ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ НА РАКЕТЕ 4


Отвод тепла (охлаждение)

Рис. 119. Термоэлектронный (термионный) преобразователь тепловой энергии в электрическую.

а) Сверху — принципиальная схема вакуумного (или плазменного) диода: снизу — плазменный диод может рассматриваться как плазменная термопара; б) вакуумный термоионный преобразователь фирмы Дшенерал Электрик (США). Его мощность равна 1 вт, вес примерно 85 Г, температура катода около 1100° С, к. п. д. не менее 2,5% (Journal of Applied Physics, № il, 1959).

электродами в них может быть значительно больше, чем сотые доли миллиметра, как в вакуумных «диодах».

Одна из наиболее серьезных проблем для термоионных преобразователей связана с конструкционными материалами для катода — эмиттера электронов, поскольку

они должны длительно работать при очень высокой температуре порядка 1400° С и больше. Однако в последнее время, судя по сообщениям зарубежной печати, эта проблема успешно преодолевается. По крайней мере, сообщается об успешных длительных испытаниях термоионных космических преобразователей. Например, два таких преобразователя испытывались в США в течение более 10000 часов при температуре катода 1730° С без сколько-нибудь серьезного ухудшения характеристик). В термоионном преобразователе, созданном в СССР ), температура молибденового катода равнялась 1700—1800 С, что позволило получить при температуре анода 650°С удельную мощность 3—3,5 вт1см.

В настоящее время созданные термоионные генераторы обладают несколько меньшим к. п. д., чем термоэлектрические, но их совершенствование приводит к быстрому повышению к. п. д. Так, для одного из экспериментальных устройств этого типа, разработанных в США, считается возможным достижение к. п. д. 43% (по другим данным достижим к. п. д. не более 35%) при мощности примерно 200 вт на 1 м поверхности солнечного коллектора.

Однако пока еще до этих теоретически возможных значений далеко. Так, например, в термоионном солнечном преобразователе, испытания которого осуществляла в 1962 г. фирма Электро-Оптикал Системз в США, к. п. д. достигал лишь 3 %; мощность этого преобразователя 41 вт, вес 11 кГ. В других испытанных преобразователях к. п. д. достигал 10% и даже 14% ), а удельная мощность 17—28 вт1см; повышение температуры катода до 2260° К позволяет повысить к. п. д. до 20% и удельную мощность до 75 вт1см. Следует подчеркнуть, что термоионные преобразователи обладают одним исключительно важным и уникальным потенциальным достоинством — они сохраняют достаточно высокий к. п. д. при весьма значительных температурах теплорассеивающего радиатора (т. е. анода). Если вспомнить сказанное выше об огромных размерах и весе космического радиатора, то значение возможности существенного их уменьшения, связанного с повышением температуры (ведь теплоотвод *)

*) Machine Design, 7. VII. 1966, стр. В-12.

J ,еПлоФизика высоких температур, I — II, 1968, т. 6, № 1. ) J- Spacecraft, VIi; 1967, т. 4, № 7, стр. 847.

излучением изменяется как 4-я степень температуры), трудно переоценить. Именно с этим главным образом и связывают перспективы применения солнечных термоионных

Рис. 120. Термоионная космическая энергоустановка «СТЕПС» фирмы Дженерал Электрик (а) и генератор установки (б)

* * (Missiles and Rockets, 5. VI. 1961).

электрогенераторов для различных космических аппаратов.

Одна из первых солнечных термоионных установок в США разрабатывается фирмой Дженерал Электрик по

проекту «СТЕПС» ). Установка состоит из коллектора, фокусирующего солнечные лучи на генераторе, состоящем из трех термоионных преобразователей вакуумного типа и вспомогательных систем (рис. 120). Солнечные лучи проникают через отверстие в полость генератора, на внутренних стенках которой расположены нагреваемые катоды преобразователей, а на наружной — аноды. Как указывается, установка была испытана с концентратором диаметром 1,5 ж, причем была получена мощность около 28 вт при температуре эмиттера 1670°С). Наиболее мощная из известных разрабатываемых в США солнечных термоионных установок рассчитана на 135 вт с 1,5-метровым концентратором (фирмы Термо Электрон Инжиниринг и Электро-Оптикал Системз); она уже неоднократно подвергалась наземным испытаниям и подготавливается к летным). Как и термоэлектрические установки, все термоионные установки также должны иметь теплорассеивающий радиатор, но, как уже упоминалось выше, возможность использования более высокой его температуры сильно уменьшает размеры и вес.

Особая пригодность термоионного преобразователя для работы при высокой температуре послужила, в частности, основанием для разработки фирмой Белл Эросистемз энергоустановки для автоматической межпланетной станции, которую предполагается запустить к Солнцу в 1970 г.). Приближение к Солнцу на расстояние порядка 50 млн. км уже недопустимо для солнечных батарей, и поэтому выбор пал в этом случае на термоионную установку (рис. 121). При установке 16 солнечных концентраторов диаметром 0,3 м с термоионными преобразователями общая мощность установки превысит 220 вт.

Рис. 122 иллюстрирует устройство термоионного преобразователя — «плазменного диода», разрабатываемого в США фирмой Термо Электрон Инжиниринг для космического использования. Зазор между эмиттером и коллектором электронов заполняется при работе установки цезием, поступающим из специального резервуара. При температуре эмиттера 2000° К удельная мощность установки, полученная в ходе длительных, во много тысяч часов,

) Missiles and Rockets, 5. VI. 1961.

) Spacecraft and Rockets, IX—X, 1965, t. 2, № 5, стр. 654.

) Mechanical Engineering, 27. III. 1967.

наземных испытаний в вакууме, составляла примерно 17 вт1см1 * 2. На космическом аппарате предполагается уста

новить пять описываемых

Рис. 121. Солнечная космическая термоионная энергоустановка по проекту фирмы Белл Эросистемз.

1 — оболочка КЛА, 2 — термоионные преобразователи, 3 — экраны от солнечного излучения, 4 — полость для ввода концентрированного солнечного излучения, 5 — концентратор, 6 — устройство для регулирования интенсивности падающего излучения, 7 — солнечное излучение (Space World, VI, 1967; Mechanical Engineering, 27. III.

1967).

преобразователей в фокусе па-

I — теплопоглощающая поверхность, 2 — падающее солнечное излучение, 3 — поверхность эмиттера, 4 — зазор между эмиттером и коллектором, 5 — поверхность коллектора, 6 — коллектор, 7 — цилиндрическая оболочка эмиттера, 8 — уплотнение-изоляция, 9 — теплоотдающая поверхность, ю — рассеиваемое в космос тепло, и — трубка-резервуар с цезием, 12 — цезий (жидкий при температуре насыщения, соответствующей потребной упругости пара) (Mechanical Engineering, IX, 1966, стр* 57).

раболического солнечного коллектора диаметром примерно 1,5 м *). По одному из сообщений печати) преобразователь подобного типа работал при испытаниях более года

*) Mechanical Engineering, IX, 1966, стр. 57.

) Technology Week, 17. IV. 1967, стр. 39.

при к. п. д. 20% и удельной мощности 60 вт1см, причем считается возможным достижение к. п. д. 30%. Ведутся исследования и такого «плазменного диода», в котором цезий содержится только в газообразной фазе, что устраняет необходимость в резервуаре жидкого цезия со сложной системой регулирования его температуры, и, таким образом, сильно упрощает термоионный преобразователь).

Поскольку термоионный генератор работает в диапазоне более высоких температур, чем термоэлектрический, то логичной является мысль о сочетании обоих этих устройств преобразования тепла в электроэнергию. О создании подобного термоионного-термоэлектрического генератора в США сообщала зарубежная печать. «Отбросное» тепло первого генератора используется во втором, что, естественно, увеличивает к. п. д. преобразования примерно вдвое (в созданном образце мощностью 15 вт термоионный преобразователь работал при 1440° С, а термоэлектрический — при 500° С, общий к. п. д. достигал 10— 12%, тогда как для обоих составляющих преобразователей они равнялись 5—7%). Считается, что в будущем к. п. д. таких «каскадных» преобразователей сможет быть существенно повышен. О «каскадных» преобразователях иного типа будет рассказано ниже.

Конечно, более обычными с точки зрения инженерной практики являются машинные, или термодинамические, преобразователи солнечной энергии в электрическую. Ведь именно так устроены имеющиеся пока еще в небольшом числе и строящиеся солнечные электростанции, например, строящаяся у нас в стране возле Еревана станция мощностью 1200 кет. В этих случаях солнечные коллекторы, параболические, рефлекторы, фокусируют лучи на котле, в котором под действием солнечного тепла при высокой температуре (она может достигать даже 3—4 тыс. градусов, как это имеет место в различных солнечных печах) происходит испарение какого-либо рабочего тела, например, ртути, являющейся одним из наилучших теплоносителей для таких целей. Понятно, что для этого коллекторы должны все время автоматически «следить» за Солнцем. Если не считать того, что вместо сгорания в топке обычного парового котла здесь нагрев осуществляется солнечными лучами, все остальные рабочие процессы

) J. Spacecraft, VII, 1966, т. 3, № 7, стр. 1126.

солнечной электростанции, как и применяющиеся машины и агрегаты, не отличаются принципиально от характерных для рядовых теплоэлектростанций. Пар из котла поступает в турбину, вращающую вал электрогенератора, а затем снова превращается в жидкость в конденсаторе, замыкая этим термодинамический цикл (рис. 123). Для поверхно-

Подбод тепла \ 11

сти конденсатора может быть использована обратная сторона солнечного коллектора. Нужно лишь помнить, что маленькая пробоина конденсатора метеоритом вызовет быстрый выход из строя всей установки.

По имеющимся в литературе оценкам, для генерирования мощности в 1 кет с помощью такой установки площадь солнечного коллектора должна составлять примерно 8 м; с ростом температуры нагрева рабочего тела (ртути) эта площадь уменьшается и может достичь 3 ж. Общий к. п. д. установки равен примерно 10—15% (при повышении температуры он может достичь 30% и более), т. е. он того же порядка или несколько больше, что и для солнечных батарей фотоэлементов.

Наряду с турбогенераторными преобразователями описанного выше типа, в которых рабочим телом является испаряющаяся жидкость, пары которой раширяются в турбине, а затем снова конденсируются (термодинамический цикл такой установки носит название цикла Ренкина), возможно применение преобразователей с газообразным рабочим телом. Вместо испарения в котле такое рабочее тело просто нагревается в подогревателе — теплообменнике, затем расширяется в турбине, на этот раз уже газовой, а не паровой, и снова охлаждается в радиаторе; место

Отвод тепла

Рис. 123. Схема термодинамического (турбогенераторного) преобразователя тепловой энергии в электрическую.

насоса, подающего жидкость в котел в цикле Ренкина (см. рис. 123), в газовом цикле (его называют циклом Брайтона) должен занять компрессор, снова сжимающии охлажденный газ. Если цикл Ренкина характерен для наземных паротурбинных электростанций, то цикл Брайтона — для газотурбинных установок, в частности, двигателей современных реактивных самолетов (правда, у этих двигателей цикл не является замкнутым).

В теоретических исследованиях и перспективных разработках фигурируют преобразователи обоих циклов, но первые реализуемые проекты выполняются по циклу Ренкина, т. е. с замкнутым испарительным циклом, обладающим на нынешнем уровне развития рядом преимуществ. Так, например, фирма Томпсон Рамо Вулдридж (США) уже ряд лет работает над ртутной установкой такого рода мощностью 4 кет, причем в 1967 г. успешно провела непрерывные испытания двух таких установок в течение 10 000 часов, а общая длительность испытаний уже превысила 40 000 часов)- Такая большая продолжительность испытаний не удивительна, ведь в космосе энергоустановки должны работать безупречно в течение очень длительного времени. Ведутся работы и с органическими, а не жидкометаллическими рабочими веществами, выгодными для небольших мощностей и невысоких температур в связи с большими к. п. д. ).

К этому же типу преобразователей с испарительным циклом относится разрабатываемая в США космическая электростанция по проекту «Санфлауэр» (рис. 124). Мощность этой установки равна 3 кет, ее расчетный вес составляет примерно 320 кГ. Она имеет складной солнечный коллектор диаметром около 10 м, в фокусе которого на расстоянии 6 м установлен котел и турбогенератор весом

13,5 кГ; рабочим телом служит ртуть.

Имеются в печати сообщения и о другом типе термодинамического преобразователя, разрабатываемого в США. В нем используется вместо турбины поршневая машина Стирлинга, о которой уже упоминалось выше). Эта

) Space World, 1967, № Д-10, стр. 30.

) Aviation Week, 6. Ill, 1967, стр. 161.

) J. Spacecraft and Rockets, IX—X, 1965, т. 2, № 5, стр. 646. В другом проекте солнечной энергоустановки с машиной Стирлинга мощностью 50 вт величина к. п. д. равна всего 7,5% (Mechanical Engineering, III, 1967, т. 89, № 3, стр. 57).

Рис. 124. Ракетная гелиоэлектростанция «Санфлауэр-1» мощностью 3000 вт:

<! d

а) Рисунок установки; б) солнечный коллектор установки (Astronautics, IX, 1960: Missiles and Rockets, 8. VIII. 1960; Machine Design, 27. IV. 1961).

установка фирмы Дженерал Моторе работает на гелии, причем теплоносителем является расплавленный калиево-натриевый раствор. При испытаниях, длившихся 1000 часов, был получен к. п. д. 30%. Вес установки около 250 кГ.

Поршневая тепловая машина применена и в разработанном во Франции проекте искусственного спутника «Фаэтон» (рис. 125) с солнечной энергоустановкой и электротермическим ракетным двигателем). Параболический коллектор этой установки концентрирует солнечные лучи на

Рис. 125. Схема устройства солнечной энергетической установки с поршневым термодинамическим преобразователем французского космического аппарата «Фаэтон».

1 — пар высокого давления; 2 — поршневой двигатель; 3 —• поршни; 4 — цилиндры второй ступени расширения (двигатель «компаунд»); 5 — конденсатор-радиатор; 6 — насос; 7 — инжектор пара высокого давления; 8 — вторичный радиатор; 9 — генераторы переменного тока; 10 — бак с жидким водородом; 11 — полезный груз (Aero France, № 5, 1962; Luftfahrttechnik, VI, 1962)..

ртутном парогенераторе с гидридом лития в качестве аккумулятора тепла (для питания двигателя в момент нахождения спутника в земной тени). Ртутные пары расширяются, совершая работу, в поршневом 10-цилиндровом двигателе «компаунд» двойного действия, который приводит во вращение два электрогенератора переменного тока. Ток служит для испарения и нагрева жидкого водорода,

*) Aero France, 1962, № 5, J. of the BIS, 1963—64, т. 19,стр. 69.

вытекающего через два поворотных сопла. На пассивном участке полета ток служит для питания бортовой аппаратуры спутника. После двигателя ртуть поступает в конденсатор-радиатор и насосом подается снова в котел. При выведении на орбиту коллектор и радиатор находятся в сложенном состоянии. Электрическая мощность установки равна 2,25 кет, диаметр коллектора 4 м, тяга электротермического двигателя 20 Г, температура нагрева водорода

3000° К.

По сообщениям печати, пожалуй, наиболее совершенной из разрабатываемых в США солнечных ракетных энергетических установок с термодинамическим преобразователем является установка фирмы Санстренд (рис. 126) мощностью 15 кет. Расчетный вес установки 380 кГ (т. е. удельный вес 25 кГ/квт, тогда как для установки «Сан-флауэр» он равен примерно 105 кГ/квт); она рассчитана на непрерывную работу без обслуживания в течение года. Основными частями этой, как и всякой другой установки аналогичного типа, являются солнечный коллектор, котел с аккумулятором тепловой энергии, турбина с электрогенератором и конденсатор-радиатор. Наибольшая по размеру из этих частей, коллектор солнечных лучей, представляет собой параболоид вращения диаметром 12,3 м и весом 143 кГ. Он будет либо складным из алюминиевого сплава, либо надувным, и ориентироваться по Солнцу автоматом с точностью 0,1°. Создание коллектора является одной из сложнейших проблем при разработке установки. В фокусе коллектора будет находиться связанный с ним тягами преобразователь, заключающий в себе остальные части установки. Специальная ловушка сфокусированных солнечных лучей (она уменьшит влияние неточной фокусировки и отражения) направит их на рабочие поверхности котла, имеющего две концентрические рабочие камеры, доступ лучей к которым перекрывается двумя ирисовыми диафрагмами для регулирования мощности установки.

Внешняя полость котла выполняет функции первичного испарителя, внутренняя-—перегревателя рабочего тела, которым в установке является щелочной металл рубидий. Преимущество рубидия перед ртутью заключается в повышении рабочей температуры на 260—420°С с соответствующим увеличением к. п. д. установки (расчетная величина к. п. д. равна 21,7%, причем фирма

считает, что он может быть в дальнейшем увеличен). По имеющимся данным рубидий выгоднее ртути при температуре перед турбиной более 900° К. Однако свойства рубидия изучены весьма мало и это требует значительных дополнительных исследований. В обеих рабочих камерах

РисУнок Р<*етной гелиоэлектростанции мощностью кет фирмы Санстренд (США) в полете на искусственном спутнике емли. Слева спутник, в центре — солнечный коллектор, справа — турбогенератор.

котЛа, имеющих сотовую конструкцию, находятся специальные вещества, играющие роль аккумулятора тепла для отдачи его в те моменты, когда искусственный спутник с этой установкой находится в земной тени. Во внутренней камере таким веществом служит фторид натрия, во внешней - гидрид лития. Последний является, вероятно, одним из лучших теплоаккумулирующих веществ для относительно низкой температуры (не выше 950° К); в частности,

он используется и в установке «Санфлауэр». Пар рубидия из котла-перегревателя поступает в трехступенчатую осевую турбину, причем после расширения в каждой из первых двух ступеней он возвращается во внутреннюю камеру котла для промежуточного подогрева, т. е. повторного повышения температуры; это повышает к. п. д. цикла и предотвращает конденсацию рубидия в турбине.

Электрогенератор расположен на валу ротора между 2-й и 3-й ступенями турбины, а центробежный насос для подачи конденсата в котел — за 3-й ступенью, на конце вала, вращающегося со скоростью 24000 об/мин. Непосредственно за ротором расположен конденсатор-радиатор, куда поступают пары рубидия после турбины и откуда жидкий металл (переохлажденный до 640° К) подается сначала струйными насосами, а затем центробежным насосом снова в котел, замыкая этим цикл. Диаметр радиатора дисковой конструкции равен 2,1 ж.

Выше отмечались трудности создания солнечного коллектора, или концентратора, солнечных лучей. Эта задача является важнейшей не только для данной установки, но и для всей проблемы использования солнечных электростанций на ракете. При большой поверхности коллектор должен быть обязательно раскладным (во время активного полета ракеты он должен быть плотно упакованным в защитном кожухе), обладать малым весом при достаточной жесткости, высоким коэффициентом использования падающей солнечной энергии (обычно он составляет не более 50—60%) *)> длительным сроком службы в космосе. За рубежом рассматриваются различные возможные геометрические формы коллекторов (чаще всего им является параболоид), конструкции, материалы для их изготовления и технологические методы, в частности, надувные конструкции и др. Первые образцы уже не только созданы и многократно испытаны в лаборатории, но и выводились на орбиту) (это относится к плоскому рефлектору типа Френеля диаметром примерно 1,2 м).

На ^рис. 127 показаны два опытных параболических рефлектора, еще один складной рефлектор изображен на

*) В наилучших зеркалах поглощается примерно 20% падающего света, но недавно создано зеркало с тонким слоем диэлектрика на кварце, поглощающее всего 0,5% («Техника — молодежи», № 5, 1967).

) Flight, 12. XII. 1963.

рис. 128. Поскольку для термоионных преобразователей требуются относительно гораздо большие степени концен

трации солнечной энергии (с целью повышения температуры эмиттера), достигающие 14 ООО), к соответствующим рефлекторам предъявляются намного более жесткие требования в отношении точности отражающей поверхности, выполнимые лишь при цельном металлическом зеркале. Менее точные концентраторы для термодинамических машинных

Рис. 127. Параболические космические солнечные коллекторы.

а) Надувной из металлизованной пластмассовой пленки. Его диаметр 2,2 м, вес примерно 225 Г, в упакованном состоянии помещается в обычной чашке. Давление внутри равно 7 мм водяного столба (Astronautics, II. 1961); б) складной из 18 секций диаметром 1,3 м и весом примерно 1 кг (Aviation Week, 4. VIII и 4. IX. 1961).

преобразователей могут быть складными или надувными, ведутся работы по созданию рефлекторов диаметром

*) J. Spacecraft, V, 1967, т. 4, № 5, стр. 621.

<t О ^

Рис. 128. Складной космический солнечный концентратор диаметром 4,8 м. Поверхность зеркала алюминирована. Показана последовательность раскрытия концентратора при испытаниях в лаборатории (фирма Дженерал Электрик, США) (Astronautics, 1, 1УЬ2,

стр. 62).

6—9 м). Разрабатываемые методы вывода в космосе надуваемых там тонкостенных зеркал из металлизованной пластмассы позволяют создать рефлекторы диаметром до 30 м). Однако проблема разработки космических концентраторов солнечной энергии еще ждет своего решения.

Поддод тепло (1300~1500С)

Рис. 129. «Каскадный» преобразователь тепловой энергии в электрическую. Вначале, при максимальной температуре, используется термоионный преобразователь, затем, при пониженной температуре анода этого преобразователя — турбогенераторный преобразователь и, наконец, при наименьшей температуре (конденсатора термодинамического преобразователя) — термоэлектрический преобразователь (ASME Paper AV-3, 1959).

Как уже указывалось выше, к. п. д. может быть повышен при «каскадной схеме» установки (рис. 129). Так, в случае ртутной установки, работающей по замкнутому термодинамическому циклу, тепло, отбираемое от ртути в конденсаторе, может быть передано горячему спаю

*) Там же; см. также Interavia, X, 1966, № 10 и др.

) New Scientist. Фирма Гудир, в частности, разработала такой рефлектор диаметром 13,7 м (Interavia Air Letter, 5. X. 1962).

термоэлектрического генератора и часть его, таким образом, снова используется для преобразования в электроэнергию. Конечно, это приведет к некоторому возрастанию размеров и веса установки.

Нельзя закончить рассмотрение солнечных энергетических установок с промежуточным преобразованием солнеч-

Подвод тепла

Рис. 130. Схема магнитогидродинамического преобразователя тепловой энергии в электрическую (IAS Report, № 40, 1959; «Экспресс-информация» ВИНИТИ, серия «Ракетная техника», вып. 36, IX, 1959).

ной энергии в тепловую, не упомянув о таком перспективном типе подобных установок, как магнитогидродинамические (рис. 130). Мы уже выше говорили о преимуществах электрогенераторов этого вида, в которых роль вращающегося якоря играет текущая плазма. Если использовать солнечную энергию для образования плазмы или расплавления какого-либо металла, то струя подобной электропроводной жидкости может течь в замкнутом контуре — сначала че

рев магнитогидродинамический электрогенератор, а затем через конденсатор. Вес такой установки может быть меньше, а к. п. д. больше, чем в рассмотренной выше обычной электроустановке замкнутого термодинамического цикла. Величина к. п. д. может достигать 50—55% *).



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



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