Глава I. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО КОСМИЧЕСКИМ ЭНЕРГОУСТАНОВКАМ
1. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КОСМИЧЕСКИМ ЭНЕРГОУСТАНОВКАМ
К основным требованиям, которым должны удовлетворять возможные типы космических энергоустановок (КЭУ), относятся: минимальная масса при ограниченных габаритах, высокая надежность, достаточно длительный ресурс непрерывной работы в пределах от нескольких месяцев до нескольких лет, минимальные возмущающие силы и моменты, действующие со стороны энергоустановки на космический аппарат, допустимый уровень радиационных потоков от КЭУ с реактором, действующих на полезную нагрузку космических аппаратов, и приемлемая стоимость.
Требование минимальной массы КЭУ при заданной массе полезной нагрузки, выносимой в космос, в первую очередь обусловлен ограниченными энергетическими возможностями ракет- носителей.
Масса же полезной нагрузки, куда входит и КЭУ, прежде всего определяется аппаратурой, предназначенной для выполнения той или иной задачи по исследованию космоса.
С другой стороны, известно, что стоимость доставки ракетой- носителем каждого килограмма полезной нагрузки на орбиту весьма высока и по данным США исчисляется от нескольких сотен до десятков тысяч долларов в зависимости от числа запусков и целей космического полета. Таким образом, целесообразное уменьшение массы КЭУ экономически оправдано.
Ограничение габаритов КЭУ также определяется возможностями их размещения на ракетах-носителях, а увеличение габаритов КЭУ приводит к увеличению их массы и может повлиять и на срок существования космического аппарата на орбитах (где еще заметно влияние атмосферы) из-за увеличенного аэродинамического сопротивления.
Решающее значение имеет высокая надежность КЭУ. В целом ряде случаев она и определяет выбор типа космической энергоустановки.
Очень большим преимуществом энергоустановок с ядерным реактором является значительная энерговооруженность, позволяющая обеспечить весьма длительные сроки существования космических аппаратов при ограниченных запасах ядерного топлива. Сравнение существующих источников энергии для космических аппаратов показывает, что при мощности свыше 4 кВт и ресурсе (сроке существования на орбите) свыше нескольких месяцев только установки с реактором имеют приемлемые массу и габариты при достаточно высокой надежности. Эти преимущества ядерных энергоустановок перекрывают конструктивные и эксплуатационные усложнения, вызванные наличием радиационного излучения как в процессе работы, так и после ее окончания (в силу остаточной радиоактивности осколков деления и наведенной активности элементов конструкции).
При значительных сроках существования космических аппаратов с бортовыми энергоустановками важно свести к минимуму все возмущающие силы и моменты, действующие со стороны энергоустановки на весь аппарат вследствие, например, вращения турбоагрегатов, циркуляции теплоносителя в контурах энергоустановки и т. п. Это связано с тем, что наличие таких возмущающих сил и моментов приводит к потере ориентации космического аппарата и, следовательно, к затрате дополнительной энергии для поддержания заданного положения космического аппарата в пространстве.
Наличие радиационного излучения, возникающего в реакторе энергоустановки и в капсулах с радиоактивным изотопом, ставит перед конструктором КЭУ задачу снизить этот радиационный поток до величин, приемлемых для элементов, используемых в оборудовании космических аппаратов.
Наиболее широко используемые элементы оборудования могут выдерживать интегральный поток «быстрых» нейтронов [с энергией более (3—5)·10-13 Дж] без ухудшения своих характеристик до 1012 нейтр/см2 и дозу гамма-излучения до 3·103 Кл/кг. В случае использования специально разработанных для бортовых энергоустановок радиационностойких элементов аппаратуры эти цифры, вероятно, можно увеличить еще на один или два порядка (до 1014 нейтр/см2 и 105 Кл/кг). Известно, что на поверхности реактора полный нейтронный поток составляет в большинстве случаев 1011— 1013 нейтр/(см2 с).
Очевидно, для обеспечения большого ресурса аппаратуры космического аппарата необходимо снижать этот поток, так как при указанных выше величинах потока на поверхности реактора аппаратура может работать всего несколько секунд. Поэтому на бортовых энергетических установках обязательной является радиационная защита, снижающая радиационный поток на аппаратуре до допустимых величин.
Необходимость уменьшения стоимости КЭУ очевидна, и решение этого вопроса должно опираться на всесторонний экономический анализ.
КЛАССИФИКАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Для удобства последующего рассмотрения примем классификацию ядерных космических энергетических установок по следующим признакам.
- По источнику тепловой энергии:
а) изотопные; б) реакторные.
- По способу преобразования тепловой энергии в электрическую:
а) машинные; б) безмашинные.
- По наличию теплоносительных контуров:
а) бесконтурные; б) одноконтурные; в) двухконтурные и т. д.
- В космических энергетических установках в качестве источника тепловой энергии в настоящее время могут рассматриваться два типа генератора тепловой энергии.
Первый тип — изотопный — использует тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных изотопов, имеющих достаточно длительный период полураспада.
Изотопные генераторы тепла компактны, просты и практически нечувствительны к любым воздействиям, которые могут быть в космосе. Такой генератор начинает работать непосредственно после сборки и работает до тех пор, пока изотоп не распадется. Это является крупным недостатком, так как мощность его не регулируется и постепенно уменьшается в соответствии с законами радиоактивного распада. Кроме того, так как трудно получить большое количество изотопа, мощность изотопного генератора является ограниченной.
Второй тип — реакторный, в котором используется энергия, выделяющаяся при делении ядерного горючего (U235 или Рu238). В свою очередь, реакторы могут подразделяться на быстрые, в которых основная часть актов деления происходит за счет быстрых нейтронов (с энергией 0,4·10-20 Дж), и тепловые, в которых деление в основном осуществляется за счет заторможенных, «тепловых» нейтронов (с энергией 0,4-10-20 Дж). Мощность реакторов практически неограниченна, регулируется в широких пределах и может поддерживаться на заданном уровне достаточно длительное время.
- Наиболее известен в настоящее время машинный метод преобразования тепловой энергии в электрическую; в нем турбогенераторный агрегат с турбиной, приводимой во вращение парами рабочего тела, обеспечивает преобразование тепловой энергии в электрическую так же, как это делается на любой тепловой электростанции. Основное отличие здесь в том, что в космических электроустановках используется рабочее тело с более высокими термодинамическими свойствами, чем в обычной энергетике, например, ртуть или щелочные металлы.
Турбогенераторные установки достаточно хорошо изучены, имеют приемлемый коэффициент полезного действия и могут обеспечить широкий диапазон полезной мощности. Недостатком их при использовании в космосе является наличие вращающихся частей, что может приводить к появлению возмущающих моментов. Кроме того, наличие высокооборотных агрегатов, работающих при высоких температурах, снижает надежность энергоустановки.
К энергоустановкам, использующим безмашинные, или прямые, способы преобразования энергии, относятся установки с термоэлектрическими и термоэмиссионными (термоионными) преобразователями. Преимуществами их являются отсутствие вращающихся частей и простота конструкции.
Термоэмиссионные Преобразователи имеют более высокий коэффициент полезного действия (η = 54-20%), чем термоэлектрические (η = 14-5%), но работают на весьма высоком уровне температур, что создает трудности в обеспечении работоспособности применяемых материалов.
Термоэлектрические преобразователи с известными в настоящее время термоэлектрическими материалами работают при температуре не выше 1210 К, что дает возможность применять в них освоенные промышленностью конструкционные материалы.
Можно считать, что в диапазоне полезных мощностей 1—5 кВт установки с термоэлектрическими преобразователями являются наиболее предпочтительными для использования в космических аппаратах.
- Космические энергетические установки могут быть построены по различным принципиальным схемам в зависимости от того или иного способа преобразования тепловой энергии, причем тепло может переноситься от источника к преобразователю либо с помощью рабочего тела (теплоносителя), либо излучением и теплопроводностью.
В бесконтурных установках теплоноситель отсутствует, и тепло от генератора тепловой энергии передается излучением или теплопроводностью. Такая схема возможна при применении термоэлектрического или термоэмиссионного способа преобразования. В машинной схеме обязательно наличие теплоносителя.
Установки с термоэлектрическим преобразователем тепловой энергии, с использованием теплоносителя могут быть как одноконтурными, так и двухконтурными. В одноконтурных установках теплоноситель переносит тепло из реактора в излучатель- преобразователь, совмещающий в себе функции термоэлектрического генератора (ТЭГ) и излучателя, сбрасывающего отработанное тепло в космос. В двухконтурной схеме имеются реакторный контур, в котором теплоноситель переносит тепло от реактора к «горячим» спаям термоэлектрического генератора, и излучательный контур, теплоноситель которого снимает тепло с «холодных» спаев термоэлектрогенератора и передает его в излучатель. В такой схеме функции генератора электрической энергии и излучателя разделены между двумя автономными агрегатами.
Одноконтурная схема более проста, но требует защиты термоэлементов от испарения в вакууме или применения неиспаряющихся термоэлементов, что не всегда возможно.
В двухконтурной схеме все термоэлементы могут быть собраны в компактный блок, в котором легче предохранить их от испарения.
Применение трехконтурных схем с термоэлектрическим преобразованием уже менее целесообразно, так как приводит к уменьшению коэффициента полезного действия системы в целом, усложнению конструкции и т. д.
Энергоустановки с термоэмиссионным преобразователем при использовании теплоносителя целесообразнее строить по одноконтурной схеме. Здесь теплоноситель снимает отработанное тепло с коллекторов и генерирующих энергию элементов и переносит его в излучатель для сброса в космическое пространство.
Установки с турбогенераторами (с машинным преобразованием) имеют два и более контуров. Это обуславливается тем, что в таких энергоустановках используются паровые турбины, для которых получение пара непосредственно в реакторе представляет пока трудно разрешимую задачу даже на Земле. Поэтому целесообразно разделять теплоносители реакторного контура и турбинного контура, являющегося одновременно и излучательным. В некоторых случаях удобно ввести отдельный излучательный контур, полностью выделив турбинный (парожидкостный) контур для лучшей организации процессов парогенерирования и конденсации пара. В таких двух- и трехконтурных энергоустановках в каждом контуре используются разные теплоносители, каждый из которых наиболее полно отвечает своему основному назначению.
