Ядерные реактивные установки в космосе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. История

1.1 Первые этапы разработки космических аппаратов с радиоизотопным источником энергии

1.2 Термоэлектрические реакторы-преобразователи

1.3 Американские космические аппараты с ЯЭУ

1.4 Советские космические аппараты с ЯЭУ

1.5 ЯЭУ с термоэмиссионными преобразователями

2. Принцип действия ЯЭУ

2.1 ЯЭУ с радиоизотопным термоэлектрическим генератором

2.2 ЯЭУ с термоэмиссионным преобразователем

3. Применение ЯЭУ в современных космических аппаратах

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Проблема оснащения космических аппаратов надежными системами энергообеспечения стала очевидна почти сразу после запусков первых искусственных спутников Земли. Химические аккумуляторные батареи, применявшиеся в те годы, не могли удовлетворить стремительно растущие потребности в энергообеспечении для решения серьезных энергоемких задач в космосе.

Проведенные исследования показали, что для решения этой проблемы возможны несколько вариантов энергообеспечения.

Один из них предусматривал применение солнечных батарей для питания бортовой аппаратуры полезной нагрузки и служебных систем космического аппарата (КА). Этот вариант было достаточно просто реализовать в техническом плане, он был относительно дешев и надежен при эксплуатации. Однако в те годы элементы солнечных батарей в процессе эксплуатации достаточно быстро деградировали, плюс ко всему они не могли обеспечить энергией спутник, когда он находился на теневом участке орбиты - в этом случае энергия поступала от аккумуляторов, имеющих значительную массу и небольшой срок службы.

1. История

радиоизотопный термоэмиссионный термоэлектрический энергия

1.1 Первые этапы разработки космических аппаратов с радиоизотопным источником энергии

Рисунок 1. Макет ЯЭУ «Тополь»

Применение радиоизотопных источников энергии на космических аппаратах сопряжено с решением большого комплекса проблем обеспечения радиационной безопасности - как биосферы Земли на участке выведения спутника, так и полезной нагрузки КА в космическом пространстве. Первый опыт решения этих задач в нашей стране был получен при запуске в космос космических аппаратов с радиоизотопными источниками энергии. В 1965 г. были запущены два экспериментальных КА связи типа «Стрела-1» с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (РИТЭГ) «Орион-1», работающими на полонии-210. Вес генераторов составлял 14,8 кг, электрическая мощность - 20 Вт, срок работы - 4 месяца. В последующие годы проводились работы, направленные на повышение мощности и ресурса РИТЭГ для луноходов и автоматических межпланетных станций. В то же время разработанные конструкции РИТЭГ отличались между собой применяемыми изотопами, термоэлектрическими материалами, конструктивными формами и т.п. Все это значительно усложняло и удорожало создание подобных энергетических установок.

Сравнительно низкая энергоемкость, высокая стоимость РИТЭГ, сложности с решением проблем их использования в космосе, успехи в разработке энергетических установок на основе ядерного реактора явились причиной прекращения работ по новым РИТЭГ для космоса.

1.2 Термоэлектрические реакторы-преобразователи

Рисунок 2. Реактор-преобразователь «Ромашка»

Использование термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей энергии в сочетании с ядерными реакторами позволило создать принципиально новый тип установок, в которых источник тепловой энергии (ядерный реактор) и преобразователь тепловой энергии в электрическую объединены в единый агрегат - реактор-преобразователь.

Первый советский термоэлектрический реактор-преобразователь «Ромашка» был впервые запущен в Институте атомной энергии («Курчатовский институт») 14 августа 1964 г. Реактор на быстрых нейтронах имел тепловую мощность 40 кВт и использовал в качестве топлива карбид урана. Термоэлектрический преобразователь на кремний-германиевых полупроводниковых элементах выдавал мощность до 800 Вт. Основоположник практической космонавтики, академик С.П.Королев намеревался использовать «Ромашку» на космических аппаратах в сочетании с импульсными плазменными двигателями, но его уход из жизни в 1966 г. не дал осуществиться этим планам. Испытания «Ромашки» закончились в середине 1966 года, но реактор так и не был использован в космосе.

1.3 Американские космические аппараты с ЯЭУ

Первой в мировой практике ядерной энергетической установкой (ЯЭУ), примененной на космическом аппарате, стала американская ЯЭУ SNAP-10A, размещенная на космическом аппарате Snapshot, который был выведен на орбиту 3 апреля 1965 года.

Предполагалось провести летные испытания реактора в течение 90 суток. Реактор на тепловых нейтронах использовал уран-235 в качестве топлива, гидрид циркония как замедлитель и натрий-калиевый расплав в качестве теплоносителя. Тепловая мощность реактора составляла около 40 кВт. Электрическая мощность, обеспечиваемая термоэлектрическим преобразователем, составляла от 500 до 650 Вт. Реактор успешно проработал 43 дня - до 16 мая 1965 года.

Тем не менее, США вскоре свернули свою программу по космическим ЯЭУ. Так, 18 мая 1968 г. был запущен последний, на сегодняшний день, американский спутник с ядерным реактором. Увы, на участке выведения потерпела катастрофу ракета-носитель «Тор-Аджена-Д», которая должна была вывести на орбиту метеорологический спутник «Нимбус-В» с ЯЭУ SNAP-19B2. Благодаря прочности конструкции аппарата он не разрушился. Позднее он был найден и поднят на борт корабля американских ВМС. К счастью, радиоактивного заражения мирового океана не произошло. После этого США запустили ряд космических аппаратов с радиоизотопными генераторами, включая межпланетные автоматические станции «Пионер» и «Вояджер», а также пилотируемые космические корабли «Аполлон». Последним американским космическим аппаратом с радиоизотопным генератором стал межпланетный зонд «New Horizons», запущенный к Сатурну в январе 2006 г.

1.4 Советские космические аппараты с ЯЭУ

Первый советский спутник с ядерной энергетической установкой был запущен 3 октября 1970 г. Это был прототип космического аппарата радиолокационной разведки «УС-А» («Космос-367»), разработанный и изготовленный ЦКБ машиностроения (г.Реутов, генеральный конструктор В.Н.Челомей).

Следует отметить, что к началу 1970-х годов ЦКБ машиностроения было загружено выполнением правительственных заданий по созданию новых противокорабельных крылатых ракет, космической орбитальной станции «Алмаз» и другими важными работами. Поэтому еще с мая 1969 г. весь комплекс работ по космическим аппаратам «УС-А», включая выпуск конструкторской и эксплуатационной документации, освоение серийного производства, проведение наземной и летно-конструкторской отработки космических комплексов, сдачу их в эксплуатацию, проводился ленинградскими Конструкторским бюро и заводом «Арсенал» имени М.В.Фрунзе.

Космический аппарат «УС-А» был оснащен радиолокатором одностороннего бокового обзора и был предназначен для обнаружения надводных кораблей и авианосных соединений противника. В качестве энергетической установки КА была использована ЯЭУ БЭС-5 «Бук» мощностью 3 кВт с термоэлектрическим преобразованием тепловой энергии (разработчик ЯЭУ - НПО «Красная Звезда»). Для обеспечения радиационной безопасности после завершения срока активного существования в составе КА была предусмотрена специальная твердотопливная двигательная установка, обеспечивающая увод энергетической части космического аппарата на орбиту с длительным сроком существования - продолжительностью не менее 10 периодов полураспада наиболее «живучих» изотопов ЯЭУ.

Рисунок 3. КА УС-АМ

За время серийного производства спутников типа «УС-А» удалось увеличить срок активного существования изделий с 45 до 120 суток, при этом были решены задачи по защите бортовой аппаратуры КА от радиационного воздействия ЯЭУ.

В эти же годы коллективом КБ «Арсенал» проводились работы по модернизации КА «УС-А», направленные на кардинальное улучшение тактико-технических характеристик и увеличение срока активного существования. Результатом этого стало создание во второй половине 1980-х гг. космического аппарата двухстороннего радиолокационного обзора - «УС-АМ». Срок активного существования КА «УС-АМ» составил около 300 суток, применение локатора двухстороннего обзора позволило существенно расширить возможности КА с точки зрения целевого применения.

1.5 ЯЭУ с термоэмиссионными преобразователями

В Советском Союзе параллельно с работами по созданию ЯЭУ с термоэлектрическими генераторами проектировались ЯЭУ с термоэмиссионными преобразователями. Термоэмиссионное преобразование по сравнению с термоэлектрическим позволяет увеличить КПД, повысить ресурс и улучшить массогабаритные характеристики энергоустановки и космического аппарата в целом. В 1970-1973 гг. были созданы и прошли наземные энергетические испытания первые три прототипа термоэмиссионной ЯЭУ. Эти испытания непосредственно подтвердили возможность стабильного получения удовлетворительных выходных параметров реактора-преобразователя. Работы шли по ЯЭУ двух типов: ТЭУ-5 «Тополь» (Топаз-1) и «Енисей» (Топаз-2). Летные испытания двух образцов ЯЭУ «Тополь» были проведены в 1987-1988 гг. на КА «Плазма-А» разработки КБ «Арсенал» («Космос-1818» и «Космос-1867»). ЯЭУ на КА «Космос-1818» проработала в течение 142 суток, а ЯЭУ на «Космос-1867» - в течение 342 суток. В обоих случаях окончание работы ЯЭУ было связано с плановым исчерпанием запасов цезия, используемого при работе термоэмиссионного реактора-преобразователя.

Рисунок 4. ЯЭУ ТЭУ-5 «Тополь»

Отличительной чертой установки «Тополь» стало соединение реактора с термоэмиссионным (термоионным) преобразователем тепловой энергии в электрическую. Такой преобразователь подобен электронной лампе: катод из молибдена с вольфрамовым покрытием, нагретый до высокой температуры, испускает электроны, которые преодолевают промежуток, заполненный ионами цезия под низким давлением, и попадают на анод. Электрическая цепь замыкается через нагрузку.

Реактор (топливо - диоксид урана с 90% обогащением, теплоноситель - калий-натриевая смесь) имел тепловую мощность 150 кВт, причем количество урана-235 в реакторе было снижено до 11,5 кг по сравнению с 30 кг в БЭС-5 «Бук». Выходная электрическая мощность преобразователя составляла от 5 до 6,6 кВт.

В свою очередь, реактор-преобразователь «Енисей» разрабатывался ленинградским ЦКБ машиностроения по заказу НПО прикладной механики (г.Железногорск) для геостационарного КА непосредственного телевещания «Эстафета». Тепловая мощность «Енисея» была порядка 115-135 кВт, электрическая мощность 4,5-5,5 кВт. Расчетный срок службы был не менее 3 лет.

2. Принцип действия ЯЭУ

2.1 ЯЭУ с радиоизотопным термоэлектрическим генератором

Радиоизотопный источник энергии принципиально отличается от атомного реактора тем, что в нём используется не управляемая цепная реакция, а энергия естественного распада радиоактивных изотопов.

Рисунок 5. Схема РИТЭГа, используемого на космическом аппарате Кассини-Гюйгенс

При распаде атомных ядер выделяется тепло, которое преобразуется в электроэнергию с помощью батареи термоэлектрических преобразователей (например, элементов Пельтье).

2.2 ЯЭУ с термоэмиссионным преобразователем

Принцип работы основан на использовании эффекта термоэлектронной эмиссии. С поверхности горячего металла (катода), который обладает большой работой выхода вследствие термоэлектронной эмиссии, «испаряются» электроны. Пролетев межэлектродный промежуток, электроны «конденсируются» в холодном металле с малой работой выхода (в аноде). Остальная часть энергии электронов идет на полезную работу внешней цепи. Схематично термоэмиссионный преобразователь изображен на рис. 6, а на рис. 7 эпюра напряжения термоэмиссионного преобразователя.

Рисунок 6. Рисунок 7.

В промежутке между катодом и анодом «испаряющиеся» электроны создают пространственный заряд, который своим действием ограничивает ток преобразователя. Для нейтрализации этого заряда в промежуток вводят обычно пары цезия или бария, которые ионизируются на поверхности катода (поверхностная ионизация), поступают в виде положительных ионов в разрядный промежуток и несколько нейтрализуют электронный пространственный заряд.

Различают два режима работы: длина свободного пробега больше расстояния между катодом и анодом l_c > d (кнудсеновский режим) и l_c < d (диффузионный режим). Оптимальный режим возникает» в случае, когда l_c ? d, так как при малой плотности объемный заряд компенсируется не полностью, а при большой - растет рассеяние электронов при столкновении с атомами газа.

На выходе термоэмиссионного преобразователя получается напряжение, обусловленное разностью работ выхода из катода А_к и анода А_а (рис. 161), за вычетом падения напряжения на плазменном промежутке Uпл, т. е.

КПД такой системы достигает 20--30%. Термоэмиссионные преобразователи тепловой энергии в электрическую обладают малым весом на единицу мощности, поэтому их применение весьма перспективно в различных летательных аппаратах.

3. Применение ЯЭУ в современных космических аппаратах

В настоящее время активно используются радиоизотопные термоэлектрические генераторы в тех случаях, когда по техническим или экономическим причинам нет возможности воспользоваться другими источниками электропитания.

Рисунок 8 марсоход нового поколения Curiosity.

РИТЭГи, как правило, являются наиболее приемлемым источником питания для автономных роботов, нуждающихся в нескольких сотнях ватт (или меньше) энергии для времени работы слишком долгого для топливных элементов или аккумуляторов. РИТЭГи являются основным источником электропитания на космических аппаратах, имеющих продолжительную миссию и сильно удаляющихся от Солнца (например Вояджер-2 или Кассини-Гюйгенс), там, где использование солнечных батарей неэффективно или невозможно.

Именно РИТЭГ использован в качестве источника питания марсохода Curiosity

Заключение

В 1998 г. Правительство Российской Федерации приняло постановление «О концепции развития космической ядерной энергетики в России». Эта Концепция направлена на сохранение лидирующих позиций России в области космических ядерных технологий, высококвалифицированных кадров, уникальной экспериментальной и производственно-технологической баз, инфраструктуры научных центров и предприятий, которые осуществляют работы в данной области.

Таким образом, сейчас наблюдается настоящий ренессанс космической ядерной энергетики - для решения амбициозных энергоемких задач на околоземной орбите и в дальнем космосе требуется колоссальная энергия, дать которую в настоящее время способны только ядерные энергетические установки. При должном финансировании и внимании мирового ученого сообщества к этой технологии человечество уже в ближайшей перспективе будет способно подойти к промышленному освоению космоса, пилотируемому полету на Марс и исследованию дальних планет.

Список используемой литературы

Бакит Ф.Г., Дюжев Г.А. Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма, М., Наука, 1973

Журнал «Атомная стратегия» № 30, июнь 2007 г.

Материалы и горючее для высокотемпературных ядерных энергетических установок. Перевод О. А. Алексеева. М.: Атомиздат, 1966.

В. Ю. Рогинский. Электропитание радиоустройств. Л.: Энергия, 1970.

Термоэлектрические материалы и преобразователи. Под ред. Д. Б. Коровякова. М.: Мир, 1964.

Размещено на Allbest.ru