Гидродинамические термоэмиссионные преобразователи энергетических установок космических аппаратов со сверхдлительным сроком активного существования

На данном этапе развития ракетно-космической техники и космонавтики особую актуальность приобретает разработка крупногабаритных космических летательных аппаратов (КЛА) с длительным сроком службы. Данные КЛА необходимы для комплексного исследования Луны, организации исследовательских автоматических и пилотируемых миссий к планетам Солнечной системы, в том числе к Марсу, борьбы с космическим мусором, обеспечения электропитания крупных научных инструментов, например, орби-

* © Колычев А. В., Керножицкий В. А., 2017

тальных телескопов, предупреждения об астероидной опасности, поиска и добычи полезных ископаемых на различных космических телах и др. При этом важным фактором решения таких задач является применение отечественных технологий на полностью отечественной элементной базе.

Предполагается, что в основе энергообеспечения указанных КЛА будет система с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую энергию. Поэтому разработка и совершенствование таких систем электрообеспечения также является актуальной.

Разработчики систем прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию сталкиваются с рядом технических проблем, например, с проблемой обеспечения длительного ресурса таких преобразователей – источников электрической энергии на борту. Классические термоэмиссионные системы [1] имеют в своем составе малый межэлектродный зазор, что негативно сказывается на надежности такой системы преобразования в течение длительного срока службы порядка 10–15 лет. Так, для реализации турбомашинного преобразования [2] в составе энергетической установки КЛА требуется ряд новых технологических решений, например, обеспечение высоких оборотов ротора турбины на основе использования магнитных подшипников. Существуют также магнитогидродинамические (МГД) системы преобразования тепловой энергии в электричество [3], которые обладают такими недостатками, как низкий КПД при относительно высоких температурах рабочего тела (^ 2200 градусов Цельсия) и малый ресурс электродов в рабочей зоне. Поэтому актуальным является поиск новых методов преобразования тепловой энергии в электрическую энергию повышенной надежности, простоты и долговечности для использования в энергосистемах КЛА различных видов с длительным сроком активного существования.

В БГТУ разработан и исследуется новый тип гидродинамических термоэмиссионных преобразователей (ГИТЭП) [1, 2], в основу которых положен процесс организации в активной зоне термоэмиссионного преобразователя высокоскоростных потоков инертных газов (СИП). Разработка ГИТЭП реализуема полностью на отечественной элементной базе с использованием научного задела, опережающего научные заделы других стран на 5–10 лет.

Устройство ГИТЭП заключается в том, что в активной зоне ТЭП организуется течение СИП с высокой скоростью. Это достигается тем, что на входе в зазор между катодом и анодом ГИТЭП устанавливается сопло, выходное сечение которого через зазор связано с входным отверстием диффузора. А выходное отверстие диффузора через источник подогрева рабочего тела (инертных газов) посредством трубопровода связано с входным сечением сопла. При этом в трубопроводе, соединяющем диффузор и сопло, установлен вспомогательный анод-сетка, предназначенный для восприятия оставшихся электронов эмиссии и перенаправления их обратно на катод.

При нагреве катода, например, от бортового источника тепловой энергии происходит эмиссия электронов, которые переносятся на анод посредством СИП. То есть при движении СИП образуется проводящий слой, через который электроны переходят с катода на анод. При этом большая их часть воспринимается на выходе из активной зоны посредством вспомогательного анода-сетки, что обуславливает низкую зависимость термоэлектронной эмиссии от величины межэлектродного зазора.

В качестве исходных элементов для СИП могут выступать легкоионизированные элементы или соединения, например, цезий, барий. Может быть также использована плазма инертных газов.

Устройство ГИТЭП представлено на рис. 1.

Мировая новизна и работоспособность ГИТЭП подтверждены патентом на изобретение № 2538768 и патентом на полезную модель № 139811.

Разрабатываемый ГИТЭП обладает следующими достоинствами:

• 1.    Наличие СИП обуславливает перенос электронов за счет движения СИП за время, при котором не происходит существенного рассеяния энергии электронов, что позволяет получить высокие электрические характеристики преобразования.

• 2.    Наличие СИП также приводит к ликвидации пространственного заряда над поверхностью эмиссии, что позволяет поддерживать достаточно большой зазор (до 5 см и выше) между катодом и анодом при тех же и лучших теплоэлектрофизических характеристиках преобразования по сравнению с классическим ТЭП. При этом функционирование ГИТЭП не зависит от формы электродов, которая может меняться в течение всего срока существования, и отсутствует потребность в дистанциаторах. Это приводит к существенному повышению надежности и долговечности системы преобразования при применении любого источника тепловой энергии, обеспечивая ресурс в 15-20 лет и более непрерывной работы.

• 3.    Можно использовать относительно недорогие материалы эмиссионных слоев. При этом более высокое значение работы выхода таких материалов по сравнению с классическим цезиевым ТЭП компенсируется ликвидацией пространственного заряда посредством движения СИП с большими скоростями и увеличением размеров эмиссионной поверхности без ущерба для надежности и долговечности ГИТЭП.

• 4.    СИП также приводит к устранению из зазора технологических газов и других веществ, характерных для устройства функционирования источника тепловой энергии КЛА.

• 5.    За счет движения СИП над поверхностью катода происходит снос пространственного заряда по направлению движения СИП, что снижает потери напряжения между катодом и анодом и обуславливает рост КПД преобразования. По предварительным оценкам, суммарный КПД преобразования может составлять 30–35 %. Вклад в данное значение вносит передача кинетической энергии движения СИП электронам эмиссии.

  
  

■_■ ИССЛЕДОВАНИЯ

Havko-

Ж ГРАДА

№ 3 (21) 2017

Том 1

Рис. 1. Принципиальная схема устройства ГИТЭП:

1 – катод, 2 – электроизоляция катода, 3 – оболочка ядерного топлива, 4 – ядерное топливо, 5 – анод, 6 – электроизоляция анода, 7 – система охлаждения анода, 8 – сверхзвуковое щелевое сопло, 9 – сверхзвуковой щелевой диффузор, 10 – нагреватель, 11 – анод-сетка, 12 – токовывод анода, 13 – потребитель электрической энергии, 14 – токоввод катода, 15 – электроизоляция,

16 – трубопровод циркуляции рабочего тела, 17 – трубопровод системы охлаждения анода, 18 – теплообменник, 19 – насос, 20 – бак для хранения рабочего тела, 21 – бак для хранения охладителя анода, 22 – клапан, 23 – клапан, 24 – обратный клапан

Таким образом, на основе применения ГИТЭП появляется возможность создания новых энергетических установок с прямым преобразованием тепловой энергии в электричество повышенной надежности и долговечности, способных обеспечить длительное автономное существование крупногабаритных КЛА в ближнем и дальнем Космосе.

Предлагаемые в настоящей статье технические решения обладают технологической простотой, базируются на применении отечественных материалов и уникальных отечественных технологий. Это обуславливает высокую надежность создаваемых на их основе энергетических установок и сокращают сроки их отработки и ввода в эксплуатацию.

ГИТЭП может стать основой для создания транспортного энергетического модуля и орбитального буксира, крупногабаритных КЛА, в том числе орбитальных платформ для сборки на орбите крупногабаритных конструкций со сверхдлительным сроком активного существования, других объектов ракетно-космической техники, предназначенных для решения основных задач исследования и освоения Солнечной системы.