На орбите и далее
Знаменательное событие произошло 14 марта 2016 г. С космодрома Байконур в рамках международной программы «Экзомарс» был успешно запущен исследовательский космический аппарат (КА), который прибудет к Марсу и выйдет на его орбиту в октябре 2016 г. Аппарат оснащён шестью спектрометрами, цветной стереоскопической камерой высокого разрешения, детектором нейтронов и спускаемым модулем с многочисленными научными приборами.
Для питания приборов в спускаемом модуле имеются аккумуляторы, заряда которых хватит на 2-8 суток работы. На пути к Марсу и на его орбите КА будет питаться энергией от фотоэлектрических батарей. «Солнечные крылья» размахом 17,5 м обеспечивают мощность 2 кВт. В моменты затмений, которые на орбите Марса будут происходить регулярно, бортовые системы будут питаться от ионно-литиевых аккумуляторов ёмкостью 5100 Вт·ч.
Нужно ли объяснять, что без качественной бортовой энергосистемы миссия «Экзомарса» наверняка окажется провалена?
Откуда энергия?
По мере развития космонавтики развивались и системы энергообеспечения космических аппаратов. Знаменитый первый спутник имел три батареи на основе серебряно-цинковых гальванических элементов, рассчитанные на 2-3 недели работы внутренней диагностической аппаратуры и двухчастотного радиопередатчика мощностью 1 Вт.
Сегодня в космической технике в качестве первичных источников используются солнечные батареи, химические источники тока, топливные элементы (ТЭ), радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) и ядерные реакторы.
Подключаясь к светилу
Первые солнечные батареи в космосе появились в 1967 г. - на пилотируемом космическом аппарате «Союз-1». С тех пор они отлично себя зарекомендовали. Для многих орбитальных систем это идеальный источник энергии, экологически безопасный и надёжный, который работает многие годы без расхода каких-либо материалов.
Однако для полётов к другим планетам солнечные батареи пригодны не всегда. За орбитой Марса их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии, обратно пропорциональный квадрату расстояния от светила, становится слишком малым. Совсем другое дело - полёты к Венере и Меркурию, где мощность солнечного излучения возрастает, соответственно, в два и шесть раз.
Чем топить?
Топливные элементы имеют высокие показатели удельной мощности и отличные массогабаритные характеристики, если сравнивать с парой «солнечные батареи и химический аккумулятор», устойчивы к перегрузкам и дают стабильное напряжение. Однако они требуют запаса топлива, а потому применяются в КА со сроком нахождения в космосе от нескольких дней до 1-2 месяцев.
В космонавтике используются в основном водород-кислородные ТЭ, так как водород обеспечивает наивысшую плотность энергии. Кроме того, на пилотируемых КА может быть использована образующаяся в результате реакции вода. ТЭ имеют два основных недостатка: их необходимо охлаждать, а водород и кислород приходится хранить в жидком виде в криогенных баках.
Топливные элементы впервые были использованы на американском пилотируемом космическом корабле Gemini в 1964 г. На его борту имелись две энергетические установки мощностью по 1 кВт, состоящие из 32 ячеек каждая. Тепло от ТЭ отводилось с помощью циркулирующего хладагента. В среднем корабль во время полёта потреблял мощность 620 Вт, так что двух киловаттных генераторов хватало с большим запасом.
На корабле «Аполлон» были смонтированы уже три ТЭ с единичной мощностью 1,5 кВт (пиковая мощность 2,2 кВт) и массой 113 кг, также использующие водород и кислород для производства электроэнергии, тепла и воды. За 18 полётов топливные элементы наработали без отказов в общей сложности 10 тыс. ч. Позже ТЭ применялись в космических кораблях многоразового использования Space Shuttle, где были предусмотрены три энергоустановки общей мощностью 12 кВт. Вода, получаемая в ходе электрохимической реакции, использовалась для питья и охлаждения оборудования.
В нашей стране также разработаны ТЭ для космонавтики. Например, они были установлены в многоразовые корабли «Буран».
Лучезарные
Исторически первый радиоизотопный источник электрической энергии был создан британским физиком Г. Мозли в 1913 г. По современной классификации, это был атомный радиоизотопный элемент. Он представлял собой посеребрённую изнутри стеклянную сферу, в центре которой на изолированном электроде располагался радиевый источник ионизирующей радиации. Электроны, излучаемые при бета-распаде, создавали разность потенциалов между серебряным слоем стеклянной сферы и электродом с радиевой солью.
Помимо нескольких вариаций атомных радиоизотопных элементов существуют радиоизотопные термоэлектрические генераторы (в них используются термоэлементы) и радиоизотопные термоэмиссионные генераторы, где установлены термоэмиссионные преобразователи. Последние подобны электронным лампам: катод из молибдена с вольфрамовым покрытием, нагретый до высокой температуры, испускает электроны, которые преодолевают заполненный ионами цезия под низким давлением промежуток и попадают на анод. Электрическая цепь замыкается через нагрузку.
Также определённое применение нашли радиоизотопные паротурбинные генераторы с парортутными или пароводяными турбинами и электрогенераторами.
В РИТЭГ удачно сочетаются такие характеристики, как громадная энергоёмкость, продолжительный срок автономной работы, высокая надёжность, необслуживаемость, малые вес и габариты. По массовой и объёмной энергоёмкости процесс распада изотопов уступает ядерной реакции деления урана и плутония в 4-50 раз. Однако химические источники энергии (аккумуляторы, топливные элементы и др.) по этому показателю оказываются ещё хуже в десятки и сотни тысяч раз.
Радиоизотопные источники энергии хороши в случаях длительных полётов и удалённости от Солнца. Например, на орбите Сатурна освещённость поверхности Солнцем под прямым углом такая же, как на Земле в сумерках. Кроме того, чем дальше от Земли, тем большая энергии требуется для передачи радиосигналов с космического зонда.
Конструкция РИТЭГ (см. рис. выше) достаточно проста. В центре находится изотоп в герметичной оболочке, далее - термоэлектрические элементы (термопары), работающие на разности температур с двух сторон. Снаружи расположены радиационный экран (обычно из обеднённого урана) и радиатор для излучения тепла в космическое пространство.
РИТЭГ стали основными источниками электропитания на таких космических аппаратах, как Voyager-2 и Cassini-Huygens, New Horizons.
Марсоход Curiosity получает энергию благодаря плутонию-238. На марсоходе установлен РИТЭГ последнего поколения, который выдаёт 125 Вт электрической мощности. Примечательно, что конструкторы марсохода реализовали когенерацию - при необходимости согреть механизмы Curiosity включаются насосы, прокачивающие теплоноситель через радиаторы РИТЭГ.
Ядерная перспектива
Атомная энергия применяется в космосе в том случае, когда необходимую мощность иначе получить невозможно. Например, ядерные реакторы устанавливались на спутниках разведки УС-А и Космос-1818, которые летали на низких орбитах, где не получается эффективно использовать солнечные батареи, и содержали мощные радиолокационные станции.
Впервые ядерный реактор был смонтирован на американском космическом аппарате Snapshot, запущенном 3 апреля 1965 г. Предполагалось провести лётные испытания реактора в течение 90 суток. Реактор на тепловых нейтронах, разработанный компанией Boeing, использовал уран-235 в качестве топлива, гидрид циркония как замедлитель и натрий-калиевый расплав в качестве теплоносителя. Тепловая мощность установки - около 40 кВт, электрическая мощность, обеспечиваемая термоэлектрическим преобразователем, - от 500 до 650 Вт.
Реактор успешно проработал 43 дня - до 16 мая 1965 г. В тот день на борту КА был впервые включён экспериментальный ионный двигатель. Его работа сопровождалась многочисленными высоковольтными пробоями, которые привели к сбоям бортовой аппаратуры. Кроме того, по ошибочной команде были сброшены детали конструкции отражателя реактора, что привело к его необратимому глушению.
Сегодня человечество готовится высадиться на Марсе. Как отмечают представители «Роскосмоса», срок полёта к красной планете можно сократить с 1,5-2 лет до 1-1,5 месяцев, если перейти от традиционных ракетных двигателей к ядерным двигательным установкам мегаваттного класса. Такая установка позволит не только вчетверо сократить стартовую массу экспедиционного комплекса, но и маневрировать на любом этапе, что необходимо для возврата на Землю.
Читайте другие наши материалы
