ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ НА РАКЕТЕ 3


Вот почему в последние годы большое внимание за рубежом привлекают так называемые тонкопленочные элементы, позволяющие создать гибкие солнечные батареи уменьшенного веса.

Такие элементы получают обычно путем образования (например, распылением) тонкой полупроводниковой пленки (например, на основе таких полупроводниковых соединений, как арсенид галлия, теллурид или сульфид кадмия и др.) на каком-нибудь материале, служащем «подложкой» — стекле, керамике, металле. Общая толщина

Рис. 115. Развертывающиеся конструкции солнечных космических батарей на основе тонкопленочных фотоэлементов.

элемента при этом уменьшается до десятой и даже сотых долей миллиметра, снижается вес и стоимость батарей и, что очень важно, такие батареи могут легко выполняться в виде складывающихся или свертывающихся конструкций (рис. 115). Жесткость панелей после их развертывания в космосе может обеспечиваться, например, легкими надувными рукавами, как это предусмотрено в проекте фирмы Хьюз)- Весьма совершенные батареи такого рода, * *)

(Aviation Week, 28. VIII. 1967, т. 87, № 9, стр. 93). По проекту солнечной батареи для большой обитаемой орбитальной лаборатории, разработанному в США, она должна иметь четыре панели солнечных элементов размером 3,1X8,4 м, т. е. общей площадью больше 170 кв. м\ (New Scientist, 21. IX. 1967, стр. 610).

*) Информационный бюлл. «Прямое преобразование...», XII, 1967, стр. 82.

легко свертывающиеся в рулоны, как обычная бумага, разработаны советскими учеными; многие зарубежные фирмы покупают советские лицензии на эти батареи ).

Разрабатываются они и за рубежом. Так, фирма Райан (США) создала батарею площадью поверхности около 23 кв. м и весом всего 35,5 кГ, причем удельная мощность такой батареи составляет 66 вт на 1 кГ веса), т. е. в несколько раз больше, чем для обычных солнечных элементов. Не удивительно, что с такими батареями космонавтика связывает большие надежды, в особенности, если в качестве «подложки» сможет быть использована тонкая (порядка 50 мк), легкая и прочная металлизованная пластмасса, что уже сделано в ряде экспериментальных конструкций). Ведь обычные жесткие солнечные батареи характеризуются весом примерно 50 кГ на 1 кет мощности, причем до 70% этого веса приходится на долю металлического, обычно алюминиевого каркаса ). Считается, что в самые ближайшие годы смогут быть достигнуты значения мощности с единицы площади поверхности до 120 вт/м при удельной мощности до 90 вт/кГ (т. е. удельном весе примерно 11 кГ/квт). В разрабатываемых за рубежом проектах солнечных батарей для больших обитаемых орбитальных станций и межпланетных кораблей предполагается применение панелей гибких солнечных элементов очень большой площади. Так, в проекте фирмы Боинг для марсианского корабля общая площадь солнечных элементов батареи мощностью 50 кет составляет примерно 465 кв. м, тонкослойные элементы общим числом 1 млн. крепятся на развертываемых панелях из стеклоткани толщиной всего 75 мк. Фирма Хьюз использует для этой же цели ленту из стекловолокна, пропитанного тефлоном; ширина этой ленты 250 мм, а толщина всего 38 микрон! При запуске ракеты лента наматывается на барабан диаметром 165 мм. После развертывания ленты достигают длины в 30 м, они удерживаются в таком состоянии тонкой металлической лентой из нержавеющей стали, листового титана и т. п. Мощность солнечных

*) «Комсомольская прайда», 24 июня 1967 г.

) World Aerospace Systems, XI, 1967; Aerospace Technology,

9.X. 1967, т. 21, № 8, стр. 4.

®) Spaceflight, XI, 1967, стр. 374.

) Там же.

) Mechanical Engineering, X, 1966, стр. 40»

батарей по этим проектам достигает 20 кет) и даже 50 кет).

Большим достоинством солнечной батареи является то, что она обладает теоретически бесконечной продолжительностью работы. С увеличением продолжительности полета выгодность солнечной батареи по сравнению, например, с химическими источниками электроэнергии, естественно, возрастает. Если при продолжительности работы в несколько часов или даже дней вес «химической» электростанции ракеты на 1 кет генерируемой электроэнергии будет меньше, чем для гелиоэлектростанции, то при увеличении длительности полета он сначала сравняется с ней (примерно при 10 днях), а затем станет намного больше. В настоящее время это наиболее надежный и эффективный метод непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую.

В последнее время вызывает интерес другой подобный метод — метод электронной фотоэмиссии. Идея этого метода заключается в том, что при облучении солнечным светом некоторых пластмасс они испускают (эмитируют) электроны, которые могут быть захвачены электрическими проводниками, расположенными над поверхностью пластмассы, и, таким образом, в них потечет ток. В частности, сообщается о разработке подобной гелиостанции фирмой Вестингауз в США по проекту Каструччо) для использования на лунной базе. По другому проекту, разрабатываемому Национальной исследовательской корпорацией, вес системы должен составлять всего 8 кГ/кет.

Однако рекордных показателей можно было бы, вероятно, достичь с помощью проекта, разработанного сотрудником Корнелльского университета в США Томасом Голдом). По его предложению тончайшая пластмассовая пленка толщиной всего 125 микрон с большим числом сквозных отверстий в ней покрывается с обеих сторон нанесенными испарением слоями металла толщиной в десятые доли микрона. Эти слои являются проводниками — один из них, обращенный к Солнцу, играет роль эмиттера электронов, противоположный-—их коллектора; элек

*) Aviation Week, 14. VIII. 1967, т. 87, № 7, стр. 72.

) Aviation Week, 1967, т. 87, № 11, стр. 96 и др.

) Product Engineering, 24. VI. 1963.

) Astronautics, II, 1961.

троны проходят через отверстие в пленке, служащей изолятором. По расчетам автора, вес такой пленки не должен превысить 1 кПквт, а вес всей установки (с учетом веса надувного бортика, придающего жесткость большому диску тонкой пленки, и др. элементов конструкции) имеет порядок 5—6 кГ/квт.

Может возникнуть вопрос, почему нельзя непосредственно использовать волновой характер солнечных лучей? Фотон, как известно, представляет собой частицу-волну, причем во всех применяющихся солнечных энергоустановках используются именно корпускулярные свойства фотона. Но ведь если создать приемную аппаратуру, настроенную на частоту электромагнитных колебаний, соответствующих солнечному излучению, то можно воспринимать энергию этого излучения, как принимаются обычные радиоволны. Уже имеется подобная аппаратура, рассчитанная на близкую к необходимой частоту — порядка 30 млрд. герц.

Однако этот метод исключен. Ведь солнечные лучи испускаются мириадами атомов, причем каждая такая микроскопическая рация работает в своей фазе. Вот эта-то разнофазность (или, как говорят, некогерентность) и делает невозможным прием электромагнитных волн солнечного света.

Из всех возможных методов непрямого преобразования солнечной энергии в электрическую наибольшей привлекательностью обладают, очевидно, как и в случае тепловой энергии, безмашинные методы. Таких методов несколько. Так, возможны устройства, в которых солнечная энергия преобразовывается в химическую, например, путем фотолиза воды на водород и кислород (фотохимическая реакция). Вслед за тем оба газа могут поступать в описанный выше топливный элемент для непосредственного преобразования свободной химической энергии в электрическую; таким образом, будет осуществляться как бы регенерация этих элементов.

Могут быть созданы и другие аналогичные устройства, которые можно назвать гелиохимическими. Например, США исследуются устройства, в которых под действием солнечного света происходит геометрическая перестройка молекул одного изомера некоторых веществ (органических кислот) в другой изомер; поглощенная при таком процессе солнечная энергия выделяется затем в виде

40 к. а. Гильзин 289

электроэнергии в результате диффузии ионов через пористую перегородку, разделяющую оба изомера с различными константами диссоциации. Данные предварительных опытов показывают перспективность подобных устройств для использования на ракетных электростанциях.

Однако в большинстве случаев все подобные устройства обладают относительно невысоким к. п. д., обычно менее 10%. Теоретически возможно повышение этого к. п. д. до 40—45% (согласно акад. Н. Н. Семенову), что

привело бы к решению задачи, имеющей огромное значение не только для космонавтики, но и для всего народного хозяйства. Но на этом пути впереди еще несделанные открытия и изобретения.

Другие непрямые методы преобразования солнечной энергии в электрическую связаны с ее переходом в тепловую, а последней — в электрическую. Если иметь в виду снова вначале безмашинные методы, то здесь могут быть использованы термоэлектрические и термоэлектронные методы, в основе которых лежит использование достижений физики твердого тела.

Термоэлектрические солнечные элементы, как и фотоэлементы, основаны на применении полупроводников, но в них используется иное свойство этих чудо-веществ — именно, возникновение электрического потенциала под действием разности температур (рис. 116). Термоэлементы существуют уже почти полтора века, но пока для этой цели использовались различные спаи металлов (например, в термопарах), их к. п. д. был весьма незначительным — порядка десятых долей процента. Только использование полупроводников позволило довести величину к. п. д. примерно до 8%, причем ведутся исследования (в частности, связанные с повышением допустимой рабочей температуры горячего спая, например, путем использования раз

Подбод тепла

Рис. 116. Принципиальная схема термоэлектрического преобразователя тепловой энергии в электрическую.

личных керамик — окиси кобальта и др.), которые позволят достичь 15%, а может быть, и теоретически возможной величины — 30 %.

При использовании же вместо твердых полупроводников различных ионизованных газов (опыты такого рода уже проводились, в частности, в Лос-Аламосской лаборатории в США) теоретически возможно превращать в электричество до 60% тепловой энергии, т. е. намного больше, чем в существующих теплосиловых установках с их сложными и громоздкими машинами.

Хотя до сих пор солнечные термоэлектрические генераторы еще не применяются на космических аппаратах (если не считать нескольких экспериментальных орбитальных установок))» по ним ведутся интенсивные исследовательские и опытно-конструкторские работы. Это объясняется рядом их преимуществ: возможностью работы на сравнительно небольших расстояних от Солнца (фотоэлементы обычно не годятся для работы при высоких температурах в сотни градусов), принципиальной достижимостью более высокого к. п. д., неподверженностью радиационным воздействиям и др. За рубежом разрабатываются солнечные термоэлектрогенераторы двух типов — в форме обычных плоских панелей, как в случае солнечных фотоэлементов, и со специальными солнечными концентраторами. Освещенная Солнцем сторона плоской панели нагревается до температуры немногим более 500° С, а обратная, теневая сторона обычно имеет температуру порядка 350°; эта разность температур 150—170° и служит для генерирования тока. На опытных моделях плоских панелей удавалось получать мощность примерно 10—11 вт/ж; такая малая мощность объясняется низким к. п. д. вследствие малого перепада температур. Гораздо больший перепад и соответственно большую мощность можно получить, если применить концентратор солнечной энергии — устройство, позволяющее собирать солнечные лучи, падающие на относительно большую поверхность концентрации, и затем направлять всю эту энергию на горячие спаи термоэлемента (рис. 117). Такие концентраторы-рефлекторы используются, в частности, в. проекте солнечной термоэлектрической энергоустановки фирмы Гамильтон Стандарт (США). Еще больший эффект

') Aviation Week, 8. VI. 1964, стр. 55.

получается, если обратная (тыльная, теневая) сторона концентратора используется в качестве радиатора, т. е. теплорассеивающей поверхности.

Необходимость в радиаторе является существенным недостатком солнечного термоэлектрогенератора, впрочем, общим для всех энергоустановок с использованием тепла. Выше уже упоминалось о том, что теплота не может быть целиком преобразована в другие виды энергии, часть ее неизбежно теряется и должна быть рассеяна, отведена при более низкой температуре. В случае термоэлектрогенератора такой отвод тепла связан с необходимостью охлаждения холодного спая, поддержания его при температуре, значительно меньшей, чем у горячего спая. Ведь чем больше эта разность температур, тем больше к. п. д. термоэлемента. Вот для чего служат, в частности, ребра, веером расходящиеся во все стороны от широко известного советского термоэлектрогенератора, используемого с обычной керосиновой лампой и служащего для питания радиоприемника. Такие ребра имеют и многие зарубежные термоэлектрогенераторы.

Однако в космосе условия охлаждения иные, чем на Земле, там нет воздуха, которому можно было бы передать тепло. Единственный возможный вид теплоотдачи в этих условиях — это излучение. Но чтобы обеспечить нужную теплоотдачу при не слишком большой поверхности подобйого теплорассеивающего устройства — радиатора, е нужно повышать температуру его поверхности. Однако это невыгодно, так как уменьшает перепад температур в термоэлементе (невыгодно это и во всех других случаях применения радиатора). Так возникает одна из сложнейших проблем электрических силовых установок ракет. Вот

чем объясняются большие поверхности, напоминающие громадные крылья бабочек или гигантский раскрытый зонтик, которые можно видеть на рисунках различных электрических космических летательных аппаратов. Обычно радиатор представляет собой наиболее тяжелую часть энергетической установки).

Особенно возрастают трудности, связанные с радиатором, при увеличении мощности энергетической установки. Ведь в этом случае каждый процент полной мощности представляет собой огромное количество тепла, которое нужно рассеивать в радиаторе. Если представить себе, например, ракетную установку полезной мощностью 2 миллиона л. с., но не термохимическую, как это было в приведенном выше примере,_ а с разделением источника энергии и рабочего вещества, то даже при высоком — 50%—к. п. д. установки ее радиатор должен рассеивать каждую секунду примерно 350000 ккал тепла.

Допустите такой невероятный случай, что хотя бы на одну минуту радиатор перестал рассеивать тепло и оно аккумулируется в летящем корабле. Злосчастный корабль не просто выйдет из строя, он... может расплавиться! Вот почему так необходимо в этих случаях всемерно повышать к. п. д. установки.

Проблема радиатора еще ждет эффективных решений, остроумных изобретений. Одной из интересных идей является, в частности, предложенный за рубежом в 1960 г. проект радиатора в виде непрерывно движущейся (вращающейся) тонкой ленты.

Другой такой идеей и является упомянутое выше использование в качестве радиатора теневой поверхности концентратора. Но у концентраторов солнечной энергии есть и один существенный недостаток — они требуют весьма точной ориентации на Солнце. Ну, а как быть в тех случаях, когда такой солнечный термоэлектрогенератор оказывается в конусе земной тени? Ведь для искусственного спутника Земли с периодом обращения IV2 часа, *)

*) Интересная конструкция солнечного термоэлектрического генератора разработана в США фирмой Дженерал Атомик. В ней применены батареи полупроводниковых термоэлементов, расположенных между двумя металлическими пластинами (коллектором и радиатором); это защищает батареи от вредного действия радиации (Missiles and Rockets, 22. X. 1962). Каждый генератор мощностью 0,25 вт будет представлять собой панель размерами 10,3X10,3 см (Electronics, 19. X. 1962).

например, полет в тени будет длиться больше трети всего времени, 35 мин из каждых 90 мин одного обращения. Как показали теоретические и экспериментальные исследования, термоэлектрогенераторы справляются с этой

2 — токоотводы, 2 — ребра радиатора, 3 — отвод тепла в космос излучением, 4 — распорка (тепловой шунт), 5 — аккумулятор тепла (гидрид лития), 6 — термоэлектрические элементы (модули), 7 _ рабочая полость генератора, 8 — апертурная поверхность, 9 — падающее солнечное излучение, 10 — теплоизоляция, 11 — элементы крепежа (тепловые шунты).

трудностью легче, чем солнечные фотоэлементы, при которых необходимо предусмотреть на этот случай дополнительный источник энергии, которым обычно служат тяжелые и громоздкие электрохимические батареи. Поскольку для работы термоэлектрогенератора нужно, собственно, не само Солнце, а излучаемое им тепло, то вполне возможно накопление этого тепла в полете на освещенном участке траектории с тем, чтобы израсходовать накопленное тепло во время полета в тени. В космическом термоэлёктро-генераторе, разрабатываемом американской фирмой Ве-стингауз (рис. 118), таким аккумулятором тепла служит,

например, гидрид лития -— твердое вещество, обладающее сравнительно большой теплотой плавления (2720 кдж/кг) при относительно низкой температуре 673 С. Это вещество помещается в контейнер из нержавеющей стали с покрытием из стекла и под действием направляемых на него концентратором солнечных лучей плавится, отдавая накопленное таким образом тепло термоэлементам при затвердевании на теневом участке траектории. При наземных испытаниях описываемого термоэлектрогенератора в условиях, имитирующих космический полет, был получен к. п. д. 5,8% при мощности 150 вт; концентратор имеет диаметр 2,44 ж и к. п. д. 86,6% ). Предполагаемая удельная мощность всей энергоустановки 4,7 вт1кг. Как видно из этих данных, пока еще солнечные термоэлектрогенераторы уступают по своим возможностям солнечным батареям из фотоэлементов.

На ином принципе основаны так называемые термоэлектронные,, или термоионные, генераторы (иногда их называют также термоэмиссионными), в которых используется явление испускания электронов раскаленной металлической поверхностью (рис. 119); этот метод предложен акад. А. Ф. Иоффе в 1950 г. Если поместить катод термоионного электрогенератора в фокусе солнечного коллектора, концентрирующего лучи на этом катоде с целью необходимого повышения его температуры, то такой катод начнет как бы испарять, эмитировать электроны, что приведет к образованию высокого электрического потенциала между ними и анодом. Тепловая энергия и преобразуется в электрическую, когда электроны преодолевают этот потенциал.

Для увеличения плотности тока вакуумированное пространство между катодом и анодом в новых устройствах этого типа часто заполняется парами цезия, являющегося, как известно, веществом с наименьшей энергией ионизации. Образующиеся положительные ионы цезия нейтрализуют пространственный заряд, ограничивающий увеличение плотности тока. Такие термоионные генераторы называют иногда «плазменной термопарой»). Этот термин

) Информационный бюлл. «Прямое преобразование тепловой электрическую и топливные элементы», XII, 1967, вып. 12,

) Machine Design, 27. IV. 1967 и др.

объясняется тем, что подобный генератор может рассматриваться как обычная термопара, в которой один из проводников металл, а другой — плазма. Расстояние между

Отвод тепла (охлаждение)

i i 11 i

Поток электронов

Колодный металлический анод-

коллектор электронов -

Электрическая нагрузка .

I I7

Подвод тепло (нагрев)

Горячий металлический катод-

эмиттер электронов

Горячий

спай

Плазма . (один из проводников спая)

Подвод тепло (нагрев)

Металлические проводники

Электрическая

нагрузка

Холодный

спай



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



Блондинка за углом смотреть фильм
Маленькая Вера смотреть фильм
Любовь и голуби смотреть фильм