Системы электропитания

Общие сведения об источниках и преобразовании энергии. Любой тип энергетической установки содержит три основных элемента:

– источник первичной энергии;

– преобразователь первичной энергии в электрическую;

– устройство для отвода неиспользованного в процессе преобразования тепла в окружающее пространство;

Первичные источники энергии делят на две группы:

– бортовые (имеющиеся на борту аппарата);

– внешние (находящиеся вне аппарата).

К бортовым источникам энергии относятся:

– механические, например, сжатые газы, маховики, пружины;

– химические;

– ядерные, например, радиоактивные изотопы.

Первые два источника энергии – механический и химический имеют энергоемкость на много порядков ниже ядерных источников.

Выделяющаяся ядерная энергия представляет собой главным образом кинетическую энергию элементарных частиц и осколков деления как нейтральных, так и обладающих определённым зарядом. Поэтому возможны три направления использования её в виде:

– кинетической (то есть механической) энергии частиц, например, для создания тяги;

– электрической, путём создания разности потенциалов в определённых точках активной зоны при разлёте заряженных частиц;

– тепла, которое выделяется при торможении элементарных частиц и осколков деления в среде активной зоны.

Более энергоёмкими являются управляемые реакции синтеза и процессы аннигиляции материи. Работы по их использованию ведутся, но практически реализуемые результаты ещё не достигнуты.

В качестве внешних источников энергии используют:

– солнечное излучение, причём в двух формах: световой и тепловой;

– космические лучи;

– потоки протонов;

– магнитные поля и д. р.

Рис. 5.3. Виды источников энергии и направление их трансформации

На рис. 5.3 изображены (прямоугольники) первичные источники энергии и (кружочками) те виды, в которые они трансформируются. Конечным видом всех преобразований является электрическая энергия.

Первичная энергия в электрическую может быть преобразована непосредственно с помощью, например, полупроводниковых фотоэлементов, химических источников тока и т. д. Известны способы получения электрической энергии в несколько этапов, например, в процессе химической реакции выделяется тепловая энергия, которую переводят с помощью специальных преобразователей либо сразу в электрическую, либо в механическую, а затем в электрическую энергию.

Взаимное преобразование различных видов энергии обычно сопровождается определёнными тепловыми потерями, при работе различных бортовых потребителей всегда выделяется тепло, которое во всех случаях должно отводиться с борта аппарата.

Единственной возможностью отвода тепла в космическом пространстве без выброса массы является излучение. Тепло может излучаться непосредственно со специально оребрённой поверхности аппарата или с помощью специальной конструкции в виде оребрённых трубок, по которым протекает теплоноситель, соединённых в плоские цилиндрические или конические панели (рис. 5.4). У энергетических установок, так называемые холодильники – излучатели трубчаторебристого типа (рис. 5.5), являются одним из самых значительных по массе и габаритам элементом. Доля их массы по отношению к массе установки в зависимости от её типа и мощности может составлять от 0,3 до 0,7.

Существуют ещё два способа отвода тепла с борта аппарата:

– выброс вещества, когда тепло уносится в пространство в виде кинетической энергии и теплосодержания выбрасываемой массы;

– поглощение тепла веществами при фазовых превращениях (испарение, сублимация).

Для этих способов на борту необходимо иметь определённый запас рабочего тепла, пропорциональный количеству отводимого тепла.

Химические источники тока. В химических источниках тока (ХИТ) энергия окислительно-восстановительных процессов, протекающих между электродами, превращается в электрическую. К химическим источникам тока относят: гальванические элементы (однократного действия); аккумуляторы (многократного действия); топливные элементы.

Из последовательно и параллельно соединённых элементов и аккумуляторов образуют батареи.

В настоящее время применяются следующие аккумуляторные батареи:

– серебряно-цинковые (СЦ) – состоят из положительных (серебро) и отрицательных (окись цинка) электродов, заключённых в целлофановые сепараторы и помещенных в пластмассовый корпус, залитый электролитом (40 % раствор едкого калия);

– серебряно-кадмиевые (СК) – подобны СЦ аккумулятору; в качестве отрицательного электрода используют кадмий;

– никель-кадмиевые герметизированные (НКГ) – изготавливаются в виде дискового, цилиндрического и галетного типов в стальном корпусе; положительным электродом является гидрат окиси никеля, отрицательным – кадмий.

С 1985 года началась успешная эксплуатация никель-водородных батарей, которые по сравнению с никель-кадмиевыми при том же уровне мощности имеют меньшую (на 30 %) массу, технические характеристики перечисленных выше аккумуляторов приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1