Игорь Бубнов - Обитаемые космические станции
В турбогенераторной схеме получения электроэнергии ядерный реактор как источник тепла может быть заменен специальными коллекторами — собирателями тепловых лучей Солнца.
В такой схеме для нагрева кипятильника с теплоносителем, циркулирующим в замкнутом контуре, используются сферические или цилиндрические вогнутые зеркала.
С одной стороны, применение дешевой солнечной энергии в турбогенераторной схеме дает большие преимущества: нет реактора, а значит, и нет радиационной опасности, исходящей от энергетической установки, нет потребности в биологической защите. Разумеется, в этом случае нет надобности и в двухконтурной схеме — конструкция установки значительно упрощается. Но нельзя забывать об относительно невысокой мощности солнечного теплового потока. Мы уже говорили о величине тепловой мощности потока солнечных лучей за пределами атмосферы. На 1 м2 поверхности солнечного коллектора падает тепловой поток, составляющий без учета потерь всего лишь около 0,316 ккал/сек. Поэтому для использования тепловой энергии Солнца необходимы большие зеркальные поверхности, постоянно ориентируемые на Солнце.
Например, вес турбогенераторной системы мощностью 3 квт, работающей по схеме SNAP-2, но с нагревом от солнечного коллектора, оценивается почти в 350 кг, считая и вес механизмов управления ориентацией коллектора на Солнце. Если эффективность использования поверхности солнечного коллектора составляет 40 %, а продолжительность пребывания ОКС в тени — 35 % времени каждого оборота вокруг Земли, то к.п.д. такой установки будет 10 %, а диаметр круглого солнечного коллектора — 10 м. При большей мощности размеры солнечного зеркала могут достигать в диаметре нескольких десятков метров. Очевидно, что до выхода на орбиту такой рефлектор должен находиться в сложенном состоянии и иметь компактную форму. Он может быть выполнен, например, в виде нескольких подвижных лепестков, напоминающих складной веер, распускающийся под лучами Солнца, или в виде надувной мягкой оболочки с вогнутой сферической формой.
На рис. 33 изображена схема нагрева в солнечной турбогенераторной установке, использующей двухмерные параболические зеркала, которые концентрируют тепловые лучи на трубах кипятильника. На той части трубы, которая воспринимает отраженные лучи, делается покрытие специальным поглощающим слоем, например окисью меди. Остальная поверхность трубы покрыта слабо излучающим веществом, например серебром, с тем чтобы уменьшить потери тепла. Наружные поверхности зеркал можно использовать как излучатели. Это повысит компактность системы. По расчетам такал установка при работе на парах ртути и максимальной температуре цикла 500 °C может дать примерно 0,3 квт мощности с каждого квадратного метра зеркальной поверхности.
Рис. 33. Схема солнечной турбогенераторной установки: 1 — параболическое зеркало; 2 — трубка кипятильника; 3 — турбина; 4 — генератор; 5 — излучатель; 6 — насос; 7 — поглощающий слой; 8 — слабо излучающее покрытие
Срок службы солнечных коллекторов энергоустановки ОКС ограничен воздействием метеорных потоков, которые вызывают эрозию и снижают фокусирующую способность зеркал.
ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
Постоянное стремление найти способы получения электроэнергии, не связанные с такими конструктивными и эксплуатационными трудностями, какие возникают при использовании ядерной или солнечной энергии, пусть даже при некотором проигрыше в весовом отношении, приводит к возникновению самых различных схем. Использование энергии химического топлива, широко распространенное в наземном транспорте и авиации, может найти себе применение и в космических энергоустановках, особенно при непродолжительном времени их работы. Одним из таких источников энергии может быть вращающая электрогенератор турбина, которая работает на истекающих из реактивного сопла продуктах сгорания какого-либо топлива, например обычного жидкого ракетного, одно- или двухкомпонентного. На рис. 34 показана схема химического источника энергии, работающего на продуктах реакции водорода и кислорода. Топливные компоненты могут служить для охлаждения камеры сгорания и других элементов схемы. При реакции водорода и кислорода в камере сгорания образуется горячий газ с температурой до 1200 °C, который и подается через реактивное сопло на рабочие лопатки многоступенчатой турбины.
Рис. 34. Схема турбогенератора на химическом топливе: 1 — горючее; 2 — окислитель; 3 — регулятор соотношения компонентов; 4 — регулятор расхода; 5 — камера сгорания; 6 — турбина; 7 — генератор
Расчеты показывают [17], что четырехступенчатая турбина мощностью 0,5 квт будет расходовать в час 0,55 кг топлива. В сутки это составит 13,2 кг, а в месяц — около 400 кг.
Применение химического источника энергии возможно и в той схеме, которую мы рассматривали для солнечной энергоустановки. Нагрев теплоносителя в замкнутом контуре будет осуществляться с помощью тепловой энергии продуктов реакции. В отличие от предыдущей схемы, где использовалась кинетическая энергия газов, здесь важно будет добиться такого соотношения расходов компонентов, чтобы от каждого килограмма смеси получить максимальное количество тепла.
При такой схеме температура сгорания будет ограничиваться не жаропрочностью лопаток турбины, как в предыдущей схеме, а жаростойкостью покрытия трубок теплообменника. Вес конструкции такой системы будет, Конечно, больше, но расход топлива может быть снижен, что при длительном сроке работы даст заметный выигрыш в удельном весе установки. Большие перспективы применения таких установок заложены в возможности снижения расхода топлива за счет применения специальных высококалорийных и легких топлив, например лития с фтором или атомарного водорода.
Так как вес баков и топлива зависит от суммарного времени работы химической установки, использовать ее, вероятно, окажется выгодно лишь как дополнительный источник энергии для ОКС при кратковременном или импульсном применении.
НЕМАШИННЫЕ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ
Большой ресурс энергоустановок, предназначаемых для ОКС, требует максимального повышения надежности всех систем. Одним из путей повышения надежности является уменьшение вращающихся, трущихся и других напряженных в тепловом и механическом отношении узлов и агрегатов. Во всех рассмотренных нами после аккумуляторов и солнечных батарей схемах наиболее напряженными узлами являются турбина и электрогенератор. Но турбогенераторная установка — не единственный принципиальный способ получения электричества из тепловой энергии.
На рис. 35 показана схема термоэлектрического генератора с ядерным реактором. Работа его основана на получении термической электродвижущей силы (или термо-э.д.с.), т. е. на том же принципе, на котором работает обычная термопара, применяемая при измерениях температур.
Рис. 35. Схема термоэлектрического генератора: 1 — горячий слой; 2 — холодный слой
Чем выше температура горячего спая, тем совершеннее термоэлектрический генератор. Поэтому одной из основных проблем осуществления такой схемы является подбор пар материалов, обладающих высокой жаропрочностью и высокими термоэлектрическими свойствами: малыми электросопротивлением и теплопроводностью материалов. Рекомендуется применять материалы с большим атомным весом, например свинец, теллур, висмут, у которых наилучшим образом сочетаются высокая термо-э.д.с. с минимальными электросопротивлением и теплопроводностью, что позволяет получить низкое рассеивание электрической мощности и небольшиe потери тепла.
К.п.д. термопар невелик. Так, по сообщениям иностранной печати, при максимальной температуре горячего спая 1100 °C и температуре холодного спая 550 °C к.п.д. не превышает 2 %. Экспериментальные термопары, например висмут плюс теллур, никель плюс серебро, дают к.п.д. до 5–7%. В перспективе к. п. д. термоэлектрических установок может быть доведен до 15 %.
После выхода на основной режим ядерная термоэлектрическая система не нуждается в системе регулирования, так как соответствующее конструирование системы «реактор — термопара — излучатель» дает возможность получить автоматическое саморегулирование перепада температур в течение нескольких лет [31].
Термоэлектрический преобразователь может быть с успехом использован также в солнечной или в радиоизотопной энергетических установках. Теплоноситель горячего спая в такой установке вообще не нужен. Нагрев будет осуществляться непосредственно сфокусированным пучком солнечных лучей или изотопом. К.п.д. таких установок будет выше, а удельный вес меньше.
