История электротехники

Среди многочисленных зарубежных фирм, занятых разработкой систем энергопитания космических аппаратов на базе СБ, следует отметить: «Boing», «Lolar Space Systems», «Fokker Space and Systems», «The Aerospace Corporation», «TWR» (США); «Mitsubishi Corporation Spacecraft» (Япония) и др.

Крупным шагом в освоении космического пространства является создание международной космической станции «Альфа». На первом этапе будет осуществлен запуск функционального грузового блока и сервисного модуля с энергопитанием от солнечных панелей площадью около 60 (8 кВт) и 75 м (10 кВт) соответственно. В дальнейшем на научно-энергетической платформе размеры СБ составят 320 м (43 кВт).

При всех достоинствах СБ, как источников энергопитания в космосе (высокая надежность, отсутствие движущихся частей, простота теплоотвода, радиационная безопасность), нельзя не отметить ряд недостатков. Имея большую площадь, СБ являются источником дополнительного аэродинамического торможения, существенного на низких орбитах, и обусловливают инерционность космического аппарата, снижая его маневренность.

Наряду с основными энергетическими блоками в космической технике находят широкое применение также одноразовые химические источники тока: литиевые, ртутно-цинковые и тепловые для энергопитания различных вспомогательных устройств и систем непродолжительного действия [8.41, 8.51–8.53].

Рассматривая систему электрообеспечения космических аппаратов, следует упомянуть также весьма важное функциональное звено, обеспечивающее эффективное использование электроэнергии на борту. Это экономичные электронные регуляторы и стабилизаторы, позволяющие оптимально согласовывать выходные характеристики СБ, аккумуляторов и нагрузки; производить восстановительные циклы аккумуляторных батарей, а также осуществлять диагностику всех составных частей системы энергопитания. В частности, НПО «Полюс» (Томск) при участии ГНПП «Квант» разработаны соответствующие электротехнические устройства мощностью от сотен ватт до десятков киловатт, обеспечивающие требуемое преобразование электроэнергии с КПД более 92%.

Работы по одному из новейших направлений энергетики — ядерной энергетике для применения в космическом пространстве были начаты почти одновременно в СССР и США в конце 50-х — начале 60-х годов еще на начальном этапе исследования и освоения космического пространства. В нашей стране непосредственным побудительным мотивом разработки космических ядерных энергетических установок (ЯЭУ) послужила необходимость обеспечить КА систем военной разведки достаточно мощными и ресурсоспособными (с выходной электрической мощностью порядка нескольких киловатт и ресурсом работы не менее нескольких месяцев) бортовыми энергетическими установками. При выборе источников энергопитания для КА энергоемкость и компактность ядерных (реакторных) источников энергии сыграли определяющую роль. Проведенные в последующие годы научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по реакторным ЯЭУ космического назначения позволили более точно сформулировать преимущества наиболее перспективных типов ЯЭУ в сравнении с солнечными энергетическими установками: лучшие массогабаритные характеристики; отсутствие зависимости генерируемой мощности от положения КА по отношению к Солнцу; возможность работы на форсированных режимах при электрической мощности в 2–2,5 раза больше номинальной при слабой зависимости массы ЯЭУ от уровня форсирования, что имеет первостепенное значение при выборе источников энергоснабжения для космических средств межорбитальной транспортировки полезной нагрузки.

На начальной стадии разработки космических ЯЭУ рассматривались реакторные ЯЭУ как с динамическими (паро- и газотурбинными), так и с безмашинными (термоэлектрическими, термоэмиссионными) системами преобразования тепловой энергии, генерируемой в ядерном реакторе ЯЭУ, в электрическую энергию. В конечном итоге для конкретных условий использования КА была реализована схема ЯЭУ с термоэлектрическим преобразованием. Первые орбитальные испытания разработанной в нашей стране космической ЯЭУ такого типа массой около 1000 кг с быстрым реактором и термоэлектрическим генератором электрической мощностью около 3 кВт были проведены в конце 60-х годов. ЯЭУ этого типа затем использовались в качестве бортового источника энергии на спутниках серии «Космос» (получивших на Западе обозначение RORSAT). Всего за два десятилетия на орбиту было запущено свыше 30 ЯЭУ трех модификаций.

Важнейшим этапом последующего развития отечественной космической ядерной энергетики была разработка ЯЭУ типа «Топаз» с термоэмиссионным реактором-преобразователем (РП), открывшая возможность кардинального повышения электрической мощности и ресурса ядерных бортовых источников энергии. Создание космических ЯЭУ на основе термоэмиссионного РП, объединяющего функции ядерного реактора и генератора электрической энергии в пределах единой конструкции, представляло собой несравненно более сложную научно-техническую задачу, чем реализация электрической системы с раздельными реактором и генератором.

Итогом работ, выполненных по программе создания термоэмиссионной ЯЭУ «Топаз» первого поколения, были орбитальные испытания двух летных образцов ЯЭУ. Испытанная в космическом пространстве ЯЭУ «Топаз» с РП на промежуточных нейтронах имела полезную электрическую мощность около 6 кВт при напряжении постоянного тока на зажимах РП 32 В, длину 4,7 м при максимальном диаметре 1,3 м, массу (без пусковых аккумуляторных батарей) 1200 кг. Первый в мире космический запуск термоэмиссионной ЯЭУ состоялся в феврале 1987 г. («Космос 1818»), второй в июле 1987 г. («Космос 1867»). В этих орбитальных испытаниях был достигнут годовой ресурс работы реакторной ЯЭУ в условиях космического пространства — мировой рекорд, не превзойденный до настоящего времени. Единственная зарубежная реакторная ЯЭУ, запущенная в космическое пространство в 1965 г. (ЯЭУ SNAP-10A с термоэлектрическим преобразованием энергии, США), отработала на орбите 43 сут при существенно меньшей, чем у ЯЭУ «Топаз», номинальной электрической мощности (около 500 Вт). Если суммарная мощность электроэнергии ЯЭУ SNAP-10A за время функционирования на орбите составила около 500 кВт, то первая и вторая ЯЭУ «Топаз» выработали около 20 и 50 тыс. кВт соответственно, т.е. в 40–100 раз больше.

Эти итоги свидетельствуют о том, что космическая ядерная энергетика оформилась в России как самостоятельная отрасль атомной энергетики. В стране создана кооперация предприятий и соответствующая организационная и промышленная инфраструктура, обеспечивающие весь цикл изготовления, отработки, испытаний и запуска ЯЭУ в составе КА. Успехи, достигнутые этой кооперацией в.области создания космических ЯЭУ, до настоящего времени не превзойдены специалистами других стран; по оценкам иностранных специалистов опережение Россией других стран, работающих в этой области (США, Франция), составляет около 10 лет. Свидетельством этого признания является получение русскими учеными Г.М. Грязновым и В.Я. Пупко в 1994 г. на ежегодной конференции по космической ядерной энергетике в г. Альбукерке (США) памятного знака «За феноменальные достижения в области космической ядерной энергетики».

В последние годы усилия российских разработчиков были ориентированы главным образом на разработку проектов термоэмиссионных ЯЭУ типа «Топаз» второго поколения. В процессе выполнения программы работ по космическим термоэмиссионным ЯЭУ этого типа выявились такие возможности разработанной схемы термоэмиссионных ЯЭУ, которые позволяют рассматривать ЯЭУ типа «Топаз» второго поколения как базу для последующего развития ЯЭУ космического назначения, отвечающих перспективным энергетическим потребностям космической техники.

Перечень возможных применений ЯЭУ на КА ближайшего будущего включает целый ряд задач, основными из которых являются развитие глобальной спутниковой связи, экологический мониторинг, космическое производство материалов, межорбитальная транспортировка грузов, полеты к кометам и астероидам и т.д. В качестве примера использования ЯЭУ в составе КА подобного назначения и обеспечиваемых ими возможностей может быть приведена прорабатываемая в настоящее время глобальная спутниковая система связи и вещания «Космическая звезда». Эта система предполагает размещение на геостационарной орбите орбитальных групп из нескольких информационных КА, оснащенных рядом ретрансляторов с энергопотреблением 15–30 кВт. Термоэмиссионная ЯЭУ «Топаз старт» как бортовой источник энергии в этой системе, превышающий по мощности возможности солнечных батарей, в сочетании с перспективными решениями в построении радиотехнического комплекса космического сегмента позволяют создать систему, которая обеспечит в глобальных масштабах максимальные услуги для потребителя. Система предусматривает предоставление услуг фиксированной и подвижной системы связи, экологического мониторинга среды, информации о стихийных бедствиях и крупных авариях, контроль за посевами и лесными массивами, телевизионного (в том числе высокой четкости) и звукового вещания. Она позволит осуществлять контроль и наблюдение за протяженными топливопроводами, перемещающимися транспортными средствами, перевозками грузов; обмен компьютерными программами на региональном и континентальном уровнях, а также передачу любых видов информации в реальном масштабе времени. Возможна организация связи в глобальной зоне по принципу «каждый с каждым» независимо от места нахождения абонента как без выхода, так и с выходом в наземные сети общего пользования. Ожидается, что затраты на разработку системы окупятся за 2–2,5 года, при этом тарифы на предполагаемые услуги не превышают принятых тарифов эксплуатируемых в мире систем.