История электротехники

Важнейшим этапом последующего развития отечественной космической ядерной энергетики была разработка ЯЭУ типа «Топаз» с термоэмиссионным реактором-преобразователем (РП), открывшая возможность кардинального повышения электрической мощности и ресурса ядерных бортовых источников энергии. Создание космических ЯЭУ на основе термоэмиссионного РП, объединяющего функции ядерного реактора и генератора электрической энергии в пределах единой конструкции, представляло собой несравненно более сложную научно-техническую задачу, чем реализация электрической системы с раздельными реактором и генератором.

Итогом работ, выполненных по программе создания термоэмиссионной ЯЭУ «Топаз» первого поколения, были орбитальные испытания двух летных образцов ЯЭУ. Испытанная в космическом пространстве ЯЭУ «Топаз» с РП на промежуточных нейтронах имела полезную электрическую мощность около 6 кВт при напряжении постоянного тока на зажимах РП 32 В, длину 4,7 м при максимальном диаметре 1,3 м, массу (без пусковых аккумуляторных батарей) 1200 кг. Первый в мире космический запуск термоэмиссионной ЯЭУ состоялся в феврале 1987 г. («Космос 1818»), второй в июле 1987 г. («Космос 1867»). В этих орбитальных испытаниях был достигнут годовой ресурс работы реакторной ЯЭУ в условиях космического пространства — мировой рекорд, не превзойденный до настоящего времени. Единственная зарубежная реакторная ЯЭУ, запущенная в космическое пространство в 1965 г. (ЯЭУ SNAP-10A с термоэлектрическим преобразованием энергии, США), отработала на орбите 43 сут при существенно меньшей, чем у ЯЭУ «Топаз», номинальной электрической мощности (около 500 Вт). Если суммарная мощность электроэнергии ЯЭУ SNAP-10A за время функционирования на орбите составила около 500 кВт, то первая и вторая ЯЭУ «Топаз» выработали около 20 и 50 тыс. кВт соответственно, т.е. в 40–100 раз больше.

Эти итоги свидетельствуют о том, что космическая ядерная энергетика оформилась в России как самостоятельная отрасль атомной энергетики. В стране создана кооперация предприятий и соответствующая организационная и промышленная инфраструктура, обеспечивающие весь цикл изготовления, отработки, испытаний и запуска ЯЭУ в составе КА. Успехи, достигнутые этой кооперацией в.области создания космических ЯЭУ, до настоящего времени не превзойдены специалистами других стран; по оценкам иностранных специалистов опережение Россией других стран, работающих в этой области (США, Франция), составляет около 10 лет. Свидетельством этого признания является получение русскими учеными Г.М. Грязновым и В.Я. Пупко в 1994 г. на ежегодной конференции по космической ядерной энергетике в г. Альбукерке (США) памятного знака «За феноменальные достижения в области космической ядерной энергетики».

В последние годы усилия российских разработчиков были ориентированы главным образом на разработку проектов термоэмиссионных ЯЭУ типа «Топаз» второго поколения. В процессе выполнения программы работ по космическим термоэмиссионным ЯЭУ этого типа выявились такие возможности разработанной схемы термоэмиссионных ЯЭУ, которые позволяют рассматривать ЯЭУ типа «Топаз» второго поколения как базу для последующего развития ЯЭУ космического назначения, отвечающих перспективным энергетическим потребностям космической техники.

Перечень возможных применений ЯЭУ на КА ближайшего будущего включает целый ряд задач, основными из которых являются развитие глобальной спутниковой связи, экологический мониторинг, космическое производство материалов, межорбитальная транспортировка грузов, полеты к кометам и астероидам и т.д. В качестве примера использования ЯЭУ в составе КА подобного назначения и обеспечиваемых ими возможностей может быть приведена прорабатываемая в настоящее время глобальная спутниковая система связи и вещания «Космическая звезда». Эта система предполагает размещение на геостационарной орбите орбитальных групп из нескольких информационных КА, оснащенных рядом ретрансляторов с энергопотреблением 15–30 кВт. Термоэмиссионная ЯЭУ «Топаз старт» как бортовой источник энергии в этой системе, превышающий по мощности возможности солнечных батарей, в сочетании с перспективными решениями в построении радиотехнического комплекса космического сегмента позволяют создать систему, которая обеспечит в глобальных масштабах максимальные услуги для потребителя. Система предусматривает предоставление услуг фиксированной и подвижной системы связи, экологического мониторинга среды, информации о стихийных бедствиях и крупных авариях, контроль за посевами и лесными массивами, телевизионного (в том числе высокой четкости) и звукового вещания. Она позволит осуществлять контроль и наблюдение за протяженными топливопроводами, перемещающимися транспортными средствами, перевозками грузов; обмен компьютерными программами на региональном и континентальном уровнях, а также передачу любых видов информации в реальном масштабе времени. Возможна организация связи в глобальной зоне по принципу «каждый с каждым» независимо от места нахождения абонента как без выхода, так и с выходом в наземные сети общего пользования. Ожидается, что затраты на разработку системы окупятся за 2–2,5 года, при этом тарифы на предполагаемые услуги не превышают принятых тарифов эксплуатируемых в мире систем.

Другим примером являются транспортные космические задачи, которые могут решаться с помощью ЯЭУ и электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ). Такие задачи включают межорбитальную транспортировку КА; траление и удаление выработавших свой ресурс или аварийных КА и их фрагментов с рабочих орбит; исследование малых космических тел (комет и астероидов) в режиме длительного сопровождения этих тел автоматическими К А; полеты к Луне с переходом на орбиту спутника Луны и зондированием ее поверхности. При межорбитальной транспортировке грузов наиболее перспективным представляется совместное использование термоэмиссионных ЯЭУ второго поколения и ЭРДУ с высоким удельным импульсом, позволяющим во много раз снизить необходимые запасы топлива для целей самовыведения КА с низкой опорной на высокую рабочую орбиту.

Приведенные примеры показывают, что термоэмиссионные ЯЭУ имеют значительные перспективы применения в космической технике будущего и достаточно высокий коммерческий потенциал.

Аппараты оперативного наблюдения и дистанционного зондирования Земли. Головной организацией в СССР, а затем в России по разработке и изготовлению электротехнических систем искусственных спутников Земли, созданию, обеспечению пусков и эксплуатации КА для оперативного метеорологического, экологического и гелиогеофизического мониторинга, изучения природных ресурсов Земли и контроля чрезвычайных ситуаций является Научно-производственное предприятие Всероссийский НИИ электромеханики (НПП «ВНИИЭМ»). Он основан в сентябре 1941 г. академиком А.Г. Иосифьяном. В годы войны основной продукцией являлись источники электропитания для различных радиостанций, передвижных электростанций и др. В конце 40-х годов институт разрабатывает и выпускает бортовое оборудование для первых отечественных ракет (электрические машины, коммутационную аппаратуру, электрические преобразователи), что определило его дальнейшие работы по космической технике [8.54–8.57].

Первая межконтинентальная баллистическая ракета Р-7, созданная под руководством СП. Королева, с помощью которой запускались первые спутники и станция «Восток», была оснащена электрооборудованием, созданным во ВНИИЭМ. Эта работа была достойно отмечена, и свой первый орден — Трудового Красного Знамени — институт получил в 1961 г. после полета Ю.А. Гагарина, а главный конструктор А.Г. Иосифьян был удостоен звания Героя Социалистического Труда.

Первый запуск в 1963 г. созданной в институте космической электротехнической лаборатории «Омега» («Космос-14») определил направление деятельности на многие годы.

Институт под руководством его директоров А.Г. Иосифьяна, Н.Н. Шереметьевского, В.И. Адасько, С.А. Стомы последовательно наращивает потенциал головной организации по созданию среднеорбитальных космических аппаратов серий «Метеор», «Метеор-Природа», «Ресурс-О» и высокоорбитального, геостационарного КА «Электро», электромеханических устройств для КА других организаций. Одновременно институт участвует в реализации крупных государственных космических программ и международных проектов (орбитальные станции «Салют», «Алмаз», «Мир», «Альфа», ракеты тяжелого класса «Протон» и др.).

Для обеспечения функционирования космических аппаратов в НПП «ВНИИЭМ» разработаны изделия и системы с уникальными характеристиками:

1) силовой гироскоп — гиродин. Двенадцать гиродинов установлены на орбитальной станции «Мир»; быстроходный ротор массой 40 кг вращается с 10 000 об/мин в магнитных подшипниках, что обеспечивает срок службы в вакууме десятки тысяч часов в настоящее время; наработка составляет более 65 тыс. ч;

2) двухкоординатный электропривод сканирующего зеркала, применяется для телевизионной аппаратуры искусственных спутников Земли и обеспечивает получение качественных изображений облачного покрова, земной и водной поверхностей; управление движением сканирующего зеркала обеспечивается с погрешностью, значение которой близко к разрешающей способности интерферометрического измерителя перемещений;

3) шаровой двигатель-маховик с магнитным подвесом, разработанный для космической станции «Алмаз», используется в качестве электромеханического исполнительного органа системы, ее ориентации и стабилизации;

4) бесщеточные двигатели постоянного тока, работающие в течение десятков тысяч часов в агрессивных средах и вакууме; они установлены в системах терморегулирования, жизнеобеспечения и других системах КА и космических кораблей; на станции «Мир» работает более 100 таких двигателей.

Кроме названного оборудования в НПП «ВНИИЭМ» созданы и другие уникальные приборы, в частности: приводы систем ориентации солнечных батарей, построители местной вертикали, электрореактивные двигатели малой тяги, статические преобразователи повышенной частоты систем электропитания, бортовые криогенные системы радиационного типа, электроприводы информационно-измерительной аппаратуры КА и др.