что, при необходимости, их можно подзар€дить перед запуском без разборки аппарата. Ћитий-ионные элементы, благодар€ своим высоким характеристикам, сейчас получают очень широкое распространение не только в бытовых приборах, но и на космических аппаратах.


«онд MASCOT станции Hayabusa-2
≈сли энергии требуетс€ очень много, но на короткое врем€, имеет смысл примен€ть химические источники. Ќапример, на спейс шаттлах были так называемые APU. Ќесмотр€ на полностью совпадающее название с вспомогательной силовой установкой на самолетах, это были специфические устройства. ¬ камере сгорани€ сжигалось химическое топливо (несимметричный диметилгидразин и азотный тетраоксид), гор€чий газ подавалс€ на турбину, а ее вращение создавало давление в гидросистеме шаттла без промежуточного превращени€ энергии в электричество. √идравлика поворачивала управл€ющие поверхности орбитера на этапах выведени€ на орбиту и посадки. Ћюбопытно, что сейчас плотность энергии литий-ионных батарей достигла таких значений, что по€вилась ракета-носитель Electron, в которой выполн€ющий похожую функцию турбонасосный агрегат (устройство дл€ подачи топлива в двигатель) заменили на электрический насос с блоком аккумул€торов. ѕотери на большей массе батарей компенсировались простотой разработки.

“опливные элементы


“опливный элемент спейс шаттла
≈сли длительность космического полета не превышает две-три недели, то, в особенности дл€ пилотируемых кораблей, очень привлекательными станов€тс€ так называемые топливные элементы.  ак известно, водород горит в кислороде с выделением огромного количества тепла, и ракетные двигатели, использующие это, €вл€ютс€ одними из наиболее эффективных. ј возможность напр€мую получать электричество из соединени€ водорода с кислородом породила источники электроэнергии, примен€ющиес€, кстати, не только в космонавтике.

“опливный элемент работает следующим образом: водород попадает на анод, становитс€ положительно зар€женным ионом и отдает электрон. Ќа катоде ионы водорода получают электроны, соедин€ютс€ с молекулами кислорода и образуют воду.

—оединив несколько €чеек и подава€ больше компонентов, можно легко получить топливный элемент большой мощности. ј выдел€ющуюс€ в результате работы воду можно использовать дл€ нужд экипажа. —очетание свойств обусловило выбор топливных элементов дл€ кораблей УјполлонФ (и, кстати, дл€ лунных версий У—оюзовУ первоначально выбрали тоже их), шаттлов и УЅуранаФ.

—тоит отметить, что топливные элементы теоретически могут быть обратимыми, диссоцииру€ воду на водород и кислород, запаса€ электроэнергию и работа€, фактически, как аккумул€тор, но на практике такие решени€ в космонавтике пока не востребованы.

ѕо имени —олнце


∆изнь на «емле невозможна без солнечной энергии - на свету растут растени€, и энерги€ уходит дальше по пищевой цепочке. » дл€ космонавтики —олнце сразу же стало рассматриватьс€ как доступный и бесплатный источник. ѕервые спутники с солнечными панел€ми, Vanguard-1 (—Ўј) и У—путник-3Ф (———–), отправились в полет уже в 1958 году.

ѕрелесть солнечных панелей заключаетс€ в непосредственном превращении света в электричество - фотоны, пада€ на полупроводники, напр€мую вызывают движение электронов. —оедин€€ €чейки последовательно и параллельно, можно получить требуемые значени€ напр€жени€ и тока.

¬ космических услови€х очень важным €вл€етс€ компактность солнечных панелей, например, огромные Укрыль€Ф ћ — сделаны из очень тонких панелей, которые в транспортировочном положении были сложены гармошкой.

[¬идео]
¬идео раскрыти€ панелей ћ —
ƒо сих пор солнечные панели остаютс€ наилучшим вариантом, если необходимо снабжать космический аппарат энергией годами. Ќо, конечно, они, как и любое другое решение, имеют и свои недостатки.

ѕрежде всего, на низкой околоземной орбите спутник посто€нно будет уходить в тень «емли, и необходимо дополнить панели аккумул€торами, чтобы электропитание было непрерывным. јккумул€торы и дополнительна€ площадь солнечных панелей дл€ их зар€дки на солнечной стороне орбиты заметно увеличивают массу электросистемы спутника.

ƒалее, мощность солнечного излучени€ подчин€етс€ закону обратных квадратов: ёпитер в 5 раз дальше «емли, но на его орбите космический аппарат с такими же солнечными панел€ми будет получать в 25 раз меньше электроэнергии.

—олнечные панели постепенно деградируют в услови€х космического излучени€, так что на длительные миссии их площадь необходимо рассчитывать с запасом.

Ћинейное увеличение массы солнечных панелей с ростом требуемой мощности в какой-то момент делает их слишком т€желыми по сравнению с другими системами.

јльтернатива аккумул€торам


≈сли вы читали замечательную книгу Ќурбе€ √улиа У¬ поисках энергетической капсулыФ, то можете помнить, что после долгих поисков идеального аккумул€тора он остановилс€ на модифицированных дл€ безопасного разрушени€ маховиках. —ейчас с успехами литий-ионных батарей эта тема менее интересна, но эксперименты по хранению энергии в раскрученном маховике проводились и в космонавтике. ¬ начале 21 века компани€ Honeywell проводила эксперименты с маховиками-аккумул€торами. “еоретически это направление может быть интересно еще и тем, что маховики используютс€ в системе ориентации спутника, и можно совместить режимы поддержани€ требуемого положени€ в пространстве и хранени€ энергии.

—концентрируй это


≈ще на стадии проработки концепта было очевидно, что станци€ Freedom (после многочисленных изменений реализованна€ как ћ —) будет нуждатьс€ в большом количестве электроэнергии. » расчеты 1989 года показали, что солнечный коллектор сможет сэкономить от 3 до 4 миллиардов долларов (6-8 миллиардов в сегодн€шних ценах) по сравнению с электропитанием только от солнечных панелей. „то это за конструкции?


»сточник
 онструкции из шестиугольников по кра€м - солнечные концентраторы. «еркала образуют параболоид, собирающий солнечный свет на приемник, расположенный в фокусе. ¬ нем теплоноситель закипает, газ крутит турбину, котора€ вырабатывает электричество. ѕанель р€дом - радиатор тепла, в котором теплоноситель конденсируетс€ обратно в жидкость.

  сожалению, конструкци€, как и многие идеи дл€ станции Freedom, пала жертвой урезани€ бюджета, и ћ — использует только солнечные панели, так что мы не можем на практике узнать, оправдались бы ожидани€ экономии средств. —тоит отметить, что солнечные коллекторы используютс€ и на «емле, но распространены они в наиболее простой форме без концентрирующих зеркал - их приводы сильно повышают стоимость.

“епло и электричество


 огда над головой €рко светит —олнце, в космический холод не веритс€. ƒействительно, на освещенной стороне Ћуны температура поднимаетс€ выше 100∞C. Ќо вот лунной ночью поверхность охлаждаетс€ ниже -100∞C. Ќа ћарсе средн€€ температура в районе -60∞C. ј на орбите ёпитера, как мы уже говорили, —олнце дает только 1/25 того, что достаетс€ «емле. », к счастью дл€ планетоходов и межпланетных станций, есть вариант, при котором удобно обеспечиваютс€ и подогрев и энергообеспечение космического аппарата.

 ак известно, у одного и того же вещества может быть много изотопов - атомов, отличающихс€ только количеством нейтронов в €дре. » есть как стабильные, так и распадающиес€ с разной скоростью изотопы. ѕодобрав элемент с удобным периодом полураспада можно использовать его в качестве источника энергии.

ќдним из наиболее попул€рных изотопов €вл€етс€ 238Pu (плутоний-238). ќдин грамм чистого плутони€-238 генерирует примерно 0,5 ¬атта тепла, а период полураспада в 87,7 лет означает, что энергии хватит надолго.

“о, что €дерный распад выдел€ет тепло, означает, что его надо каким-то образом превратить в электричество. ƒл€ этого чаще всего используют термопару - сплавленные вместе два различных металла генерируют электричество при неравномерном нагреве. —очетание источника энергии в виде распадающихс€ радиоактивных изотопов и термоэлектрических преобразователей дало название Урадиоизотопный термоэлектрический генераторФ или –»“Ё√.


—хема –»“Ё√а
–»“Ё√и достаточно широко используютс€ в космонавтике: они вырабатывали электричество дл€ модулей научного оборудовани€, оставленных на Ћуне астронавтами УјполлоновФ, распадом изотопов обогревались советские УЋуноходыФ, на электричестве от –»“Ё√а работали марсианские станции У¬икингФ и ездит по ћарсу У ьюриоситиФ. –»“Ё√и €вл€ютс€ штатным источником электричества дл€ аппаратов, отправл€ющихс€ во внешнюю солнечную систему - УѕионеровФ, У¬о€джеровФ, УЌовых горизонтовФ и других.

–»“Ё√и очень удобны тем, что не требуют никакого управлени€, не имеют движущихс€ частей и способны работать дес€тилети€ми - У¬о€джерыФ остаютс€ работоспособными уже более сорока лет, несмотр€ на необходимость отключени€ части оборудовани€ из-за снижени€ выработки электричества.   сожалению, у них есть и недостаток - низка€ плотность энергии (мощный –»“Ё√ будет слишком много весить) и высока€ цена топлива. ќстановка производства плутони€-238 в —Ўј и рост цен повли€ли на то, что межпланетна€ станци€ УёнонаФ отправилась к ёпитеру с огромными солнечными панел€ми.

ядерные технологии об€зательно поднимают вопросы безопасности, и у –»“Ё√ов уже давно есть сформировавшиес€ технологии ее обеспечени€. ѕосле 1964 года, когда авари€ американской ракеты-носител€ со спутником, питавшимс€ от –»“Ё√а, привела к заметному повышению радиационного фона по всей планете, –»“Ё√и стали упаковывать в капсулы, выдерживающие падение в атмосфере, и последующие аварии заметных следов не оставили.

—ложности превращений


“ермоэлектрический генератор €вл€етс€ не единственным вариантом преобразовани€ тепла в электричество. ¬ термоэмиссионных преобразовател€х нагреваетс€ катод вакуумной лампы. Ёлектроны УдопрыгиваютФ до анода, создава€ электрический ток. “ермофотоэлектрические преобразователи превращают тепло в свет инфракрасного диапазона, который затем преобразуетс€ в электричество аналогично солнечной панели. “ермоэлектрический конвертер на щелочных металлах использует электролит из солей натри€ и серы. ƒвигатель —тирлинга преобразует разницу температур в движение, которое уже затем превращаетс€ в электричество генератором.

–еакторы над головой


»з всех известных человечеству управл€емых источников энергии, €дерное топливо обладает наибольшей плотностью - один грамм урана способен дать столько же энергии, что 2 тонны нефти или три тонны угл€. ѕоэтому нет ничего удивительного в том, что атомные реакторы выступают многообещающим вариантом, когда необходимо длительно снабжать космический аппарат большим количеством энергии.


—лева американский SNAP, справа советский "Ѕук"
–аботы над космическими реакторами начали еще в 1960-х. ѕервым отправилс€ в космос американский SNAP-10A, проработал на орбите 43 дн€ и был отключен из-за аварии не относ€щейс€ к реактору системы. ѕосле этого эстафету прин€л ———–. —озданные дл€ отслеживани€ перемещени€ американских авианосных ударных группировок спутники ”—-ј системы целеуказани€ УЋегендаФ несли на борту €дерный реактор УЅукФ дл€ обеспечени€ энергией активной радиолокационной системы, и их было запущено больше трех дес€тков. ¬ конце 80-х два раза слетал в космос реактор У“опазФ, использующий меньшее количество €дерного топлива и имеющий большую эффективность - 150  ¬т тепловой мощности У“опазаФ производили 6  ¬т электрической против 100 и 3 у УЅукаФ. ƒостигалось это в том числе и использованием другого преобразовател€ энергии - термоэмиссионного вместо термоэлектрического. Ќо после 1988 года спутники с атомными реакторами на борту больше не летали.

¬озрождение интереса к €дерным реакторам произошло в 21 веке. Ќа «ападе это вызвано уменьшением запасов и ростом цены плутони€-238 дл€ –»“Ё√ов. ¬ —Ўј разрабатываетс€ реактор Kilopower, задачей которого будет стать аналогом –»“Ё√а. »нтересной особенностью €вл€етс€ то, что реактор спроектирован самоуправл€емым и после активации, как и –»“Ё√, не требует присмотра. ¬ –оссии разрабатываетс€ проект €дерной установки мегаваттного класса. ¬ сочетании с электрореактивными двигател€ми должна получитьс€ конструкци€ с принципиально новыми возможност€ми, очень эффективный орбитальный буксир.

Ѕезопасность реакторов построена на других принципах, нежели у –»“Ё√ов. ƒо запуска реактор чист (уран €довит, но его можно безопасно брать руками в перчатках), поэтому на случай аварии, наоборот, став€т газогенераторы, надежно разрушающие его в плотных сло€х атмосферы. ј вот после включени€ в реакторе начинают накапливатьс€ опасные изотопы, и советские спутники ”—-ј в случае аварии уводили реактор на высокую орбиту захоронени€. «аглушенные реакторы до сих пор летают над нашими головами, но, учитыва€ срок существовани€ орбит, скорее до них доберутс€ космические мусорщики будущего и разберут на полезные ресурсы, нежели они сгор€т в атмосфере.

√енератор из троса


 ак известно, у «емли есть магнитное поле. ќно уже сейчас используетс€ в системах ориентации космических аппаратов, но есть и другой вариант. ≈сли размотать длинный трос, то можно либо получать электричество за счет торможени€ аппарата, либо разгон€тьс€, пропуска€ ток через трос.


—илы, действующие на спутник, выпустивший провод€щий трос
ѕока что наибольшее развитие получила иде€ торможени€ аппаратов тросами дл€ уменьшени€ количества космического мусора, но технически можно и обеспечить таким образом электропитание спутника, пусть и не очень длительное врем€.

«аключение


—ейчас отрасль систем электропитани€ космических аппаратов активно развиваетс€. —олнечные панели и аккумул€торы станов€тс€ все более эффективными, а возобновление работ над космическими €дерными реакторами дает надежду на по€вление новых мощных источников электричества.



источник - lozgalozga 
[76 ссылок 50 комментариев 3250 посещений]
читать полный текст со всеми комментари€ми
ћетки:  



 

ƒобавить комментарий:
“екст комментари€: смайлики

ѕроверка орфографии: (найти ошибки)

ѕрикрепить картинку:

 ѕереводить URL в ссылку
 ѕодписатьс€ на комментарии
 ѕодписать картинку