История электротехники

Определенный интерес представляют разработки СБ с использованием концентраторов (параболических зеркал, линз Френеля, фоконов), увеличивающих степень концентрации в десятки раз. При этом достигается более эффективное использование фотоэлектрического материала. Однако возникают трудности с компоновкой батарей и с массогабаритными удельными характеристиками. Кроме того, при больших концентрациях во избежание перегрева элементов необходимо предусматривать эффективной отвод теплоты с помощью специальных устройств.

Крупномасштабное внедрение СБ в сочетании с накопителями энергии, начавшееся в 70-е годы, потребовало разработки специальных серебряно-цинковых аккумуляторов, способных работать в буферном режиме в существенно жестких условиях эксплуатации. Для обеспечения работоспособности их в циклическом режиме от 30 сут до года и больше были созданы новые сепарационные материалы и электролиты со специальными добавками.

В 80-е годы при реализации программы спускаемых аппаратов «Венера» и «Союз» возникло дополнительное весьма жесткое требование — устойчивость буферных батарей при любой ориентации к удару. Решение этой задачи привело к существенному пересмотру всей конструкции буферных батарей и введению демпфирующих элементов.

Для обеспечения питания аппаратов типа «Союз» и серии «Космос» были созданы герметичные оснащенные специальными клапанами буферные батареи, способные функционировать в открытом космосе. Условия эксплуатации аппаратов типа «Марс» обусловили внесение в конструкцию батареи специальных газопоглощающих устройств, предотвращающих выделение водорода в окружающее пространство отсека.

Параллельно не прекращалось совершенствование серебряно-цинковых аккумуляторов одноразового использования с целью повышения их удельных энергетических параметров и доведения срока их службы до максимального в автономном режиме без восполнения энергией от СБ.

Вслед за первым искусственным спутником Земли такие аккумуляторы применялись на аппаратах «Восток», «Восход», первых «Союзах», «Лунниках» и типа «Зонд». Аналогичные аккумуляторы использовались на американских космических аппаратах «Джемени», «Аполлон». Для ряда задач потребовалось создание принципиально новых сухозаряженных СЦ-аккумуляторов (ряд аппаратов типа «Космос») с длительным сроком сохранности и относительно быстрым приведением в рабочее состояние.

Наиболее значительной работой в этом направлении явилось энергообеспечение космической системы «Энергия-Буран», где требовалась рекордная для космических задач емкость до 130–140 А•ч при удельной энергии до 150 Вт•ч/кг. Такие аккумуляторы были созданы в ГНПП «Квант» и полностью обеспечили выполнение программы. В настоящее время за счет увеличения коэффициента использования активных масс, применения новых высокодисперсных серебряно-цинковых структур, составов электролитов и сепарационных материалов ведутся исследования по доведению ресурса батарей до 1,5–2 лет при удельных параметрах 120–130 Вт•ч/кг.

Для длительных космических программ продолжают использоваться герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы, имеющие более низкие удельные энергетические параметры (порядка 30 Вт•ч/кг), но обеспечивающие большой срок службы (несколько лет) при числе циклов заряд-разряд до 10 тыс. Меньшей цикличностью (до 2000) обладают серебряно-кадмиевые аккумуляторы при удельной энергоемкости порядка

60 Вт•ч/кг. Такие аккумуляторы применялись в долгосрочных российских космических программах «Венера», «Марс», «Молния», «Салют», а также американских «Маринер», «Пионер», «Эксплорер» и др.

Более широкие перспективы открываются при переходе на новые электрохимические системы, такие как никель-водород и никель-металлгидрид, где ожидается доведение ресурса до 7–10 лет. Никель-водородные аккумуляторы прошли успешные летные испытания на аппаратах «Радуга» и «Горизонт» со сроком службы до 5 лет [8.41, 8.51, 8.52].

Головной организацией по разработке космической солнечной фотоэнергетики в России является ГНПП «Квант», сотрудники которого Н.С. Лидоренко, А.П. Ландсман, М.Б. Каган, В.А. Летин, Г.З. Казакевич и др. внесли существенный вклад в становление и развитие этого направления.

В создании научных основ фотопреобразования значительная роль принадлежит Ж.И. Алферову, B.C. Вавилову, В.К. Субашеву и другим сотрудникам Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, Физического института им. П.Н. Лебедева, Института химической физики и ряда смежных организаций.

Среди многочисленных зарубежных фирм, занятых разработкой систем энергопитания космических аппаратов на базе СБ, следует отметить: «Boing», «Lolar Space Systems», «Fokker Space and Systems», «The Aerospace Corporation», «TWR» (США); «Mitsubishi Corporation Spacecraft» (Япония) и др.

Крупным шагом в освоении космического пространства является создание международной космической станции «Альфа». На первом этапе будет осуществлен запуск функционального грузового блока и сервисного модуля с энергопитанием от солнечных панелей площадью около 60 (8 кВт) и 75 м (10 кВт) соответственно. В дальнейшем на научно-энергетической платформе размеры СБ составят 320 м (43 кВт).

При всех достоинствах СБ, как источников энергопитания в космосе (высокая надежность, отсутствие движущихся частей, простота теплоотвода, радиационная безопасность), нельзя не отметить ряд недостатков. Имея большую площадь, СБ являются источником дополнительного аэродинамического торможения, существенного на низких орбитах, и обусловливают инерционность космического аппарата, снижая его маневренность.

Наряду с основными энергетическими блоками в космической технике находят широкое применение также одноразовые химические источники тока: литиевые, ртутно-цинковые и тепловые для энергопитания различных вспомогательных устройств и систем непродолжительного действия [8.41, 8.51–8.53].

Рассматривая систему электрообеспечения космических аппаратов, следует упомянуть также весьма важное функциональное звено, обеспечивающее эффективное использование электроэнергии на борту. Это экономичные электронные регуляторы и стабилизаторы, позволяющие оптимально согласовывать выходные характеристики СБ, аккумуляторов и нагрузки; производить восстановительные циклы аккумуляторных батарей, а также осуществлять диагностику всех составных частей системы энергопитания. В частности, НПО «Полюс» (Томск) при участии ГНПП «Квант» разработаны соответствующие электротехнические устройства мощностью от сотен ватт до десятков киловатт, обеспечивающие требуемое преобразование электроэнергии с КПД более 92%.

Работы по одному из новейших направлений энергетики — ядерной энергетике для применения в космическом пространстве были начаты почти одновременно в СССР и США в конце 50-х — начале 60-х годов еще на начальном этапе исследования и освоения космического пространства. В нашей стране непосредственным побудительным мотивом разработки космических ядерных энергетических установок (ЯЭУ) послужила необходимость обеспечить КА систем военной разведки достаточно мощными и ресурсоспособными (с выходной электрической мощностью порядка нескольких киловатт и ресурсом работы не менее нескольких месяцев) бортовыми энергетическими установками. При выборе источников энергопитания для КА энергоемкость и компактность ядерных (реакторных) источников энергии сыграли определяющую роль. Проведенные в последующие годы научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по реакторным ЯЭУ космического назначения позволили более точно сформулировать преимущества наиболее перспективных типов ЯЭУ в сравнении с солнечными энергетическими установками: лучшие массогабаритные характеристики; отсутствие зависимости генерируемой мощности от положения КА по отношению к Солнцу; возможность работы на форсированных режимах при электрической мощности в 2–2,5 раза больше номинальной при слабой зависимости массы ЯЭУ от уровня форсирования, что имеет первостепенное значение при выборе источников энергоснабжения для космических средств межорбитальной транспортировки полезной нагрузки.

На начальной стадии разработки космических ЯЭУ рассматривались реакторные ЯЭУ как с динамическими (паро- и газотурбинными), так и с безмашинными (термоэлектрическими, термоэмиссионными) системами преобразования тепловой энергии, генерируемой в ядерном реакторе ЯЭУ, в электрическую энергию. В конечном итоге для конкретных условий использования КА была реализована схема ЯЭУ с термоэлектрическим преобразованием. Первые орбитальные испытания разработанной в нашей стране космической ЯЭУ такого типа массой около 1000 кг с быстрым реактором и термоэлектрическим генератором электрической мощностью около 3 кВт были проведены в конце 60-х годов. ЯЭУ этого типа затем использовались в качестве бортового источника энергии на спутниках серии «Космос» (получивших на Западе обозначение RORSAT). Всего за два десятилетия на орбиту было запущено свыше 30 ЯЭУ трех модификаций.