Системы энергоснабжения зарубежных космических аппаратов (2019)
Подполковник Э. Гагарин;
капитан 2 ранга Е. Хабаров,
кандидат технических наук
На сегодняшний день в мировой космической отрасли предъявляются высокие требования к срокам активного существования космических аппаратов (КА). В зависимости от типа КА и его целевого предназначения эти сроки могут достигать 10 лет и более. К числу основных факторов, влияющих на максимальную продолжительность эксплуатации спутника, относятся конструкция и состояние системы энергоснабжения (СЭС), обеспечивающей электропитанием аппаратуру КА.
Система энергоснабжения - одна из важнейших, так как во многом именно она определяет массогабаритные характеристики КА, его конструкцию и срок активного существования. На современных аппаратах СЭС, с учетом более высоких требований к ее надежности по сравнению с другими системами, по массе, объему и стоимости занимает до 30% самого КА. Увеличение продолжительности работы и повышение коэффициента полезного действия (КПД) этой системы являются одними из приоритетных направлений в развитии спутникостроения.
В состав СЭС обычно входят первичный и вторичный источники электроэнергии, а также преобразующие, зарядные, распределяющие и коммутирующие устройства. Современная аппаратура СЭС обладает достаточно высоким уровнем отказоустойчивости, поэтому особое внимание обращается именно на источники энергии и срок их активного функционирования.
В настоящее время для КА разработаны и могут применяться следующие источники энергии:
- ядерные реакторы;
- радиоизотопные источники энергии;
- солнечные батареи;
- химические источники тока (аккумуляторы, гальванические элементы, топливные элементы);
- источники на энергии магнитного поля Земли.
Ядерные реакторы для выработки электроэнергии в космосе представляют собой малогабаритные устройства, работы по созданию которых пока далеки от перехода к практической реализации.
В радиоизотопных источниках энергии в электричество преобразуется тепловая энергия, выделяемая при естественном распаде радиоактивных изотопов. Такие установки применяются в основном в следующих случаях:
- сверхдальние полеты в космическом пространстве, в том числе за пределы Солнечной системы, где поток излучения слишком мал для использования солнечных батарей;
- высокая потребность в энергии при работе на низкой орбите, где невозможно использовать солнечные батареи из-за высокого сопротивления молекул воздуха (например, разведывательные спутники с РЛС бокового обзора).
Так, КА "Вояджер-1 и -2", выведенные в космос в 1977 году, продолжают функционировать на энергии от трех радиоизотопных термоэлектрических генераторов, работающих на штутонии-238.
На момент старта общее тепловыделение генераторов составляло около 7 кВт, их кремний-германиевые термопары обеспечивали 470 Вт электрической мощности. Из-за распада плутония и деградации термопар мощность генераторов постепенно снижается - за 40 лет работы она уменьшилась примерно в 2 раза. Ожидается, что электроснабжение, минимально необходимое для работы аппаратуры КА "Вояджер-1 и -2", будет поддерживаться приблизительно до 2025 года.
Самый распространенный в настоящее время способ генерации электроэнергии в КА - преобразование солнечного света с помощью солнечных батарей (СБ).
Солнечная батарея - это объединение фотоэлектрических полупроводниковых преобразователей (фотоэлементов), прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.
Использование СБ обусловлено высоким уровнем их технических параметров и эксплуатационных свойств, таких как: экологическая чистота, значительный ресурс, высокая надежность, масштабируемость к необходимым уровням мощности, себестоимость и др.
На сегодняшний день создано множество вариантов фотоэлементов, отличающихся комбинациями различных химических веществ, многослойной компоновкой, а также эффективностью работы.
Срок службы СБ зависит от деградации фотоэлементов, которая происходит под действием следующих факторов:
- метеорная эрозия, ухудшающая оптические свойства поверхности фотоэлектрических преобразователей;
- радиационное излучение, понижающее фотоэлектродвижущую силу (фотоЭДС), особенно при солнечных вспышках и полете в радиационном поясе Земли;
- термические удары из-за глубокого охлаждения конструкции на затененных участках орбиты, нагрева на освещенных и наоборот. Это явление разрушает крепление отдельных элементов батареи и соединения между ними.
Продление срока службы СБ возможно за счет специального защитного покрытия фотоэлементов, разработки для них новых рабочих веществ, устойчивых к воздействиям внешней среды, а также за счет избыточного резервирования фотоэлементов.
В настоящее время активно продолжаются эксперименты по повышению КПД СБ. Улучшение данного показателя обеспечивается разными способами, такими как применение многослойных фотоэлементов с новыми рабочими веществами, использование концентрирующих линз, а также фотоэлементов, способных преобразовывать в электричество инфракрасное излучение Солнца. Максимальное значение КПД, известное на сегодня, заявлено Институтом систем солнечной энергетики Фраунгофера (г. Фрайбург, Германия). Благодаря фокусировке линзой света на очень маленьком фотоэлементе достигнут КПД 46%
Анализ бюджета министерства обороны США также показал заинтересованность данного ведомства в дальнейшем совершенствовании СБ. Согласно программному элементу финансирования разработок в области космической техники ВВС США РЕ 0602601F на 2018 год были запланированы разработка и испытание СБ с эффективностью более 40% и удельной производительностью 70-80 кВт/м3.
Кроме того, перспективным направлением преобразования энергии солнечного света является создание фотоэлементов на основе наноантенн, работающих на непосредственном выпрямлении токов, наводимых в антенне малых размеров - порядка 200-300 нм, солнечным излучением (частота порядка 500 ТГц). Наноантенны не требуют дорогого сырья для производства и имеют потенциальный КПД до 85% На данный момент ввиду ряда технологических трудностей их массовое производство не налажено.
К химическим источникам энергии условно относят аккумуляторы, гальванические и топливные элементы.
Аккумулятор - это химический источник тока многоразового действия. Аккумуляторные батареи (АкБ) служат в качестве накопителя энергии, которая расходуется в пиковые режимы энергопотребления или когда аппаратура КА работает на теневом участке орбиты. Помимо основной функции АкБ может играть роль стабилизатора напряжения бортовой сети, так как в рабочем диапазоне температур ее напряжение мало меняется при изменении тока нагрузки.
Типы аккумуляторов различаются используемыми рабочими веществами, а также массогабаритными и электрическими характеристиками.
Совершенствование аккумуляторов, применяемых в КА, связано с улучшением удельных характеристик, увеличением диапазона рабочих температур, снижением тока саморазряда, наличием возможности заряда низкими токами.
| Таблица 1 Параметры аккумуляторов, применяемых на КА | ||||
| Тип аккумулятора | Литий-ионный | Никель-металлогидридный | Никель-кадмиевый | Никель-водородный |
| Номинальное напряжение, В | 3,6 | 1,35 | 1,2 | 1,3 |
| Удельная энергия по массе, Вт • ч/кг | 130 | 70-90 | 40-45 | 50-60 |
| Удельная энергия по объему, Вт • ч/дм3 | 260 | 180-210 | 30-100 | 100-120 |
| Саморазряд,% (сут) | До 15 (28) | 20 (28) | 20 (28) | 40 (3) |
| Максимальное избыточное давление. мПа | - | 0,15 | 0,15 | 12 |
| Отдача по емкости, проц, | 98 | 96-98 | 72 | 90-92 |
| Срок службы, циклы заряда-разряда | 1000 | 1800 | 500 | 2000 |
Основная тенденция в области совершенствовании АкБ - это продление срока активного функционирования. Продолжительность срока службы зависит от скорости деградации, а также от длительности бесперебойной работы ее отдельных элементов.
Кроме того, в настоящее время, с учетом современных требований к бортовой аппаратуре, стоит задача по повышению напряжения АкБ. Простое повышение напряжения за счет увеличения количества аккумуляторов в последовательной цепочке приводит к снижению ее надежности и ресурса работы.
| Таблица 2 Характеристики электрохимических источников тока | |||||||
| Характеристики ЭХИТ | Электрохимическая система | ЭДС, В | Удельная энергоемкость, Вт-ч/кг теорет. (практ.) | Удельная мощность, Вт/кг | Число циклов заряд-разряд | Срок службы, годы | |
| + | - | ||||||
| Серебряно-цинковый | AgOZn | 1,85 | 523 (90) 120-140 |
200 | 100-150 | 0,1-0,2 | |
| Серебряно-кадмиевый | AgOCd | 1,4 | 295 (60) | 120 | 1000 | 1 | |
| Никелево-водородный | NiOOH Н2 | 1,31 | 300 (60) | 90 | 2000 | 1-2 | |
| Водородно-кислородный | O2H2 | 1,23 | 3360 (500-800) | 100 | - | 0,1-0,5 | |
Для обеспечения длительной эксплуатации батарей требуются сложные алгоритмы управления их работой, предусматривающие углубленный контроль состояния аккумуляторов, специальные режимы для восстановления их характеристик и автоматическое исключение из работы вышедших из строя блоков.
Гальванический элемент - это химическая электрическая батарея, преобразующая химическую энергию в электрическую и имеющая, в отличие от аккумуляторов, один рабочий цикл -разряд.
|
Максимальные значения эффективности фотоэлементов,% |
Топливные элементы (электрохимические генераторы) - это электрохимические устройства, подобные гальваническим элементам, в которых также происходит превращение химической энергии в электрическую, но рабочие вещества (окислитель и восстановитель) хранятся вне элемента и в процессе работы непрерывно и раздельно подаются к электродам. В качестве восстановителя используются в основном водород, метанол, метан или алюминий. Окислителем обычно является кислород. В процессе выработки энергии, при так называемом холодном горении, КПД составляет до 50%
Топливным элементам присущи более высокие показатели по массогабаритным характеристикам и удельной мощности по сравнению с парой солнечная батарея/химический аккумулятор, устойчивы к перегрузкам, имеют стабильное напряжение. Современные разработки в области катализаторов позволяют полностью отказаться от применения металлов платиновых групп, что значительно снижает стоимость топливных элементов и делает их более доступными для использования на КА.
Однако топливные элементы требуют запаса топлива, потому применяются на КА со сроком нахождения в космосе от нескольких дней до одного-двух месяцев. Данный тип источника энергии был использован на КА "Джемини", "Апполон", "Шаттл" и др.
Способ получения электроэнергии на КА из энергии магнитного поля Земли предполагает наличие генерирующего контура, который жестко привязан к корпусу спутника, стабилизированного вращением, либо к его вращающейся части.
КА по орбите движется в магнитном поле Земли. При вращении генерирующий контур пересекает линии индукции магнитного поля Земли, в результате чего по закону электромагнитной индукции в генерирующем контуре наводится мгновенная ЭДС. При замыкании генерирующего контура на нагрузку в цепи "потребитель - генерирующий контур" протекает ток. Таким образом, кинетическая энергия, сообщаемая КА, в совокупности с энергией магнитного поля Земли преобразуется в электрическую. Чем выше момент закрутки КА, тем больше будет наводимая в генерирующем контуре ЭДС и тем выше будет его мощность.
Выработанная таким образом электрическая энергия через выпрямительное устройство и контроллер заряда АКБ от источников электроэнергии малой мощности может поступать, например, на отдельные элементы аккумулятора для их подзарядки.
На практике возможности по выработке электроэнергии выглядят следующим образом. Например, КА с генерирующим контуром поперечного сечения 1 м2 и сопротивлением проводов 1,7 Ом, вращаясь вокруг своей оси с частотой 30 мин-1 и двигаясь по круговой орбите высотой 500 км, за виток будет вырабатывать электроэнергию средней мощностью 14 МВт (максимальное значение 74 МВт). Таким образом, генерирующий контур может служить дополнительным источником электроэнергии на борту КА. Ввиду специфичности работы такой способ выработки электроэнергии широкого распространения не получил.
 |
| Схема движения космического аппарата по орбите в магнитном поле Земли |
Обобщая вышеизложенное, можно заключить, что ядерные реакторы и радиоизотопные источники энергии, обладая такими важными достоинствами, как независимость от солнечного освещения и высокая продолжительность работы, несут в себе также и серьезные недостатки - сложность производства и экологическая опасность в случае нештатных ситуаций.
В свою очередь, гальванические и топливные элементы в силу своих высоких показателей по массогабаритным характеристиками и удельной мощности требуют определенного запаса рабочих химических веществ, что не позволяет использовать источники данного типа электроэнергии при выполнении длительных полетных заданий.
Получение электроэнергии через преобразование энергии магнитного поля Земли предполагает определенную специфику в работе КА и не позволяет полностью обеспечить электропитанием бортовую аппаратуру, что, в свою очередь, делает источники электроэнергии данного типа исключительно вспомогательными.
Наиболее распространенным способом обеспечения электроэнергией КА по-прежнему является использование системы, предполагающей наличие механизма переработки солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотоэлементов, а также массива АкБ, поддерживающего энергоснабжение в моменты прохождения спутником затененной стороны орбиты и возникновения пиковых нагрузок.
С учетом проводимых за рубежом научно-исследовательских работ, а также финансовых и экологических ограничений при создании новых КА, возможно, данный способ электроснабжения в ближайшей перспективе останется основным.
Зарубежное военное обозрение. - 2019. - № 1. - С. 62-66