Системы терморегулирования

Конкурентом никель-водородных батарей, благодаря таким достоинствам, как продолжительная работа при высоких удельных характеристиках, отсутствие самозаряда, большим КПД, являются батареи тепловых элементов (ТЭ). ТЭ – электрохимический генератор, состоящий из пористых электродов, находящихся в сосуде с электролитом. К электродам непрерывно подводится топливо: к отрицательному – горючее, к положительному – окислитель. В результате процессов диссоциации и ионизации топлива, происходящих на поверхности катализаторных электродов образуется разность потенциалов. В качестве окислителя используют кислород, воздух и сильные окислители, а горючего – водород и любое углеводородное вещество в газообразном, жидком и твёрдом виде. ТЭ могут быть с твёрдым электролитом (двуокись циркония и др.) и жидком (раствор едкого калия и др.)

Наибольшее применение нашли кислородно-водородные ТЭ с жидким электролитом. Мощность разрабатываемых батарей ТЭ лежит в пределах от 10 Вт до десятков киловатт. В настоящее время происходит испытание батарея ТЭ мощностью 3 кВт с регенерацией рабочего тела, использующей твёрдый полимерный электролит.

Известны биохимические элементы (БЭ), в которых необходимое топливо для окислительно-восстановительных процессов получают из различных органических веществ (кислот жирного ряда, мочевины, растительных и животных отбросов) при введении в них бактериальной флоры, вызывающей процессы брожения. Лучшие образцы БЭ пока имеют малую мощность на единицу площади (доли ватт на 1 см²), но низкая стоимость и большой срок службы БЭ делают их перспективными источниками систем электроснаб-жения.

Физические источники тока (ФИТ) служат для непосредственного преобразования тепловой или лучистой энергии в электрическую. К ним относят следующие генераторы: фотоэлектрические; термофотоэлектрические; термоэлектрические; термоэмиссионные; атомные батареи.

Фотоэлектрические генераторы или солнечные батареи преобразуют лучистую энергию Солнца (фотоны) в электрическую энергию постоянного тока путём фотоэффекта (рис. 5.6).

Солнечная батарея представляет собой кремниевый генератор с прямоугольными раскрывающимися панелями общей площадью 1...21 м² (рис. 5.7). Она состоит из большого числа одинаковых элементов (до 80 000 шт.), каждый из которых представляет тонкую пластинку, вырезанную из сверхчистого монокристаллического полупроводникового кремния.

Элементы солнечных батарей весьма чувствительны к воздействию космической радиации. Чтобы предохранить поверхность батарей от абразивного действия элементарных частиц и метеоритов, их покрывают тонким слоем (0,5 мм) защитного материала. Кремниевые элементы размещены на сетке из стекловолокна, натянутой на каркас из Амг6 или углепластика. Сетка пропитана клеем для придания ей жесткости. Имеется другой вариант мещения панелей БС на каркасе сотовой конструкции. Такая конструкция представляет собой сформированную из фольги толщиной десятые доли миллиметра ячеистую структуру. Эта структура, совместно с наклеенной на неё полиамидной плёнкой, обладает высокой жёсткостью, которой так не хватает панелям на этапе выведения спутника на орбиту. Кремниевые пластины подвергаются специальной обработке, в результате которой на поверхности пластинок образуется слой так называемого n типа. После обработки каждая пластинка имеет две области n и p с противоположными механизмами проводимости. Когда на такую поверхность попадают солнечные лучи, то между слоями возникает поток электронов и образуется разность потенциалов. Батарея объединяется электрическими соединениями и токосборными шинами. Для получения заданных значений тока и напряжения элементы объединяются в параллельно-последовательно соединённые секции. С целью повышения надёжности секции разделены блокирующими диодами.

В настоящее время используются монокристаллические кремниевые элементы n-р типа. Они обладают большой радиационной стойкостью по сравнению с фотоэлементами р-n типа. Кремниевые пластины выпускаются следующих размеров 1 × 2, 2 × 2, 2 × 4, 2 × 6 см, толщиной 0,2…0,17 мм. В общем случае стоимость единицы поверхности элемента уменьшается с увеличением их размеров.

Максимальный КПД кремниевых элементов не превышает 15 %. Мощность их, приходящаяся на 1 м² поверхности батареи, составляет 100…140 Вт.

В тени солнечные батареи не вырабатывают электроэнергии. Поэтому в СЭП спутника включена так называемая буферная аккумуляторная батарея. Она заряжается, когда спутник освещён Солнцем, и питает электроэнергией приборы и системы, когда КА находится в тени. Буферная батарея служит не только накопителем, она исключает возможные колебания в потреблении энергии.

Срок активного существования ИСЗ зависит от долговечности солнечных батарей. Ухудшение характеристик последних вызвано воздействием бомбардирующих их протонов и нейтронов. С целью снижения разрушающего воздействия потока частиц солнечные элементы покрывают слоем кварцевого стекла или защищаются микроэкранами с цезиевой добавкой.

Термофотоэлектрический генератор преобразует тепловую энергию излучателя в электрический ток с помощью фотоэлементов. Исследуется возможность повышения КПД до 30 % при мощности 10 Вт/см² за счет использования оптических фильтров и специальных отражателей, осуществляющих возврат непоглощенного фотоэлементами излучения к излучателю.

Термоэлектрический генератор (ТЭГ) – в нем прямое преобразование тепловой энергии в электрическую энергию постоянного тока основано на явлении возникновения термо-ЭДС в полупроводниках или металлических спаях (термопарах) под действием разности температур. Горячие спаи термоэлементов располагаются около источника тепла, холодные охлаждаются путем отвода тепла в космическое пространство. Термоэлементы батареи ТЭГ изготавливаются из соленоидов, теллуридов свинца и висмута, их сплавов.

Термоэмиссионный (термоионный или термоэлектронный) генератор (ТЭМГ), преобразует тепловую энергию в электрическую постоянного тока на основе явления эмиссии электронов нагретым катодом в межэлектродное пространство. Известны ТЭМГ трёх видов: 1) вакуумные; 2) газонаполненные; 3) плазменные. Катоды ТЭМГ изготавливают из вольфрама, титана, молибдена и карбидов тугоплавких материалов, а аноды из меди, никеля, циркония и др.

Требования к системе электропитания связных ИСЗ непрерывно повышаются в связи с усложнением бортового ретрансляционного оборудования. Примером может служить система электропитания международной спутниковой системы связи «Intelstat», выходная мощность которой повысилась с 40 Вт («Intelstat-1») до 1 кВт («Intelstat-V»). Влияние на характеристики ИСЗ (в том числе и на систему энергопитания) оказывают средства доставки на орбиту: космический самолет или разгонные ступени.

Развитие современных систем электропитания ведётся по следующим направлениям:

– повышается срок службы и плотность энергии широко применяемых никель – кадмиевых батарей (до 26 Вт∙ч/кг);

– создаются принципиально новые химические источники тока: успешно эксплуатируются на «Intelsat-V» никель-водородные батареи, плотность энергии которых при емкости 50 А∙ч составляет 57 Вт∙ч/кг. Находятся в стадии разработки серебряно-водородные батареи, которые по сравнению с никель – кадмиевыми должны при том же уровне мощности иметь массу на 60 % меньше. Проходят испытания батареи топливных элементов на твёрдом полимерном электролите;

– совершенствуются солнечные элементы (начинаются разработки элементов толщиной до 50 мкм, которые позволят довести значение плотности мощности солнечных батарей до 1 кВт/кг в то время, как обычный солнечный элемент, покрытый слоем кварца, имеет удельную плотность мощности 100 Вт/кг) и конструкции солнечных батарей. Так исследуемые гибкие раскручиваемые и раскладываемые солнечные батареи, ориентируемые на Солнце, будут иметь удельную мощность 35...60 Вт/кг, а в перспективе 110 ... 200 Вт/кг;

– исследуется возможность применения инерциальных высокоскоростных маховиков, которые могут обеспечить плотность энергии 35...45 Вт∙ч/кг, однако здесь серьёзной проблемой является наличие вращающихся моментов.

Системы терморегулирования

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. 6.1). У энергетических установок, так называемые холодильники – излучатели трубчаторебристого типа (рис. 6.2), 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.

Терморегулирование на борту спутника может быть активным или пассивным. В пассивных системах терморегулирование поверхности блоков аппаратуры, оборудования и всей конструкции ИСЗ могут быть обработаны специальным образом с целью повышения или понижения излучательной способности d и лучепоглощательной способности ε. Используются также в пассивных системах теплоизолирующие материалы, представляющие собой, например, многослойные тонкие майларовые плёнки или капроновую плёнку с алюминиевым слоем, нанесённым методом вакуумного напыления. Между корпусами оборудования с высоким уровнем выделения тепла и поверхностями их крепления применяются материалы с повышенной теплопроводностью.

Активная система терморегулирования имеет следующий состав:

– чувствительные элементы, контролирующие температуру в опреде-лённых точках;

– электронные блоки системы автоматического регулирования, выраба-тывающие управляющие сигналы;

– исполнительные органы, непосредственно воздействующие на тепловые процессы;

– теплообменные агрегаты, обеспечивающие излучение в окружающее космическое пространство избыточного количества теплоты.

Теплообменный агрегат обычно содержит:

– теплообменник;

– средства приведения в движение теплоносителя (насосы, вентиляторы);

– органы регулирования интенсивности теплообмена и т. п.

Теплообменники применяются газожидкостные, жидкосно-жидкосные, радиационные.

Регулирование интенсивности теплоотвода в окружающее пространство может осуществляться с помощью жалюзи, открывающих или закрывающих радиационный теплообменник, гидравлических или газовых клапанов, изменяющих скорость циркуляции теплоносителя в жидкостном контуре или газа внутри аппарата.