8.4.2. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ (КА)
8.4.2. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ (КА)
Энергетические установки КА. Темпы освоения космического пространства в значительной степени определяются развитием автономных источников электропитания разнообразных космических аппаратов и в перспективе стационарных станций на поверхностях Луны, Марса и других планет [8.37–8.43].
Уровень требуемой электрической мощности непрерывно повышается и в ближайшее десятилетие может достигнуть нескольких мегаватт при длительности работы свыше 20 лет.
Жесткие специфические требования к космическим источникам питания: высокие удельные массогабаритные параметры, высокая надежность в условиях отсутствия (либо ограниченного) обслуживания, длительный ресурс работы, устойчивость к воздействию окружающей среды (вакуум, невесомость, радиационное излучение, температурные перепады), механическим стартовым и посадочным перегрузкам и другим факторам — накладывают жесткие ограничения на выбор первичного источника энергии.
В настоящее время в качестве таких источников используются солнечная, атомная (реакторы и радиоизотопные источники) и химическая энергия, преобразуемая безмашинным (прямым) способом в электрическую на основе фотоэлектрических, термоэлектрических, термоэмиссионных и электрохимических процессов, где одним из основных факторов оптимальности является КПД преобразования. В перспективе для достижения более высоких мощностей рассматриваются такие динамические системы, в которых солнечная энергия преобразуется в теплоту, используемую затем в паротурбинном и газотурбинном циклах для вращения турбоэлектрогенераторов.
На рис. 8.1 представлены ориентировочные области оптимального применения различных типов энергосистем в космических задачах в зависимости от уровня требуемой электрической мощности и ресурса работы.
Ядерные установки обеспечивают высокие мощности, но опасность аварийного радиационного загрязнения, уровень радиопомех и относительно большая стоимость в ряде случаев ограничивают возможность их широкого использования в космосе.
Радиоизотопные системы с термоэлектрическими преобразователями имеют относительно большой срок службы, но обладают невысоким КПД, что ухудшает их удельные массогабаритные характеристики. Такие системы также потенциально радиационно опасны.
Электрохимические генераторы (ЭХГ) представляют собой конструкцию из топливных элементов и системы автоматики, обеспечивающей стабильность температуры и давления подводимых реагентов водород-кислород и удаление воды после реакции [8.49, 8.50].
Рис. 8.1. Области оптимального использования различных типов автономных источников тока
1 — аккумуляторные батареи; 2 — солнечные батареи; 3 — электрохимические генераторы; 4 — ядерные реакторы; 5 — радио изотопные источники
Теоретически КПД ЭХГ приближается к 100%. В США и России разработаны варианты таких космических генераторов на водороде и кислороде со щелочными и кислотными электролитами. В частности, энергообеспечение программы высадки человека на Луну осуществлялось на базе ЭХГ. В последующем при создании космических кораблей многоразового использования типа «Шатл» (США) и «Буран» (Россия) были созданы ЭХГ с более высокими удельными энергетическими параметрами, способные генерировать электрическую мощность до 40 кВт при удельной мощности порядка 70 Вт/кг. Достигнутый срок службы составлял более 5 тыс. ч.
Первый наш искусственный спутник Земли, запущенный в 1957 г., обеспечивался электроэнергией от химических источников тока — аккумуляторов серебряно-цинковой системы, разработанных во Всесоюзном научно-исследовательском институте источников тока (ВНИИТ), возглавляемом Н.С. Лидоренко.
Однако наиболее широкое применение в космических программах России, США и других стран в настоящее время получили системы на основе солнечных батарей (СБ) с фотоэлектрическим способом прямого преобразования в сочетании с энергоемкими аккумуляторами, допускающими значительное число разрядно-зарядных циклов. Это связано с возможностью использования неиссякаемого солнечного излучения, в то время как в остальных системах источник первичной энергии в том или ином виде должен транспортироваться с Земли и в конечном счете расходуется полностью. Такая система энергопитания была впервые реализована в СССР (1969 г.) на третьем искусственном спутнике Земли. В дальнейшем такие крупнейшие космические проекты, как автоматические межпланетные станции к Венере, Марсу, комете Галлея, аппараты «Луноход», действующие на поверхности Луны, долговременные орбитальные станции «Салют» и «Мир», группы аппаратов космической связи и метрологии общим количеством более двух тысяч, обеспечивались энергопитанием от солнечных батарей в сочетании с соответствующими аккумуляторами.
Широкое внедрение СБ в космическую автономную энергетику потребовало решения ряда серьезных научно-технических проблем [8.44–8.48].
Помимо чисто физической проблемы создания эффективного полупроводникового материала для солнечных элементов (СЭ) необходимо было разработать новые конструкционные материалы, такие как сверхтонкие стеклянные покрытия, оптически прозрачные полимерные материалы, материалы для несущей подложки, а также технологии их соединения.
Сложность решения проблемы обусловливалась весьма жесткими условиями длительной эксплуатации в открытом космосе. Кроме устойчивости к механическим воздействиям (ударным и вибрационным) на стадии запуска СБ должны были сохранять электрофизические параметры в условиях глубокого вакуума, при мощном радиационном облучении и резком термоциклировании. Впоследствии возникли проблемы с электризацией и наведенными потенциалами, экранизацией электромагнитного воздействия мощных батарей на аппаратуру космического корабля, а также защитой их от собственной атмосферы корабля (газов двигателей). Ряд требований носил противоречивый характер. Так, например, для достижения высокого КПД преобразования требовался кремний с низким удельным сопротивлением (порядка 10 Ом/см), в то время как для обеспечения радиационной стойкости оптимальным был высокоомный кремний (порядка 100 Ом/см); для защиты фотоэлементов и обеспечения минимальной массы требовалось сверхтонкое стеклянное оптически прозрачное покрытие, а для радиационной защиты — более толстое стекло, содержащее примеси тяжелых металлов.
Важнейшими этапами в развитии солнечной энергетики в последние годы являлись [8.41]:
1. Создание кремниевых СЭ, прозрачных в инфракрасной области спектра, что обеспечило понижение равновесной рабочей температуры СБ при их работе в космическом пространстве на 15–20 °С и соответственно повышение удельной мощности на 10%. Дополнительным преимуществом явилось снижение диапазона термоциклических нагрузок, которым подвергаются батареи при работе в космосе, что повысило их надежность и ресурс.
Прозрачные в инфракрасной области спектра СЭ на специальных каркасах успешно использовались на космических аппаратах серии «Космос». Полученная при этом весьма существенная для эксплуатации равновесная рабочая температура СЭ на уровне 48–52°С явилась значительным достижением в мировой практике.
2. Создание СЭ с двусторонней чувствительностью с целью использования отраженного от Земли излучения, особенно на низких орбитах.
Используя специальную полупроводниковую структуру (n+—p—p+) с нанесением на фронтальную и тыльную поверхности симметричных гребенчатых контактов, удалось получить высокую эффективность преобразования светового излучения, поступающего одновременно или попеременно на обе поверхности. По равновесной температуре преимущества двусторонних прозрачных для инфракрасного излучения элементов также сохраняются.
Эксплуатация таких элементов на низкоорбитальных станциях «Салют-2» и «Салют-5» (высота орбиты 350 км) показала, что имеется дополнительный прирост тока СБ на 17–20%. Двусторонняя СБ на аппарате «Космос-1870», выведенном на орбиту в 1987 г., дала средний прирост на 12%.
При толщине двустороннего СЭ менее 150мкм возможно получение практически одинаковой чувствительности СЭ с обеих сторон. Учитывая среднее значение отраженного от Земли прямого солнечного излучения 28–34%, можно ожидать такого же уровня мощности солнечных панелей низкоорбитальных аппаратов, как у действующих на орбитах до 1500 км.
Указанные разработки были выполнены в России значительно раньше зарубежных и имеют широкие перспективы применения для космических аппаратов нового поколения.
3. Разработка СЭ и батарей на основе арсенида галлия, основные преимущества которых по сравнению с кремниевыми: большой начальный КПД (20%), вдвое меньшие потери при возрастании рабочей температуры, существенно большая радиационная стойкость и работоспособность
при температуре 150 °С. В совокупности эти факторы делают арсенид-галлиевые солнечные панели предпочтительными для использования на КА для широкого класса орбит, особенно для аппаратов с большим сроком активного существования. Преимущества арсенид-галлиевых панелей во многих случаях преобладают над их недостатками: большими по сравнению с кремнием удельной массе и начальной стоимостью. Привлекателен конечный выигрыш, который может получить потребитель по основным характеристикам, используя арсенид-галлиевые панели в течение длительного срока на аппаратах различного назначения.
Впервые в мире солнечная панель из арсенид-галлия площадью 1 м была разработана в Государственном научно-производственном предприятии «Квант» (ГНПП «Квант») в 1967 г. и применена на КА при полете к планете Венера и обеспечила при температуре 120 °С заряд блока химических батарей спускаемого на поверхность планеты аппарата непосредственно перед началом спуска. В дальнейшем на все автоматические станции, направляемые к Венере, стали устанавливать панели из арсенида галлия. Существенным этапом в развитии работ по арсенид-галлиевым солнечным панелям явилась разработка панели для автоматических самоходных аппаратов, действующих на поверхности Луны, «Луноход-1» и «Луноход-2» (1972 г.). Работая в экстремальных условиях на лунной поверхности при рабочих температурах до 150 °С в течение многих лунных суток, данная панель полностью удовлетворяла по энергетике программу исследований, при этом был получен наивысший результат того времени по удельной мощности 1000 Вт/м2 при температуре 140–150 °С. Наиболее крупной разработкой в области арсенид-галлиевых панелей является СБ для орбитальной станции «Мир». За 8 лет летных испытаний арсенид-галлиевые панели, имевшие начальную выходную мощность 10 кВт, обнаружили высокую стабильность характеристик (суммарная средняя деградация не более 3,5% в год) в сложнейших условиях эксплуатации: при наличии существенных затенений, воздействии двигателей многочисленных стыкуемых аппаратов и собственной воздушной атмосферы станции.
4. Разработка тонкопленочной технологии СЭ на основе аморфного кремния, которые относятся к новому поколению панелей СБ для энергоснабжения космических аппаратов, действующих на различных орбитах. Основная цель — создание ультралегких панелей с максимальным отношением вырабатываемой мощности к массе, существенно превышающим достигнутые на сегодня или планируемые результаты на других типах СБ. Такие ультралегкие панели СБ можно будет применять для широкого класса орбит, в особенности в случаях, когда определяющей является стоимость запуска космического аппарата, в частности для геостационарных орбит. Другой важнейшей особенностью данного направления является возможность создания солнечных панелей рулонного типа, обладающих максимальной плотностью упаковки и наибольшим отношением вырабатываемой мощности к объему, занимаемому солнечными панелями. Эта особенность позволяет считать предполагаемый тип солнечных панелей перспективным также для низкоорбитальных полетов.
Наконец, в силу принципиальных особенностей технологии, в которой активная структура осаждается непосредственно на подложку из газовой фазы, открываются возможности организации полностью автоматизированного цикла, что, в свою очередь, приведет к снижению стоимости рулонных аморфнокремниевых батарей по сравнению с монокристаллическими аналогами.
Наибольших успехов в этой области добилась фирма ЕСД («Energy Conversion Di-vices»), США, создавшая два завода по производству аморфных СБ (в первую очередь для наземного использования).
ГНПП «Квант» и фирма ЕСД учредили в 1990 г. совместное предприятие «Совлакс», особенностью продукции которого является использование впервые в мировой практике двух-, трехпереходных каскадных структур СЭ, что создает предпосылки для получения максимального КПД и стабильности характеристик.
К числу перспективных направлений исследований по созданию новых СЭ следует отнести также работы по использованию в качестве фотоэлектрического материала фосфида индия. СЭ на этой основе работоспособны при температуре до 120°С и обладают приблизительно на 15.% большей радиационной стойкостью, чем арсенид-галлиевые. Возникающие под действием радиации дефекты в объеме этого материала, снижающие значения генерируемого СЭ тока, относительно легко ликвидируются в процессе эксплуатации естественным образом под действием солнечной радиации при температуре 80–100 °С. В то время как организовать отжиг кремниевых или арсенид-галлиевых батарей, для чего требуются температуры 450 и 250 °С соответственно, в процессе эксплуатации практически невозможно.
Таким образом, основными тенденциями в совершенствовании СЭ в настоящее время являются:
1) переход на тонкопленочные структуры на базе аморфного кремния, фосфида индия, гетероструктур на основе диселенидов индия и меди, поликристаллических пленок теллурида кадмия и др., чем достигается существенное улучшение массогабаритных параметров и повышение радиационной стойкости;
2) построение каскадных композиций, что позволяет избирательно и эффективно преобразовывать все участки солнечного спектра излучения, обеспечивая высокий результирующий КПД.
В частности, американская фирма «Spectrolab Inc.» разработала и установила на спутниках СБ мощностью 10 кВт, построенную на СЭ, с КПД 21,6%. Эти элементы имеют двухслойную структуру. Наружный слой состоит из фосфата галлия с индием, он преобразует коротковолновую часть спектра. Внутренний слой из арсенида галлия использует длинноволновую часть. Подложка элемента изготовлена из германия. К числу ведущих зарубежных фирм в области разработки новых солнечных элементов помимо упомянутой фирмы следует отнести «Sharp» (Япония), «Telefunken» (Германия).
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.
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.
Одним из важнейших направлений деятельности НПП «ВНИИЭМ», которое развивается с 60-х годов, является создание автоматических КА оперативного наблюдения и дистанционного зондирования Земли.
Работа велась по трем основным направлениям:
создание государственной метеорологической космической системы с использование КА «Метеор», «Метеор-2» (главный конструктор А.Г. Иосифьян) и «Метеор-3» (главный конструктор В.И. Адасько);
создание космических комплексов для оперативного природно-ресурсного и экологического наблюдения «Метеор-Природа» и «Ресурс-О» (главный конструктор Ю.В. Трифонов);
создание высокоорбитальных геостационарных К А «Электро-1» (главный конструктор Ю.В. Трифонов);
создание единой оперативной системы глобального экологического и геогелиофизического мониторинга из космоса, космические аппараты нижнего и верхнего ярусов которой функционируют соответственно на солнечно- и геосинхронных орбитах на основе средне- и высокоорбитальных многоцелевых космических платформ (главный конструктор Ю.В. Трифонов).
В 80–90-е годы в институте были созданы новые космические аппараты оперативного наблюдения и дистанционного зондирования Земли — геостационарный метеорологический КА «Электро-1» и среднеорбитальные КА на солнечно-синхронных орбитах «Метеор-Природа» № 3–4 и 2–4 и «Ресурс-01» № 1–4, а также комплексы уникального электрооборудования для КА.
31 октября и 4 ноября 1994 г. с космодрома Байконур были осуществлены запуски космических аппаратов «Электро-1» №1 и «Ресурс-01» № 3. Начался очередной этап развертывания российской двухъярусной системы оперативного обзорного наблюдения «Планета-О» в интересах народного хозяйства, обороны страны и международного сотрудничества.
Метеорологический геостационарный космический аппарат «Электро-1» № 1, получивший международное наименование GOMS, выведен ракетой-носителем «Протон» с разгонным блоком в точку 90° восточной долготы и с помощью бортовой корректирующей двигательной установки переведен в заданный рабочий диапазон 76±0,5° восточной долготы. Космический аппарат природоресурсного и экологического мониторинга «Ресурс-01» № 3 выведен ракетой-носителем «Зенит» на солнечно-синхронную, широтно-стабилизированную по высоте и местному времени орбиту в диапазон высот 663–690 км.
Накопленный четырехлетний опыт летных испытаний и эксплуатации космических систем GOMS и «Ресурс-О» с КА «Электро-1» № 1 и «Ресурс-01» № 3 показал, что бортовые и наземные комплексы и КА в целом спроектированы, разработаны, изготовлены и отрабатываются с учетом самых современных требований по надежности и длительности гарантированного ресурса; космические системы уже в ходе летно-космических испытаний способны обеспечить потребности многочисленных отечественных и зарубежных потребителей оперативной гидрометеорологической и природоресурсной информацией.
Первый российский геостационарный (высота орбиты 36 тыс. км) гидрометеорологический космический аппарат «Электро» вошел в систему гидрометеоспутников наряду с космическими аппаратами США, Японии, Европейского космического агентства. Каждые 2–3 ч от этого КА получается и рассылается через Всемирную метеорологическую службу информация о состоянии погоды на большей части восточного полушария, каждый час — гелиогеофизическая информация о радиационной и магнитной обстановке в космосе. Информация оперативного наблюдения и контроля состояния окружающей среды с космического аппарата «Ресурс-01», находящегося на солнечно-синхронной орбите со средней высотой 675 км, широко применяется в регионах России, а также принимается и обрабатывается в Швеции в интересах многих фирм и организаций Европы.
10 июля 1998 г. ракетой-носителем «Зенит» в новый высотный диапазон 818–846 км был выведен четвертый КА серии «Ресурс-01». Кроме традиционного природоресурсного комплекса в его составе имеется аппаратура для проведения радиационно-метрических, гелиогеофизических, а также метеорологических измерений.
В области международного сотрудничества НПП «ВНИИЭМ» имеет установившиеся научно-технические связи со многими организациями, в том числе с фирмами CNES (Франция), INEN (Италия), «ОНВ system» (Германия), «Technion» (Израиль), «Suparco» (Пакистан) по установке научной аппаратуры и ее сопровождению со служебными системами на космических аппаратах «Ресурс-01».
Хронология запусков КА, разработанных ВНИИЭМ
2 КА «Омега» — 1963 г.
36 КА «Метеор» — 1964–1978 гг.
22 КА «Метеор-2» — 1975–1993 гг.
7 КА «Метеор-3» — 1984–1994 гг.
7 КА «Метеор-Природа» — 1974–1983 гг.
4 КА «Ресурс-01» — 1985–1998 гг.
1 КА ГОМС «Электро» — 1994 г.
НПП «ВНИИЭМ» является участником создания космических комплексов «Восток», «Союз», «Молния», «Салют», «Алмаз», «Мир», «Альфа». Институт постоянно работает по заказам и в тесном взаимодействии с Российским космическим агентством, войсковыми частями космического назначения, гидрометеослужбой страны, ведущими фирмами России: Ракетно-космической корпорацией «Энергия» им. СП. Королева и ЦНИИмашиностроения Российского космического агентства, НПО им. СА. Лавочкина, ОКБ Московского энергетического института, Институтом космических исследований Российской Академии наук, НПО «Квант», КБ «Салют», Российским НИИ космического приборостроения, НИИ точных приборов, НПО «Геофизика», Московским НИИрадиосвязи, Институтом прикладной геофизики им. акад. Е.К. Федорова, НПО «Планета», Научно-исследовательским центром природных ресурсов, ВНИИ телевидения, Оптико-механическим объединением, Центральным специализированным конструкторским бюро, НПО «Полет» и др.
НПП «ВНИИЭМ» является участником Федеральной космической программы России в части опытно-конструкторской разработки образцов космической техники научного и народнохозяйственного назначения и традиционным участником международных проектов: «Болгария 1300» (с Болгарской Народной Республикой в 1981, 1983 гг.), «Метеор-3-ТОМС» (совместно с США в 1991 г.), «Ресурс-01» № 3 и 4 (совместно со Швецией с 1994 г.), «Ресурс-01» № 4 (совместно с Германией, Израилем, Англией, Австрией, Францией, Италией и др. с 1998 г.). Перспективны К А «Метеор-3М», «Ресурс-01» № 5 и «Электро» №2 — пуски 1999–2001 гг.
В настоящее время НПП «ВНИИЭМ» приступил к разработке серии универсальных малогабаритных космических платформ для дистанционного зондирования Земли, гелиогеофизических исследований, обеспечения службы спасения, а также обслуживания и обмена информацией в интересах государственных и коммерческих организаций. Пуски возможны с 2000 г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
8.1. Раков В.А. Локомотивы железных дорог Советского Союза. М.: Трансжелдориздат, 1955.
8.2. Раков В.А. Локомотивы и мотор-вагонный подвижной состав железных дорог Советского Союза. 1956–1965. М.: Транспорт, 1966.
8.3. Раков В.А. Локомотивы и мотор-вагонный подвижной состав железных дорог Советского Союза. 1966–1975. М.: Транспорт, 1979.
8.4. Раков В.А. Локомотивы и мотор-вагонный подвижной состав железных дорог Советского Союза. 1976–1985. М.: Транспорт, 1990.
8.5. Раков В.А. Локомотивы отечественных железных дорог 1845–1955. М.: Транспорт, 1995.
8.6. Раков В.А. Электровозы переменного тока. М.: Машгиз, 1961.
8.7. Магистральные электровозы. Электрические аппараты. Полупроводниковые преобразователи, системы управления/ В.И. Бочаров, Н.М. Васько, А.Г. Вольвич и др. М.: Энергоатомиздат, 1994.
8.8. Теория электрической тяги / В.Е. Розенфельд, И.П. Исаев, Н.Н. Сидоров, М.И. Озеров. М.: Транспорт, 1995.
8.9. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями/ A.M. Солодунов, Ю.М. Иньков, Г.Н. Коваливкер и др. Рига: Зинатне, 1991.
8.10. Проектирование систем управления электроподвижным составом / Н.А. Ротанов, Д.Д. Захарченко, А.В. Плакс и др.; Под ред. Н.А. Ротанова. М.: Транспорт, 1986.
8.11. Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями / Н.А. Ротанов, А.С. Курбасов, Ю.Г. Быков и др.; Под ред. Н.А. Ротанова. М.: Транспорт, 1991.
8.12. Бочаров В.И. Вехи творчества в электровозостроении. Ростов: Изд-во Ростовского университета, 1993.
8.13. Большая энциклопедия транспорта. В 8 т./ Под общей ред. В.П. Калявина. Т. 4. Железнодорожный транспорт. СПб.: «Элмор», 1994.
8.14. История отечественного судостроения. Т. III, IV и V. СПб.: Судостроение, 1996.
8.15. Гребные электрические установки: Справочник. Л.: Судостроение, 1985.
8.16. Электрооборудование судов: Учебник для вузов / Д.В. Вилесов, В.Л. Галка, Ю.Н. Киреев и др. СПб.: Судостроение. 1996.
8.17. 300 лет российскому флоту // Судостроение. 1996. № 10.
8.18. Архангельский Е.Б. Электрификация русского флота// Судостроение. 1989. № 9.
8.19. Гилерович Ю.М. Электроэнергетические системы и электрооборудование судов и установок, используемые на континентальном шельфе // Судостроение за рубежом. 1988. № 12.
8.20. Гилерович Ю.М., Чернух Е.А. Гребные электрические установки ледоколов береговой охраны США и Канады // Судостроение за рубежом. 1990. № 9.
8.21. Китаенко Г.И. Состояние и некоторые вопросы развития судовой электротехники // Судостроение. 1978. № 1.
8.22. Каганович А.Н. Развитие электроэнергетических систем кораблей русского Флота (1869–1917 гг.) // Судовая электротехника и связь. 1973. Вып. 2.
8.23. Жоллифф Джеймс В. Дилемма использования электрического оборудования, работающего на токе частотой 400 Гц: Пер. с англ. // The Naval Engineers Journal. 1981. №10.
8.24. Карпов В.А. Современное электрическое оборудование автомашин// Электричество, 1931. №2. С. 69–76.
8.25. Гольдберг С.Я. Современное автомобильное электрическое оборудование // Электричество. 1939. № 3. С. 5–14.
8.26. Девяткин К.А. Приборы зажигания и электрооборудование колесных и гусеничных машин. М.: Воениздат, 1932.
8.27. Галкин Ю.М. Автотракторное электрооборудование. М.: Машгиз, 1948.
8.28. Schuiz М. Development sistem avtoelectrical eqipment// Popular Mechanics, 1965. Vol. 162. №4. P. 192–194.
8.29. Справочник по электрооборудованию автомобилей. M.: Машиностроение, 1994.
8.30. Электрические трансмиссии пневмоколесных транспортных средств / И.С. Ефремов, А.П. Пролыгин, Ю.М. Андреев, А.Б. Миндлин. М.: Энергия, 1976.
8.31. Электрические машины в тяговом автономном электроприводе / Ю.М. Андреев, С.К. Исаакян, А.Д. Машихин и др. М.: Энергия, 1979.
8.32. Фельдман Ю.И., Машихин А.Д., Скибинский В.А. Автоматизированные электроприводы для городского электротранспорта, большегрузных автосамосвалов и краново-подъемных механизмов // Электротехника. 1993.
8.33. Автоматизированные тяговые электроприводы для большегрузных карьерных автосамосвалов // Электротехника, 1993.
8.34. Основы электрооборудования самолетов и автомашин / Под ред. А.Н. Ларионова. М.: Госэнергоиздат, 1955.
8.35. Лазарев И.А. Синтез структуры систем электроснабжения летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1976.
8.36. Лазарев И.А., Розанов А.В., Яньшев Ю.А. Концепция единой энергетической системы транспортных средств и возможные пути ее реализации // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1983. № 1.С. 124–133.
8.37. Морозовский В.Г., Синдеев И.М., Рунов К.А. Системы электроснабжения летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1973.
8.38. Сизов И.И., Шабловский В.К. Бортовые источники электрического питания. М.: Воениздат, 1973.
8.39. Панченко Е.И., Коровкин А.С. Космическая электроэнергетика. М.: Знание, 1967.
8.40. Куландин А.А., Тимашев СВ., Иванов В.П. Энергетические системы космических аппаратов. 2 изд. М.: Машиностроение, 1977.
8.41. Бортовые энергосистемы космических аппаратов на основе солнечных и химических батарей. Ч. I и II: Учебное пособие/ Н.В. Белан, К.В. Безручко, В.Б. Елисеев и др. Харьков: ХАИ, 1992 (ХАИ).
8.42. Прямое преобразование энергии. Вопросы космической энергетики: Пер. с англ. М.: Мир, 1975.
8.43. Коутс Т., Микин Дж. Современные проблемы полупроводниковой фотоэнергетики. М.: Мир, 1988.
8.44. Колтун М.М. Солнечные элементы. М.: Наука, 1987.
8.45. Фаренбух А., Бьюб Р. Солнечные элементы: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1987.
8.46. Грилихес В.А., Орлов П.П., Попов Л.Б. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984.
8.47. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1983.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.