КОСМОНАВТИКА
Оcновы проектирвоания неракетных космических аппаратов

5.БОРТОВЫЕ СИСТЕМЫ НЕРАКЕТНЫХ КОСМИЧЕСКИХ КОРАБЛЕЙ.
5.3.СИСТЕМА ЭНЕРГОПИТАНИЯ.

 

     Система энергопитания (СЭП) должна обеспечивать энергетические потребности как ПД и МД, так и служебных систем КК. Важно отметить, что речь идет именно об «энерго-» а не только «электропитании», так как заранее сказать, в какой форме энергия будет потребляться двигателями, и будет ли рационально преобразовывать ее в электрическую форму, пока нельзя. Вместе с тем, в отличие от ракетных двигателей, с полевыми ДУ электрическая форма энергии согласуется значительно лучше других, известных на сегодня. СЭП НКК будет состоять из двух взаимосвязанных, но в значительной степени независимых систем - СЭП двигательной установки (СЭП ДУ) и СЭП бортовых систем (СЭП БС). Такое разделение обусловлено существенно разными параметрами режимов работы. Если применительно к СЭП ДУ речь идет о мега- и гигаваттах в течение активных участков полета, то СЭП БС должна выдавать сотни ватт - единицы киловатт, но в течение ВСЕГО ПОЛЕТА.
    5.3.1.СИСТЕМА ЭНЕРГОПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ. Совершенство системы энергопитания ДУ характеризуется ее удельной массой – ЭУ, Мудэу (кг/Вт), определяемой отношением массы ЭУ к ее мощности, и – в принципе – может быть определено из статистики. Следовательно,

f(P/K) = NдМудэу = (PМудэу)/K

Отметим, что масса энергетической установки НКК выражается через величину, характеризующую двигатель НКК.
    Обязательной чертой СЭП ДУ должно быть резервирование как первичных источников энергии (ПИЭ), так и силовых шин, связывающих их с ДУ (возможно - многократное), с широкими возможностями коммутации для перераспределения нагрузок при отказах ПИЭ и ДУ.
     В качестве ПИЭ для СЭП ДУ могут выступать устройства с высокими удельными характеристиками и ограниченным ресурсом, рассчитанные на работу «на номинале» только на взлётно-посадочных режимах, так как теоретически крейсерский полет в удалении от небесных тел или по траекториям, близким к баллистическим, требует значительно меньших энергозатрат. Однако, применение таких агрегатов ведет к ограничению возможностей НКК и оптимально только на ранних этапах их развития.
     Сегодня наиболее используемым ПИЭ в космической технике является излучение Солнца. Необходимо отметить, что в [30] для сравнения приводятся и удельные характеристики перспективной солнечной энергетической установки (СЭУ), причем её Мудэу меньше, чем у существующих ядерных энергоблоков, и находится на уровне перспективных. Исходя из требования максимальной автономности космического сегмента космонавтики, СЭУ выглядит предпочтительнее ЯЭУ, т.к. не нуждается в производстве делящихся материалов, а выпуск, например, фотоэлектрических преобразователей с достаточно высокими удельными характеристиками может базироваться на внеземные ресурсы и производственную базу [Ю.М. Еськов «Экологически чистая мировая электроэнергетика и космонавтика в XXI веке»., М., 2004]. Однако солнечные энергоустановки имеют два неустранимых недостатка, которые если не исключают совсем, то резко ограничивают возможность их применения на МКК.
     Во-первых, КПД фотоэлектрических преобразователей до сих пор не превышает 10-20%, причём последняя величина рассматривается как теоретическая, достигаемая с использованием в полупроводниках экзотических химических элементов. Следовательно, для получения требуемой мощности солнечные батареи должны иметь большие размеры. Использование для получения электроэнергии машинных преобразователей требует крупногабаритных концентраторов солнечного излучения, причём требования к их форме значительно выше, чем в случае с солнечными батареями. Кроме того, в обоих случаях необходима постоянная ориентация на Солнце плоскости панели фотоэлектрических преобразователей или оптической оси концентратора машинного преобразователя независимо от направления движения НКК. Для случая, когда тяговооружённость НКК существенно меньше единицы, это ещё может быть рассмотрено, но с ростом ускорений разгона и торможения масса силовых конструкций СЭУ резко возрастает, как из-за необходимости роста вырабатываемой мощности, так и из-за увеличения пергрузок.
     Во-вторых, количество солнечной энергии, которая может быть собрана с единицы площади, меняется с расстоянием от Солнца. Практика космических исследований подтверждает результаты расчётов, согласно которым уже на орбите Марса (удаление от Солнца около 1,5 астрономических единиц, а.е.(Астрономическая единица, а.е. - среднее удаление Земли от Солнца, ок. 1,496 х 1011 м.)) солнечная СЭУ с трудом обеспечивает потребности бортовых систем автоматических КА, а на большем удалении от Солнца просто не имеет смысла. В то же время, внутри орбиты Венеры (ок. 0.72 а.е.) и тем более – Меркурия (ок. 0,39 а.е.) воздействие солнечного излучения вызывает перегрев и ускоренную деградацию фотоэлектрических преобразователей.
     Следовательно, использование СЭУ на НКК может быть рассмотрено для случаев, когда:
     НКК эксплуатируется с минимальными ускорениями (n существенно меньше 1).
     НКК эксплуатируется на таком удалении от Солнца, где использование СЭУ оптимально;
     НКК нуждается в резервном источнике энергии, основанном на других физических принципах, нежели основной.
     Из других известных либо представимых на сегодняшний день ПИЭ в СЭП ДУ применимы ядерные, термоядерные и аннигиляционные реакторы, аккумуляторы и системы, концентрирующие или высвобождающие и использующие энергию окружающей среды (энергоинверсоры; так называют устройства, формально не подчиняющиеся 2-му началу термодинамики). Для НКК, перемещающихся по фиксированным маршрутам, может быть использован внешний (лучевой, пучковый) подвод энергии от внешних ПИЭ.
     Рассмотрим основные особенности перечисленных энергоисточников.
     Ядерные реакторы (или ядерные энергоустановки, ЯЭУ) на сегодняшний день являются наиболее отработанными источниками тепловой энергии большой мощности. Для преобразования производимого ими тепла в электричество используются или предлагаются МГД, машинный (турбомашинный), термоэмиссионный, термоэлектрический и радиоэмиссионный методы (перечислены в порядке убывания агрегатной мощности).
     Принципиально неустранимым недостатком ЯЭУ является наличие делящихся материалов, а следовательно - опасность загрязнения окружающей среды при авариях, связанных с ее разрушением. Второй недостаток - необходимость массивной радиационной защиты, причем для НКК, предназначенных для работы в атмосферах планет, она должна быть круговой - вокруг реактора. В противном случае, как показали еще ранние проработки проектов атомных самолётов и полёты летающей лаборатории Ту-95ЛАЛ, неизбежно переоблучение экипажа и конструкции ЛА через атмосферу.
     Величина Мудэу для атомных энергетических установок определяется мощностью реактора, его типом, видом применяемого теплоносителя (если есть - замедлителя), степенью обогащения используемого топлива, расчётной продолжительностью работы (частотой перезарядки), характеристиками устройств преобразования теплоты в электричество. По американским [29] данным начала 1960-х гг. паротурбинные атомные энергетические установки АПЛ характеризовались величиной Мудэу = 0,01-0.07 кг/Вт (не включая массу биологической защиты, остававшуюся почти постоянной для большого диапазона мощностей - 300 т для 100 кВт и 600 т для 100000 кВт). Для прошедших летные испытания космических ядерных энергоустановок БЭС-5 и ТЭУ-5, использующих термоэлектрическое и термоэмиссионное преобразование, Мудэу = 0,196-0,31 кг/Вт [30]. Согласно [31, с.216-217]. В 1975 г. в СССР была обоснована возможность создания атомной энергетической установки для воздушно космического самолета (ядерный турбореактивный двигатель + ядерный ракетный двигатель) со следующими параметрами: масса реактора и ЯРД – 5 т, масса ВРД – 45 т, масса радиационной защиты – 30 т, тепловая мощность реактора при работе ВРД – 4000 МВт, ЯРД - 15600 МВт, что соответствует значениям Мудэу 0,0200 и 0,0022 кг/Вт. В том же источнике приводится утверждение академика А.П. Александрова, что энергоустановка с указанными параметрами может быть доведена до серийного производства и широкого применения за 10 лет.
     Теоретически существуют способы значительно уменьшить массу радиационной защиты, однако перспективы их реализации представляются туманными (см. ниже).
     Работоспособных образцов термоядерных и аннигиляционных энергетических реакторов пока (на 2007 год) не существует (17 января 2007 г. информационные агентства передали заявление директора китайского проекта термоядерного реактора EAST Вань Юаньси о том, что в серии экспериментов в конце 2006 г. получен выход энергии, на 25 % превышающий затраченную на нагрев плазмы.). Можно предположить, что из-за большого удельного энерговыделения термоядерного и аннигиляционного топлива с одной стороны, и ограниченной жаропрочности известных конструкционных материалов с другой, первые образцы таких установок будут иметь большие габариты, что затруднит их использование на ЛА любого рода.
     Для аннигиляционных энергоустановок дополнительной сложнейшей проблемой является хранение антивещества. Сегодня реально рассматриваются три возможных способа. Ближайшая перспектива – это хранение относительно небольших количеств антивещества в виде нейтрального газа или позитронно-антиядерной плазмы в накопительных кольцах, устройство которых в принципе аналогично рабочим камерам токамаков (от слов «тороидальная камера, магнитная катушка»). Так же, но со значительно большей мощностью магнитных полей, могут быть устроены и хранилища для антивещества, если оно будет получено в форме жидкости или порошка.
     В случае, если антивещество будет получено в виде твердого тела (льда), то его можно будет хранить в вакуумных камерах, подвешенным в магнитном поле.
     Наконец, существует предположение, что антиатомы можно будет хранить в межатомном пространстве соответствующей кристаллической решетки. В двух последних случаях достаточно сложно представить систему подачи антивещества в рабочую камеру аннигиляционной энергоустановки.
     Аккумуляторы (устройства, способные запасать, какое-то время хранить и отдавать накопленную и сохраненную энергию, безотносительно к физическим принципам их работы), видимо, найдут применение в СЭП ДУ в качестве компенсаторов пиковых нагрузок. В любом случае, для этого их удельные характеристики должны быть улучшены на несколько порядков. Энергоинверсоры представляются оптимальными ПИЭ для СЭП НКК как по удельным характеристикам, так и благодаря отсутствию ограничений по запасам топлива. Однако, прежде чем приступать к их широкомасштабному применению (при условии решения всех технических проблем), необходимо тщательно изучить особенности их влияния на окружающую среду, в первую очередь - на свойства и характеристики пространственно-временного континуума.
     Применение внешнего подвода энергии, как уже отмечалось, возможно только для НКК, перемещающихся по фиксированным маршрутам или в ограниченной области пространства. Общую структуру СЭП ДУ целесообразно заимствовать с атомных подводных лодок [9], с учетом специфических требований по массовым характеристикам и условиям работы.
    Принципиальным отличием системы энергопитания ДУ НКК будет необходимость минимизации времени коммутации исправных и неисправных ПИЭ и ПД при вертикальных взлёте и посадке. Речь идет (на основании опыта разработки РН Н1 и СВВП Як-38 и Як-141) 0,001-0,01 с, за которые, в случае отключения питания части ПД, НКК не успеет потерять устойчивость. Для НКК, не совершающих посадки на планеты, это требование может быть менее строгим, однако величину времени коммутации нужно будет учитывать при расчёте динамических режимов.
     5.3.2.СИСТЕМА ЭНЕРГОПИТАНИЯ БОРТОВЫХ СИСТЕМ. Требования к первичным источникам энергии СЭП БС иные, в первую очередь – количественно (но количество переходит в качество). Как уже говорилось, главное здесь - постоянное обеспечение энергопотребностей всех остальных (кроме ДУ) систем НКК в течение всего времени автономного функционирования корабля, а возможно - на протяжении всего календарного срока его существования.
     Учитывая, что все ПИЭ имеют небесконечный ресурс и неабсолютную надёжность, целесообразно рассмотреть автоматизированную СЭП БС, использующую одновременно или последовательно, с автоматическим переключением, несколько первичных источников энергии, возможно – разной физической природы. По сегодняшним представлениям, наиболее целесообразным ПИЭ БС является ЯЭУ с высокоресурсным безмашинным - термоэмиссионным или термоэлектрическим - преобразованием. Для сохранения программного обеспечения возможно применение маломощных ПИЭ со сверхбольшим ресурсом. При длительной стоянке НКК на Земле (на оборудованной базе) целесообразно использование внешнего питания. Наибольший ресурс будут иметь системы, основанные на энергоинверсорах (естественно, при условии, что таковые будут созданы).

КОСМОНАВТИКА
Оcновы проектирвоания неракетных космических аппаратов
Сайт создан в системе uCoz