ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ НА РАКЕТЕ 5


В последние годы в разработке и совершенствовании магнитогидродинамических преобразователей достигнуты серьезные успехи, и ведущая роль в этом важнейшем для всей земной энергетики научно-техническом направлении принадлежит нашей стране. В частности, в Советском Союзе еще в 1965 г. осуществлен пуск экспериментальной установки с МГД-генератором* 2). Сооруженная в Институте высоких температур Академии наук СССР установка У-02 развивает при работе мощность около 30 кет и содержит все необходимые элементы крупной энергетической МГД-установки промышленного типа; сооружение такой установки мощностью 25 000 кет уже начато, оно базируется на опыте длительной эксплуатации установки У-02 ). Особенно важно, что удалось обеспечить должную надежность камеры сгорания, в которой температура газов достигает 2600° С.

Работы по космическим МГД-преобразователям находятся пока на самом начальном этапе, но считаются весьма перспективными, в особенности при мощностях более 100 кет). Ведущиеся за рубежом исследования имеют целью, в частности, снижение температуры газов без значительного ухудшения эффективности преобразователя. Для этого, например, пытаются использовать так называемую неравновесную ионизацию газа путем искусственного ввода в него ионов, а также наложения внешнего ускоряющего магнитного поля или электрического поля, в сотни раз увеличивающего проводимость плазмы: в этом направлении работают, в частности, фирмы Мартин, Авко и др.

в США).

Другой возможный путь использования газа с более низкими температурами, что важно в связи с необходимостью обеспечить весьма длительную работу космических энергоустановок, связан с так называемыми электрогидро-

*) «Советская Россия», 11 апреля 1967 г.

) Вестник Академии наук, III, 1966, № 3.

) «Правда» 10 апреля 1967 г., стр. 3.

) J. Spacecraft, VII, 1967, т. 4, № 7, стр. 842.

) New Scientist, 18. I. 1968, т. 37, № 580, стр. 149.

динамическими преобразователями). В этих ЭГД-преоб-разователях также используется сначала преобразование тепловой энергии газа в его кинетическую энергию, т. е. образуется высокоскоростная струя газа, как и в МГД-преобразователе, однако дальнейшее преобразование кинетической энергии в электрическую происходит совсем иначе. Здесь уже газ движется не в магнитном, а в электрическом поле, причем кинетическая энергия используется для того, чтобы преодолеть это поле. Как видно по схеме

°л°„ @° ° Л

О г © 3

... :

^о*&Т°.*3 о. *©•©•. *@lL

©• *0, °® ©• ®* ,® Ч°(оЬ «о/ • @

© о (5) °@ О

(§) ° о0 © 0

8 \

Рис. 131. Принципиальная схема электрогидр о динамического преобразователя.

1 — ионы, 2 — молекулы, з — частички вещества, 4 — коронный электрод, 5 — кольцевой вытягивающий электрод, 6 — возбудитель коронного разряда, 7 — коллекторный электрод, 8 — полезная нагрузка во внешней электрической цепи (Mechanical Engineering,

VII, 1966, стр. 46).

рис. 131, в струю вводятся ионы, например, с помощью I

коронного разряда или как-нибудь иначе, а затем эти «

ионы, преодолевая с помощью увлекающей их высокоскоростной струи электрическое поле (подобно ленте в известном ускорителе ван-де-Граафа) отдают свои заряды коллектору, что и приводит к образованию высокой разности электрических потенциалов и, таким образом, преобразованию кинетической энергии струи в электрическую энергию). Поскольку в данном случае электрическая проводимость газа не имеет такого значения, как в МГД-пре-образователе, температура газового потока может быть су- !

щественно меньшей. В отличие от МГД-преобразователя, j

в ЭГД-преобразователе сила генерируемого тока гораздо

*) Mechanical Engineering, VII, 1966, стр. 46.

) The Engineer, 27. V. 1966, стр. 838.

.л- ........... да»’!

меньше, но зато несравненно больше его напряжение, оно достигает многих киловольт. Однако именно эта особенность может оказаться полезной для питания ионных и, в особенности, коллоидных элект роракетных двигателей. К ЭГД-преобразователям в последнее время привлекается все большее внимание, но работы по ним все еще находятся на начальной стадии *)•

Если солнечные электростанции ракет могут обеспечить длительную работу при относительно небольшой мощности, то практически единственным источником энергии при необходимости длительно развивать большую мощность является энергия атомного ядра. В настоящее время возможно создание атомных ракетных электростанций двух типов — с использованием управляемой цепной реакции деления атомов урана (атомных котлов) и неуправляемых процессов радиоактивного распада (радиоизотопных генераторов). В обоих случаях атомная энергия может быть преобразована в электроэнергию непосредственно, а также с помощью различных преобразователей.

В радиоизотопном электрическом генераторе источником энергии служит какой-либо радиоактивный изотоп, как и в радиоизотопных ракетных двигателях, о которых говорилось в гл. 3. Однако выделяющаяся в результате радиоактивного распада ядерная энергия используется в данном случае не для непосредственного создания реактивной тяги, а для преобразования в электрическую энергию с целью ее дальнейшего полезного применения на борту ракеты. В настоящее время уже создано много космических радиоизотопных генераторов разных типов. Они различаются мощностью, конструкцией, типом использованного радиоактивного ядерного «горючего», способом преобразования выделяющейся ядерной энергии в электрическую и т. д. Применяющиеся радиоизотопы представляют собой либо получаемые в атомных котлах сс-излу-чатели, как и в радиоизотопных ракетных двигателях (плу-тоний-238, кюрий-242 и -244, полоний-210), либо продукты цепной реакции в котлах (стронций-90, церий-144, цезий-137, прометий-147)* 2). Выбор радиоизотопа оказывает

*) Product Engineering, 28. III. 1966, стр. 90.

) Astronautics a. Aeronautics, I, 1965, стр. 41; Raumfahrtforschung, I, 1967, т. 2, стр. 61.

решающее влияние на характеристики электрогенератора, в том числе на срок его службы, определяемый периодом полураспада изотопа, мощность и др. Из всех известных более 1000 радиоизотопов лишь несколько может быть применено для генераторов).

Уже созданные и применяющиеся в космосе радиоизотопные генераторы обычно представляют собой герметизированные устройства относительно небольших размеров. Наименьшие из них, часто имеющие миниатюрные^ размеры, служат для электрического питания бортовых полупроводниковых и других приборов. Более мощные выполняют ряд функций, обеспечивая электроэнергией (а иногда и теплом) различные бортовые системы и устройства космических ракет.

Как и в случае солнечных энергоустановок, в радиоизотопных генераторах могут применяться различные типы преобразователей выделяющейся энергии в электрическую. Своеобразным аналогом солнечных батарей с фотоэлементами являются, например, радиоизотопные атомные батареи, в которых ядерная энергия преобразуется непосредственно в электрическую, без каких бы то ни было Промежуточных преобразований. В таких батареях испускаемые изотопом заряженные альфа- или бета-частицы заряжают до некоторого высокого потенциала (в десятки киловольт) два электрических проводника, разделенных изолятором. Батареи второго типа отличаются от первых тем, что в них не только заряжается проводящая поверхность, но и ионизуются атомы газа, что усиливает величину тока с уменьшением его напряжения. В батареях третьего типа для такого увеличения силы тока используются полупроводниковые вещества (одна быстрая бета-частица может генерировать в полупроводнике до 200 000 более медленных свободных электронов); это, пожалуй, наиболее перспективные из всех подобных атомных батарей. Имеются и батареи с у-излучающим радиоизотопом, в которых Y-лучи выбивают электроны из электрода, создавая потенциал по отношению к другому электроду. Однако все подобные батареи обладают малым к. п. д. ) и весьма малой мощностью, порядка микроватт).

*) «Радиационная техника», вып. 1, Атомиздат, 1967.

) Industrial and Engineering Chemistry, I, 1966, т. 58, № 1, стр. 7.

) Корлисс X., Источники энергии на радиоактивных изотопах, Мир, 1967.

Если ядерная энергия в изотопном генераторе не преобразуется непосредственно в электрическую, а сначала переходит в тепловую в результате поглощения ее металлическими частями генератора, то для преобразования этой последней в электрическую может служить любой из уже известных нам преобразователей — термоэлектрический, термоионный, термодинамический. За рубежом строятся или изучаются генераторы всех указанных типов.

Рис. 132. Советский радиоизотопный электрогенератор «Бета-2» (Рад. техн., 1967; Techn. Dig., XI, 1965).

В частности, в США эти работы ведутся по программе «СНАП» *), каждому новому типу радиоизотопного генератора, разработанному по этой программе, присваивается очередной нечетный номер: «СНАП-1», «СНАП-3 » И т. д. В литературе опубликованы сведения о ряде таких генераторов. Разрабатываются радиоизотопные генераторы и в СССР; в частности, известны генераторы электрической мощностью примерно 5 вг, получившие название «Бета» (рис. 132), в которых энергия радиоактивного распада

*) SNAP — Systems for Nuclear Auxiliary Power (Системы атомных вспомогательных силовых установок).

церия-144 («Бета-1», 1963—1964 гг.) и стронция-90 («Бе-та-2», 1964 г.) с помощью термоэлементов преобразуется в электроэнергию для питания автоматических метеостанций, раций и др. *). Установка «Бета-2» заслуженно была отмечена золотой медалью на Лейпцигской ярмарке 1965 г.

Термо

элементы

Зкран

лучистого

тепла

Регулятор

Полость с жидкой ртутью

Радио

изотоп

церия-144

Змеедик

Изоляция .

Рис. 133. Радиоизотопный термоэлектрогенератор «СНАП-1А» (разрез) (Astronautics, VIII,

1960).

Радиоизотопный электрогенератор был установлен на одном из пяти искусственных спутников «Космос», выведенных 3 сентября 1965 г. на орбиту одной ракетой-носите-2\

Термоэлектрический преобразователь имеют и многие из генераторов «СНАП», в частности, «СНАП-1А», разработанный фирмой Мартин (рис. 133) и способный развивать электрическую мощность 125 вт в течение года при * 2

*) «Радиационная техника», вып. 1, Атомиздат, 1967; «Наука и техника», X, 1965, № 10; Атомная энергия, V, 1965; Technical Digest, XI, 1965, № 11,

) «Вечерняя Москва», 11 сентября 1966 г.

напряжении 28 в. Он представляет собой герметизированный сосуд цилиндрической формы длиной 865 мм и диаметром 610 мм; его вес равен примерно 90 кГ. Излучателем является церий-144, имеющий период полураспада 285 дней, преобразование тепла в электроэнергию осуществляется с помощью 277 термоэлементов. Тепловая мощность радиоизотопного источника равна 6000 вт сразу после его загрузки и 2700 вт — после года работы. К. п. д. генератора 4,7%, горячие спаи его термоэлементов работают при температуре 565° С, холодные — 175° С. Для защиты от радиоактивного излучения при работе с генератором на земле в его корпус заливается более 1800 кГ ртути. Генератор «СНАП-1А» предназначался лишь для наземных испытаний, для установки на космических аппаратах были разработаны менее мощные и более легкие генераторы.

Первым таким генератором, также с термоэлектрическим преобразователем, был «СНАП-3» (рис. 134) с 0,5— 0,7 Г полония-210 (период полураспада 138 дней); его мощность равна 2,4 вт, вес 2,3 кГ, размеры сравнительно невелики — высота 140 мм, диаметр 120 мм (без защитного кожуха), в нем используются 27 термоэлементов из теллурида свинца. Один из генераторов «СНАП-3А», но с заменой радиоизотопа полония на плутоний-238 с целью увеличения срока службы (период полураспада плутония-238 равен примерно 90 лет), что привело и к некоторому увеличению мощности — до 2,7 вт), был установлен на искусственном навигационном спутнике «Транзит-4А», запущенном на орбиту 29 июня 1961 г. (а также на другом спутнике «Транзит-4В», запущенном в ноябре 1961 г., где он проработал до июня 1962 г.); в начале 1968 г., через 6V2 лет, генератор все еще работал и рация спутника передавала на Землю сигналы).

Плутоний-238 использовался и в генераторе«СНАП-9А», который был установлен на навигационном спутнике, запущенном в сентябре 1963 г., и на другом таком же, запущенном в декабре 1963 г.; в начале 1966 г. оба генератора продолжали работать. Мощность этого генератора 25 вт, вес 12,2 кГ ). Интересно, что третий аналогичный пуск в апреле 1964 г. не удался, из-за дефектов в * 8

*) Interavia, X. 1962, стр. 1302.

) «Крылья Родины», I, 1968.

) Aviation Week, 10. I. 1966, стр. 75.

работе ракеты-носителя спутник не вышел на орбиту и сгорел в атмосфере. Специальные исследования с целью выяснения участи радиоизотопного генератора «СНАП-9А»,

Рис. 134. Атомная батарея «СНАП-3».

1 — молибденовый контейнер с радиоизотопным «горючим»;

2 — выходные электрические контакты; 3 — термоэлементы из теллурида свинца, покрытые натрием; 4 — такие же термоэлементы, покрытые висмутом; 5 — горячий спай (490° С); 6 — холодный спай (107° С); 7 — винт регулировки термоэлемента; 8 — радиоизотопное «горючее» — полоний-210, заключенное в патронах нержавеющей стали; 9 — медный корпус, вакуумированный до давления 1 мм рт. ст. (ARS Journal, XII,

1961; Aerospace Engineering, XII, 1961).

находившегося на борту спутника, показали, что и генератор постигла та же судьба, он тоже сгорел. Плутоний-238 рассеялся в атмосфере и был зарегистрирован в виде частиц диаметром порядка 10 мк в 1966 г.)* Учитывая большую вредность для здоровья этого, да и других радиоизо-

*) New Scientist, 16. XI. 1967.

топов, приходится считаться с угрозой радиоактивного заражения атмосферы при выводе в космос ядерных источников энергии.

Термоэлектрический радиоизотопный генератор «СНАП-11» мощностью 20—25 вт на кюрии-242 (период полураспада 162 дня) предназначался для установки на «Сервейоре» с целью работы вместе с Солнечной батареей в полете и после посадки на Луну. Генератор был испытан на земле, но от его установки на космическом аппарате отказались*)• Два термоэлектрических генератора «СНАП-19» мощностью по 30 вт) и весом по 13,6 кГ (без преобразователя и опорной конструкции) на плутонии-238 были установлены на метеорологическом спутнике «Нимбуе-В». При его неудачном запуске в мае 1968 г. ракета была взорвана, а генераторы через полгода подняты со дна Тихого океана).

Радиоизотопный генератор того же типа «СНАП-25» мощностью 75 вт весит 17 кГ). Наиболее совершенным из термоэлектрических радиоизотопных генераторов США является «СНАП-27» мощностью 50 вт на плутонии-238 (рис. 135). Он предназначен для контейнера с научным оборудованием, который должен быть оставлен космонавтами на Луне после старта корабля «Аполлон» в обратный рейс к Земле.

*) Machine Design, 10. XI. 1966; Raumfahrtforschung, I, 1967.

) Мощность 30 вт относится к генератору «СНАП-19В», разработка которого начата в 1968 г.; генератор «СНАП-19» развивает мощность 23 вт («Вопросы ракетной техники», II, 1968, № 2, стр. 91).

) New York Times, 9. X. 1968.

) Aerospace Technology, 4. XII. 1967, т. 24, № 12, стр. 19.

И К. А. Гильзин

Рис. 135. Радиоизотопный термоэлектрический генератор «СНАП-27». Его длина 475 мм, диаметр 390 мм.

1 — радиоизотоп плутоний-238, 2 — бе-риллиевые ребра (лопасти) радиатора, 3 — термоэлектрические элементы (тел-лурид свинца) (Space/Aeronautics, 1967, т. 48, № 2, стр. 102).

Как утверждают специалисты фирмы Дженерал Электрик, разрабатывавшие генератор, он сможет развивать мощность 70—75 вт в течение первого года работы на Луне и 65 вт после этого, и является наиболее мощным из всех радиоизотопных космических генераторов США). Указывается, что по удельной мощности (3,2 вт/кГ) этот генератор впервые оказывается конкурентоспособным с солнечными батареями. Для уменьшения веса генератора (20,8 кГ)) его корпус (цилиндр диаметром 152 мм и высотой 457 мм), как и лопасти радиатора, изготовлены из бериллия). Температура горячего спая термоэлементов (теллурид свинца) достигает 600° С, холодного спая—270° С. Наибольшая рабочая температура поверхности капсулы с изотопом 760°С). Еще более мощным будет разрабатываемый в настоящее время генератор «СНАП-29» мощностью 400 вт), может быть, даже 500 вт5 *). Этот генератор весом примерно 180 кГ (размеры 1067X990 мм)) работает на полонии-210 и предназначен для короткоживущих (14—90 дней) искусственных спутников и обитаемых орбитальных станций.

По литературным данным, только один из радиоизотопных генераторов «СНАП» имеет термоионный преобразователь— «СНАП-13» мощностью 12 вт и весом 1,8 кГ (по другим данным 2,1 кГ) на кюрии-242. Работы по этому генератору начаты еще в 1963 г.); он представляет собой цилиндр высотой 150 мм и диаметром 76 мм). К 1965 г. проведены 4000-часовые наземные испытания генератора с электрическим нагревателем (вместо радиоизотопа)), в дальнейшем предполагаются летные испытания генератора в космосе. В 1966 г. начата разработка термоионного радиоизотопного генератора мощностью 100 вт10).

Хотя в настоящее время применение нашли космические радиоизотопные генераторы лишь с термоэлектрическим преобразователем, за рубежом возможности их при

*) Technology Week, 1, V. 1967, стр. 23; Flieger, 7г, 1969.

) «Вопросы ракетной техники», И, 1968, № 2, стр. 91.

, ) Welding Design Fabrication, I, 1967, т. 40, № 1, стр. 29.

*) Ordnance, 1966, № 276.

) «Атомная техника за рубежом», VI, 1967, № 6.

) Interavia Air Letter, 13. XII. 1966, № 6149, стр. 6.

) Aviation Week, 10. I. 1966, стр. 75.

) Aviation Week, 8. VI. 1964, стр. 58.

) J. of Spacecraft and Rockets, IX—X, 1965, t. 2, № 5, стр. 641.

10) Aviation Week, 6. III. 1967, стр. 161.

менения считают в общем ограниченными. Более перспективными считают использование термоионных преобразователей в связи с их малым весом и высоким к. п. д., а также термодинамических (турбогенераторных) преобразователей, в особенности с газовым циклом (Брайтона), обеспечивающих рекордно высокие к. п. д. Однако до настоящего времени такие преобразователи подвергаются лишь теоретическим и первоначальным экспериментальным исследованиям *). Предполагается их использовать в полете к Марсу и Венере в течение 450—600 дней* 2). О стремлении повысить рабочую температуру космических радиоизотопных источников свидетельствуют работы фирмы Дуглас (США) с керамическими прометий-воль-фрамовыми источниками, которые уже прошли испытания в вакууме в течение 1000 часов с температурой более

2000° С).

Одним из перспективных направлений считают также использование радиоизотопных источников энергии одновременно для создания реактивной тяги (в радиоизотопной ракетном двигателе, например, типа «Пудл», о котором говорилось в гл. 3) и генерирования электроэнергии. Такое сочетание повышает общий к. п. д. использования ядерной энергии, уменьшает вес и размеры всей установки и может оказаться весьма выгодным для ряда случаев применение в космосе. Этим объясняется, в частности, рассматриваемый проект создания подобной комбинированной ракетно-энергетической установки «Снапудл» на базе двигателя «Пудл» и генератора «СНАП» с термоэлектрическим преобразователем с полупроводниковыми элементами, установленными на корпусе двигателя. При работе двигателя установка может генерировать 70 вт электроэнергии, а после его остановки в результате израсходования всего рабочего вещества (водорода)—200 вт).

Другое перспективное направление связано с созданием радиоизотопных генераторов большой мощности для питания электроракетных двигателей. Особенно выгодно такое использование радиоизотопных генераторов в тех случаях, когда напряжение электрического тока высоко, как,

*) SAE J., V, 1966, стр. 48; Technology Week, 13. Ill 1967.

) Missiles and Rockets, 11.1. 1965.

) Aerospace Technology, 1967, t. 21, № 7, стр. 4.

) Missiles and Rockets, 7. VI. 1965, стр. 24*

например, для ионных и, в особенности, коллоидных двигателей. В одном из проектов подобный радиоизотопный генератор мощностью 500 кет выполняется в виде двух концентрических металлических сфер (рис. 136). Внутренняя сфера выложена снаружи полонием-210, излучающим альфа-частицы, а наружная является коллектором этих частиц. Между обеими сферами создается, таким образом,

Рис. 136. Устройство космического аппарата с ионным двигателем и радиоизотопной атомной

батареей.

1 — полезный груз; 2 — электростатический ракетный двигатель; з — рабочее вещество двигателя; 4 — слой радиоизотопного «горючего» на металлической фольге; 5 — коллектор (металлизованная пленка); 6 — опоры; 7 — изолятор (Missiles and Rockets, 26. XI. 1962).

высокая разность потенциалов. По расчету вес радиоизотопного «горючего» должен составить 14,2 кГ, вес внутренней сферы 6,6 кГ и наружной всего 33 кГ (изготовлена из меТйллизованной синтетической пленки «м-айлар»), хотя ее диаметр равен 41,6 м. Общий вес электроракетной установки с этой батареей и ионным двигателем (вес последнего 54 кГ) должен равняться всего 120 кГ, что соответствует удельному весу 0,24 кГ/квт (!). Не удивительно, что в полете к Марсу, рассчитанном автором проекта в

324-

качестве примера, установка оказывается выгоднее всех других.



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



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