Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


Тенденции развития космической энергетики

Космическая энергетика начала развиваться одновременно с космической техникой и успешно обеспечивает выполнение всех задач космическими аппаратами различного целевого назначения. При этом если выведение КА в космос и все виды их движения там осуществляются в основном с помощью химических ракетных двигателей, то для выработки электроэнергии на борту КА используются энергетические установки (ЭУ) на базе разнообразных источников энергии — химических, ядерных и солнечного излучения.

Для получения электроэнергии при кратковременных полетах на обитаемых космических аппаратах применяются энергоустановки на основе электрохимических ге нератов (ЭХГ) с водороднокислородными топливными элементами. При мощности порядка единиц—десятков киловатт и времени работы от нескольких дней до 1 —1,5 месяцев ЭУ на основе ЭХГ имеют высокие удельные энергомассовые показатели (до 50 Вт/кг) и могут эффективно применяться на пилотируемых орбитальных КА многоразовых ТКС. Однако их использование на КА других космических систем, с продолжительностью активного функционирования более 2—3 месяцев, является нецелесообразным в связи со сложностью заправки таких ЭУ в космосе криогенными компонентами топлива и повышенной опасностью эксплуатации, особенно на пилотируемых КА. Таким образом, область их применения в будущем ограничена.

Более перспективны регенеративные ЭУ на базе ЭХГ, но для их работы необходим источник электрической или тепловой энергии, т. е. эти установки следует рассматривать скорее как преобразователи и накопители энергии систем с источником, имеющим большой ресурс.

На ряде автоматических КА нашли применение ядер ные энергетические установки (ЯЭУ) — радиоизотопные и реакторные. Их основные достоинства — автономность, длительный ресурс работы, принципиальная возможность достижения высоких значений КПД, компактность — обусловлены исключительно высокой энергоемкостью ядер ного горючего.

При использовании на низкоорбитальных КА ЯЭУ не создают большого аэродинамического сопротивления, что позволяет снизить энергомассовые затраты на коррекцию параметров орбиты. Кроме того, они обладают высокой устойчивостью к действию факторов космической среды. В табл. 1.3 обобщены проектные и реальные параметры радиоизотонных и реакторных ЯЭУ, опубликованные в отечественной и зарубежной печати.

Анализ показывает, однако, что применение радиоизотонных ЯЭУ с неуправляемой реакцией радиоактивного распада при мощностях свыше 10 кВт становится экономически невыгодным, а эксплуатация реакторных ЯЭУ, мощность которых практически неограниченна, затруднена в связи со сложностью обеспечения радиационной безопасности, особенно на ДОС. Применение теневой радиационной защиты не решает проблемы полностью, а круговая (глобальная) защита существенно ухудшает энергомассовые показатели ЯЭУ. Это, в частности, видно из сравнения удельных масс турбогенераторных реакторных ЯЭУ для пилотируемых и непилотируемых КА (табл. 1.3).

От недостатков, присущих химическим и ядерным ЭУ, свободны солнечные энергетические установки (СЭУ), занимающие лидирующее положение в современной космической энергетике. Йх достоинства определяются свойствами солнечного излучения; которое представляет собой стабильный и практически неиссякаемый источник энергии, сравнительно безопасный для организма человека, обладающий высоким энергетическим потенциалом. Неудобства, связанные с необходимостью использования крупйогабаритных коллекторов солнечного излучения вследствие его низкой плотности, компенсируются простотой и эффективностью фотоэлектрических преобразователей, которые используются на подавляющем большинстве отечественных и зарубежных КА.

В табл. 1.3 представлены достигнутые массоэнергетические показатели фотоэлектрических СЭУ, которые, как видно, значительно превосходят аналогичные (в основном проектные) параметры большей части ЯЭУ. Заметим также, что в настоящее время теоретически доказана и экспериментально подтверждена возможность дальнейшего существенного улучшения характеристик фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии.

Практика эксплуатации СЭУ показала, что отсутствие на борту КА первичного источника энергии позволяет избежать многих сложных проблем, возникающих , при создании и эксплуатации химических и яДерных ЭУ, дает возможность повысить надежность и безопасность бортовой системы энергопитания, хотя одновременно приводит и к некоторым негативным последствиям. В частности, нужно постоянно ориентировать СЭУ на Солнце, а при полетах по частично затененным орбитам необходимо иметь на борту буферный источник электроэнергии (обычно химический) для питания потребителей. Эти обстоятельства несколько снижают эффективность применения СЭУ, однако преимущества использования внешнего источника энергии оказываются значительно более существенными.

В связи с этим встает вопрос о целесообразных путях дальнейшего развития космической энергетики. Сегодня она сформировалась как энергетика автономная: каждый КА имеет на борту собственную электростанцию и ограниченный запас химического топлива для двигательной установки. Такой ход развития космической энергетики представляется достаточно закономерным и имеет много общего с развитием энергетики на Земле.

Действительно, для земной энергетики от этапа использования мускульной силы животных (одной «лошадиной силы») до изобретения и широкого применения паровых машин и других тепловых двигателей характерно пространственное объединение производителей и потребителей энергии. В таком объединении есть определенные преимущества, в частности более или менее продолжительная независимость от внешних факторов, что в ряде случаев повышает эффективность функционирования потребляющих энергию объектов. Не случайно и сегодня значительная часть транспортных средств, применяемых для грузовых и пассажирских перевозок, использует автономные тепловые двигатели.

Однако по мере развития производственной деятельности человечества все более проявлялись и недостатки автономного энергоснабжения — необходимость подвоза больших масс топлива к потребителям, сложность использования машин, производящих энергию, для обеспечения ею множества рассредоточенных в пространстве потребителей и т. д.

Выход из этого положения дало открытие электричества, которое позволило осуществить то, что не удавалось осуществить другими способами, — передавать энергию на большие расстояния и эффективно распределять ее между потребителями. В течение нескольких десятилетий развития централизованного энергоснабжения мощность отдельных электростанций, следуя за потребностями промышленного производства, транспорта, связи и других отраслей человеческой деятельности, возросла на 2—3 порядка и измеряется сейчас миллионами киловатт. В этом проявилась диалектическая закономерность развития земной энергетики.

Важно отметить, что В. И. Ленин, который уделял огромное внимание вопросам электрификации Советского государства и считал план ГОЭЛРО второй программой партии, в течение ряда лет разрабатывал и стремился воплотить в жизнь идею централизации производства и распределения электроэнергии, видя в этом залог ее удешевления и рационального использования для развития государственной экономики. Централизация и электрификация в его представлении были неразделимы. Эти ленинские идеи нашли свое воплощение в окончательном варианте плана ГОЭЛРО, а затем — в создании Единой энергетической системы СССР, эффективность которой получила мировое признание [33, 56].

Есть основания полагать, что в период освоения космоса как новой сферы деятельности человечества развитие энергетики, в данном случае космической, пойдет тем же путем.

Уже сегодня становится очевидным, что с ростом мощности космических энергетических и двигательных установок всех существующих сейчас классов и типов их присутствие на борту КА все в большей мере будет затруднять выполнение аппаратом целевых задач с требуемой эффективностью.

В случае установок, использующих в качестве источника энергии химические реагенты, это связано с относительно низкой энергоемкостью последних, следствием чего является ограниченный ресурс работы установок этого типа и необходимость их дозаправки с целью увеличения продолжительности функционирования КА. Длительное хранение на борту химического топлива снижает безопас floctb эксплуатации КА, а при наличйй криогенных Компонентов требует еще и значительных затрат энергии для их термостатирования.

Применение ядерных энергетических и двигательных установок создает опасность радиационного доражения космонавтов, повреждения конструкции и аппаратуры КА, усложняет его взаимодействие с другими космическими объектами. Наличие в составе ядерных установок тяжелой радиационной защиты приводит к необходимости уменьшения массы полезной нагрузки на борту аппарата и т. д.

Наконец, крупногабаритные коллекторы солнечных установок, которые должны быть постоянно ориентированы на Солнце, затрудняют управление космическим аппаратом при выполнении целевых задач, делают его более уязвимым к воздействию внешних факторов.

Эффективность и экономичность применения автономных энергоустановок снижается еще и в связи с неравномерностью энергопотребления на борту КА. Установку приходится либо переразмеривать в расчете на максимальную потребляемую мощность, либо включать в состав системы энергопитания тяжелые накопители энергии. В ряде случаев КА прекращает активное функционирование (или существование), в то время когда ЭУ еще далеко не выработала свой ресурс.

В автономных двигательных установках с разделенным рабочим телом и источником энергии необходимость использования тяжелых энергоустановок, например ядерных, приводит к невозможности получения большой тяги двигателя и увеличению времени полета.

Перечисленные и некоторые другие недостатки автономной космической энергетики могут быть в значительной мере устранены при переходе к централизованному энергоснабжению космических систем, т. е. тем же путем, каким были преодолены трудности в развитии земной энергетики при открытии электричества. Очевидно, однако, что использование электрического тока для транспортировки энергии в космосе по проводам является совершенно неэффективным и нереальным. Речь может идти только о беспроволочной передаче энергии.

Идея беспроволочной передачи энергии сама по себе не нова. Предполагается, что впервые ее высказал в конце прошлого века (1893 г.) известный югославский ученый Н. Тесла, Который считал реализацию такого способа передачи энергии крупнейшей проблемой электротехники, но не смог найти пути ее практического решения [52].

В значительно более завершенном виде вопросы передачи энергии с помощью электромагнитного излучения высокой частоты были рассмотрены спуЬтя полвека академиком П. JI. Капицей [32].

Однако лишь после создания мощных лазеров и генераторов СВЧизлучения, силовых адаптивных оптических систем и фазированных антенных решеток появилась реальная возможность дистанционной передачи энергии в виде остронаправленного излучения оптического и радиодиапазона. Применение таких устройств позволяет транспортировать энергию на. сколь угодно большие расстояния с минимальными потерями, осуществлять оперативное обслуживание большого числа потребителей с помощью одной линии энергопередачи за счет возможности быстрой переориентации луча, использовать новые эфективные процессы преобразования энергии на обоих концах линии ее передачи. Это и дает OCHQBY ДЛЯ перехода к новому этапу в развитии космической энергетики, этапу централизованного снабжения энергией космических систем от крупных специализированных энергетических объектов — космических энергостанций (КЭС).

КЭС будут объединяться в системы с целью наиболее эффективного и экономичного обеспечения энергией всей совокупности космических средств различного целевого назначения. Таким образом, в эпоху индустриализации околоземного пространства там наряду с информационными, промышленными, транспортными и строительномонтажными системами неизбежно должны появиться энергетические космические системы (ЭКС), обеспечиваю щие централизованное производство и распределение энергии. Это представляется естественной и диалектически закономерной перспективой развития космической энергетики, не исключающей в то же время возможности использования и автономных ЭУ на тех объектах и в тех условиях, где это будет целесообразно.

В качестве источников первичной энергии, которая должна быть преобразована в лазерное или СВЧизлуче ние, на КЭС можно использовать ядерные или термоядерные реакторы либо солнечное излучение. Ряд специалистов высказывается в пользу ядерных и термоядерных КЭС, аргументируя это главным образом тем, что в космосе будет легче решить некоторые проблемы, которые возникают при создании мощных электростанций такого типа на Земле. В числе этих проблем называют сложность ликвидации радиоактивных отходов ядерных энергостанций, необходимость создания высокого вакуума и применения больших по размерам конструкций в термоядерных станциях и др. [37, 66]. При этом предполагается, что масса и стоимость ядерных и термоядерных КЭС в перспективе могут быть несколько меньше, чем солнечных [21, 68].

Не пытаясь критиковать такие предложения, ибо это потребовало бы отдельного исследования, заметим лишь, что те факторы, которые препятствуют широкому распространению ЯЭУ в современной космической энергетике, не теряют своего значения и при оценке перспектив создания более мощных ядерных КЭС. Что же касается термоядерных станций, то известно, что в техническом аспекте проблема управляемого синтеза легких ядер еще далеко не решена в земных условиях и обсуждать вопрос о выносе термоядерных реакторов в космос, видимо, просто преждевременно.

Да и нужно ли их туда выносить, если природа создала в космосе прекрасный саморегулируемый термоядерный реактор, который надежно и устойчиво работает и будет работать еще миллиарды лет! Достаточно высокая эффективная температура излучающей поверхности Солнца (около 6000 К) принципиально позволяет преобразовывать его энергию с КПД, близким к 100 %, используя для этого простые устройства типа тех, которые широко и успешно применяются в космической энергетике уже более четверти века. Если добавить к этому, что в космосе отсутствуют многие факторы, которые препятствуют достижению высокой экономической эффективности земной гелиоэнергетики (облачность, чередование дня и ночи и пр.), то становится очевидным вывод о целесообразности использования солнечного излучения в качестве основного источника энергии для КЭС.

Не случайно К. Э. Циолковский считал овладение солнечной энергией одной из главных задач покорения космоса и связывал это с использованием ее для перемещения людей по всей солнечной системе, развития промышленности и «удобств жизни» в космическом пространстве [63].

Таким образом, есть все основания полагать, что развитие космической энергетики в период индустриализации околоземного космоса пойдет по пути создания сети солнечных космических энергостанций, предназначенных для централизованного энергоснабжения различных космических систем путем направленной передачи энергии к ним в виде лазерного или СВЧизлучения.

Преобразование энергии направленного электромагнитного излучения в другие виды энергии, главным образом электрическую и тепловую, будет осуществляться с помощью специальных устройств, разработка которых уже ведется в настоящее время. Весьма существенно что КПД таких устройств принципиально может быт, очень большим (в идеальном случае 100 %). В сочетании с высокой плотностью излучения в пучке это позволяет значительно сократить размеры приемных устройств по сравнений, например, с размерами колекторов солнечного излучения.

В целом системы приема и преобразования энергии лазерного и СВЧизлучения должны быть компактнее, легче, проще и эффективнее существующих автономных энергоустановок.

Мощность отдельных СКЭС будет увеличиваться постепенно, в соответствии с потребностями производства "энергии на разныхэтапах индустриализации космического пространства (табл. 1.2). Это означает, что появлению сверхмощных станций, связанному с выносом в космос опасных для биосферы земных производств, включая энергетику, должно предшествовать создание СКЭС значительно меньшей мощности, измеряемой вначале, вероятно, сотнями и тысячами киловатт. Такие СКЭС будут предназначаться для обеспечения энергией, информационных, промышленных и мёжорбитальных транспортных систем для передачи энергии лазерное излучение.

Только после этого наступит очередь создания СКЭС мощностью сотни и тысячи мегаватт, передающих энергию на Землю в СВЧдиапазоне длин волн. Их появление будет обусловлено главным образом необходимостью биосферы от опасных последствий нарастающего энергопотребления на Земле, в первую очередь от «теплового загрязнения». Строительство таких СКЭС должно вестись на базе уже достаточно развитой космической индустрии с использованием опыта сооружения станций меньшей мощности.

Все это неозначает, однако, что обсуждениеконцепции будущих крупномасштабных СКЭС, котороеактивно ведется в последние годы, является преждевременным и ненужным. Напротив, это позволяет увидеть и понять те трудности, с которыми придется столкнуться при создании СКЭС различных поколений, наметить пути и способы их преодоления. С учетом данного обстоятельства в следующих разделах книги основное внимание уделено анализу проблем и проектов СКЭС большой мощности, которые должны передавать энергию на Землю. Многие вопросы при этом имеют достаточно общий характер, и их рассмотрение направлено на выяснение принципиальных особенностей развития будущей космической гелйоэнергетики.

Грилихес В. А. Солнечные космические энергостанции — Л.: Наука, 1986. — 182 с.

Экспертиза

на главную