Савченко Григорий Борисович. Космические энергоустановки

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ.

§ 1.1. ПОЛЕТЫ В КОСМОСЕ И ТИПЫ ДВИГАТЕЛЕЙ

В основе науки о движении летательных аппаратов в космосе, т. е. о движении тел переменной массы, лежит соотношение, называемое формулой Циолковского

где

-- скорость истечения рабочего тела из двигателей (относительно летательного аппарата),

V₁ и V₂ - начальная и конечная скорости аппарата соответственно,

М_н и М_к - начальная и конечная масса аппарата.

Формула соответствует простейшему случаю, т. е. при отсутствии внешних аэродинамических, гравитационных сил, а масса корабля меняется только за счет истечения рабочего тела.

Это соотношение сразу показывает возможность обеспечения больших скоростей полета летательных аппаратов заданной массы М_к путем увеличения скорости истечения при одновременном увеличении начальной массы, т. е. как бы сочетанием "активного" воздействия с "пассивным".

Придание летательному аппарату определенной скорости, а тем самым, и определенной кинетической энергии является единственным на сегодняшний день технически реальным путем преодоления сил земного притяжения.

Из условия равенства центробежной силы, действующей на тело, находящееся вблизи Земли и сил ее притяжения можно определить ряд характерных скоростей:

- первая космическая скорость, которую необходимо превзойти для длительных полётов вблизи Земли.

- вторая космическая скорость, которую необходимо превзойти для обеспечения межпланетных полётов.

- третья космическая скорость, которую необходимо превзойти для выхода из сферы ыпритяжения Солнца.

Из этих известных положений выявляются 4 главных типа космических полетов:

-- взлеты и посадки на планеты;

-- полеты у планет;

-- межпланетные;

-- межзвездные полеты.

Соответственно определяются и главные типы двигателей:

-- взлетно-посадочные (кратковременно работающие);

-- маршевые (либо кратковременно работающие, либо непрерывно и длительно работающие).

В действительности полеты в космосе более сложны, т. к. КЛА может испытывать посторонние воздействия. Поэтому добавляются:

-- двигатели коррекции;

-- двигатели ориентации (для поддержания заданного положения относительно КЛА).

Часто в зависимости от отношения тяги, развиваемой ДУ, к массе КЛА, двигатели разбивают на две группы:

- большой тяги (взлетно-посадочные, маршевые большой тяги кратковременного действия)

- малой тяги (маршевые длительного действия, стабилизирующие и двигатели коррекции).

В зависимости от отношения тяги маршевого двигателя и массе КЛА принципиально меняются траектории и время перелетов.

Расчет рациональных траекторий перелетов и вопросы их оптимизации являются задачами космонавтики. При рассмотрении космических двигательных установок требуется учитывать ряд принципиальных положений.

Остановимся, прежде всего, на возможностях космических полетов.

Для определения возможности достижения различных скоростей и высот с помощью аппаратов с различными двигательными установками, можно воспользоваться диаграммой Зенгера.

Рис. 1. Диаграмма Зенгера.

Ряд характерных расстояний от Земли.

-- Техническая граница атмосферы

-- Расстояние до Луны

-- Расстояние до Солнца

-- Расстояние до границ Солнечной системы

-- Расстояние до соседней планетной системы

Ряд характерных скоростей

-- Скорость звука

-- Скорость света в вакууме

-- Граница аэродинамических возможностей

-- Первая космическая скорость V_I

-- Вторая космическая скорость V_II

-- Третья космическая скорость V_III

-- Предел по нагреву ЛА

-- Кривая предельной дальности при длительности полета 10 лет в один конец.

-- Кривая предельных перегрузок (a=2g).

Ряд характерных областей

a. Аэродинамические полеты

b. Падение ЛА при отсутствии тяги

c. Кратковременные полеты у Земли с использованием тяги

d. Сгорание ЛА в связи с аэродинамическим нагревом

e. Область спутников

f. Длительный разгон

g. ЛА с химическими двигателями

h. ЛА с ядерными реактивными двигателями

i. ЛА с электрореактивными двигателями

j. ЛА с ДУ, использующими продукты деления и синтеза

k. ЛА с фотонно - аннигиляционными ДУ

l. Большие ускорения

С падением плотности несущая способность крыльев уменьшается, даже с увеличением скорости. С увеличением скорости быстро увеличивается температура заторможенного потока. Поэтому область 2 -- область низких высот и значительных скоростей -- запретна.

Область d -- определяющая все возможные длительные полеты спутников Земли.

Область b -- перелеты (кратковременные полеты у Земли) с использованием тяги.

Рассматривая длительность полетов вдали от Земли разумно ограничить их длительность 10-тью годами в один конец. Это условие определяет кривую 13 -- предельную дальность полета. В диапазоне скоростей, близких к скорости света, ее характер резко меняет релятивистские эффекты.

Другое ограничение -- величина предельного ускорения аппарата. Принимая, а=2g, получаем кривую 14.

Область, ограниченная кривыми 9, 11, 13, 14 -- по существу ограничивает весь диапазон возможностей полета человека в космосе.

§ 1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЭНЕРГОДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК.

Хотя в настоящее время основным классом космических энергодвигательных установок являются химические ракетные двигатели, в последнее время успешно мрименяются и другие типы двигателей, в частности электрореактивные и даже солнечные паруса. С классификацией энергодвигательных установок можно ознакомиться по рис. 2.

Рис. 2. Классификация космических двигателей.

Для химических РД величина удельной тяги ограничивается принципиальными положениями -- долей полного теплосодержания РТ, преобразованного в сопле в кинетическую энергию. Причем доля определяется совершенством организации процессов протекания рабочих процессов в двигателе, а само полное теплосодержание зависит только от теплотворной способности смеси горючее-окислитель. Теплотворная способность пары горючее-окислитель ограничена.

Введем коэффициент, оценивающий долю массы вещества, превращенной в кинетическую энергию к энергетическому эквиваленту этой массы:

0x01 graphic
.

Отсюда вытекает соотношение Зенгера для скорости аппарата, позволяющее оценить совершенство его двигательной установки:

0x01 graphic
.

Для наиболее эффективных реакций сгорания 0x01 graphic

, т. е.

Любой газ, или смесь газов имеет определенное полное теплосодержание, J=CpT часть которого может быть превращено в кинетическую энергию и при обычной температуре. Это позволяет говорить о двигателях вообще, без камеры сгорания, чисто расширительных, т. е. газовых. Следует помнить, что даже при использовании в качестве рабочего тела Н₂, в них нельзя достичь удельной тяги > 250 с. Такие двигатель используются как двигатели ориентации и стабилизации.

Если однокомпонентное рабочее тело нагревать, то эффективность (удельная тяга) двигателя резко улучшается. Такой нагрев (без сгорания) стал возможен с появлением ядерных реакторов деления тяжелых элементов (Рис. 3). Естественно, чем выше температура активной зоны, тем выше удельная тяга двигателя:

тип реактора	твердая активная зона	жидкая активная зона	газообразная активная зона
удельная тяга	Р=10³-10⁴ кПа ~ 800 с Р<10² кПа ~ 1100 с	~1500 с	2000-3000 с

Рис. 3. Ракетный двигатель с подогревом рабочего тела в активной зоне.

1. Бак. 2. Клапан подачи. 3. Сопло. 4. Активная зона. 5. Насос.

Для комбинированных двигателей (подогрев в активной зоне с последующим сжиганием) удельная тяга не превышает импульса реакторов с твердой активной зоной.

Производя ускорение рабочего тела не газодинамически (в сопле), а с применением электрического и магнитного поля, можно разгонять предварительно ионизированное рабочее тело, или нейтральную (в целом) плазму. В таких двигательных установках, ввиду разделения источника энергии (электрические станции) и устройства для подвода энергии и рабочего тела, можно добиться высоких скоростей истечения и, соответственно, высоких значений удельной тяги -- 2000-20000 с и даже более.

Таким образом, одним из классификационных признаков может быть способ ускорения рабочего тела:

-- термические (с газодинамическим ускорением);

-- электростатические;

-- электромагнитные.

Этот класс двигателей часто называют "электрореактивные двигатели". Они имеют относительно сложную внутреннюю классификацию, представленную на рис.

В установках таких типов соответствующие значения коэффициента превращения

и отношения

могут достигать соответственно 10^-8 и 10^-4.

Принципиальная схема и основные узлы электрореактивных (электрических) ДУ в общем виде представлена на рис. 4.

Частные случаи - на рис. 5 - 7.

0x08 graphic

Рис. 4. Принципиальная схема и основные узлы космических двигательных установок.

Рис. 5 Теплообменный электрореактивный двигатель.

1 - Источник тока; 2 - нагреватель; 3 - чехол; 4 - корпус; 5 - экраны; 6 - подвод РТ

Рис. 6 Электродуговой реактивный двигатель.

1 электрическая дуга 2 магистраль подачи рабочего тела 3 поток рабочего тела.

Рис. 7. Ионный реактивный двигатель.

1 -- подача рабочего тела; 2 -- поток рабочего тела

Все рассмотренные двигатели использовали энергию деления ядер лишь при предварительном его превращении в тепловую.

При использовании непосредственно кинетической энергии продуктов распадающихся ядер коэффициент превращения энергии резко возрос бы до

, т.е.

Пока создание таких двигателей нереально, но теоретически возможны двигатели следующих типов:

-- с последовательным взрывом ядерных зарядов;

-- с использованием тяговых парусов;

-- с непосредственным использованием продуктов синтеза легких элементов;

-- фотонные, с использованием реакции аннигиляции;

-- солнечный парус.

Каждый из рассмотренных в данной главе двигателей, обладает характерной величиной ускорения ЛА.

Для взлетно-посадочных задач реально использовать только химические двигатели, ядерные с реактором деления и с высоким давлением РТ и взрывные двигатели. Все прочие могут быть использованы как маршевые при межпланетных перелетах и как корректирующие и стабилизирующие при полетах спутников.

Отдельный вопрос - источники энергии и преобразователи энергии, применяемые на КЛА. Их классификация представлена на рис. 8.

Рис. 8. Классификация энергетических установок космических аппаратов.

§ 1.3. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ДВИГАТЕЛЬНУЮ УСТАНОВКУ.

Основная величина, характеризующая двигатель -- развиваемая им тяга R, определяемая величиной полного секундного импульса газа Ф, текущего со скоростью

в выходном сечении двигателя площадью F:

0x01 graphic
, где

М -- массовый секундный расход;

Р -- давление газа в выходном сечении двигателя.

Для оценки экономичности расходования рабочего тела, создающего тягу, пользуются понятием удельной тяги R_уд, т. е. тяги к единице массы секундного расхода рабочего тела:

0x01 graphic
;

0x01 graphic
.

R_O -- газовая постоянная; Т_С -- температура на срезе сопла.

Определение габаритных размеров двигателя обычно ведут, используя понятие удельной мидельной тяги:

. Важен при наличии внешнего аэродинамического сопротивления движению ЛА (для спутников Земли).

Следовательно:

Удельная масса, отнесенная к тяге:

Ускорение, придаваемое двигателем КЛА:

-- период работы двигателей.

Удельная масса ДУ, отнесенная к мощности истекающей струи, т.е. ее кинетической энергии:

G -- массовый секундный расход.

Если энергоустановка вырабатывает электрический ток иных параметров, чем требуется для ДУ, то неизбежны потери мощности в системе преобразования тока.

0x01 graphic
.

Эффективный КПД используется для определения степени использования электрической энергии в ДУ:

Величина электрической мощности связана с полной тепловой мощностью, используемой для получения электрического тока.

, для теплообменника ДУ

-- потери на всех участках электрической цепи (джоулево тепло).

-- подведенная к рабочему телу мощность.

-- потери на теплоотдачу в элементы конструкции.

-- полное теплосодержание рабочего тела.

-- потери энергии при идеализированном разгоне рабочего тела, т. е. при превращении полного теплосодержания в идеализированную кинетическую энергию струи.

-- термический КПД учитывает потери с унесенным потоком (например, потери на диссоциацию и ионизацию без последующей рекомбинации).

-- потери скорости в разгонном устройстве по сравнению с идеализированной.

ГЛАВА 2. ИСТОЧНИКИ БОРТОВОЙ ЭНЕРГИИ.

В принципе, в настоящее время в космических энергоустановках используется три типа источников энергии:

- химические;

- ядерные (аккумуляторы ядерной энергии, иначе - ядерно - энергетические устройства);

- солнечные (на основе солнечных концентраторов либо фотоэлектрических преобразователей).

Химические источники энергии целесообразнее рассмотреть в разделе, посвященном преобразователям.

§ 2.1. АККУМУЛЯТОРЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ (ЯДЕРНО - ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА)

Аккумуляторы ядерной энергии являются самыми энергоемкими.

Процессы, при которых выделяется энергия, делятся на: радиоактивные превращения; реакции деления тяжелых ядер, синтеза легких ядер, аннигиляции частиц и античастиц (вещества и антивещества).

Основные проблемы, связанные с использованием ядерной энергии, -- изучение и выбор наилучших веществ-носителей ядерной энергии, а также изучение и совершенствование способов ее высвобождения и (если это требуется) преобразование в другие виды энергии.

§ 2.1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Классифицировать ядерно - энергетические устройства можно по следующим признакам:

-- Тип ядерной реакции (распада, деления, синтеза, аннигиляции).

-- Назначение устройства.

-- Тип первичного преобразователя.

-- Характер работы во времени (стационарный, импульсный).

-- Возможность регулирования (саморегулирующиеся, нерегулирующиеся, регулирующиеся).

-- Геометрия активной зоны.

-- Вид ядерного горючего.

-- Фазовое состояние ТВЭЛ (тепловыделяющих элементов).

-- Вид теплоносителя.

-- Наличие воспроизводства ядерного горючего.

-- Уровень мощности.

-- Конструктивные признаки.

-- Конструкция защиты.

-- Стоимость вырабатываемой энергии.

-- Надежность функционирования.

§ 2.1.2. РАДИОИЗОТОПНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

§ 2.1.2.1. УСТРОЙСТВО, КЛАССИФИКАЦИЯ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Радиоизотопными источниками называют устройство, в котором осуществляется радиоактивный распад соответственного изотопа с последующим преобразованием продуктов распада в тепловую энергию.

Радиоизотопные источники тепла (радиоизотопные генераторы) используются преимущественно как первичные источники тепловой энергии для последующего получения электрического тока, или иных преобразователей. Вместе с тем, они могут быть использованы и непосредственно в качестве источника тепла для обогрева различного оборудования, специальной аппаратуры. Это целесообразно на длительно функционирующих обитаемых КЛА, при создании обитаемых баз и автоматических станций на Луне и других планетах. Возможно также применение радиоизотопных источников тепла для создания микродвигателей.

Достоинства: независимость действия от окружающих условий, относительная простота, маленькая масса и габаритные размеры, длительная и надежная работа в условиях космоса.

Недостатки: высокая стоимость, невозможность влияния на ход радиоизотопного распада (и, соответственно - на мощность) и необходимость удовлетворения требований по обеспечению радиационной безопасности при обслуживании на Земле, в стартовых условиях и космическом полете.

Устройство сравнительно простое. Такой генератор -- обычно цилиндрическая ампула, наполненная чистым изотопом, его химическим соединением, или смесью (сплавом) с каким-либо наполнителем, улучшающим механические и термические свойства зоны тепловыделения. Продукты радиоактивного распада имеют высокую кинетическую энергию. Эта энергия в результате полного торможения продуктов распада переходит в тепло, которое потом используется тем, или иным путем. С целью обеспечения радиационной безопасности ампула делается герметичной и вставляется еще в 1-2 также герметичные оболочки, служащие также для защиты от механических и коррозионных повреждений. Характерной особенностью радиоизотопных ампул является наличие свободного пространства для выделяющихся газообразных продуктов распада, продуктов разложения химического наполнителя и химических соединений.

Основной классификационный признак радиоизотопных реакторов -- вид радиоактивного распада. Существуем множество естественных и искусственных радиоактивных элементов. Известны и изучены несколько видов радиоактивного распада:

?-распад, при котором ядро испускает ?-частицу -- ядро атома гелия;

?-распад, который на три типа:

-- электронный, когда ядро испускает электрон и антинейтрино;

-- позитронный, когда испускается позитрон и нейтрино;

-- электронный захват, т.е. захват ядром электрона с K и L оболочек.

Теоретически возможен двойной ?-распад, при котором одновременно испускаются 2 электрона и 2 позитрона, однако этот вид распада пока достоверно не обнаружен.

Возможно самопроизвольное деление тяжелого ядра на 2 осколка, являющимися, как правило, ядрами элементов середины таблицы Менделеева.

Кроме того, в редких случаях встречается нейтронный распад.

Возможен в принципе также протонный и двухпротонный распады.

Большинство видов распадов всегда, а другие -- иногда, сопровождается ? -излучением.

В космической и радиоизотопной энергетике в настоящее время используются только ?- и ?-излучатели.

§ 2.1.2.2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА

По существующим представлениям атомные ядра состоят в основном из 2-х видов элементарных частиц: протонов и нейтронов, обладающих примерно одинаковой массой и связанными между собой ядерными силами, характеризуемыми энергией связи ядра Е_св. основная масса ядра сосредоточена в его ядре. При этом объем ядра составляет примерно 1/триллионную объема атома.

z - число протонов в ядре (атомный N химического элемента).

N - число нейтронов.

В большинстве ядер z ? N; z + N = А -- массовое число ядра. Общее название указанных частиц -- нуклоны.

Ядра, имеющие одно и то же z при различных значениях А называют изотопами, а при одном N при различных z -- изобарами. Если z и N оба четные, или нечетные числа, ядра соответственно четные - четные, или нечетные - нечетные. В других сочетаниях: четные - нечетные, или нечетные - четные.

Полагают, что ядерные силы притяжения действуют вне зависимости от заряда нуклонов (неэлектрическая природа) и распространяются только на ограниченное число нуклонов, близких к данному (свойство насыщения), имеют характер тензорных сил, зависят от ориентации спинов (векторных моментов количества движения) взаимодействующих нуклонов.

Экспериментально установлено, что масса ядра меньше суммы масс, входящих в него нуклонов на величину ?m, которая служит мерой энергии связи ядра, т.е. той энергией, которую нужно затратить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны, или энергией, выделенной при синтезе ядра из отдельных нуклонов.

?m = zm_p + Nm_n - m_я(*)

Е_св = с²?m (**)

Если ?m выразить в а.е.м., то Е_св = 931?m, МэВ.

Е_св определяется алгебраической суммой отдельных составляющих: положительной энергией ядерных сил Е_я, отрицательной энергией кулоновского отталкивания (между протонами) Е_эл, изотопическим эффектом Е_из, Е_из = Е_из(z,N) и спиновым эффектом Е_с:

(***)

(У четных - четных ядер происходит компенсация спинов нуклонов и энергия связи увеличивается, т. е. а₅> 0, и наоборот. Для нечетных - четных и четных - нечетных ядер а₅ = 0).

Условие существования устойчивых, или радиоактивных ядер вытекает из закона сохранения энергии: полная энергия исходной системы Е_исх = сумме энергий продуктов распада и энергии, выделяющейся при радиоактивном распаде:

(****)

Е_р -- кинетическая энергия продуктов распада, обладающих массой покоя, а также энергию ?-излучения и нейтрино ?. При Е_р < 0 ядро устойчиво.

Благодаря потенциальному барьеру не происходит мгновенного ?-распада, или спонтанного деления, а наблюдается более или менее длительное существование способное к распаду ядер.

?-распад не происходит мгновенно по другой причине: этот процесс принадлежит к слабым взаимодействиям.

Уравнения (*) - (****) позволяют определить не только знак, но и величину Е_р, т. е. определить энергетический эффект радиоактивного распада.

Анализ уравнения (***) показывает, что все элементы с z ™ 84 (Ро) радиоактивны. Вместе с тем для всех элементов с z < 84 существует соотношение между z и А, при котором Е_свприближается к максимуму, и один, или несколько изотопов обязательно устойчивы (исключение - технеций z = 43 и прометий z = 61).

В настоящее время известно около 1500 изотопов, из которых устойчивы 300. Подавляющее большинство изотопов получено искусственным путем. Естественных радиоактивных изотопов известно 40, до урана включительно.

Опытным путем установлено, что число распадов в единицу времени, т. е. скорость распада, или активность пропорциональна числу радиоактивных ядер N_я, сохранившихся на данный момент:

-- постоянная распада;

-- средняя продолжительность жизни изотопа, или вероятность распада в данный момент.

Интегрируя, получаем:

Период полураспада:

Есть изотопы, которые могут распадаться несколькими разными независимыми путями с различными

Изменение активности изотопа:

§ 2.1.2.3. ТЕПЛОВАЯ МОЩНОСТЬ РАДИОИЗОТОПНОГО ИСТОЧНИКА. РЕГУЛИРОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ

При выборе радиоизотопов для энергоустановки необходимо учитывать: период полураспада, полезно использованную энергия распада, наличие ?-излучения (особенно жесткого), совместимость, теплопроводность, температура плавления, плотность, практические возможности получения и стоимость.

Период полураспада Т_1/2равен для различных изотопов от нескольких месяцев до десятков лет.

Т_1/2и

вместе с полезно используемой энергией распада определяют удельную мощность, т. е. тепловую мощность, отнесенную к единице массы чистого изотопа:

0x01 graphic
(1)

Считается, что

-- полезно реализуемая энергия распада.

-- линейный коэффициент ослабления ?-излучения (особо важен для ?-излучателей).

Основные пути получения радиоактивных изотопов:

-- выделение различными радиохимическими методами из продуктов деления энергетических размеров или бриддерных размеров, производящих Pu;

-- облучение определенных элементов нейтронными потоками в резервуарах с образованием цепочек реакций и ?-распадов.

Например, для получения Ро²¹⁰, Ku²⁴² и Со⁶⁰ необходимо провести облучение нейтронным потоком в ядерных резервуарах соответственно Wi²⁰⁹ (образующиеся ядра Wi²¹⁰ испытывают ?-распад и превращаются в ядра Ро²¹⁰, Ku²⁴¹ (Cm²⁴¹) и Со⁵⁹.

В принципе, энерговыделение радиоактивных изотопов не поддается регулированию. Однако для радиоизотопов генератора можно добиться регулировки мощности в пределах нескольких % в результате смешения различных изотопов и эффектов внутренней самоактивации смеси.

0x01 graphic

В зависимости от комплексного параметра С под

- относительно m; V.

Электрическая мощность, генерируемая преобразователем тепла должна быть постоянной (или иметь несколько постоянных уравнений) в течение заданного времени работы

. Однако, вследствие распада, мощность тепловыделения радиоизотопного источника тепла со временем снижается. (рис. 9. )

Рис. 9. Характер изменения радиоизотопного источника тепла во времени.

Мощность энергоустановки можно регулировать следующими способами:

-- Сбросом избытка электрической мощности.

-- Сбросом избытка тепловой Qизб мощности до

-- Комбинацией 1 и 2.

-- Аккумулированием избыточно вырабатываемого тепла с последующим его использованием.

Для долгоживущих изотопов (Pu²³⁸, Sr⁹⁰) задача N_эл=const практически не возникает, однако для этих изотопов характерно относительно невысокое тепловыделение. Это значит, что требуется увеличение массы и габаритов радиоизотопного источника.

Рассмотрим подробнее способы регулировки.

-- Регулирование сбросом тепловой мощности:

0x01 graphic
(2)

0x01 graphic
(3)

Для данного изотопа выгодно иметь 0x01 graphic

при заданной

среди изотопов с приблизительно равными

выбирать

, или

С учетом (2) и (3) максимальная электроэнергия и генерируемая постоянная электрическая мощность:

0x01 graphic
;

Максимум

по

весьма пологий. Так, отклонение

, или

на 10% от оптимального приведет к падению

Оценим порядок

при

% и

для ?-излучателей, имеющих

. Получим

, т. е. более чем на 3 порядка больше, чем энергоемкость лучших из химических источников энергии -- топливных элементов.

Рис. 10. Схема устройства для излучения избыточной тепловой мощности из зоны тепловыделения:

1 - теплоизлучающая поверхность; 2- заслонка; 3 - ампула с изотопом; 4 - термоэлементы; 5 - тепловая изоляция.

-- Регулирование сбросом электрической мощности.

В радиоизотопных энергоустановках, как правило, используются прямые преобразователи тепла ТЭЛП (термоэлектрические преобразователи) и ТЭМП (термоэлектрические магнитные преобразователи), в которых Т_г и Т_х уменьшаются со временем вследствие уменьшения тепловой мощности энергоустановки.

Анализ энергетического баланса ТЭЛП и ТЭМП показывает, что Т_г изменяется пропорционально тепловой мощности (у ТЭМП несколько слабее), а Т_х уменьшается медленно. Последнее объясняется тем, что отводимая излучением мощность, согласно закону Стефана-Больцмана пропорциональна Т_х⁴.

С изменением температурного режима изменяется и КПД преобразователя. У ТЭМП и ТЭЛП влияние Т_г и Т_хна

происходит по-разному и определяется многими факторами. При Т_х=const КПД ТЭЛП снижается медленнее, чем ТЭМП преобразователя, за исключением случаев, когда Т_ог столь высока, что происходит существенная потеря термоэлектрических свойств проводников. Тогда с уменьшением Т_г

ТЭЛП может увеличиться вначале.

Будем считать, что в качественном отношении

ТЭЛП и ТЭМП следует за изменением Т_г и N_т.отн. Согласно (1) относительное изменение подводимой тепловой мощности зависит от

. Следовательно,

преобразователей тоже является функцией этого произведения, обратно пропорциональной.

Максимум электроэнергии, определенный уравнением (2) будет соответствовать условию:

0x01 graphic
(4)

Логарифмическая производная отрицательна, и при данном способе регулирования получим, что 0x01 graphic

, т. е. целесообразно назначать 0x01 graphic

и выбирать изотопы, для которых

, или

Расчеты показывают, что 0x01 graphic

. Избыток энергии при

сбрасывается при помощи реостата с переменным сопротивлением. Наиболее температуронапряженный режим установки соответствует

. Поскольку на этот режим должны быть рассчитаны все элементы горячей зоны, то в течение всего

конструкция оказывается термически недогруженной.

По заданной электрической мощности энергоустановки можно определить массу, объем и потребное число ядер радиоактивного изотопа.

Сопоставляя оба способа регулирования, можно отметить следующее:

-- Преимущество регулирования сбросом тепловой мощности в том, что производитель работает на постоянном оптимальном режиме с

. Это обеспечивает наиболее высокие при прочих равных условиях относительные параметры энергоустановки

. Особенно резко это преимущество проявляется у установок с ТЭМП, у которых при регулировании сбросом электрической мощности

в конце работы может быть в 3-5 раз ниже максимального.

-- Недостатком регулирования сбросом тепловой мощности по сравнению с электрической, является большая величина поверхности излучения тепла из зоны тепловыделения. Этот недостаток относится в основном к установкам с ТЭЛП, имеющими по сравнению с ТЭМП более низкую температуру зоны тепловыделения.

-- Из сказанного следует, что регулирование энергоустановок с ТЭМП как правило должно осуществляться путем сброса тепловой мощности. Для энергоустановок с ТЭЛП в ряде случаев предпочтительней оказывается регулирование путем сброса электрической мощности.

§ 2.1.2.4. КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАДИОИЗОТОПНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ И ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ИХ ОСНОВЕ

Принципиальное устройство радиоизотопного источника тепла понятно из рис. 11

Рис. 11. Радиоизотопный генератор SNAP - 3B:

1 - изотоп Ро²¹⁰: 2 - внутренняя оболочка; 3 - наружная оболочка; 4 - корпус блока; 5 - пробка; 6 - пространство для выделяющихся газов.

Во всех случаях к радиоизотопным источникам тепла, работающим в системе энергоустановок, предъявляются требования высокого КПД и длительность ресурса работы (применение долгоживущих изотопов). Требования между собой взаимопротиворечивы. ТЭЛП просты, верхняя температура не большая, высокий ресурс работы, но КПД низкий, порядка 6-8% . ТЭМП имеют значительно более высокий КПД, при температуре 1600-1700 ⁰С. Вместе с тем машины-преобразователи тепла в механическую, а затем в электрическую энергию способны работать (в особенности паротурбинные на органических носителях) при более низких верхних температурах, обеспечивая КПД порядка 20-25%.

§ 2.1.3. ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ ДЕЛЕНИЯ

§ 2.1.3.1. РЕАКЦИИ ДЕЛЕНИЯ ЯДЕР КАК ВОЗМОЖНЫЙ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ КОСМОЭНЕРГОУСТАНОВОК

Для возбуждения деления тяжелого ядра необходима его предварительная деформация. Она может быть вызвана бомбардировкой ядра какой-либо частицей. Бомбардировка ?-частицами, или другими ядрами мало эффективна из-за сил электростатического отталкивания этих частиц. Нейтроны не имеют заряда и следовательно могут легко захватываться тяжелыми ядрами элементов: ²³⁵U, ²³⁹Pu, ³³³U и другими, и вызывать их деление, при котором возникает некоторое количество вторичных нейтронов.

В процессе деления тяжелое ядро расщепляется на два средних ядра -- это осколки деления.

Средние характеристики процесса деления

-- число возникших вторичных нейтронов на одно деление.

-- их средняя энергия (равна порядка 2 МэВ).

-- число вторичных нейтронов на одно поглощение в делящемся веществе.

-- энергия деления (равна энергии осколков + излученная энергия), для ²³⁵U

, из них:

осколков деления, порядка 166 МэВ;

нейтронов деления, порядка 5 МэВ;

энергия мгновенного

-излучения, порядка 6 МэВ;

энергия распада осколков деления, порядка 6 МэВ;

уносимая нейтрино, порядка 11-14 МэВ;

энергия

-излучения осколков деления, порядка 6 МэВ.

В самом реакторе происходит поглощение части этой энергии, кроме того, прохождение первичных излучений сопровождается возникновением и частичным поглощением вторичных излучений, поэтому можно принять: тепловыделение в реакторе, работающем на ²³⁵U на одно деление приблизительно равно 195 МэВ, или

Дж.

Существуют два вида взаимодействия.

1. Потенциальное упругое рассеяние (взаимодействие с поверхностным слоем ядра - мишени).

Потенциальное рассеяние происходит по законам обычного упругого рассеяния, в результате которого ядро не изменяет своего внутреннего состояния, с сохранением полного количества движения системы нейтрон-ядро и суммарной кинетической энергии.

Для столкновения нейтронов с первично покоящимся ядром существует зависимость:

, где

Е₁-- начальная энергия;

Е₂ -- энергия после рассеяния;

А -- массовое число ядра;

V -- угол рассеяния в системе центра инерции.

Таким образом, потеря энергии нейрона после одного упругого столкновения определится из:

0x01 graphic
.

При столкновении с ядром водорода нейтрон может полностью потерять свою кинетическую энергию.

2. Поглощение нейтрона с образованием нового (составного) ядра.

При взаимодействии нейтрона с образованием нового ядра может наблюдаться два случая.

-- упругое рассеяние - когда из ядра вылетает нейтрон с такой энергией, что ядро остается в том же состоянии, что и до столкновения.

-- неупругое взаимодействие, или неупругое рассеяние - ядро после вылета нейтрона остается в возбужденном состоянии; реакция захвата нейтрона; реакция деления. При неупругом рассеянии нейтрон может потерять значительную долю своей начальной энергии независимо от массы ядра, с которым произошло столкновение.

§ 2.1.3.2. УСТРОЙСТВО, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ

Ядерным реакторам деления (ЯРД) называется устройство, в котором осуществляется регулируемая цепная реакция деления ядер под воздействием нейтронов с выделением различных видов энергии, большая часть которой превращается в тепло и отводится потребителям.

Принципиальная схема ЯРД включает в себя: корпус реактора, активную зону с системой компенсации выгорания топлива, а также системы управления и аварийной защиты реактора (отражатель нейтронов, система отвода тепла и внешняя защита).

Рис. 12. Принципиальная схема и устройство энергетического ядерного реактора:

1 - тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ); 2 - обечайка корпуса; отражатель; 4 - сегмент системы регулирования; 5 - нижняя крышка; 7 - вход теплоносителя; 8 - выход теплоносителя: 9 - решетка крепления ТВЭЛ.

Активная зона (АЗ) -- совокупность ядерного топлива и замедлителя (иногда он отсутствует). Ее назначение -- создать условия для осуществления управляемой цепной реакции ядерного деления.

Назначение отражателей -- в уменьшении количества нейтронов, вылетающих за пределы АЗ (главным образом нейтронов, находящихся вблизи поверхности).

Защита необходима для ослабления вылетевших за пределы корпуса реактора нейтронов, а также уменьшения уровня ?-излучения до предела безопасного для обслуживающего персонала, приборов и материалов.

В космической энергетике возможно применение различных ядерных реакторов отличных от друг от друга по ряду каких-либо признаков.

I. По величине энергии нейтронов, делающих основной вклад в осуществление цепной реакции ядерного деления:

-- реакторы на тепловых (медленных) нейтронах (

);

-- реакторы на быстрых нейтронах (

);

-- реакторы на промежуточных электронах (

II. По способу размещения ядерного топлива и замедлителя:

-- гетерогенные (ядерное топливо в виде локальных зон с определенной закономерностью);

-- гомогенные (топливо и замедлитель представляют из себя однородную смесь).

III. По состоянию топлива в активной зоне:

-- твердотопливные, с пылевым топливом, жидкотопливные и с газообразным топливом (газофазные реакторы);

-- по виду теплоносителя: водяные, жидкометаллические, газовые, с органическим теплоносителем, с отсутствием теплоносителя (тепло передается непосредственным контактом и лучеиспусканием).

§ 2.1.3.3. НЕЙТРОННО-ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

1. Упругое рассеяние

Из составного ядра (ядро + n¹) вылетает n¹с такой энергией, что ядро остается в том же состоянии, что и исходное.

2. Неупругое рассеяние

После попадания n¹ и вылета из ядра-мишени n¹ с меньшей Е_n, последнее оказывается в возбужденном состоянии. Переход в невозбужденное состояние сопровождается изменением ?-кванта:

Ряд неупругих столкновений приводит к уменьшению Еn, т.е. замедляет их, делает тепловыми. Реакция деления на тепловых нейтронах более вероятна, чем на быстрых.

3. Радиационный захват

Ядро находится в возбужденном состоянии до тех пор, пока избыток энергии не выделится в виде одного или нескольких ?-квантов. Получается новый изотоп с массовым числом на единицу больше исходного:

В данной реакции может образоваться новый вид ядерного топлива, которое может быть использовано либо самостоятельно, либо наряду с основным топливом при работе ЯРД.

;

4. Деление ядра.

По существующим представлениям многие эффекты, возникающие в ядрах атомов объясняются действием сил Кориолиса. Они проявляются при движении масс по поверхности вращающегося тела. В настоящее время достаточно точно установлено, что некоторые ядра (в особенности тяжелые, с массовым числом А=150 и выше) не обладают сферической симметрией, а имеют форму эллипсоида с отношением большого диаметра к малому равно 1,1-1,3. Динамическое поведение таких ядер понять легче, чем поведение сферических. Для возбуждения реакции деления необходима дополнительная, причем значительная, деформация ядра. Последняя может возникнуть за счет взаимодействия ядра с

, т. е. с элементарной частицей не имеющей заряда, и поэтому легко им захватывающейся. В результате возникает реакция деления по следующей схеме:

-- количество нейтронов, выделяющихся при делении (

Осколки деления -- ядра радиоактивных изотопов с массовыми числами от 72 до 160. Они, в свою очередь, распадаются с испусканием нейтронов,

-частиц, нейтрино и ?-квантов. Осколки сильно ионизированы, поэтому они хорошо взаимодействуют с остальной массой топлива и конструкционными материалами, отдавая им свою кинетическую энергию. Часть ?-кванта,

-частиц и энергии

также идет на разогрев активной зоны.

Энергия деления намного превышает энергию, выделяемую при радиоактивном распаде. Нейтроны, испускаемые при радиоактивном распаде можно разделить на 2 группы: мгновенные (99%), запаздывающие, которые испускаются в результате

-распада осколков. Образование запаздывающих нейтронов имеет большое значение для регулирования реактора.

При прохождении нейтрона сквозь ядерное топливо протекают реакции всех 4х типов, но они не равновероятны. Вероятность реакции количественно характеризуется количеством процессов, приходящихся на одно ядро и один нейтрон имеет размерность площади, называется микроскопическим поперечным сечением:

0x01 graphic
см² на ядро,

С -- число взаимодействий нейтронов с ядром в единицу времени;

J -- число нейтронов, падающих на площадку в один см² за единицу времени;

N_o -- число ядер на площади в один см², размещенных в один слой.

Эффективное поперечное сечение, отнесенное к общему числу ядер, заключенных в одном см³, называется макроскопическим поперечным сечением:

0x01 graphic
см^-2 ,

N_Я -- плотность ядер (число ядер в одном см³).

Вероятность того, что произойдет любая из рассмотренных выше нейтронно- ядерных реакций определяется суммой вероятностей различных реакций:

-- вероятность реакции рассеяния;

-- вероятность реакции захвата;

-- вероятность реакции деления.

-- вероятность реакции поглощения.

Аналогично

Средняя длина свободного пробега:

;

-- полная длина свободного пробега;

-- для соответствующих реакций.

Вследствие анизотропности рассеяния (особенно для легких ядер), фактическая длина свободного пробега для этой реакции несколько больше величины

Транспортная длина свободного пробега:

0x01 graphic
,

-- транспортное сечение.

Для замедления нейтронов выбирают специальные вещества -- замедлители. Их эффективность характеризуется средней логарифмической потерей энергии

Для А > 3,

Чем больше значение

, тем эффективнее замедлитель.

Для химических соединений, или смесей,

Другая характеристика замедлителя -- замедляющая способность, это произведение средней логарифмической потери энергии

на макроскопическое сечение рассеяния

Третьей наиболее полной характеристикой замедления служит коэффициент замедления -- отклонение замедляющей способности к макроскопическому сечению поглощения:

0x01 graphic
.

Хороший замедлитель должен обладать большим значением

и низким значением

, а также химической стойкостью в нейтронном поле. Наиболее полно отвечают этим требованиям легкие элементы, или их соединения: Н₂, Н₂О, тяжелая вода, графит, бериллий, HLi , гидрит циркония.

Поперечное сечение взаимодействий всех видов существенно зависит от энергии нейтрона, а также от температуры. С увеличением кинетической энергии

уменьшаются. Это определяет характерные признаки быстрых и тепловых реакторов: для обеспечения цепной реакции АЗ быстрого реактора должна иметь высокое содержание (порядка 60-90%) ядерного топлива, но в силу этого его размеры должны быть небольшими.

Существенное влияние на работу теплового реактора оказывает явление резонанса. Оно состоит в том, что на фоне монотонного изменения

по Е_n в ряде случаев наблюдается резкое увеличение

, иногда на несколько порядков, но в сравнительно узком диапазоне изменения энергии. В частности очень сильный резонансный захват наблюдается в диапазоне энергии приблизительно 7эВ. Поэтому для эффективной работы теплового реактора необходимо, чтобы замедлитель имел высокие значения

и k_З, способные уменьшать Е_nскачком от резонансных величин до более низких.

Очень хороший замедлитель - тяжелая вода, но в КА реализуются высокие температуры, в которых эффективны тугоплавкие замедлители.

§ 2.1.3.4. ОДНОГРУППОВАЯ ТЕОРИЯ РЕАКТОРОВ И УСЛОВИЯ КРИТИЧНОСТИ

Проектирование ядерных реакторов включает в себя вариантные нейтронно-физические, тепловые, гидравлические и прочностные расчеты, на базе которых проводится конструкторская проработка выбранного варианта. Все виды расчетов взаимосвязаны. Так, увеличение толщины отдельных элементов реактора облегчает соответствующие конструкторские решения, но может ухудшить физические характеристики активной зоны, приводя к значительному увеличению загрузки делящего вещества. Тем не менее, при разработке любого проекта целесообразно проводить вариантные расчеты, т. е. отдельно нейтронно-физические и отдельно теплогидравлические, имея в виду, что эти расчеты являются взаимосвязанными. На основании стыковки этих расчетов выбирается оптимальный проект, для которого потом проводится проверочный расчет, и уточняются необходимые характеристики.

В задачу нейтронно-физического расчета входит:

-- определение эффективного коэффициента размножения нейтронов в зависимости от вида топлива, применяемых материалов, геометрической формы и состояния реактора;

-- определение распределения потоков нейтронов по активной зоне;

-- установление необходимого запаса реактивности с учетом выгорания, температурного эффекта и т. п.;

-- выбор типа и расчет системы регулирования реактора, обеспечивающий его безопасную работу.

Физический расчет фактически является проверочным, т. к. его можно выполнять, когда известна конструкция и размеры всех элементов реактора, а также физико-химические и технические данные их материалов.

В реакторе баланс нейтронов зависит от соотношения между 4мя конкурирующими процессами: рассеяния, захвата, утечки и деления.

Отсюда реализуются два вида реакторов.

-- Малые реакторы, малозамедлителя - реактор работает на быстрых нейтронах, практически одна группа энергий. Это термоэмиссионный реактор-генератор. Нейтроны убывают за счет поглощения и утечки.

-- Большая доля замедлителя, большие реакторы - нейтроны деления в процессе рассеяния в ядрах замедлителя быстро теряют энергию и приходят в тепловое равновесие с замедлителем. В этом случае деление происходит на тепловые нейтроны - тоже одна группа.

Рассмотрим гипотетический бесконечный реактор с одной группой нейтронов.

Ф - нейтронный поток, независящий от пространственных координат (утечка отсутствует). Полное число поглощений в одном см³ за одну секунду равно

, а в горючем: 0x01 graphic

, где

Количество делений: 0x01 graphic

Число вторичных нейтронов:

, где

-- число вторичных нейтронов на одно деление,

-- число вторичных нейтронов, приходящихся на одно поглощение в горючем,

-- коэффициент размножения бесконечной системы, он равен отношению возникших нейтронов к числу выбывших нейтронов за счет поглощения.

Изменение плотности нейтронов в единицу времени определяется приходом нейтронов в процессе деления и уходом в процессе поглощения:

, где V - скорость нейтрона.

Зависимость потока от времени: 0x01 graphic

Если

, то нейтронный поток возрастает -- надкритический режим; если

, то нейтронный поток убывает -- подкритический режим, в одногрупповом приближении 0x01 graphic

Условия критичности

В реакторе конечных размеров нейтронный поток уменьшается к краю реактора (утечка). Если градиент плотности достаточно мал 0x01 graphic

, то для описания пространственной диффузии справедливы законы Фика.

Уравнение диффузии нейтронов (моноэнергетический поток!):

где S -- мощность источников нейтронов;

характеризуют убыль нейтронов за счет утечки и поглощения.

Коэффициент диффузии (моноэнергетический поток!):

где ? -- угол рассеяния в лабораторной системе.

В преобладающих случаях рассеяние нейтронов в сферической системе координат симметрично, т. е. 0x01 graphic

. Следовательно:

0x01 graphic
.

Замечания.

-- Если использовать усредненные D, S и ?_a (по скорости), то уравнение диффузии можно применять и для описания поведения группы нейтронов в некотором интервале энергий.

-- Уравнение справедливо только для областей с малыми градиентами плотности нейтронов, где 0x01 graphic

(N -- число ядер).

Ограничения (граничные условия).

В областях, где применимо диффузионное приближение (большая часть реактора) есть следующие ограничения:

-- нейтронный поток положителен и конечен (что соответствует конечной мощности реактора);

-- на границе 2-х сред (если среды таковы, что к ним применимо диффузионное приближение) согласно законам диффузии должны быть непрерывны как скалярный поток Ф, так и результирующий поток 0x01 graphic

, т. е. Ф₁=Ф₂ и 0x01 graphic

Эти граничные условия неприменимы к границе с вакуумом или к внешней границе реактора. В этом случае из точного решения следует, что нейтронный поток вблизи пограничного слоя должен иметь определенный ассимптотический ход, т. е. экстраполяция должна приводить в ноль на некотором расстоянии от внешней границы реактора. Расстояние от физической границы реактора до экстраполяционной называется длиной экстраполяции и принимается 0x01 graphic

В одногрупповом приближении мощность источника равна 0x01 graphic

Уравнение диффузии принимает вид:

(**)

В предельном случае бесконечного реактора нейтронный поток Ф не зависит от пространственных координат и 0x01 graphic

обращается в ноль.

В конечном реакторе утечка дает отрицательный вклад в прирост нейтронного потока. Поэтому для критического реактора очевидно 0x01 graphic

. Пусть это условие выполнено. Тогда:

(***)

Здесь

-- диффузионная длина.

Поскольку

, то уравнение (***) можно записать:

, где

-- материальный параметр.

Однако если принять заранее какие-либо определенные размеры конечного реактора, то решение, удовлетворяющее уравнению, не будет удовлетворять граничным условиям. Поэтому следует ввести в рассмотрение так называемый геометрический параметр
и связать его с геометрическими размерами так, чтобы решение уравнения 0x01 graphic

удовлетворяло граничным условиям для данного конечного реактора.

Рассмотрим реактор в виде плоской пластины толщины а? в направлении x и бесконечные размеры в направлениях y и z. В такой пластине нейтронный поток Ф зависит от одной переменной x, которую будем отсчитывать от центра пластины. Уравнение (!!) для потока Ф:

имеет общее решение:

Из соображений симметрии результирующий поток 0x01 graphic

обращается в ноль в центре пластины. Поэтому А₁=0. Граничные условия, требующие обращения Ф(x) в ноль на экстраполируемых границах, 0x01 graphic

приводят к равенству 0x01 graphic

, которое может быть удовлетворено, если положить В_Га=?. Таком образом, геометрический параметр полностью определяется экстраполируемой толщиной пластины и равен: 0x01 graphic

Условие критичности реактора состоит в равенстве материального и геометрического параметров
, откуда для критического реактора имеем:

где

-- отношение числа нейтронов утечки к числу поглощений в реакторе.

Можно показать, что квадрат диффузионной длины L²=1/6 квадрата расстояния, на которое смещается тепловой нейтрон в процессе диффузии в бесконечной среде от места его появления до места его поглощения. Таким образом, чем меньше отношение диффузионной длины L к размеру реактора а, тем меньше вероятность того, что нейтрон в процессе диффузии сместится настолько далеко, что выйдет за пределы реактора, не поглотившись в нем, и тем меньше утечка нейтронов.

Полученное распределение нейтронного потока в критическом реакторе Ф(x)=A₂cos(B_Гx) определено с точностью до постоянного множителя A₂, величина которого определяется исключительно из теплотехнических соображений через удельную мощность в центре реактора Р₀:

Пример. Объем теплового нейтронного реактора V=1 м³; загрузка - 20 кг 0x01 graphic

; удельная мощность в центре реактора Р₀=8 кДж/см³.

Тогда

см^-1и А₂=Ф(0)=1013 нейтр/см²"с. Соответственно для скорости v=2"10⁵ см/с плотность нейтронов n=Ф/v=5"10⁷ нейтр/см³.

Плотность n настолько мала, что взаимодействие нейтронов между собой практически не влияет на их поведение.

Критичность реактора не зависит от плотности нейтронов, и если в реакторе поддерживать одно и то же распределение плотностей и температур материалов и сохранять его форму неизменной, то такой реактор будет оставаться критичным при любом заданном и постоянном во времени уравнении нейтронного потока (т. е. при любой мощности реактора).

Если в критический реактор, работающий в стационарном режиме, ввести некоторое количество вредных поглотителей нейтронов (например, В или Cd), то k_? уменьшится,
станет меньше
, и производная
. Тогда нейтронный поток будет убывать, т. е. реактор окажется в подкритическом состоянии.

Найдем выражение для геометрического параметра реакторов различной формы.

-- Сферический реактор.

;

Граничные условия: Ф(r)=0 в центре и при r=R. Получим А₁=0 и 0x01 graphic

, где

(для экстраполяции).

Для чистых

критическая масса 48 кг, Ь = 8,5 см;

критическая масса 16 кг, Ь = 6 см;

критическая масса 17 кг, Ь = 6 см.

-- Бесконечный по оси цилиндрический реактор.

Ф зависит только от цилиндрической координаты r, равной расстоянию от заданной точки до оси цилиндра:

Общее решение записывается в виде:

, где

J₀ и Y₀ -- функции Бесселя нулевого порядка соответственно 1-го и 2-го рода. Из условий конечности потока Ф(r) в центре реактора и обращения в ноль на экстраполяционной границе при r=R, в центре получаем А₂=0 и 0x01 graphic

, где

. Число 2,405 приближенно равно значению функции J₀ (прямоугольный, параллельный и конечный по высоте цилиндр).

Замедление нейтронов

Ранее были рассмотрены реакторы с одной группой нейтронов. В общем случае требуется рассмотрение процесса замедления и определения пространственно-энергетического хода плотности нейтронов n(r, E).

Если замедлитель содержит не слишком легкие ядра (такие как Н и D), то сброс энергии нейтронов в каждом индивидуальном акте рассеяния невелик, и может быть рассмотрен как процесс непрерывного замедления.

Определим среднюю логарифмическую потерю ? в предположении изотропного рассеяния в системе центра масс:

Рассмотрим процесс замедления в течение небольшого промежутка времени ?t. Предполагая, что за это время число столкновений равно 0x01 graphic

, получим его изменение энергии:

. Для большой совокупности нейтронов имеем: 0x01 graphic

Зависимость Е_n от времени замедления однозначно. В стационарно работающем реакторе при постоянстве нейтронного потока vn(r, E) каждая порция рождения при делении нейтронов проходит определенную временную историю, которая описывается функцией:

, где

q(r,E) -- плотность замедления, которая характеризует число нейтронов, пересекающих в 1 см³ в 1 секунду данную Е в процессе замедления.

Если поглощение нейтронов отсутствует в процессе замедления, то уравнение диффузии для замедления нейтронов примет вид:

Введем переменную: 0x01 graphic

, так что

. Тогда для плотности замедления: 0x01 graphic

. Это уравнение возрастания энергии Ферми.

? имеет размерность площади. Физический смысл -- 1/6 среднего квадрата расстояния, на которое смещается нейтрон от точки его рождения с Е₀ до замедления до Е.

Для бесконечности, не поглощающей быстрые нейтроны среды, утечка и поглощение нейтронов отсутствуют, член

=0, число нейтронов q(E) замедляется в 1 см³ в 1 секунду за Е, не зависит от энергии, равной числу нейтронов Q, рождающихся в 1 см³ в 1 секунду, т. е. q(E)=Q.

Для энергетического хода потока быстрых нейтронов в этом случае имеем:

Такое распределение потока по энергиям называется Фермиевским спектром. Принимается в качестве стандартного для усредненных сечений быстрых нейтронов.

Уравнение критичности реактора в теории возраста: 0x01 graphic

Здесь

, где Е_гр -- некоторая граничная энергия, разделяющая энергетические интервалы быстрых и тепловых нейтронов.

Рассмотрим стационарно работающий реактор и определим n(r, E) так, чтобы величина n(r, E)dVdE представляла собой количество нейтронов, имеющих энергию в интервале от Е до (Е+dE) и находящихся в элементарном объеме dV около пространственной точки r(x,y,z). Эта величина постоянна во времени, т. к. количество нейтронов в интервале dVdE в стационарном случае не меняется со временем. (Но происходит ротация: одни сменяются другими. Это происходит как за счет D, так и за счет ?Е в результате столкновения с ядрами.)

Метод групп

Ранее рассматривались однозонные реакторы (однородная смесь веществ определенной формы). Однако очень часто реакторы составляются из нескольких частей, каждая из которых представляет собой некоторую зону со своим материальным составом и со своими характеристиками. Чаще всего это двухзонные реакторы, в которых центральная активная зона с делящимся веществом и замедлителем окружена периферийной зоной из веществ, хорошо рассеивающих и слабо поглощающих нейтроны.

Метод групп позволяет упростить задачу нахождения энергетического распределения нейтронов в многозонных реакторах. Для каждой из групп пишется уравнение диффузии.

Для стационарного случая:

, где

D_k -- средний коэффициент диффузии;

Ф_k -- среднегрупповой поток нейтронов k-той группы;

S_k -- источник, учитывающий приход нейтронов в k-тую группу как за счет вторичных нейтронов деления, так и за счет прихода из более высокоэнергетических групп в результате торможения.

Для реактора, в котором деление происходит в основном на тепловых нейтронах, обычно 2 группы.

Е₀ -- энергия нейтронов деления.

Е_гр -- граничная энергия между тепловыми и быстрыми нейтронами.

Решение уравнения надо искать в виде: 0x01 graphic

Учитывая, что 0x01 graphic

-- возраст тепловых нейтронов, а 0x01 graphic

(для тепловых нейтронов), получим:

Условие критичности состоит в равенстве материального и геометрического параметров. Для больших реакторов с малым 0x01 graphic

, так что условие критичности 2-х групп приблизительно такое же, что и в теории возраста.

Если при малых 0x01 graphic

представить:

, то

-- условие критичности большого реактора.

Это условие критичности отличается от одногруппового 0x01 graphic

, т. е. здесь М -- длина миграции, равная 1/6 квадрату расстояния, на которое смещается нейтрон от места его рождения с энергией Е₀ до места его поглощения при тепловой энергии.

Для реакторов на тепловых нейтронах, рассчитываемых по теории 2-х групп, можно считать, что нейтроны быстрой группы имеют фермиевский энергетический спектр, а нейтроны тепловой группы, находящиеся в относительном равновесии с ядрами замедлителя, имеют максвелловский энергетический спектр с некоторой эффективной температурой, несколько отличающейся от температуры замедлителя.

Реакторы с гетерогенной зоной

Гетерогенная активная зона может быть заменена эквивалентной гомогенной средой, если ей принимать некоторые средние характеристики, полученные с учетом различия нейтронных потоков в блоках с горючим и замедлителем. Для расчетов этих потоков может быть применен метод групп.

Рассмотрим активную зону, состоящую из цилиндрических стержней 0x01 graphic

, расположенных в виде квадратной решетки в массе замедлителя.

Тепловыделение в реакторе пропорционально плотности потока Ф, умноженного на макроскопическое сечение деления ?_f.

(для тепловых размеров).

Для реакторов, работающих на тепловых нейтронах, в первом приближении достаточно знать Ф_Т, т. к. вклад в тепловыделение от нейтронов других энергий незначителен.

Вычислим коэффициент теплового использования f для данной системы. По определению f равен отношению числа поглощенных нейтронов в горючем к полному числу поглощений во всей активной зоне:

Интегрирование ведется по всему объему V:

Мощность реактора определяется выражением:

[МВт], где

m -- количество актов деления, соответствующих выделению мощности 1 МВт;

k_V -- коэффициент неравномерности нейтронного потока по V_аз реактора.

Эти величины определяются в результате нейтронно-физического и теплового расчета.

Для вычисления отношения 0x01 graphic

разобьем активную зону на одинаковые элементарные ячейки. Рассматривая каждую элементарную ячейку как часть бесконечно периодической системы, получим в ней типичное распределение нейтронных потоков. Для упрощения расчетов квадратная ячейка заменяется примерной эквивалентной ячейкой с круговым сечением. Будем считать, что замедление в блоке отсутствует, а замедлителе плотность замедления постоянна и равна q.

Тогда уравнения диффузии тепловых нейтронов запишутся в форме:

где (1) -- в блоке U, (2) -- в замедлителе.

Потоки тепловых нейтронов должны удовлетворять условию симметрии в центре блока, условия равенства нулю производной на границе ячейки и условию "сшивки" на границе между блоком и замедлителем.

0x01 graphic
;

0x01 graphic
.

Получив решение системы уравнений (1) и (2), легко получить 0x01 graphic

и коэффициент теплового использования f.

Мощность остановленного реактора определяют по эмпирической формуле:

, где

Т -- время работы реактора до остановки на мощности N₀, [с];

t -- время после остановки.

Для реактора, проработавшего на полной мощности 10 месяцев, тепловыделение падает примерно в 10 раз спустя 1 сутки после остановки.

§ 2.2. СИСТЕМЫ ПРИЕМА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Основное достоинство КЭУ с использованием солнечной энергии - использование внешних ресурсов космического пространства, что увеличивает удельную массу энергоустановки, и снимает потребность в бортовых энергозапасах.

Системы приема солнечной энергии рационально применять в устройствах, мощность которых меньше 10 кВт.

§ 2.2.1. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ И ЕЁ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В КОСМИЧЕСКИХ ЭНЕРГОУСТАНОВКАХ.

Излучение Солнца (3,86?10²⁶ Дж/с) -- источник электромагнитных излучений в Солнечной системе. Наибольшая интенсивность излучения в ?=0,1...2,5 мкм (97% всей излучающей энергии).

Солнечная постоянная на орбите Земли составляет I_оз-1400 Вт/м². При удалении от Солнца значение постоянной (I_о) снижается обратно пропорционально квадрату расстояния до его центра: 0x01 graphic

Так же и давление солнечных лучей -- на орбите Земли для полированной алюминием поверхности составляет (0,83...0,976)?10^-5 Па.

Интенсивность солнечного излучения:

(1,62?10⁴ кВт/м²?рад²),

где ?_о - видимый угловой размер Солнца в данной точке пространства.

Солнечная энергия может использоваться в различных типах энергоустановок:

- электрических (на основе фотоэлектрического преобразователя) с КПД порядка 22%;

- высокотемпературных (в этом случае основой энергоустановки является солнечный концентратор энергии), с КПД 25% и выше;

- тяговых (солнечный парус).

§ 2.2.2. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ.

Мощность в модуле солнечного термоэлектрического преобразователя 1...1,5 кВт ограничена из-за необходимости применения концентратора очень высокой точности. Б?льшие мощности реальны в преобразователях машинного типа.

Система приема солнечной энергии состоит из 2-х основных элементов: концентратора и приемника.

Конструкция концентратора -- это вогнутые хорошо отражающие поверхности различной формы. Наибольшая концентрация энергии и, следовательно, температуры достигается в параболоидах вращения.

Конструкция приемника солнечной энергии может быть любая.

где N_тепл -- поступило от приемника преобразователю;

N_c -- попадает на зеркало.

Элементарный световой пучок, падающий на любую точку поверхности концентратора, имеет форму конуса с углом при вершине, равным угловому диаметру Солнца. Общее количество определяется методом интегрирования.

Теоретический анализ требует учета неточности рабочей поверхности зеркала.

Предположим, что неточности отражения в среднем подчинены закону нормального распределения Гаусса:

, где h -- мера точности (из теоретических ошибок);

x -- погрешность.

Введя геометрические параметры системы и выполнив приблизительное интегрирование элементарных отраженных пучков, можно вывести формулу для расчета распределения плотности потока сконцентрированных в фокальной плоскости лучей в функции относительно радиуса:

(*), где

-- отношение текущего радиуса к радиусу концентратора;

E_max -- максимальная плотность потока в центре фокального пятна.

;

? -- коэффициент отражения рабочей поверхности;

A_max -- геометрическая функция;

;

С -- коэффициент, учитывающий точность изготовления концентратора;

u -- максимальный угол охвата концентратора;

Для стеклянных прожекторных зеркал h-3,6...4. В этом методе h учитывает макро- и микронеточности (отклонение от идеальной формы и шероховатость).

Формулу (*) можно использовать для плоских и объемных приемников. Для плоских приемников она позволяет выполнить расчет системы, включая тепловую задачу о распределении локальных температур стенок приемника. А для полостных -- учесть лишь энергетические потери, связанные с рассеянием энергии концентратором и конечными размерами входного отверстия приемника.

При энергетическом анализе системы приема получаем:

N_c -- тепловая мощность прямой солнечной радиации, падающей на поверхность концентратора;

N_П -- тепловая мощность, попавшая на приемник;

N_o -- тепловая мощность, отраженная концентратором;

N_тепл -- полезная тепловая энергия, передаваемая преобразователю.

-- радиус входного отверстия приемника.

; (**)

;

- геометрический КПД системы приемника;

при

N_тепл=N_c (1) поглощенного концентратором, т. к. ?<1; 2) не попавшего в приемник (?_г<1); 3) отраженного приемником; 4) собственное тепловое излучение приемника).

(!)

? -- эффективная поглощательная способность приемника.

Делим (!) на 0x01 graphic

и используем выражение для 0x01 graphic

(***).

Т_П в приемнике тоже неравномерна. Приближенная эффективная температура через локальную температуру:

Распределение T(F_П) при известном результирующем распределении энергии (*) можно определить, зная условия, при которых осуществляется теплоотвод от рабочей поверхности приемника. Уравнение (**) справедливо только для плоского приемника. Расчет плоских приемников более прост, в частности в связи с тем, что ? и ? для плоских приемников равны соответственно излучательной и поглощательной способности стенки, принимающей тепло. Однако в центральной зоне плоских приемников слишком велики локальные тепловые потоки, и применение ограничено требуемыми для эффективного отвода тепла высокими коэффициентами теплопередачи.

Приемники полостного типа обеспечивают большую конструктивную свободу для организации теплопередачи путем развития площади внутренней поверхности.

Методы расчета величин ?, ? и Т_П для объемных приемников с реальными концентраторами еще не разработана.

Для приближенной оценки систем приема солнечной энергии проводят упрощенный анализ при следующих предположениях:

-- падающее на внутренние стенки приемника концентрированное солнечное излучение имеет равномерное распределение;

-- температура внутренних стенок полости постоянна;

-- потери энергии, отразившейся от внутренних стенок приемника, и потери вследствие собственного излучения стенок определяются средним угловым коэффициентом для обмена энергией между стенками полости и отверстием приемника ?;

-- отражение и излучение внутренних стенок полости носят диффузионный характер.

При указанных допущениях ? и ? -- эффективные оптические константы -- можно определить, используя метод многократных отражений.

Количество энергии, поглощенное при первом попадании на стенку -- N_Па_?; отраженной -- N_П(1-а_?). Из отраженной энергии часть -- N_П(1-а_?)? -- уходит через отверстие наружу и теряется, а часть -- N_П(1-а_?)(1-?) -- опять отражается.

Для n-го отражения количество поглощенной энергии равно N_П(1-а_?)ⁿ(1-?)ⁿа_?; общее количество поглощенного тепла:

. Следовательно:

;

Средний угловой коэффициент:

Для сферической полости в теории теплообмена показано, что 0x01 graphic

где F_О-- площадь отверстия; F_П -- площадь внутренних стенок.

Полагая ?_?=а=? (т. е. излучательная способность стенки равна поглощательной):

Таким образом, в широко распространенном на практике случае (?_?=а=?) КПД системы равно произведению эффективной поглощательной способности приемника на КПД системы приема с абсолютно черным приемником, размер которого равен площади входного отверстия: 0x01 graphic

Существует оптимальный радиус входного отверстия приемника. Его существование объясняется физическим смыслом рассматриваемого явления: при малых 0x01 graphic

мало энергии попадает в приемник (мала величина ?_г); при больших 0x01 graphic

становятся ощутимы потери, обусловленные собственным излучением приемника.

Способы изготовления легких (плёночных) концентраторов:

-- Получение эпоксидных и гальванических копий с прожекторных зеркал или специальных матриц.

-- Холодная вытяжка алюминия.

-- Придание необходимой формы под давлением газа.

-- Под действием сил электростатического взаимодействия металлизированных пленок.

-- Под действием центробежных сил.

-- Путем устройства "зонтичной" конструкции.

Рис. 13. Основные способы формирования поверхностей пленочных концентраторов:

а, б, в -- использование давления газа; г -- центробежное формирование; 1 д, е -- электростатическое формирование

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООТВОДА В УСЛОВИЯХ КОСМОСА.

§ 3.1. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОТВОДА ТЕПЛА В КОСМОСЕ

Необходимость теплоотвода обусловлена необходимостью охлаждения различных систем космических летательных аппаратов:

-- Теплотехнические устройства, отводимая мощность: 0x01 graphic

;

-- Бортового электрооборудования, нагревающегося за счёт джоулева тепловыделения;

-- На обитаемых космических ЛА весьма важную роль в системе жизнеобеспечения играет система терморегулирования, t-15...22®С.

Единичная плоская поверхность, имеющая температуру поверхности Т_П и находящаяся в вакууме, согласно закону Стефана-Больцмана, излучает тепловую мощность:

; [Вт/м²].

Однако при полетах в солнечной системе требуется учитывать влияние лучистого теплообмена между рассматриваемой поверхностью и небесными телами -- Солнцем и планетами.

, где

;

q_П?-- суммарная тепловая мощность;

-- безразмерный параметр окружающей среды.

Для околоземных орбит: 0x01 graphic

. Поэтому при 0x01 graphic

К параметр 0x01 graphic

сравнительно мал.

Для всех тепловых установок температура холодильного контура > 600 К, поэтому точкой можно пренебрегать. Для систем жизнеобеспечения и охлаждения аппаратных отсеков -- нельзя.

Способы уменьшения q_П?:

-- селективные покрытия с поглощательной способностью а_П-0,15...0,20 (низкой) и степень черноты ?-0,95...0,98 (высокой);

-- тепловая изоляция излучаемой поверхности в направлении наибольших падающих потоков, ориентация излучаемой поверхности параллельно падающим лучевым потокам; но ориентация связана с затратами энергии, усложнением и увеличением массы космического аппарата.

При особенно низкой потребляемой температуре (-300 К) отводить тепло излучения либо не представляется возможным: 0x01 graphic

, либо требуется слишком большая поверхность. Тогда:

-- повышают температуру Т_П за счет холодильной машины (теплового насоса);

-- не излучение, а поглощение некоторыми веществами за счет С_р, скрытой теплоты фазовых переходов и эндотермических тепловых реакций.

Первый путь требует затраты мощности N; второй -- запаса поглощающих тепло веществ. Поэтому они не могут применяться на длительно функционирующих космических аппаратах с постоянным по времени тепловыделением.

В условиях отсутствия конвекции традиционные радиаторы (корпус и толстые ребра) не эффективны. Эффективная излучательная поверхность пропорциональна проекции оребренной поверхности. Но поверхность охлаждающих устройств часто оказывается недостаточной для отвода необходимой тепловой мощности. Ребра должны быть такими, чтобы эффект взаимооблучения был по возможности низок.

Взаимооблучение отсутствует, когда есть только 2 ребра, расположенных в одной плоскости. Но более выгодно по массе и габаритам большее число ребер. Оптимальное число ребер -- 6.

Для охлаждения объекта с одной плоской излучаемой поверхностью используется воронкообразный излучатель.

Рис.14. Схема оребрения охлаждаемых поверхностей тел различной формы

§ 3.2. ГЕОМЕТРИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩИХ РЕБЕР.

0x01 graphic

Рис.15. Теплоотводящее ребро.

Условия:

-- Температура горячего основания ребра Т_ор постоянна во времени.

-- Тепло, излучаемое свободными гранями ребра, пренебрежительно мало.

-- ?_р и коэффициент теплопроводности ?_р не равны и не зависят от температуры.

Согласно закону Фурье, изменение теплового потока при прохождении через заштрихованные грани (см. рис.15) равно:

После преобразований получим:

, где

;

-- проводимость ребра (безразмерный комплекс).

Тепловая мощность, излучаемая ребром длины dL:

;

q_р -- эффективность ребра; оценивает уменьшение излучаемой тепловой мощности ребра из-за падения температуры от основания к концу ребра и наличия внешних тепловых потоков.

Отношение удельных масс треугольных и прямоугольных ребер 0x01 graphic

Еще более легкие, чем треугольные, ребра с постоянным градиентом температуры по высоте: 0x01 graphic

. Отличие от треугольных ребер составляет 3...6%.

§ 3.3. ТЕПЛООТВОД С ПОМОЩЬЮ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ ИЛИ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ

Теплоноситель -- жидкость, пар или газ, может направляться в выносной холодильник - излучатель. В этом случае форма холодильника-излучателя уже не зависит от формы тепловыделяющего агрегата, и может быть выбрана оптимальной по условиям излучения тепла. Лучший холодильник-излучатель представляет собой плоский прямоугольный канал излучения в обе стороны. Взаимное облучение здесь полностью отсутствует.

§ 3.3.1. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ И МАССОВЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТРУБЧАТО-РЕБРИСТОГО ХОЛОДИЛЬНИКА-ИЗЛУЧАТЕЛЯ

-- Эффективной теплоизлучаемой поверхностью является проекция панели на плоскость ребер. Элементарная тепловая мощность, излучаемая секцией панели шириной В и длиной dL: 0x01 graphic

(*).

-- Температура в любой точке канала трубки равно температуре основания ребра: Т_к=Т_ор.

-- Степень черноты канала ребра: ?_к= ?_р= ?.

С учетом допущений 1-3 уравнение (*) станет: 0x01 graphic

;

?_р -- коэффициент оребрения. ?_р<1, т. к. ?_р=1 только при температуре, одинаковой по всей поверхности. Обычно ?_р-0,7...0,8.

Удельная масса:

, где

-- масса единицы площади секции.

;

?_Т -- плотность теплоносителя.

Выбор оптимальных ?_р и Н_р определяется компромиссом между удельной площадью и удельной массой холодильника излучателя.

Еще один варьируемый параметр -- число секций n_с или длина панели, или скорость движения теплоносителя:

Эта простейшая схема холодильника при заданной температуре теплоносителя и внешних условиях 0x01 graphic

излучает максимально возможную тепловую мощность 0x01 graphic

. Следовательно, S_u=min. Но только этого параметра не достаточно. Необходимо учитывать удельную массу излучателя.

Оптимизация по массе и габаритам имеет большое значение, т. к. масса холодильника излучателя составляет до 40...60% массы энергоустановки.

§ 3.3.2. РАСЧЕТ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ ХОЛОДИЛЬНИКА-ИЗЛУЧАТЕЛЯ

Всевозможные схемы холодильников излучателей классифицируются как по принципу работы, так и по конструктивным признакам (выполнению элементов и внешней форме). Они сравнительно мало отличаются друг от друга по особенностям расчета самих излучаемых элементов. Поэтому при расчете элементов можно использовать те же исходные предпосылки, что и при расчете конструкции в целом.

1. Излучатель трубчатого типа

1) Количество тепла, отдаваемое теплоносителем:

dQ=-GC_pdt. (1)

2) Количество тепла, воспринятое от теплоносителя стенкой канала:

dQ=?(T-T_ст)S_Tdx. (2)

3) Количество тепла, прошедшее через стенку канала:

. (3)

4) Количество тепла, излученное наружной поверхностью:

. (4)

?_Э учитывает возможную температурную неравномерность (при оребрении).

В стационарных условиях все они равны друг другу.

Из (3) и (4) получаем:

, (5)

или

Из (2) и (3): 0x01 graphic

, (6)

Или

Подставив (5) в (6), получим:

Продифференцировав и подставив результат в (1) и (4), учитывая, что S_udx=dF_u, получим:

После преобразований получим:

, (7)

где C=(1+В)А; 0x01 graphic

;

Обозначим: 0x01 graphic

. И запишем (7) в следующем виде:

После интегрирования в пределах от Т_u0 до Т_{u вых}, получаем площадь излучающей трубки:

длина излучающей трубки: 0x01 graphic

В случае отсутствия внешнего облучения Е=0; в случае малого влияния внешнего облучения 0x01 graphic

будет мало, и можно заменить:

;

2. Излучатель с оребрением каналов

В этом случае уменьшается метеоритная опасность, поверхность излучения и уменьшается его масса. Первое связано с тем, что при небольшом увеличении полной площади излучения площадь, занятая трубками с теплоносителями, меньше, т. к. большую площадь занимают ребра, пробой которых не опасен. Второе -- относительно тонкие ребра имеют меньшую массу, чем трубки, число и длина которых при оребрении уменьшается.

При оребрении трубчатого излучателя необходимо произвести вариационные расчеты по длине l и толщине зазора перемычки: l увеличивается и чем меньше зазор, тем сильнее падает по ее длине температура стенки и тем больше увеличивается поверхность излучателя.

Часто необходимо определить, насколько уменьшится температура вдоль ребер-перемычек; увеличивается площадь излучателя по сравнению с изотермическим.

Можно получить следующие зависимости для расчетов: ?

, где

;

а, б -- в противоположные стороны. h

КПД ребра: 0x01 graphic

Для эффективного КПД ребра необходимо учитывать взаимное облучение: 0x01 graphic

При постоянной толщине минимальное значение относительной массы будет при ?_р-0,57. Для определения оптимальной массы излучателя в целом (ребер, трубок и теплоносителя) в каждом конкретном случае требуется проводить соответствующие расчеты.

3. Полный расчет холодильника-излучателя

Внешнее излучение, внутренняя теплоотдача, определение потерь давления по тракту теплоносителя. Постановка задачи такого рода встречается часто и особо важна для излучателей с газовыми теплоносителями, у которых для обеспечения малых значений площадей F_x используется форсирование теплоотдачи от газа к стенке путем увеличения скорости теплоносителя.

Было получено: 0x01 graphic

, причем

;

Постановка задачи (т. к. задача усложняется заданием потерь по тракту теплоносителя или при задании площади).

В излучателе заданной площади F_x при числе трубок z охлаждается теплоноситель с Т_вх до Т_вых при его расходе G и свойствах С_р, ?, ?. Излучатель имеет вид цилиндра диаметром D, причем S_u=h+d+2?; S_T= ?d; F_x= ?DL.

Поскольку всегда 0x01 graphic

, примем

. Эффективность перемычек учитывается коэффициентом ?_р (в первом приближении задается). Тогда решение внешней задачи сводится к получению зависимости 0x01 graphic

. Внутренняя задача сводится к анализу 2-х выражений:

-- теплоотдачи 0x01 graphic

для турбулентного режима 0x01 graphic

;

для ламинарного режима в круглых трубах: 0x01 graphic

;

-- потерь давления 0x01 graphic

;

(? -- коэффициент потерь напора).

Как видно, ? и ?Р являются функциями только гидравлического диаметра d и числа каналов z. Причем надо учитывать 0x01 graphic

. Следовательно, можно найти:

§ 3.3.3. МЕТЕОРНАЯ УЯЗВИМОСТЬ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ПАНЕЛИ ИЗЛУЧАТЕЛЯ

Эрозионный износ -10^-4...10^-6 см/год.

Число спорадических метеоров с массой ™ m_м:

;

Число пробоев поверхности площадью S_к за время ?:

Толщина пробиваемой стенки по экспериментальным данным является функцией от следующих параметров: 0x01 graphic

(Е_ст -- модуль упругости).

Размерности: ?_ст.пр.=[мм]; ?=[г/см³]; Е_ст=[ Н/м²]; w=[км/с].

Связь между толщиной стенки и числом пробоев:

Здесь коэффициент запаса 1,75, т. е. 0x01 graphic

Величина q_пр должна быть << 1. Тогда ее можно рассматривать как вероятность пробоя поверхности S_к за время ?:

Пробой ребер излучателя значения не имеет и не учитывается.

Способы обеспечения заданной надежности:

-- резервирование отсеков излучателя;

-- применение экранов или двойных стенок излучателя.

Критерий целесообразности резервирования и выбора числа оптимальных и резервных отсеков -- величина удельной массы холодильника излучателя при заданной вероятности выхода из строя и при 0x01 graphic

§ 3.3.4. ВЫБОР ТИПА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ЗАМКНУТОМ КОНТУРЕ

Почти в любой электроустановке для охлаждения наиболее термически напряженных узлов конструкции используется теплоноситель, передающий тепло от охлаждаемого объекта к холодильнику и циркулирующий в замкнутом контуре.

В качестве теплоносителей могут применяться различные жидкости и газы, причем газы -- при любом, практически, диапазоне температур; а для жидких теплоносителей необходима достаточно низкая температура плавления Т_пл и высокая Т_кип, т. е. пологое изменение кривой давления паров насыщения в зависимости от температуры. Последнее приводит с ростом применяемых температур к необходимости перехода ко все более высококипящим жидкостям.

Для низких температур до 100...200 ®С -- вода, но при 200 ®С -- Р_изб=16"10⁵ Па, а при 374®С достигается критическое состояние. Поэтому с Т-250 ®С рекомендуется применять органические или кремнийорганические теплоносители, например -- даутерм (критический параметр -- 528 ®С, Р_изб=41"10⁵ Па). При еще более высокой температуре -- жидкие металлы - от ртути к щелочным металлам К, Na, Li.

В ряде случаев при одних и тех же температурах можно применять различные теплоносители. Выбор диктуется различными соображениями. Часто главные условия -- вопросы технолого-эксплуатационные и теплотехнические. Они связаны не только с Т_пл и Т_кип, но и с химической и эрозионной активностью теплоносителя в системе, его электропроводностью, чувствительностью к облучаемости и др.

Масса и габариты теплообменных аппаратов, а также мощность, затрачиваемая на прокачку теплоносителя, определяется в значительной степени типом теплоносителя и его свойствами. Поэтому при создании устройств обычно возникает задача выбора наилучшего теплоносителя. Сравнение теплоносителей целесообразно вести в условиях одинаковой передаваемой тепловой мощности и одинаковом температурном уровне.

Резкое улучшение теплообмена при жидком теплоносителе по сравнению с газовым позволяет во многих случаях отдавать ему предпочтение. Но есть ряд задач, при которых применение жидких теплоносителей исключается из-за коррозионной активности или электропроводности.

Рассмотрим отдельно газовый и жидкий теплоносители.

А. Теплоносители - газы

Уравнение количества тепла в проходном сечении S для расхода теплоносителя принимает вид:

(в условиях сравнения различных теплоносителей).

Учитывая уравнение состояния: 0x01 graphic

По условиям прочности давление различное, температура должна быть одинаковой, и окончательно имеем:

;

. (*)

Выражение (*) показывает, что при замене одного газа другим необходимо изменить его скорость в соответствии с отношением газовых постоянных к теплоносителю.

Величина поверхности теплообменника, обеспечивающая передачу тепла Q:

; для относительных величин 0x01 graphic

. (**)

Коэффициент теплообмена ? при турбулентном течении газов определяется критериальным выражением: 0x01 graphic

В относительных величинах: 0x01 graphic

Выражение (**) позволяет определить необходимое изменение поверхности и среднего температурного напора, вызываемое изменением коэффициента теплоотдачи ?.

Потери давления определяются в основном трением:

;

Мощность на перекачку теплоносителя определяется его расходом и потерями давления. Относительная мощность на перекачку:

Из сравнительного анализа. Лучший по теплотехническим свойствам -- Н₂, затем Не и NН₃. Наименьшие затраты мощности при перекачки теплоносителей Н₂ и NН₃. Но требуется учет и других факторов. С учетом взаимодействия с материалами при высоких температурах предпочитают СО₂ или Не.

Б. Теплоносители - жидкости

Т. к. отпадает уравнение состояние, исходное уравнение изменится. Из уравнения количества тепла и расхода получаем:

;

[При расчете теплоотдачи жидких металлов обычно применяют критериальное уравнение в виде Nu=f(Pr, Re)].

Отношение масс теплоносителя, заполняющего контур, которое в отличие от газового теплоносителя может иметь существенное значение, выразится: 0x01 graphic

Для низкотемпературных теплоносителей наиболее употребимый теплоноситель -- вода, хотя в равных условиях намного худший, чем жидкий металл, но требует на 1-2 порядка меньше мощности на прокачку.

Для высокотемпературных теплоносителей лучшими по коэффициентам теплоотдачи являются Na и Li. Li требует наименьших затрат энергии на его прокачку и может быть признан наилучшим теплоносителем.

Тяжелые теплоносители -- висмут и свинец -- имеют вдвое худшее значение коэффициента теплоотдачи ?, в 3-4 раза больше значение мощности на прокачку и на порядок больше массу теплоносителя в системе, чем у щелочных металлов.

Сравнение параметров при различных типах теплоносителей

Качественно выгодность замены газового теплоносителя жидким очевидна, но для оценки количественных показателей сравним воздух и Na.

Замена Na воздухом требует увеличения давления в 250 раз и скорости течения в 10 раз. Но даже при этом температурные напоры для воздуха должны возрасти в 6 раз, а мощность на прокачку теплоносителя -- в 4,6 раза.

ГЛАВА 4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ В СОСТАВЕ КОСМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ.

§ 4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ КЛА

Рис. 16. Классификация энергетических установок космических аппаратов.

§ 4.2. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

§ 4.2.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

В электропроводных телах наблюдается 3 термоэлектрических явления, известных под названиями эффектов Зеебека, Пельтье и Томпсона.

Эффект Зеебека. При наличии градиента температуры вдоль проводника изменяются концентрация и средняя энергия носителей тока, и происходит их диффузия в сторону более низкой температуры. В однотипных, но различных проводниках, например, в 2-х разных металлах, диффундируют носители тока одного знака -- электроны. Но изменение их концентрации и степень диффузии различны. Поэтому на концах разомкнутой цепи из разных проводников появляется разность потенциалов, пропорциональная при прочих равных условиях перепаду температуры. Эта разность получила название термоЭДС. Цепь может быть составлена из 2-х полупроводников, один из которых негативного (n) типа, а другой -- позитивного (р) типа (дырочный механизм проводимости). В нем к более холодному диффундируют положительные носители тока (дырки). Это является одной из причин увеличения термоЭДС, т. к. потенциалы разных концов приобретают разные знаки. Если разность температур между контактами конечна, то термоЭДС тоже конечна:

; (1)

?=f(Т, тип, индивидуальные свойства проводника).

-- коэффициент средней дифференциальной термоЭДС.

Эффект Пельтье. При прохождении электрического тока в цепи, составленной последовательно из 2-х или нескольких различных проводников, контакты этих проводников выделяют или поглощают тепло в зависимости от направления тока и типа контактирующих проводников. Это обусловлено тем, что в различных проводниках, например, в металлах, имеется различное распределение носителей зарядов - электронов - по энергиям. При прохождении тока через контакт проводников и переносе зарядов из одного проводника в другой происходит перераспределение зарядов по энергиям. Таким образом, выделяемая или поглощаемая тепловая мощность должна быть пропорциональна количеству зарядов, переносимых в единицу времени, т. е. силе тока. 0x01 graphic

. В полупроводниках р- и n-типа эффект Пельтье проявляется во много раз сильнее, чем в металлических. Это связано с тем, что энергия изменяется существенно больше при взаимном переходе носителей зарядов через контакт. После перехода р и n рекомбинируют, что сопровождается выделением энергии.

Эффект Томпсона. При прохождении тока через проводник при наличии в нем градиента температуры выделяется или поглощается тепло. Это тепло (тепло Томпсона) совершенно не связано с Джоулевым теплом, и обусловлено своеобразным эффектом Пельтье, т. е. изменением средней энергии дрейфующих носителей зарядов при переходе в область более низкой или высокой температуры проводника. Одновременно выделяется или затрачивается работа в термоэлектрическом поле, которое всегда имеется в проводниках с градиентом температуры (эффект Зеебека). Тепло Томпсона представляет собой результирующий эффект 2-х этих явлений.

Количество тепла Томпсона, выделяемое или поглощаемое в единицу времени (тепловая мощность) проводником элементарной длины dx пропорционально силе тока и градиенту температуры.

-- коэффициент Томпсона; зависит от индивидуальных свойств проводника и температуры.

Все три эффекта обратимы, но есть и необратимые -- выделение Джоулева тепла и теплопередача за счет теплопроводности.

Если к разомкнутым концам термопары подсоединить внешнюю нагрузку с омическим сопротивлением R, то по цепи потечет ток, а на нагрузке будет выделяться тепловая мощность I²R. Получается генератор, преобразующий тепло непосредственно в электрическую энергию.

§ 4.2.2. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И МОЩНОСТЬ ТЕРМОЭЛЕМЕНТА

Рассмотрим установившийся режим работы термоэлемента. Используя закон Ома для замкнутой цепи и уравнение (1), получим:

, где

;

R -- сопротивление нагрузки;

r -- внутреннее сопротивление термоэлемента (при заданном температурном режиме = const);

? -- при Т=const ЭДС тоже const. Следовательно, вольтамперная характеристика (ВАХ) линейная.

Напряжение на нагрузке:

Мощность, выделенная на нагрузке, как в любой электрической машине с постоянной ЭДС, достигает максимума при R=r.

Зависимость 0x01 graphic

Эффективность ТЭ оценивается не абсолютными, а относительными показателями -- плотность тока j; плотность мощности 0x01 graphic

(где S_n,p-- суммарная площадь ветвей ТЭ); объемная мощность, удельная мощность 0x01 graphic

В среднем характерны следующие значения параметров:

U=(0,05...0,07) В; j=(5...10) А/см³; N_элS=(0,1...0,4) Вт/см²;

N_элV=(0,05...0,2) Вт/см²; N_уд=(10...40) Вт/кг.

§ 4.2.3. КПД ТЕРМОЭЛЕМЕНТА

Примем следующие допущения:

-- Омическое сопротивление коммутационных пластин и контактов пренебрежимо мало, и в них отсутствует Джоулево тепловыделение.

-- Боковые поверхности ветвей полностью теплоизолированы, а подвод и отвод тепла осуществляется только через контактные поверхности ветвей с коммутационными пластинами.

-- Тепло от источника к холодильнику может передаваться теплопроводностью только через материал ветвей.

По определению КПД любого преобразования тока в электрическую энергию равно отношению генерирующей внешней нагрузки электрической мощности к подводимой тепловой мощности.

На установившемся режиме от внешнего источника подводится тепловая мощность.

;

1 -- тепловая мощность Пельтье;

2 -- теплопроводность;

3 -- Джоулево тепло.

После преобразований получим:

, где

-- средняя добротность ТЭ.

Таким образом, КПД представляет собой произведение КПД цикла Карно тепловой машины, работающей в интервале температур (Т_г-Т_х), и некоторого безразмерного коэффициента, зависящего от свойств полупроводниковых ветвей (k, z, 0x01 graphic

), температурных условий (?Т, Т_г) и режима работы, определяемого рабочей точкой на нагрузочной характеристике (m).

Очевидно, что для получения максимальной добротности ветви должны быть подобраны так, чтобы произведение kr было минимальным.

После преобразований получим:

;

средняя добротность: 0x01 graphic

где

-- средний коэффициент теплопроводности.

В космических электроустановках отдается предпочтение материалам, у которых выше Т_ги Т_х.

КПД-5...7%; в последнее время до 11%.

Потери в термоэлементе:

-- температурные -- от источника до ТЭАП (в теплопроводе, электрической цепи и т. д.);

-- паразитные перетечки электрического тока через изоляцию и конструктивные материалы;

-- потери тепла с поверхностей генератора и паразитные перетечки тепла по конструктивным элементам (особенно для маломощных).

В настоящее время используются полупроводники с примесной проводимостью. Это достигается введением примесей, либо избытком над стехиометрическим составом одного из элементов соединения.

Повышение эффективности термоэлемента, основанные на рациональном использовании существующих материалов:

а) неравномерное распределение содержания примесей по высоте ветвей; для телурита свинца следует, что для увеличения добротности целесообразно снижение концентрации примесей от горячего к холодному контакту; это справедливо и для других материалов;

б) каскадирование ветвей; связано с тем, максимальные добротности у разных материалов соответствуют разным значениям температур; следовательно, несколько последовательно расположенных материалов увеличат КПД на 30...40%.

Рис. 17. Схема каскадирования термоэлемента.

Рис. 18. Схема коммутации и каскадирования термоэлементов.

§ 4.3. ТЕРМОЭМИССИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Электроны, кинетическая энергия которых велика, вылетают из металла и удаляются на некоторое расстояние от его поверхности. При этом в металле индуцируется положительный заряд. Электростатическая сила притяжения между положительным зарядом и электроном стремится вернуть электроны обратно. В результате у поверхности металла возникает "пленка" электронного газа с разностью потенциалов несколько вольт. Это практически скачкообразное изменение потенциала называется поверхностным потенциальным барьером. Для выхода электронов из металла в вакууме направленная энергия электронов должна быть больше или равна работе выхода е?.

В соответствии со статистикой Ферма-Дирака с увеличением температуры металла растет вероятность нахождения электрона с большими значениями энергии, превышающими уравнение энергии Ферма. Величина ? зависит от химической природы металла, состояния поверхности и структуры (?_w=4,53 В; ?_Re=5,1 В).

Число электронов и, соответственно, число зарядов, эмиттирующих с единицы поверхности в единицу времени, представляют собой плотность тока эмиссии.

, где

А -- эмиссионная постоянная;

Эв/К -- постоянная Больцмана.

А-120 А/см²К² -- теоретическое значение для всех металлов.

Вылетевшие электроны образуют над поверхностью металла дополнительно заряженное облако, образуя дополнительный пространственный потенциальный барьер ?.

, где

j -- плотность тока насыщения; реализуется в том случае, если ликвидировать пространственный барьер.

Преобразователь состоит из 2-х металлических пластин электродов -- катода (эмиттера) и анода (коллектора).

Для поддержания заданной высокой температуры катода должна непрерывно подводиться тепловая мощность. N_Т компенсирует унос энергии эмиттированными электронами (электронное охлаждение) и потери тепла излучением на анод (теплопроводностью через токопровод).

Рис. 19. Схема термоэмиссионного преобразователя.

1 - вакуумплотный узел; 2 - герметичный корпус; 3 - жидкий цезий.

§ 4.3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

Основной признак классификации -- состав и свойства межэлектродной среды.

-- Вакуумные -- снижение ? может быть достигнуто уменьшением межэлектродного зазора до тысячных долей мм; из-за высокой скорости испарения материала катода в вакууме ресурс преобразователя получается низким.

-- Газонаполненные (плазменные) -- ионизирующий газ или пары щелочных металлов. По способу ионизации различают:

-- с объемной ионизацией электронным ударом во вспомогательном разряде -- необходим третий дополнительный электрод с положительным (тянущим) напряжением от постороннего источника; распространение не получил;

-- с поверхностной (контактной) ионизацией на катоде. При ударе нейтрального атома о поверхность металла атом может отдать электрон и отразиться в виде иона. Степень ионизации (вероятность процесса) определяется по уравнению:

, где ?_i -- первый потенциал ионизации.

Наименьший потенциал ионизации у цезия ?_i=3,89 В.

Вакуумированная полость электродов соединяется с резервуаром с жидким цезием, необходимое давление поддерживается обеспечением определенной температуры цезия в резервуаре.

Связь между давлением паров и температурой цезиевой ванны определяется уравнением линии паров насыщения:

[мм рт. ст.].

Атомы цезия подвержены термической ионизации, но при допустимых температурах катода (> 2300 К) ей можно пренебрегать.

Другое важное свойство цезия -- низкая работа выхода. Адсорбируясь на поверхности электродов, цезий резко снижает работу выхода, что резко повышает ток эмиссии. Степень абсорбции -- это функция от температуры, поэтому зависимость степени ионизации от температуры ?_i (T) имеет максимум.

Обычно различают 3 режима работы преобразователей с поверхностной ионизацией:

-- квазивакуумный (когда L - межэлектродное расстояние <= l_е - длины свободного пробега);

-- диффузионный (когда L >> l_е -- стремление к уменьшению работы выхода за счет адсорбции);

-- газокинетический (когда L - l_е).

Потери на рассеяние электронов и плазмообразование минимальны в 1-ом режиме работы преобразователей.

-- Преобразователи с объемной ионизацией в низковольтном разряде -- реализуются в сравнительно плотной плазме с давлением несколько мм рт. ст., т. е. при переходе из диффузионного режима. В этом случае наряду с объемной сохраняется и поверхностная ионизация, и можно понизить работу выхода катода, что резко повышает ток эмиссии.

§ 4.3.2. КПД ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

Исходное определение КПД -- общее: отношение генерируемой электрической мощности к подводимой тепловой мощности.

Составляющие КПД:

-- Энергия, уносимая электронами (потенциальная + кинетическая). Электроны, попадая на катод, отдают энергию N_эаs:

где ?_mk -- потенциал, отсчитываемый от уровня Ферма катода до максимума отрицательного потенциала в зазоре.

-- Тепловая мощность, теряемая катодом при взаимном лучистом теплообмене между электродами:

, где

-- эквивалентная степень черноты.

-- без учета дополнительных потерь (максимально возможный).

(КПД цикла Карно).

Напряжение на внешней цепи, соответствующее этому КПД:

Максимум КПД соответствует более высокому U_?, чем максимум мощности. Оптимальный режим работы определяется компромиссом между мощностью и КПД.

Полезная электрическая мощность и КПД гораздо меньше рассмотренных. Это связано с наличием дополнительных электрических и тепловых потерь.

Часть генерирующей мощности теряется, выделяясь в ряде дополнительных последовательных и параллельных сопротивлений. Кроме того, существуют потери, связанные с наличием температурных напоров на многослойных катодных и анодных стенках, потери на неизотермичность катодов и анодов, затраты электрической мощности на внутренние нужды. В результате получается падение КПД на 30...80%.

Другие потери связаны с выделением джоулева тепла в проводнике. КПД уменьшается еще на 22...25%.

В результате КПД всего термоэмиссионного преобразователя около 16%.

Применение термоэмиссионных преобразователей целесообразно в сочетании с ядерными источниками тепла.

По сравнению с термоэлектрическими преобразователями ТЭМП имеют более высокий КПД, в несколько раз большую плотность электрической мощности, существенно меньшую удельную массу. Из-за более высокой Т_Х удельная потребная площадь холодильника-излучателя существенно ниже. Вместе с тем, более низкая надежность, при малых мощностях возрастают потери, и уменьшается КПД.

Основные проблемы, которые приходится рассматривать при создании ТЭМП, следующие:

-- требование длительного ресурса работы;

-- чистота исходных материалов;

-- их совместимость с парами цезия;

-- проведение полного обезгаживания элементов конструкции;

-- обеспечение чистоты электродных поверхностей и отсутствия газоотделения во время работы.

Ресурс современного ТЭМП составляет около 40000 часов. Лучше всего катоды из Re, W, Mo с напылением W; аноды из Мо, Nb; в качестве изоляции -- Al₂O₃, BeO.

При использовании с ЯРД необходимо учитывать возможность ухудшения эмиссионных свойств катодов из-за диффузии газов из активной зоны. Кроме того, возможно "распухание" катода. Поэтому необходимо газообразующие осколки деления выводить за пределы оболочки.

По сравнению с ТЭЛП из-за более высокого КПД ТЭМП для той же мощности требует втрое меньше топлива, имеет значительно меньший излучатель и в 3 раза меньше массу и размеры. Очень хорошо согласуются с солнечными источниками энергии.

§ 4.4. МАГНИТОГИДРО- И МАГНИТОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ (МГДГ и МГД)

Идея МГДГ и МГД заключается в замене твердого металлического проводника жидким или газовым.

МГД генератор продвигает заряды против электрического поля, созданного сопротивлением нагрузки. Известно, что электрическое поле можно разложить на вихревое, созданное изменением магнитного поля, и потенциальное, приложенное к границам с помощью электродов. МГДГ делятся на индукционные (безэлектродные с бегущим магнитным полем) и кондукционные (с наличием электродов).

Строго говоря, в МГДГ осуществляется преобразование в электрическую часть полной энтальпии рабочего вещества, а не тепловой энергии. При этом в МГДГ идет преобразование только кинетической энергии или потенциальной при постоянной температуре.

В схемах МГД принципиально возможны 3 режима работы:

-- с сохранением статической температуры и уменьшением кинетической энергии;

-- с сохранением скорости и уменьшением температуры;

-- со снижением и кинетической энергии, и температуры.

Течение газа в МГД происходит с расширением, а, следовательно, с уменьшением температуры. Если скорость на выходе при этом сохраняется, то устройство как бы преобразует тепловую энергию в электрическую (случай 2). Если скорость изменяется по определенному закону (так, чтобы температура оставалась постоянной), то в электрическую преобразуется только кинетическая энергия.

Целесообразность того или иного изменения скорости определяется эффективностью процесса. Простой расчет возможен только при частных случаях -- w=const или T=const.

Рис. 20. I-S диаграмма рабочего цикла МГД - генератора.

Отклонение от изоэнтропы связано с потерями на трение и джоулевым тепловыделением в газе.

Можно рассмотреть ряд КПД для МГД генератора:

-- политропический КПД -- совпадает с электрическим, если нет работы трения;

-- коэффициент превращения (доля энергии газа, которая превращается в электрическую);

-- а также эти КПД для параметров торможения.

Для МГДГ число возможного КПД ниже. Эффективность КПД будет определяться отношением эффективной работы (L_эф=I²R) и разности кинетической и статической энергий потока в генераторе.

;

Коэффициент превращения в обоих случаях одинаков.

Различают 4 схемы линейных кондукционных генераторов.

а. Генераторы со сплошными электродами и сплошными изоляционными стенками. Обычно электропроводность материала много больше, чем плазмы; любые ЭДС вдоль такого канала закорачиваются электродами, и поэтому отсутствует разность потенциалов, но свободно могут перетекать паразитные токи.

б. Генераторы с секционированными электродами и подключением разделенной нагрузки к каждой паре электродов.

в. Генератор Холла -- использует продольную разность потенциалов.

г.. С наклонным расположением

Рис. 21. Схемы МГД-генераторов.

а) Со сплошными электродами б) С секционированными электродами в) генератор Холла г) С наклонным расположением

Для обеспечения работы необходимо создать достаточное напряжение в магнитном поле в межэлектродном зазоре и обеспечить протекание электродной среды с большой скоростью. В результате МГДГ получают преимущества по сравнению с другими генераторами, только начиная с сотен тысяч кВт полной мощности, т. е. когда масса магнитов становится меньше массы генераторов других типов.

Для МГДГ, работающих по замкнутому контуру, лучше всего подходит цикл Брайтона. Для случая генераторов с рабочим телом, которое в процессе работы не претерпевает фазовых переходов, также лучше цикл Брайтона. Если фазовые переходы есть, максимальные КПД и мощность установки достигается при работе по циклу Ренкина.

§ 4.5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ?- И ?-РАСПАДА

Используется непосредственно кинетическая энергия продуктов распада (?- и ?-частиц). Работа генератора определяется излучением ?-частиц изотопом. ?-частицы излучаются с энергией, меняющейся по непрерывному энергетическому спектру, причем имеется максимум.

Выбор рационального радиоактивного изотопа не однозначен по каким-либо характеристикам. Если брать изотоп с коротким периодом полураспада, то мощность быстро падает, если с длинным -- ухудшаются массогабаритные характеристики.

Важнейший параметр -- энергия излучаемых частиц, а, следовательно, и генерирующее напряжение. Целесообразно выбирать для получения высоких значений удельного тепловыделения изотопы с малым атомическим весом и малым периодом полураспада (Т_Ґ), наименее тормозящие частицы, т. е. с большим отношением атомного веса к атомному номеру.

Для получения средних напряжений можно брать только ?-излучатель, а для высоких -- и ?, и ?. Для высоких напряжений увеличивается температура, следовательно, требуется выбирать тугоплавкие изотопы.

По расчетам можно выполнить генератор на ?-частицах мощностью 500 кВт с удельной массой 0,24 кг/кВт.

Рис. 22. Схема преобразователя:

1 - коллектор; 2 - межэлектродный зазор; 3 - слой изотопа; 4 - поддерживающая фольга.

§ 4.6. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

§ 4.6.1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

Топливные элементы (электрохимические генераторы, ЭХГ) относятся к числу прямых преобразователей химической энергии топлива в электрическую. Т. е. энергия химических связей молекул и атомов топлива непосредственно минуя стадию получения тепла, превращается в электрическую. Возможность такого превращения вытекает из того, что химическая энергия имеет электрическую природу, и из этого следует, что в большинстве случаев реакция между окислителем и горючим заключается в отдаче или приобретении их атомами определенного количества электронов. Подобная реакция сопровождается тепловым эффектом.

При сближении двух атомов с различными потенциалами ионизации, например I и IV групп, при определенных условиях происходит их химическое соединение. В этом случае осуществляется переход электронов из атомов с меньшим потенциалом ионизации в атомы с большим потенциалом. В результате перехода против поля атомов I группы будет затрачиваться работа А_I, а с помощью поля атомов IV группы совершаться работа А_IV. Поскольку ?_I >?_IV и, соответственно, А_IV>А_I, получается некоторый избыток энергии А_IV-А_I, выделяющейся преимущественно в виде тепла. Т. е. в процессе химической реакции происходит перемещение электронов с уровней, где они обладали большим суммарным запасом энергии на уровни с меньшим запасом. Поскольку в реакции участвует огромное количество молекул, движущихся хаотично, можно утверждать, что и передвижение электронов также хаотично. В результате этого хаотичного передвижения выделяется энергия в виде тепла, которое может быть преобразовано в электрическую энергию. Общий КПД в этом случае © 30...40%.

Для непосредственного превращения химической энергии в электрическую необходимо заставить электроны перемещаться с определенной скоростью и в заранее заданных направлениях.

Упорядоченное движение электронов при химической реакции происходит в гальванических элементах. Следуя по этому пути, необходимо окислительно-восстановительные реакции (в частности, горение) разделить на ряд этапов:

-- обеспечение ионизации молекул или атомов горючего, т. е. образование положительных ионов и свободных электронов (катод);

-- присоединение электронов нейтральными атомами окислителя с образованием отрицательных ионов (анод);

-- соединение ионов горючего и окислителя в межэлектродной среде с образованием нейтрального продукта реакции (обычно щелочной или кислотный электролит).

§ 4.6.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В настоящее время известно большое количество типов топливных элементов. Они разделяются по роду применяемого топлива, по температуре и давлению рабочего процесса, по виду используемых электродов и т. п. В соответствие с этим следует рассматривать:

-- газообразные, жидкие и твердые горючие (Н₂, гидразин, С и Al); газообразные и жидкие окислители (О₂, Н₂О₂, NH₃);

-- кислотные, щелочные, жидкие электролиты, твердые электролиты, элементы без электролита (с ионообменными мембранами);

-- низкотемпературные (t©100...150 ®С), среднетемпературные (t©200...300 ®С), высокотемпературные (t>300 ®С).

Основа любого топливного элемента -- его электроды, назначение которых в обеспечении протекания заданной электрохимической реакции на границе раздела трех фаз: твердого тела (материал электрода в реакции не участвует); жидкости (электролит) и газа (топливной компоненты). Для повышения эффективности в его материал добавляются катализаторы (Ag, Pt, Pa). Важнейшие функции катализатора -- хемосорбция реагентов на поверхности электродов, инициирование реакций на границе фаз путем расщепления адсорбированных молекул на атомы, понижение энергии ионизации. Кроме того, от катализатора требуется высокая электронная проводимость, совместимость с электролитом и т. д.

В топливных элементах с газообразным топливом получили распространение так называемые газодиффузионные трехфазные электроды, представляющие собой пористые тела соответственной формы.

Электрохимические реакции, проходящие в газодиффузионных электродах, отличаются большой сложностью и включают физические явления в пористых твердых телах, процессы равновесия жидкости и газа и процессы тепло- и массообмена.

Рис. 23. Схема топливного элемента:

1 - анод; 2 - катод; 3 - раствор электролита; 4 - вольтметр; 5 - внешняя нагрузка; 6 - клеммы.

Рис. 24. Топливный элемент с ионообменной мембраной:

1 - подвод водорода; 2 - подвод кислорода; 3 - уплотнительные прокладки; 4 - ионообменная мембрана; 5 - электроды; 6 - газовые камеры; 7 - сливные каналы.

Рис. 25. Схема водородного электрода (анода):

1 - отверстие для подвода водорода; 2 - отверстие для отвода неиспользованной части водорода; 3 - канал для подвода водорода внутрь электрода; 4 - канал для отвода водорода; 5 - путь движения водорода внутри электрода; 6 - пористая поверхность.

§ 4.6.3. КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ ДЛЯ НЕКОТОРЫХ ТИПОВ ЭХГ

Наиболее практичный интерес для использования в энергоустановках КЛА представляют низко- и среднетемпературные топливные элементы с жидким и твердым электролитом, а также с ионообменными мембранами, в перспективе -- с регенерацией продуктов реакции. Их ресурс работы около 2000 часов.

Ионообменные мембраны работают при температуре - 80...90 ®С. Давление подачи примерно соответствует атмосферному давлению (выбирают для упрощения управления). К числу преимуществ следует отнести:

-- ограниченная способность ионообменных мембран к поглощению воды из электролита и проявлению свойств гидрофобности по отношению к воде, образующейся при реакции;

-- заливание пор электродов сводится к минимуму;

-- удаление воды из зоны реакции происходит без внешних воздействий, а это создает возможность обеспечения работы топливного элемента на выбранном режиме, что особенно существенно для энергетических систем КЛА.

Рассмотрим схему энергоустановки.

Рис. 26. Принципиальная схема топливного элемента.

1 -- емкость для хранения реагентов; 2 -- система подготовки реагентов; 3 -- батарея топливного элемента; 4 -- система удаления воды; 5 -- емкость для хранения воды; 6 -- устройство регулировки мощности; 7 -- система терморегулирования; 8 -- система авт. регулирования

В схему входят следующие элементы:

-- Система удаления продуктов реакции. В зависимости от типа топливного элемента используется 2 принципа удаления продуктов реакции: динамический и статический. В первом случае вода испаряется в поток циркулирующего газоносителя (обычно водорода); во втором -- в кислородную распределительную камеру с последующим выводом и удалением с помощью водосборных фитилей.

-- Система терморегулирования (случай низкой температуры теплоотвода) -- для поддержания заданного температурного режима батареи топливного элемента путем удаления тепла, выделяющегося при окислительно-восстановительных реакциях. Для этого может быть использован как топливный компонент, так и специальные охлаждающие жидкости. В первом случае для охлаждения батареи удобно использовать контур удаления воды. Расчеты показывают, что кратность циркуляции водорода, необходимого для удаления воды и для отвода тепла, выделяющегося при реакции, приблизительно равны друг другу.

§ 4.6.4. НЕОБРАТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ. РАБОТА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ПОД НАГРУЗКОЙ

Топливные элементы, работающие под нагрузкой, свойствами обратимости не обладают. Свободная энергия суммарной реакции складывается из энергий элементарных реакций, в том числе связанных с переносом электронов. К числу этих реакций относятся:

-- диффузия молекул реагентов из первоначального объема через поры электрода в зону реакции;

-- диссоциация молекул на атомы и адсорбция атомов на стенках пор (сухих и смоченных электролитом);

-- ионизация атомов и переход ионов в электролит;

-- поверхностные реакции между ионами (например, Н⁺+ ОН^-= Н₂О);

-- десорбция продуктов реакции в поры электрода (например, паров воды) или переход их в электролит.

Для осуществления перечисленных процессов реагентам должна быть сообщена соответствующая энергия активизации.

Перечисленные затраты энергии, обусловливающие наличие соответствующих необратимых потерь, приводящих к уменьшению напряжения на электродах, получили название поляризационных. Различают 3 вида поляризаций: химическую (или активационную), омическую и концентрационную.

Активационная (химическая) поляризация относится к уменьшению напряжения на электродах, обусловленное замедлением реакции адсорбции, переноса электронов и поверхностных реакций.

Концентрационная поляризация связана с влиянием массопереноса отдельных реагентов на различные этапы реакции.

Омическая поляризация (омическое сопротивление электрода и электролита).

В теории термодинамически необратимых электрохимических процессов одно из важнейших уравнений -- уравнение вольтамперной характеристики (нагрузочной характеристики):

, где

? -- теоретическая ЭДС (ЭДС разомкнутой цепи);

??_сум.а -- суммарное изменение потенциала анода вследствие химической и концентрационной поляризации (величина положительная);

??_сум.к -- суммарное изменение потенциала катода вследствие химической и концентрационной поляризации (величина отрицательная);

j -- плотность тока, генерирующего в топливном элементе.

В исследованиях по сравнительной эффективности различных топливных элементов рассматриваются несколько КПД: по току, по напряжению, общий эффективный КПД.

КПД по току. Электрохимическое использование топливных компонентов, участвующих в процессе, может не полностью соответствовать законам Фарадея из-за утечек и расхода на продувку электрода и, в общем случае, за счет побочных электродных реакций (окисление металлов катода).

, где

z -- число электронов на одну молекулу реагентов, участвующих в реакции;

Ф -- число Фарадея (96500 К/моль).

Для Н₂О₂ без учета затрат на продувку ?_ток=0,95...0,98.

КПД по напряжению. В топливных элементах, работающих под нагрузкой, рабочее напряжение становится меньше теоретически возможного на величину суммарных поляризационных потерь.

(-0,57).

КПД общий эффективный. Характеризуется отношением фактически полученной электрической энергии к тепловому эффекту на 1 моль данной электрохимической реакции.

, где

n_i -- число молей i-того реагента;

J_i -- энтальпия i-того реагента.

Общий КПД топливного элемента позволяет оценить потребный удельный расход реагентов на единицу полезной электрической мощности С_уд [кг/кВт"ч].

В нормальных условиях для получения 1 кВт"ч электроэнергии при идеальном КПД=1 -- ?=1,229 В, расход исходных реагентов 0,227 кг.

Кроме того, во втором приближении задаются значения 0x01 graphic

и ? (для схемы с регенерацией). В результате предварительных расчетов устанавливаются значения 0x01 graphic

и соответствующие им 0x01 graphic

. В дальнейшем производится более детальный расчет отдельных элементов установки.

Общий КПД составляет около 13...27%.

§ 4.7. МАШИННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.

К машинным преобразователям относятся все ДВС и расширительные машины.

§ 4.7.1. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ КЛА

Особенности применения преобразователей в энергоустановках КЛА:

-- Ограничение по снижению нижней температуры цикла Т_ц по условиям теплоотвода в космос.

-- Затруднение в осуществлении ряда процессов при наличии двухфазных рабочих тел (парогенерация, конденсация), протекающих в условиях невесомости.

-- Требования обеспечения минимальной массы и габаритных размеров (а не максимального КПД), простоты, удобства и, главное, безопасность эксплуатации.

-- Большая сложность (в ряде случаев, невозможность пополнения рабочего тела).

-- Требование обеспечения высокой надежности в сочетании с длительным ресурсом работы без серьезного вмешательства со стороны человека и др.

Требование минимальной массы и габаритов часто вступает в противоречие с обеспечением высокого общего КПД. Отсюда противоречивые требования к рабочему телу газотурбинных установок: с целью увеличения КПД желательно иметь рабочее тело с большой теплоемкостью, а с целью снижения удельной площади холодильника- излучателя (удельной массы) -- рабочее тело с высокими коэффициентами теплоотдачи. Кроме того, это требование вступает в противоречие с требованием высокой надежности. Это налагает ряд ограничений на выбор параметров работы преобразователя и, в первую очередь, на максимальную температуру цикла Т_цmax. Для повышения надежности применяют секционирование (резервирование отдельных элементов установки: преобразователей, секции холодильника излучателя и др.).

§ 4.7.2. ПАРОТУРБИННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Простейшая паротурбогенераторная установка, работающая по замкнутому циклу, состоит из 5-ти основных узлов: источника тепла, турбины, генератора, холодильника и насоса; и называется установкой одноконтурной схемы.

Для паротурбинной установки (ПТУ) характерны 2 режима работы: на влажном паре и на перегретом (сухом) паре. Работу турбины на влажном паре (когда цикл наиболее близок к идеальному циклу Карно) можно изобразить следующим образом:

Рис. 27. Цикл паротурбинной установки.

Рабочие процессы изображаются: для влажного пара -- двумя политропами 3-4 и 1-2 и двумя изотермами 4-1 и 3-2; для сухого пара -- дополнительно изобарой 1-1?, политропой 1?-2?, изобарой 2?-5 и замыкающей цикл изотермой 5-3.

Полезная работа цикла равна разности работ турбины и насоса.

?_нас -- доля мощности турбины, затрачиваемая на прокачку теплоносителя.

Полезная электрическая мощность установки будет равна:

, где М_сек -- секундный расход рабочего тела.

L_Т может быть определена по разности энтальпий в точках 1 и 2 с использованием энтальпийных диаграмм для выбранного рабочего тела.

Общий КПД установки будет определяться отношением полезной электрической мощности к подведенной тепловой:

Для его определения введем коэффициент работы, равный отношению разности подведенной и отведенной теплоты в идеальном цикле Ренкина к той же разности в цикле Карно:

. Учитывая, что 0x01 graphic

, получается:

, где

-- КПД цикла Карно;

-- КПД цикла Ренкина.

Для сухого пара коэффициент работы f:

Для влажного пара со степенью сухости х:

q_r -- скрытая теплоты парообразования;

-- средняя теплоемкость рабочего тела.

Выражение для удельной площади холодильника излучателя ПТУ может быть получено на основании тех же соотношений, что и для ГТУ, причем соответствующие уравнения упрощаются в связи с отсутствием степени сжатия компрессора, и при фиксированных 0x01 graphic

и ?_нас отношение 0x01 graphic

определяется только температурой за турбиной.

Особое значение для выбора схем и параметров работы преобразователя ПТУ имеет ряд применяемого теплоносителя рабочего контура. Его свойства должны удовлетворять ряду противоречивых требований: умеренная температура кипения Т_кип (определяет выбор давления перед турбиной); низкая температура плавления Т_пл; термическая и радиационная стабильность; малая коррозионная активность. В зависимости от максимальной температуры, определяемой главным образом типом источника тепла, рассматриваются либо жидкие металлы (обычно щелочные), либо органические теплоносители (даутерм, толуол, дифенил) -- они имеют низкую упругость насыщенных паров при сравнительно высокой Т_кип; требуют небольших мощностей на прокачку и обладают малой коррозионной активностью. Недостатки: низкая термодинамическая эффективность, малые значения коэффициента теплоотдачи, склонность к термическому разложению при высоких температурах.

Для ядерных источников тепла рабочим телом могут быть щелочные металлы (Т_Г=800...1000 ®С), ртуть (-600 ®С). В этом случае реализуется цикл на насыщенном и влажном паре, т. к. получение сухого пара требует дополнительного нагрева в несколько сотен градусов, что затруднительно как по условиям безопасности рабочего размера, так и по условиям работы турбинных лопаток. Для солнечных и изотопных источников тепла при ограничении максимальной температуры -600 ®С характерно применение органических теплоносителей.

Основные особенности ПТУ определяются в первую очередь свойствами рабочего тела, позволяющими сохранить пар сухим на выходе из турбины вплоть до входа в конденсатор. В результате температура за турбиной оказывается существенно выше температуры конденсации, в то время, как в цикле на влажном паре эти температуры совпадают. Из этого следует снижение термического КПД данного цикла. Однако значительный перепад между турбиной и конденсатором позволяет перейти к регенеративному циклу, т. е. осуществить предварительный подогрев жидкости паром, выходящим из турбины. Это дает возможность компенсировать снижение термодинамической эффективности из-за повышенных значений нижней температуры и позволяет повысить КПД в 1,5-1,7 раза.

Для конденсации пара в рассматриваемых установках используются струйные конденсаторы, которые снимают проблему конденсации в условиях невесомости.

Основные задачи и последовательность расчета ПТУ в принципе такие же, как и для ГТУ. Отличие заключается в появлении дополнительных элементов (насосы, конденсатор, паровой газогенератор).

Рис. 28. Схема (а) и циклы паротурбогенераторной установки при работе на паре типа щелочного металла (б) и типа дифенила (в):

1 - источник тепла; 2 - турбина; 3 - генератор; 4 - излучатель; 5 - насос; 6 - промежуточный теплообменник.

§ 4.7.3. УСТАНОВКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

Рис. 29. Схема и цикл работы установки Стирлинга.

1 -- источник тепла; 2 -- насос; 3, 6 -- теплообменники; 4 -- двигатель; 5 -- регенератор; 7 -- холодильник излучатель.

Двигатель имеет два поршня -- рабочий и вытеснительный. Причем процессы сжатия и расширения происходят практически изотермически -- при движении рабочего поршня, а регенерация при постоянном объеме -- при движении вытеснительного поршня.

Полагая для простоты, что степень регенерации 0x01 graphic

, и что сжатие и расширение происходят по изотермам (n??), получим для электрической мощности, КПД и удельной площади холодильника:

;

-- КПД сжатия и расширения.

При

= 1, КПД двигателя Стирлинга равен КПД цикла Карно.

В реальном двигателе Стирлинга трудно обеспечить высокое значение КПД, характеризующего механические потери в скользящих парах, и осуществить условие ?=1. Тем не менее, его общий КПД весьма высок и достигает 3,75%, масса при полезной электрической мощности 5 кВт составляет около 286 кг.

Выбор теплоносителя даутерма определил верхнее значение температуры цикла (температуры перед турбиной), принятой 645 К. Переохлаждение определяется разностью между температурой насыщенного пара при Р_вых из Т насыщения и температурой выхода из холодильника излучателя. Это использовалось для отвода теплоты от электрогенератора. При увеличении степени переохлаждения уменьшается КПД цикла за счет уменьшения КПД цикла Карно, связанного необходимостью соответственного увеличения температуры за турбиной. Вместе с тем отношение расходов охлаждающей жидкости и рабочего потока также уменьшается. Это приводит к снижению затрат мощности на прокачку и к меньшему влиянию коэффициента восстановления давления в струйном конденсаторе на КПД. Степень регенерации оказывает противоположное влияние на КПД и массу установки. Масса теплообменника становится существенной при степени регенерации больше 0,9. Таким образом, многие параметры рабочего процесса оказывают противоречивое влияние на КПД и массу установки. Следовательно, требуются вариантные расчеты.

§ 4.7.4. ГАЗОТУРБИННЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

Используется цикл Брайтона.

Рис. 30. Схема и цикл газотурбинной установки.

Полезная работа реального цикла, отнесенная к 1 кг рабочего тела, может быть выражена разностью работ турбины и компрессора:

, где

Т^* -- температуры торможения потока в соответствующей точке цикла.

С_рг и С_рх -- среднее значение теплоемкости соответственно горячего и холодного рабочего тела в соответствующих интервалах температур.

КПД турбины: 0x01 graphic

; КПД компрессора: 0x01 graphic

Степень расширения в турбине: 0x01 graphic

Степень понижения давления рабочего тела в компрессоре:

Принимая для упрощения анализа постоянство теплоемкостей в различных процессах, получаем уравнение полезной мощности газотурбинной установки с электрогенератором:

, где

-- потери полного давления рабочего тела в источнике тепла; холодильнике- излучателе; на участках газовоздушного тракта;

М_сек -- массовый секундный расход рабочего тела;

?_ЭГ -- КПД электрогенератора.

Удельная площадь холодильника-излучателя получается после несложных преобразований, выражая температуру на выходе из компрессора 0x01 graphic

через температуру на входе Т₃и температуру на выходе из турбины 0x01 graphic

через температуру на входе 0x01 graphic

. Для упрощения приняв ?_ЭГ=1, получаем:

Удельная площадь холодильника-излучателя зависит от 2-х переменных 0x01 graphic

и имеет по ним оптимум. Точных аналитических выражений задача не имеет и решается графическим путем. С целью повышения эффективности газотурбинной установки предлагается использование циклов с регенерацией тепла и ступенчатым сжатием и расширением газа.

§ 4.7.5. ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ ПО ВЫБОРУ ТЕПЛОВОГО ЦИКЛА

В УСЛОВИЯХ КОСМОСА

Известно, что КПД цикла Карно: 0x01 graphic

Так как отводимое тепло Q₂ связано с полезной мощностью и с площадью излучателя соотношением: 0x01 graphic

, то удельную площадь излучателя можно найти:

или

имеет оптимум по отношению температур Т₂/Т₁. Дифференцируя по Т₂/Т₁ и приравнивая нулю, получим: 0x01 graphic

. Следовательно:

или

Чем выше температура, тем меньше удельная площадь излучателя и легче вся установка. Однако в любой тепловой машине основным ограничением при выборе параметров является величина предельно допустимой максимальной температуры цикла. Поэтому при выборе Т₂/Т₁ практически всегда изменяется минимальная температура цикла Т₂ при Т₁=Т_1max=const.

Задача выбора наиболее целесообразной температуры Т₂ является основной при выборе параметров космоэнергоустановки любого типа. Однако ряд соображений (мощность источника тепла, общая масса всей установки, возможность использования только определенных температур и др.) может диктовать необходимость выбора Т₂, отличающуюся от оптимальной (обычно в меньшую сторону).

А:

-- солнечное облучение перпендикулярно поверхности при равенстве коэффициентов поглощения и излучения.

При Т₂-500 К солнечное облучение приводит к необходимости удвоения площади излучателя. Только при Т₂>650 К влиянием q_сможно пренебречь.

Выражение для КПД реальных установок часто записывается через КПД идеального цикла и некоторых дополнительных КПД, характеризующих все другие потери. Тогда:

, где

?_?, ?, ?, Т₁ -- постоянные и 0x01 graphic

Интересно, что при большом изменении ?_? 0x01 graphic

меняется слабо (около 5 %). Отклонение от 0x01 graphic

в сторону меньших значений приводит к весьма пологому возрастанию поверхности холодильника излучателя. Этим обстоятельством пользуются, когда роль массы и размеров холодильника излучателя в энергоустановке невелика (что бывает при небольшой мощности). При этом выбирая Т₂/Т₁ < 0x01 graphic

снижают массу и размеры наиболее тяжелого узла -- источника тепловой энергии. Целесообразно при использовании в установках солнечного излучения или радиоизотопных источников тепла.

Классифицирование газотурбинного цикла выгодно только при температурах, достаточно близких к 0x01 graphic

, когда практически как бы повышается КПД цикла. Можно ожидать рациональности каскадирования в ВТ ПТУ (Т₁-1600...1800® С), когда нельзя обеспечить большой перепад температур на одном каскаде из-за появления значительной дополнительной влажности в паре и рационально в пределах ?Т-500...600® С можно ввести еще один каскад.

По технической реальности параметров одним из возможных является каскадирование по типу термоэмиссионной, паротурбинной, термоэлектрической установок, хотя никакое техническое реальное сочетание параметров этих установок не позволит при этом ожидать уменьшения F_x/N по сравнению с исходной термоэмиссионной установкой.

ГЛАВА 5. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ.

Рис. 31. Классификация электрореактивных двигателей.

§ 5.1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Ускорение в электромагнитных двигателях (ЭМД) обеспечивается в основном силой Ампера, возникающее в результате взаимодействия тока в электропроводном рабочем деле, и магнитного поля. Сила и, соответственно, ускорение максимальны, если векторы магнитной индукции и тока взаимно перпендикулярны.

Рабочее тело ЭМД -- плазма (температура в несколько тысяч К), поэтому определенную роль играет и тепловой разгон в тепловом или геометрическом сопле. Но если сила разрядного тока в электродуговом электротермическом велика, возникает ощутимое силовое взаимодействие между этим током и индуцируемым им магнитным полем (происходит сжатие разряда и увеличение давления в приосевой области). Появляется составляющая тяги за счет электромагнитных сил. Это пример смешанного механизма ускорения.

Классификация.

Основная классификация -- по характеру протекания во времени. Бывают импульсные ЭМД и ЭМД непрерывного действия.

ЭМД непрерывного действия делятся на 2 группы:

-- с собственным магнитным полем, индуцируемым основным током в рабочем теле и элементах конструкции (коаксиальные и торцевые);

-- с внешним магнитным полем, которое создается обмотками, либо питаемым отдельно, либо включается последовательно в цепь разрядного тока.

§ 5.1.1. ЭМД непрерывного действия

Рис. 32. Принципиальные схемы электромагнитных двигателей с собственным магнитным полем:

а - коаксиальный; б - торцевой.

Рабочий процесс коаксиального двигателя основан на взаимодействии радиальной составляющей тока в плазме с азимутальным магнитным полем, индуцируемым осевым током в центральном электроде.

В коаксиальный канал плазма поступает из плазмотрона, где происходит термическая ионизация газа или пара металла. Ток в коаксиале имеет как радиальную j_r, так и осевую j_a составляющие. Наличие осевой составляющей обусловлено движением плазмы и эффектом Холла.

Суть эффекта Холла. На заряды, дрейфующие в направлении j_r, действуют силы Лоренца Р_л, отклоняющие их в направлении, нормальном току j_r и линиям В_?, т. е. в осевом направлении. В плазме носители тока -- электроны, поэтому разгон в поле вызывается взаимодействием с тяжелыми частицами -- атомами и ионами. Между соударениями на электроны действуют только 2 силы: кулоновская еЕ_r вдоль поля Е_r и сила Лоренца Р_л=еВ_?w_e по нормали к вектору скорости электрона. Это приводит к возмущению составляющего тока в осевом направлении. Это и есть эффект Холла, а ток j_a -- ток Холла.

Очевидно, что ток Холла складывается с осевым движением зарядов плазмы как единое целое. Ток Холла усиливает противо-ЭДС, как бы уменьшая электропроводность плазмы в радиальном направлении. Следовательно, при разгоне плазмы в скрещенных электрическом и магнитном полях (В_? и Е_r) эффект Холла оказывает отрицательное воздействие на процесс разгона.

Ток Холла уменьшается при уменьшении средней длины l_e или времени ? свободного пробега электрона. Но на смещении электронов в осевом направлении влияет и радиус их вращения вокруг линий магнитной индукции. Этот радиус r_л, а также угловая скорость определяются равновесием материальной точки (электрон) массой m_е на орбите:

;

-- скорость, нормальная вектору 0x01 graphic

Угловое перемещение электрона в радианах между соударениями:

где ? -- коэффициент изотропной электропроводности;

n_е -- концентрация электронов.

-- параметр Холла, качественно характеризует холловский эффект. При 0x01 graphic

< 1 он может не учитываться, так как очень мал. При 0x01 graphic

> 1 -- имеет существенное значение.

Эффект Холла возрастает с уменьшением плотности плазмы (из-за увеличения l_e) и с повышением магнитной индукции. Вместе с тем, изменение этих факторов в указанном направлении увеличивает ускорение рабочего тела в поле В_?Е_r, поскольку ускорение элементарного объема равно:

Это главный недостаток двигателей, разгоняющих рабочее тело в скрещенных электрическом и магнитном полях. Специфический недостаток коаксиальных двигателей -- исключительно напряженное в термическом отношении условие работы цилиндрического катода.

Торцевой двигатель близок по принципу действия, но лишен последнего недостатка. Здесь плазма подается не из постороннего источника, а образуется в объемном разряде между центрально расположенным катодом и соплом - анодом. Подача рабочего тела и устройство катода в принципе аналогично электродуговому двигателю.

Осевые составляющие тока, взаимодействуя с полем В_? сжимают плазменную струю. Благодаря этому увеличивается давление, что приводит к дополнительному ускорению за счет перепада давлений, которое проявляется в основном в приосевом направлении.

Для предотвращения эрозии катода в некоторых конструкциях предусматривается организация катодного пятна непосредственно на поверхности пленки жидкого металла (как правило, лития), являющегося рабочим телом. Жидкий металл подводится тангенциально -- так называемый, жидкометаллический катод. Его недостаток -- разбрызгивание и потеря рабочего тела. Кроме того, появляется однозначная взаимосвязь между силой тока и расходом рабочего тела, поскольку он определяется количеством вещества, диффундирующим в разряд с катодного пятна. Это ограничивает возможность регулировки двигателя из-за невозможности изменения тока и расхода.

Большая удельная тяга ЭМД с собственным магнитным полем может быть достигнута только при значительной индукции магнитного поля. Для получения Р_уд=(2...6)"10⁴ м/с сила тока, индуцирующая магнитное поле, должна быть десятки килоампер. Падение напряжения в разряде изменяется в сравнительно узких пределах -- около 30...60 В. Поэтому ЭМД с собственным магнитным полем -- это двигатели, потребляющие очень большие мощности, порядка сотен или тысяч киловатт (КЛА>100 т).

При мощностях около единиц или десятков кВт единственная возможность эффективного электромагнитного разгона -- применение внешнего магнитного поля. Наиболее простой по принципу действия двигатель -- ЭМД с ускорением плазмы в прямолинейном канале во внешних ортогональных электрических и магнитных полях.

Рис. 33. Принципиальная схема электромагнитного двигателя с ускорением плазмы во внешних ортогональных электрическом и магнитном полях:

1 - ускорительный канал; 2 - геометрическое сопло.

Механизм ускорения такой же, как и для двигателей с собственным магнитным полем, но в данном случае поле В_z создается обмотками соленоидов. Если последние питаются отдельно, то магнитная индукция не связана с величиной тока в плазме. Рабочее тело может поступать из различных источников термической ионизированной плазмы: электродугового плазмотрона, ядерного реактора или радиоактивного источника тепла. В ускоряющем канале значительную роль играет процесс неравновесной ионизации. В геометрическом сопле происходит дополнительное ускорение. Эффект Холла также играет отрицательную роль. Для его уменьшения электроды выполняют секционированными с изолирующими прокладками и отдельным питанием.

Однако, если параметры плазмы таковы, что 0x01 graphic

>> 1, то ускорение плазмы можно осуществить за счет этого эффекта. Эля этой цели электроды канала также выполняются секционированными с разделяющими прокладками, но источник тока подключается к крайним электродам. В плазме создается осевой ток. Благодаря эффекту Холла возникает вертикальное перемещение зарядов. Нижние и верхние секционированные электроды замыкаются накоротко. В плазме появляется сильный вертикальный ток j_y, взаимодействующий с магнитным полем В_z, что обеспечивает ускорение плазмы. Таким образом, получается линейный двигатель Холла.

Существует еще торцевой двигатель Холла. Он отличается от торцевого наличием внешнего радиально-осевого магнитного поля, образованного расположенными по периферии обмотками. Линии магнитной индукции внешнего поля приблизительно совпадают с линиями тока в плазме. Параметры плазмы выбираются таким образом, чтобы параметр Холла был >> 1, а это снижает эффективность разгона в поле В_?Е_r. Кроме того, внешнее магнитное поле используется, так как предполагается умеренное значение силы тока, при котором индукция В_? невелика. Поэтому при изолированном питании обмоток составляющая тяги двигателя за счет ускорения плазмы во внешнем магнитном поле практически линейно зависит от силы тока. Ускорение плазмы в собственном магнитном поле зависит от квадрата силы тока, т. к. сила Ампера пропорциональна произведению В_?I, а индукция, в свою очередь, зависит от силы тока.

§ 5.1.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭМД НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ.

Линейные ускорители и двигатели, использующие холловский эффект, не вышли из стадий лабораторных исследований из-за сравнительно низких показателей (?_дв, w_эф). Наибольшее распространение получили торцевые сильноточные двигатели с собственным магнитным полем и торцевые двигатели Холла с внешним магнитным полем.

, где

;

а_x -- безразмерная функция, учитывающая геометрическую осевую составляющую тока, воздействующей азимутальным магнитным полем.

?_н -- коэффициент потерь на пепараллельность потока (0,88...0,92).

;

Для обеспечения КПД не менее 0,5 эти двигатели должны иметь высокое значение силы разрядного тока I > (7...10)"10³ А, но сравнительно низкое напряжение U=60...80 В. При этом тяга более 10 Н, а расход М_с > 0,2 г/с. Диаметр катода выбирается по плотности тока, а она составляет 300...600 Н/см². При I-10⁴ А диаметр катода D_к=4...6 см. Отношение диаметров катода и анода выбирается в пределах 3...6. Площадь выходного сечения анода 200...300 см², что обеспечивает плотность тяги около 0,03...0,05 Н/см².

Вольтамперная характеристика для некоего I_пред линейна и слабо возрастает (при заданной геометрии, массовом расходе М_С и виде рабочего тела). При I>I_пред происходит резкое увеличение нагрузки, усиливаются частотные излучения плазмы, возрастают температуры Т_ки Т_а. На этом участке работа двигателя недопустима.

Факторы, влияющие на I_пред:

-- расход рабочего тела; 0x01 graphic

; целесообразно выбирать расход наиболее близким к предельному режиму;

-- геометрия ЭМД -- с приблизительной пропорцией 0x01 graphic

;

-- внешнее магнитное поле -- способствует удержанию электронов и повышению концентрации в районе анода; благодаря I_пред возрастает; при В=70...100 Тс М_С может быть снижен в 2,5-3 раза, что позволяет увеличить удельную тягу во столько же раз;

-- подвод части рабочего тела в район анода -- способствует увеличению I_пред, но сложно конструктивно;

Для торцевых двигателей Холла с внешним магнитным полем механизм ускорения достаточно сложен.

Для случая независимого питания обмоток соленоида, не включенных в цепь разрядного тока, выражение для тяги может быть представлено в следующем виде:

, где

-- средняя радиальная составляющая индукции внешнего магнитного поля;

-- средний параметр Холла;

L_р -- характерный линейный размер зоны ускорения, имеет порядок длины окружности анода.

;

; D_a -- диаметр анода.

Реализованы могут быть не все режимы работы из-за различных видов неустойчивости (вращательной или ионизационной, высокочастотной, при переходе на запредельный режим по току), которые возникают при различных сочетаниях вида и расхода рабочего тела, геометрии двигателя, силы разрядного тока, магнитной индукции.

§ 5.1.3. ИМПУЛЬСНЫЕ ЭМД

Рис. 34. К определению силы Ампера, действующей на перемычку токового контура.

Рис. 35. Принципиальная схема ИЭМД.

1 - система электропитания; 2 - батарея конденсаторов; 3 - система подачи рабочего тела или система инициирования; 4 - электроды; 5 - плазменный жгут.

На перемычку действует сила Ампера. Если перемычка не закреплена, то она двигается вдоль электродов. Сила, действующая на всю перемычку, -- Р_ЭМ.

Наиболее распространена схема рельсового типа ("рельсотрон").

Сила Ампера, действующая на всю перемычку:

Отношение продолжительности разряда или импульса к периоду цикла называют "скважностью процесса".

Существуют также осесимметричные схемы коаксиального и торцевого двигателей. Они аналогичны соответствующим схемам ЭМД непрерывного действия, принцип действия аналогичен "рельсотрону".

В качестве рабочего тела газы использовать нецелесообразно из-за потерь части газа, не вовлеченной в разряд. В качестве твердого диэлектрика часто применяют соединения на основе фтора (фторопласты).

где

-- начальная энергия накопителя (конденсатора батареи).

-- уравнение энергии;

j_пл -- энергия на образование плазменного сгустка.

, где b -- плазменная индуктивность.

Исходные параметры импульсного ЭМД меняются в широких пределах:

-- Е_О -- от нескольких десятков до нескольких сотен Дж;

-- продолжительность разряда -- ?=(10⁴...10^-6) с;

-- максимум разрядного тока -- (10⁵...10⁶) А;

-- начальная индуктивность -- L=(5...10) нГн;

-- емкость С -- от единиц до нескольких сотен микрофарад;

-- среднее активное сопротивление -- R=(1...3)"10^-3 Ом;

-- масса плазменного сгустка -- М=(1...10) "10^-4 г;

-- средняя тяга -- Р-10^-1...10^-5 Н;

-- единичный импульс -- 10^-1...10^-5 Н"с;

-- удельная тяга -- от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч м/с.

§ 5.2. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ И ИОННО-ХОЛЛОВСКИЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Принцип работы таких двигателей основан на воздействии на одноименно заряженные частицы рабочего тела электростатического поля, через которое кулоновская сила, ускоряющая частицы (т. е. сила тяги), передается на конструктивные элементы. Таким образом, для работы электростатического двигателя (ЭСД) необходимо наличие заряженных частиц одного знака.

Рис. 36. Принципиальная схема ЭСД.

1 -- поток нейтральных частиц рабочего тела; 2 -- устройство для разделения нейтрального потока на положительно и отрицательно заряженные частицы; 3 -- фокусирующие электроды; 4 -- ускоряющие электроды; 5 -- нейтрализатор.

Частицы из устройства 2 могут быть либо коллоидные частицы (или жидкие капли), либо ионы и электроны. В последнем случае ЭСД называют ионным двигателем (ЭИД). Они получили наибольшее распространение, поэтому будем рассматривать их.

На фокусирующие электроды подается слабый положительный заряд. Сила, ускоряющая ток Р_i в данной точке тяговой камеры, определяется напряженностью электрического поля:

, где q -- заряд иона.

Если поле между выходом из ионизатора и ускоряющими электродами считать плоским, то напряженность будет постоянной: Е=U/d, где d -- расстояние между ионизатором и ускоряющими электродами.

Время пролета расстояния d: 0x01 graphic

Ионный ток: 0x01 graphic

Для суммы всех сил, действующих на все ионы в зазоре:

Согласно 3-му закону Ньютона, это сила тяги ЭИД.

Мощность потока ионов: N_i=UI_i; массовый расход ионов: M_ci=n_icm_i.

Р=M_cw_ai, поэтому максимальная скорость истечения ионов в плоскости ускоряющих электродов будет равна:

При заданных N_i и М_с и, следовательно, заданной тяге Р соотношение между параметрами I и U определяется величиной соотношения m_i/q. Чем больше m_i/q, тем меньше I и выше U.

Как слишком малые, так и слишком большие напряжения нежелательны. При малых U растет I и при приемлемой плотности j_i увеличиваются поперечное сечение торцевой камеры и масса двигателя. С другой стороны, из-за возникновения электрических пробоев в высоковольтной цепи увеличение ускоряющего напряжения не может быть больше (8...10)"10⁴ В.

В ионных двигателях (в отличие от коллоидных) осуществляется однократная ионизация, и заряд ионов q равен заряду электрона. С точки зрения уменьшения затрат энергии на ионизацию преимуществом обладают щелочные металлы (цезий), имеющие низкий потенциал ионизации.

До определенного значения плотности ионного тока j_i можно пренебрегать влиянием электростатического поля ионов на ускоряющее электрическое поле. С увеличением j_i, несмотря на рост U, плотность тока перестает возрастать. Возникает предельная плотность тока -- ток насыщения:

§ 5.2.1. УСТРОЙСТВО И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭИД

I. Источник ионов (ионизатор).

Требования: плотность ионного тока j_i ™20...30 мА/см²; высокая степень ионизации ?; малые затраты энергии; малая масса; большой ресурс работы. В наибольшей степени удовлетворительны источники с поверхностно-контактной ионизацией и ионизационным электронным ударом (контактные и газоразрядные ионные источники).

Степень ионизации в поверхностной ионизации ?_i=n_i/n_a возрастает с увеличением положительной разности между поверхностным потенциальным барьером -металлом и первым потенциалом ионизации атомов вещества рабочего тела (?-?_i).

Наибольшая величина ? у пары вольфрам (?-4,5...5 В) - цезий (?_i=3,89 В). Степень ионизации имеет максимум по температуре металла. Т_max возрастает с увеличением концентрации ионизированных атомов и, следовательно, плотности ионного тока. Кроме того, на оптимальную температуру влияют: увеличение термоэлектронной эмиссии с ростом температуры; пористая структура ионизатора, способствующая увеличению оптимальной температуры; наличие тянущего для ионов внешнего электрического поля (при ?>?_i снижает Т_opt).

Как правило, контактные ионизаторы выполняются из пористого вольфрама, реже -- тантала, молибдена, рения.

Относительное количество ионов в потоке массы рабочего тела на выходе из ионизатора -- коэффициентом использования массы: 0x01 graphic

-- ниже степени ионизации ?_i, т. к. при прохождении через пористый ионизатор часть атомов с поверхностью не соприкасается.

Другой критерий эффективности -- затраты энергии на получение 1 иона (цена иона):

[Дж/ион],

где N_u -- мощность, подводимая к ионизатору.

где N_i -- мощность ионизированного пучка.

Преимущества контактного ионизатора: высокая надежность, большой ресурс работы, малые масса и габариты. Недостаток -- в ограниченном выборе рабочего тела с малым потенциалом ионизации.

Газоразрядные ионные источники этого недостатка лишены. Принцип их действия основан на том, что электроны, эмиттируемые нагретым катодом, ускоряются до значительных энергий в электрическом поле между катодом и анодом. В межэлектродное пространство вводится ионизируемое рабочее тело. Для увеличения вероятности соударения электрона с атомом траектории электронов стараются удлинить. Электроны, попавшие на анод, отводятся к нейтрализатору, а ионы вытягиваются из ионизатора тянущими электродами. Минимальная цена ионизации равно энергии ионизации ( 0x01 graphic

Существуют ионные источники с безэлектродным высокочастотным разрядом, создаваемым соленоидом. Их преимущество заключается в отсутствии потерь энергии на электродах (что уменьшает цену иона) и увеличении ресурса, который в электродных схемах ограничивается эрозией катодов.

II. Ускоряющая камера (ионно-оптическая система).

В общем случае состоит из фокусирующих, ускоряющих и замедляющих электродов. Использование замедляющих электродов обусловлено следующими причинами. Для получения максимальной плотности ионного тока ускоряющее напряжение должно быть достаточно высоким с целью уменьшения поперечных размеров тяговой камеры. Это привело бы к большой скорости ионов. Может оказаться, что это скорость превысит оптимальную, найденную из условий выполнения данной космической миссии. Между ускоряющими и замедляющими электродами ионный ток производит работу против электрического поля, т. е. возникает электростатический генератор. Эта энергия снимается с электродов и возвращается в систему питания двигателя.

Концентрация ионов в пучке высока, поэтому наблюдается их разлет под действием кулоновских сил и изменение распределения потенциала. Критерием интенсивности ионного потока, характеризующим этот эффект, является так называемый первеанс: 0x01 graphic

. Интенсивные пучки с Р>10^-8...10^-7 А/В^3/2.

Для получения параллельного потока применяется система фокусированных электродов. В результате при небольших поперечных размерах пучка R<(3...5)d (расстояние между электродами ускорителя) достигается параллельность ионного потока. При больших значениях ионного тока необходимо деление пучка не несколько отдельных пучков.

Потери в ионно-оптической системе обусловлены главным образом тем, что часть ускоряющих ионов попадает на электроды, гасит отрицательный потенциал, образуя дополнительные паразитные токи и не участвующие в создании тяги. Кроме того, это приводит к эрозии электродов. Отрицательное влияние оказывает наличие концентрированных атомов, вылетающих из ионизатора с тепловыми скоростями. Часть атомов попадает на электрод, вызывает паразитные течения тока, способствующие возникновению электрических пробоев. Появляются медленные ионы, которые устремляются к имеющему низкий потенциал ускоряющему электроду, вызывая его эрозию. Это требует расходов дополнительной энергии.

III. Нейтрализатор.

Основное требование к нейтрализатору -- полная компенсация ионного тока и пространственного заряда пучка ионов.

Добиться немедленной нейтрализации заряда непосредственно в плоскости ускоряющих (замедляющих) электродов не представляется возможным. Часть ионов нейтрализации может удалиться на значительное расстояние, создавая в системе в целом отрицательный заряд, замедляющий движение ионов. В результате средняя скорость потока нейтральных атомов w_a, покидающих двигатель, оказывается несколько меньше скорости ионного пучка w_ai. Это различие скоростей оценивается с помощью КПД нейтрализатора:

Применение ЭИД на КЛА целесообразно, когда требуются большие значения оптимальной удельной тяги и невысокие значения абсолютной тяги.

Задачи, необходимые решать при создании ЭИД с большим ресурсом работы:

-- обеспечение устойчивой нейтрализации ионов на выходе из двигателя;

-- снижение эрозии электродов ионно-оптической системы;

-- производство пористого вольфрама со стабильно воспроизводимыми характеристиками;

-- создание надежной и экономичной системы электроснабжения с малой удельной массой.

Несмотря на недостатки, ЭИД является весьма перспективным двигателем при решении многих задач в космосе. Это обусловлено рядом принципиальных преимуществ: высокие удельные параметры, относительно низкий температурный уровень рабочего процесса.

§ 5.2.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ИОННО-ХОЛЛОВСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Ионно-холловские двигатели (ИХД), или двигатели с замкнутым дрейфом электронов, совмещают в себе признаки, характерные для ЭМД Холла и для ионных двигателей с газоразрядным источником ионов. Существует несколько разновидностей ЭХД, но принцип ускорения у всех одинаков.

Рис. 37. Схема движения электронов и ионов в скрещенных Вr и Ех полях ИХД.

Рис. 38. Принципиальная схема ЭСИД

1 - кольцевой анод; 2 - металлические стенки; 3 - магнитопровод; 4 - обмотки магнита.

Принцип действия можно пояснить на примере заполненного плазмой канала, в котором созданы внешние поля -- продольное электрическое Е_х и радиальное магнитное В_r. Под действием ЭДС Холла 0x01 graphic

возникает азимутальный холловский ток j_?, пропорциональный скорости дрейфа электронов:

Ионы слабо отклоняются магнитным полем. На выходе ионный пучок должен быть нейтрализован. Параметр Холла должен быть >> 1, взаимодействие частиц редкое, поля однородны.

Если считать, что взаимодействие ионов с электронами отсутствует, то w_ai можно считать по той же формуле, что и для ЭИД. Но в ЭХД ускорение ионов электрическим полем происходит в квазинейтральной плазме, что устраняет ограничение плотности ионного тока. Кроме того, можно использовать малые ускоряющие напряжения (около 100 В) при малых потребных значениях Р_уд, что в ЭИД исключено из-за необходимости обеспечения высокой плотности ионного тока из ионизатора. Другое преимущество ИХД -- возможность широкого диапазона регулируемой тяги и удельной тяги за счет изменения М_С и ускоряющего электрода при сохранении высоких значений КПД; а также управление потоком плазмы, магнитным полем, использование комбинированных механизмов ускорения.

Описанный принцип действия осуществляется в 2-х основных схемах этих двигателей -- в ИХД с узкой зоной ускорения (или двигателях с анодным слоем) и в ИХД с протяженной зоной ускорения.

§ 5.2.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИХД

Тяга определяется произведением массового расхода ускоренных ионов на осевую составляющую их конечной скорости: 0x01 graphic

Удельная тяга: 0x01 graphic

где ?_М=(0,9...0,95) -- коэффициент использования массы, зависит от неполноты ионизации, потери ионов на диэлектрических стенках (в ИХДП), рассеяния и перезарядки ионов на стенках.

, где

;

где U_y -- ускоряющее напряжение;

U_o -- полная приложенная разность потенциалов.

Вольтамперные характеристики зависят от схемы.

Достоинства ИХД: в возможности получения высокого КПД при умеренных значениях N_эл, сравнительной простоте и надежности, независимом изменении Р и Р_уд за счет изменения М_с и напряжения в достаточно широком диапазоне устойчивой работы, возможности использования различных видов рабочих тел (висмут, цезий, ксенон и т. д.).

§ 5.3. ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

§ 5.3.1. ОБЩИЕ ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Электрореактивные двигатели (ЭРД), как и реактивные двигатели любого другого класса (ЖРД, ВРД, ЯРД и т. д.), создают тягу за счет ускорения и выброса рабочего тела. В настоящее время известно множество типов ЭРД, которые могут быть классифицированы по-разному. Наиболее существенным классификационным признаком является принцип преобразования основной части подводимой электрической энергии в кинетическую энергию рабочего тела. Следуя этому признаку, во введении мы выделили три основных типа ЭРД -- электротермические (ЭТД), электромагнитные (ЭМД) и электростатические (ЭСД). В свою очередь, каждый из этих типов делится на несколько схем двигателей, существенно различающихся способом организации рабочего процесса и механизмом ускорения рабочего тела. Следует, однако, заметить, что в ряде случаев, как будет показано ниже, отдельные классификационные признаки не имеют четких границ, так как в некоторых схемах ЭРД существует смешанный механизм ускорения, но один из лих обычно является преобладающим.

Независимо от типа, все ЭРД обладают рядом общих особенностей, которые состоят в следующем.

1. ЭРД относятся к двигателям с разделенными источником энергии и рабочим телом. Вследствие этого их экономичность определяется не одним параметром -- удельной тягой, как у тепловых химических реактивных двигателей (ЖРД, РДТТ, ВРД), а двумя независимыми параметрами -- удельной тягой и КПД (отношение эффективной кинетической энергии, развиваемой в единицу времени вытекающей струей (т. е. механической мощности вытекающей струи), к подведенной электрической мощности):

(1)

Под эффективной скоростью W_эф понимается такая скорость истечения в вакуум, при которой тяга равна истинной с учетом статического члена:

P=M_cW_a+S_ap_a=M_cW_эф (2)

Эффективная скорость тождественно равна удельной тяге. Поэтому уравнению (1) можно придать следующий вид:

(3)

Удельная тяга и КПД характеризуют различные качества двигателя.

2. Из уравнения (3) следует, что при любых условиях желательно иметь возможно большие значения КПД. В то же время удельная тяга при определенных условиях имеет оптимум, зависящий от некоторых исходных данных энергетической и двигательной установки, а также от параметров, определяющих маневр КА под действием тяги ЭРД.

В самом деле, уравнение (3) показывает, что при определенном значении тяги Р для обеспечения заданного маневра КА за время ?t с увеличением Р_уд при T=const электрическая мощность N_эл, необходимая для питания ЭРД, возрастает. При этом с одной стороны, уменьшается потребный запас рабочего тела для ЭРД

а с другой -- увеличивается масса энергетической установки, которую можно в первом приближении принять пропорциональной мощности, т, е.

где Мэ.у-- удельная масса энергетической установки. В результате сумма Мр.т+Мэ.у получается минимальной при некотором оптимальном значении 0x01 graphic

Это также является одной из особенностей ЭРД поскольку у реактивных двигателей других классов (ЖРД, РДТТ, ЯРД) целесообразно иметь возможно большую удельную тягу.

3. Получение очень больших удельных тяг ЗРД, во много раз превосходящих удельную тягу ЖРД, принципиально возможно благодаря высокой концентрации энергии, подводимой к рабочему телу. В ЖРД и РДТТ энергия, подводимая к единице массы рабочего тела, ограничена, так как определяется теплотворностью топлива.

В других тепловых двигателях с разделенными источником энергии и рабочим телом (ЯРД) концентрация энергии лимитируется максимальной температурой, при которой могут надежно работать материалы горячей зоны.

В ЭРД (за исключением ЭТД) дело обстоит иначе. Известно, что взаимное превращение электрической и механической энергии теоретически возможно без потерь. Поэтому концентрация энергии и скорость выброса рабочего тела в ЭМД и ЭСД теоретически не ограничены.

В действительности в ЭРД, имеют место различные потери: джоулевы, гидравлические, на нагрев некоторых элементов конструкции (в ЭСД). В ЭМД основная доля джоулевых потерь приходится на токопроводящее рабочее тело (плазму). Поэтому и в ЭРД (главным образом в ЭМД) существует предел концентрации подводимой энергии, обусловленный термостойкостью конструкционных материалов. Но этот предел соответствует во много раз большим значениям скорости истечения рабочего тела, чем в тепловых реактивных двигателях. Так, у ЭМД удельная тяга может достигать ~10⁵ м/с, а у ЭСД, где потери существенно ниже, ~ 10⁶ м/с. В результате появляется обширный круг задач по маневрированию КА, которые целесообразно решать с помощью ЭРД.

4. Характерным для ЭРД является очень большая удельная масса энергодвигательной установки ?_э._д.у, выражаемая отношением

(4)

где а -- доля массы всей энергетической установки КА, обусловленная необходимостью питания ЭРД.

Как первое, так и второе слагаемое этого уравнения могут изменяться в весьма широких пределах в зависимости от типа ЭРД. Так, первое слагаемое при а=0 отсутствует, а при а=1 имеет порядок ~10³-10⁴ кг/Н; второе слагаемое составляет 10² кг/Н.

Таким образом, масса энергодвигательной установки во всех случаях во много раз превосходит тягу. В связи с этим ЭРД являются типичными бортовыми двигателями КА, способными обеспечить малые ускорения порядка долей м/с² в отсутствие гравитационного поля.

§ 5.3.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Существуют три схемы ЭТД, различающиеся способом нагрева рабочего тела: а) контактный нагрев джоулевым теплом, выделяющимся в твердом тугоплавком проводнике; б) электродуговой нагрев; в) нагрев вихревыми токами, индуцируемыми в рабочем теле, представляющем собой термически ионизированную плазму.

Наибольшее распространение в настоящее время получили две первые схемы.

Принцип действия двигателя с омическим нагревом (рис. 39,а.) в пояснениях не нуждается. Заметим лишь, что встречаются различные конструкции нагревателей (стержневые, пластинчатые, трубчатые), отличающиеся от показанной нa pиc. 39,а. Кроме того, для снижения тепловых потерь подвод рабочего тела может осуществляться так, что происходит его регенеративный подогрев перед поступлением в основную камеру нагрева. Наружные поверхности камеры нагрева и сопла теплоизолируют с помощью вакуумных прослоек и радиационных экранов.

Электродуговые двигатели также могут быть выполнены по-разному. Достаточно типичным является устройство, приведенное на рис. 39,б. Дуга, или распределенный разряд, организуется внутри цилиндрического анода, который представляет собой тепловое сопло. Основное падение давления и дальнейшее ускорение по тока происходит в электрически изолированном расширяющемся геометрическом сопле. В некоторых конструкциях предусматривается горение дуги и в сверхзвуковой части сопла. Это позволяет повысить эффективную скорость истечения, но снижает КПД.

Подача рабочего тела в осевом направлении либо вокруг катода, либо через пористый катод является обязательной во всех конструкциях для предохранения катода от эрозии. На пути к катоду рабочее тело проходит по каналам, образованным многозаходной винтовой нарезкой на поверхности тугоплавкой втулки. Создается развитая поверхность теплообмена между рабочим телом и втулкой, что обеспечивает регенеративное охлаждение катодного узла, нагрев газообразного рабочего тела (водорода) или испарение жидкометаллического рабочего тела (лития). Большое количество тепла поглощается электронным охлаждением катода. Во многих конструкциях предусматривается второй ввод рабочего тела, преследующий в основном две цели: регенеративное охлаждение анода и аэродинамическую стабилизацию дуги. Последняя достигается вихревым движением рабочего тела в предсопловой камере благодаря тангенциально расположенным подводящим каналам. Из-за малого расхода рабочего тела только регенеративное охлаждение недостаточно. Основная доля тепла отводится радиацией с наружных поверхностей.

При запуске двигателя после подачи основного или пускового рабочего тела и напряжения на электроды дуга загорается по кратчайшему пути, как показано пунктиром на рис. 39,б. На радиальный участок столба дуги действует сила Ампера в направлении к выходу из сопла, вследствие взаимодействия с азимутальным магнитным полем, образованным осевым участком тока. Под действием этой силы дуга выносится к выходному сечению анода. Чтобы обеспечить надежное вращение дуги и одновременно стабилизацию ее осевого участка, часто создают внешнее осевое магнитное поле с помощью соленоида (см. рис. 39,б). Вращение дуги предотвращает местный перегрев анода и снижает эрозию.

Рис. 39. Схемы электротермических двигателей:

а -- с омическим нагревом: 1 -- подвод рабочего тела; 2 -- камера нагрева и сопло (вольфрам или рений); 3 -- нагревающий элемент (вольфрамовая или ранцевая проволока); 4 -- опора нагревающего элемента; б -- с электродуговым нагревом: 1 -- подвод рабочего тела; 2 -- катод (вольфрам); 3 -- анод (вольфрам); 4 -- обмотка магнита; 5 -- сопло (вольфрам); 6 -- резьбовая втулка

Очевидно, что максимальная среднемассовая температура рабочего тела в электродуговых двигателях в принципе, может быть значительно выше, чем в двигателях с омическим нагревом. Так, согласно опубликованным данным, среднемассовая температура в электродуговых двигателях может достигать (5-10)10³К, а удельная тяга на атомарном водороде -- (1,7-2,4)10⁴ м/с. Температура в ядре потока, естественно, получается значительно выше, В двигателях с омическим нагревом температура ядра потока не может превышать температуру плавления вольфрама (3650 К); а среднемассовая температура не превосходит ~3000 К. Вместе с тем, эти двигатели обладают и преимуществами, состоящими в простоте, надежности, возможности питания постоянным и переменным током практически с любыми напряжением и силой тока, отсутствием помех для работы бортовой радиоэлектронной аппаратуры.

3. Характеристики электротермических двигателей

Остановимся вначале на понятии характеристик ЭРД. В широком смысле под характеристиками ЭРД будем понимать:

а) взаимосвязь между тремя основными выходными параметрами ЭРД: тягой, удельной тягой (эффективной скоростью истечения) и КПД на расчетных режимах работы. На каждом из этих режимов конструкция ЭРД данного типа, системы питания электроэнергией и рабочим телом оптимальны, т. е. подчинены условию ?_{дв. maх} при заданных значениях Р и W_эф. Иными словами, подобные характеристики -- это геометрическое место точек, определяющих область выходных параметров ЭРД данного класса или типа. По перечисленным трем основным параметрам ЭРД с помощью уравнений (2) и (3) могут быть определены два других: массовый расход рабочего тела М_с и потребная электрическая мощность N_эл. Подобные характеристики условно назовем параметрическими. Они в основном и будут нами рассматриваться, так как дают общее представление об энергетической эффективности ЭРД того или иного типа;

б) взаимосвязь между параметрами данного ЭРД при изменении режима его работы. Подобные характеристики являются регулировочными и определяют зависимость выходных параметров от тех, которые поддаются изменению в процессе испытания или эксплуатации -- массового расхода рабочего тела, силы тока, напряжения (или силы тока и электрической мощности), магнитной индукции.

К регулировочным характеристикам следует отнести также вольт - амперную характеристику двигателя U=?(I), которая необходима для согласования режимов работы ЭРД и ЭУ.

Следовательно, обеспечение у ЭТД высокой удельной тяги сопровождается значительными потерями на диссоциацию и ионизацию. Практика подтверждает это положение. КПД лучших моделей ЭТД с высокой удельной тягой не превосходит 25-35%. ЭТД с низкой удельной тягой имеют гораздо более высокий КПД.

Весьма перспективным рабочим телом для ЭТД (и для всех типов ЭРД) по эксплуатационным соображениям является литий.

Перегретый пар лития при температуре выше 2000 К и давлении ниже 0,2-0,15 бар представляет собой практически одноатомный газ.

В качестве рабочих тел ЭТД рассматривались водород и литий. Преимущество водорода состоит в малой молекулярной массе, благодаря чему при заданной температуре нагрева обеспечивается максимальная скорость истечения. Атомную массу лития (~6) также можно считать малой (она превосходит лишь молекулярную маccу водорода и атомную массу гелия). Но дополнительно важным преимуществом лития является возможность его хранения на борту КА в твердом состоянии (температуры плавления 186 ®С).

Кроме этих рабочих тел представляют интерес также химические соединения, обладающие способностью разложения с выделением тепла при нагревании (например, гидразин N₂H₄). Теплота разложения, которая должна быть учтена в уравнении баланса энергии (10,8), снижает при прочих равных условиях электрическую энергию и повышает КПД, Но удельная тяга уменьшается из-за большой молекулярной массы рабочего тела.

В качестве примеров выполненных ЭТД можно привести электродуговые двигатели фирм "Дженерал Электрик" (W_эф=10⁴ м/с, КПД_дв=0,43) и "Авко" (W_эф =1,5-10⁴ м/с, КПД_дв=0,35) на водороде; двигатели с омическим нагревом фирмы "Дженерал Электрик" на водороде и аммиаке, которые испытывались на спутниках серии ATS в 1967 г., и были применены для ориентации спутников ATS-IV и ATS-V в 1968-69 гг. (двигатели работали на аммиаке, N_ЭЛ= - 5 Вт, W_эф=1350 м/с).

§ 5.4. ТЯГОВЫЕ СИСТЕМЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ВНЕШНИЕ ПОЛЯ.

Здесь будут рассмотрены тяговые системы, использующие внешнюю массу и частично внешнюю энергию, т. е. рассматриваются принципы взаимодействия искусственного электростатического поля корабля с внешним электрическим или магнитным полем, которое так или иначе связано с космическими массами.

Эффективность подобных систем определяется возможностью сообщения летательному аппарату определенного заряда Q_ЛА, а также с наличием внешнего электростатического Е или магнитного Н полей.

§ 5.4.1. ТЯГОВЫЕ СИСТЕМЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ.

[Считается, что околоземное электростатическое поле Е_Н ? 0.]

Сила Лоренца возникает в результате взаимодействия тела с зарядом Q_ЛА, движущимся со скоростью v_ЛА, с внешним электростатическим Е_Н и магнитным Н_Н полями. Характер изменения высоты орбиты после "включения" заряда зависит от угла поворота ?, отношения заряда к массе спутника и от продолжительности полета, т. к. с увеличением числа оборотов спутник переходит на более высокую и более низкую орбиту, близкую к круговой. Если заряд регулируется, орбита получается сильно эксцентричной. Оценки показывают, что данный метод можно применять для корректировки орбиты спутника, траектории снижения аппарата, входящего в атмосферу со 2-ой космической скоростью, и положения (ориентации) ЛА, имеющего управляемый электростатический дипольный момент.

2. Кулоновское тяговое взаимодействие.

где r -- расстояние между геометрическими центрами тела и КЛА;

q_Н -- электростатический заряд внешнего тела.

Космические тела, имеющие М₁=М₂=400 кг, потенциалы ?=2"10⁸ В, при емкости С_1,2=200 кФ (r_ср=2 м) сблизятся со 100 км до 100 м за 1,5 часа. При использовании ионного двигателя той же мощности -- 10 лет, а КПД -- в 10⁵ меньше (общая мощность установки -- 15 кВт; для ионизации -- ускоритель).

§ 5.4.2. МАГНИТОСТАТИЧЕСКИЕ ТЯГОВЫЕ СИСТЕМЫ

Используется взаимодействие магнитного поля ЛА с межпланетной плазмой. Можно получить значительные тормозящие усилия даже без затраты бортовой энергии -- за счет динамоэффекта.

Такая установка может быть организована следующим образом. От ЛА в противоположные стороны выпускаются два кабеля, на концах которых создаются разгонные потенциалы, а также организуется истечение легко ионизирующегося вещества (например, цезия). Если кабели изогнуты, токи, идущие по внешней плазме и по кабелю, будут иметь противоположные направления, т. е. внешняя плазма будет отталкиваться от кабеля и создавать тягу. Вращением всей системы вокруг вектора скорости и регулированием силы притяжения между противоположно заряженными концами кабелей можно обеспечить любую степень прогиба кабелей.

Для достижения приемлемой тяги требуется длина кабелей 1...50 км, мощность бортовых генераторов 10...50 Вт, потенциал 1...10 В, и 0,4 кг цезия на 10⁴ часов работы системы при высоте ее функционирования над поверхностью Земли 100...10000 км.

ГЛАВА 6. ПРИЕМНИКИ ВНЕШНИХ РЕСУРСОВ МАССЫ

§ 6.1. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ МАССОЗАБОРНИКИ

Понятия "воздухозаборник" или "диффузор", широко распространенные в настоящее время, не соответствуют широкому классу устройств, предназначенных для забора внешней массы. Во-первых, подобные устройства могут функционировать и на других планетах, атмосферы которых имеют отличный от воздуха газовый состав. Во-вторых, эти устройства не обязательно должны использовать диффузорный эффект. Поэтому будем применять понятие более широкое -- массозаборник.

Конструкция, принцип действия и геометрические характеристики массозаборника зависят от внешних условий полета:

-- скорости полета;

-- турбулентности атмосферы;

-- углов атаки;

-- термодинамических параметров атмосферы (плотности, давления, температуры, влажности и т. д.);

-- назначения (работа в проточной или накопительной системе, перекрытие диапазонов высот и скоростей, многократность использования и т. п.);

-- технологических ограничений.

Основные характеристики массозаборника:

1. Степень повышения давления -- отношение полного давления на входе к давлению в невозмущенном потоке: П_М=Р₀₂/Р_Н. Р₀₂ определяется потерями полного давления, которые обуславливаются диссипацией энергии в скачках уплотнения (сверхзвуковой массозаборник) и гидравлическими сопротивлениями (трение и вихреобразование). На практике Р₀₂ определяется экспериментально при продувке моделей массозаборников.

2. Коэффициент расхода ? -- отношение массы, поступающей ежесекундно в потребитель М_Н, к условному расходу массы, вычисленному по площади входа, и параметрам невозмущенного потока.

3. Сопротивление массозаборника -- складывается из тормозящего импульса, дополнительного сопротивления и сопротивления внешних обводов:

;

Дополнительное сопротивление массозаборника обуславливается разностью параметров в невозмущенном потоке и входном сечении:

При ?=1 дополнительное сопротивление отсутствует; при ?=0 X_D=max.

Сопротивление внешних обводов находятся обычными методами при ?<1. При ?>1 это сопротивление зависит от конструкции массозаборника, и определяется при модельных продувках.

4. Удельная масса массозаборникика -- характеризует его конструктивное совершенство и определяется как отношение массы конструкции к входной площади:

М_уд=М_Н/S_вх.

Геометрические массозаборники могут быть либо однорежимными, либо многорежимными -- работающими в широком диапазоне чисел М_Н и ?_Н. В последнем случае их выполняют так называемыми "компромиссными" или регулируемыми. Задача создания многорежимных массозаборников носит принципиальный характер, т. к. требуется совмещение конструктивных отличий, характерных для дозвукового, трансзвукового, гиперзвукового и свободномолекулярного массозаборников. Кроме того, необходимо получить оптимальные по условию работы потребителя характеристики.

§ 6.2. ТИПЫ МАССОЗАБОРНИКОВ

1. Дозвуковые массозаборники

Наиболее важная задача -- определение оптимального профиля входной части, отвечающего условию постоянства статического давления вдоль образующей внешнего контура. При пренебрежении сжимаемостью:

, где

S_нар -- наружная площадь массозаборника;

v_вх -- скорость на входе;

v_max -- максимальная скорость на входе при расчетном режиме полета.

Учет сжимаемости (при М_Н-0,9) увеличивает соотношение приблизительно на 20%, но значительно усложняет расчет.

2. Трансзвуковые массозаборники

Отличаются от дозвуковых массозаборников более острыми передними кромками, обеспечивающими меньшее значение сопротивления. Применяются при М_Н<1,5.

3. Сверхзвуковые массозаборники

Широко распространены в авиации и ракетостроении. В большинстве случаев заборники этого типа должны работать и на дозвуковых участках полета. Начиная с М_Н-1,5, выгодно предварительно тормозить внешний поток не в прямом скачке, как в трансзвуковом массозаборнике, а в системе скачков -- косых и замыкающего прямого. Предельный случай -- бесконечное возрастание скачков дает изоэнтропийное торможение потока, характеризуемое минимальными потерями полного давления.

4. Гиперзвуковые массозаборники

Предназначены для работы при М_Н>4, когда существенна проблема нагрева. Кроме того, даже при изоэнтропийном (бесскачковом) торможении значительны потери полного давления. Обе эти трудности могут быть обойдены, если применить такие конфигурации ЛА, при которых основные аэродинамические поверхности выполняли бы роль элементов массозаборника, либо с помощью применения неполного сжатия (например, в случае реализации сверхзвукового горения в потоке).

5. Свободномолекулярные массозаборники

Это такие массозаборники, у которых поперечные размеры меньше длины свободного пробега молекул в набегающем потоке. Пока не создавались, изучаются в лабораторных условиях.

Для свободномолекулярных течений уравнения сплошной среды не пригодны. Поэтому под дроссельной характеристикой понимается зависимость степени уплотнения, т. е. отношения концентраций частиц в невозмущенном потоке и на выходе из цилиндрического массозаборника, от коэффициента расхода ?.

§ 6.3. ПАРАМАГНИТНЫЙ МАССОЗАБОРНИК

Характеристики геометрических массозаборников могут быть значительно улучшены в результате использования электромагнитных явлений, например, за счет парамагнетизма кислорода. Геометрический массозаборник, снабженный кольцевым витком с током, называется парамагнитным массозаборником.

Если предположить, что аппарат с парамагнитным массозаборником движется в атмосфере Земли на высоте 100...150 км с первой космической скоростью, и считать, что парамагнитные частицы между собой не взаимодействуют и не искажают магнитного поля витка, то сила ?F, действующая на элементарный объем ?V:

, где

-- объемная магнитная восприимчивость кислорода при температуре Т_Н и парциальном давлении Р_Н;

Н -- напряженность магнитного поля.

На этих высотах длина свободного пробега соизмерима с размером диффузора r=3 м, и движение молекул О₂ и N₂ можно считать независимым.

Уравнение движения имеет вид: 0x01 graphic

;

, где ?? -- малый интервал времени.

Изменение ? в процессе движения элементарного объема полностью компенсируется соответствующим изменением ?, или, что то же самое, силы F. Следовательно, можно принять ?=const; F=const.

§ 6.4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МАССОЗАБОРНИК

Магнитное поле кольцевого тока значительно сильнее фокусирует заряженные частицы, нежели парамагнитные атомы и молекулы кислорода. Обычно в околопланетном пространстве заряженных частиц довольно много, но можно использовать и их искусственную зарядку. Кроме того, можно с помощью искусственной зарядки сообщить значительную плотность электростатического заряда микрометеоритам, защищая таким образом конструкцию ЛА.

Электромагнитный массозаборник -- единственное устройство, способное дать нужный эффект в чрезвычайно разряженной космической среде. Идея разрабатывается с 1960 г.

Вопросы теоретического расчета электромагнитных массозаборников включают 4 группы проблем: 1) ионизация встречного потока; 2) фокусирование среды; 3) нейтрализация, охлаждение, рекуперация энергии и спрямление потока; 4) торможение потока в геометрическом массозаборнике.

1. Ионизация встречного потока. Может протекать как естественным путем из-за торможения потока в магнитном поле массозаборника и из-за прохождения потоком МГД-волны, так и организовываться искусственно (зарядка электронным или протонным лучом, встречной струей плазмы, встречным электромагнитным излучением).

2. Фокусирование среды рассчитывается одновременно с расчетом ионизации.

3. Нейтрализация, охлаждение и т. д. -- операции, необходимые для осуществле- ния торможения в геометрическом массозаборнике. Наиболее рационален метод отбора энергии от движущейся плазмы в электростатическом преобразователе с решетчатым анодом и катодом, разделенными электроизоляционной спрямляющей решеткой. Охлаждение и одновременно спрямление потока ведет к ее нейтрализации.

Лтература.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ.

§ 1.1. ПОЛЕТЫ В КОСМОСЕ И ТИПЫ ДВИГАТЕЛЕЙ

§ 1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЭНЕРГОДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК.

§ 1.3. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ДВИГАТЕЛЬНУЮ УСТАНОВКУ.

ГЛАВА 2. ИСТОЧНИКИ БОРТОВОЙ ЭНЕРГИИ.

§ 2.1. АККУМУЛЯТОРЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ (ЯДЕРНО - ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА)

§ 2.1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

§ 2.1.2. РАДИОИЗОТОПНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

§ 2.1.2.1. УСТРОЙСТВО, КЛАССИФИКАЦИЯ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

§ 2.1.2.2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА

§ 2.1.3. ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ ДЕЛЕНИЯ

§ 2.1.3.1 РЕАКЦИИ ДЕЛЕНИЯ ЯДЕР КАК ВОЗМОЖНЫЙ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ КОСМОЭНЕРГОУСТАНОВОК

§ 2.1.3.2. УСТРОЙСТВО, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ

§ 2.1.3..3. НЕЙТРОННО-ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

§ 2.1.3.4. ОДНОГРУППОВАЯ ТЕОРИЯ РЕАКТОРОВ И УСЛОВИЯ КРИТИЧНОСТИ

§ 2.2. СИСТЕМЫ ПРИЕМА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

§ 2.2.1. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ И ЕЁ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В КОСМИЧЕСКИХ ЭНЕРГОУСТАНОВКАХ.

§ 2.2.2. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ.

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООТВОДА В УСЛОВИЯХ КОСМОСА.

§ 3.1. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОТВОДА ТЕПЛА В КОСМОСЕ

§ 3.2. ГЕОМЕТРИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩИХ РЕБЕР.

§ 3.3. ТЕПЛООТВОД С ПОМОЩЬЮ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ ИЛИ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ

§ 3.3.1. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ И МАССОВЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТРУБЧАТО-РЕБРИСТОГО ХОЛОДИЛЬНИКА-ИЗЛУЧАТЕЛЯ

§ 3.3.2. РАСЧЕТ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ ХОЛОДИЛЬНИКА-ИЗЛУЧАТЕЛЯ

§ 3.3.3. МЕТЕОРНАЯ УЯЗВИМОСТЬ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ПАНЕЛИ ИЗЛУЧАТЕЛЯ

§ 3.3.4. ВЫБОР ТИПА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ЗАМКНУТОМ КОНТУРЕ

ГЛАВА 4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ В СОСТАВЕ КОСМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

§ 4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ КЛА

§ 4.2. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

§ 4.2.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

§ 4.2.2. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И МОЩНОСТЬ ТЕРМОЭЛЕМЕНТА

§ 4.2.3. КПД ТЕРМОЭЛЕМЕНТА

§ 4.3. ТЕРМОЭМИССИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

§ 4.3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

§ 4.3.2. КПД ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

§ 4.4. МАГНИТОГИДРО- И МАГНИТОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ (МГДГ и МГД)

§ 4.5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ?- И ?-РАСПАДА

§ 4.6. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

§ 4.6.1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

§ 4.6.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

§ 4.6.3. КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ ДЛЯ НЕКОТОРЫХ ТИПОВ ЭХГ

§ 4.6.4. НЕОБРАТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ. РАБОТА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ПОД НАГРУЗКОЙ

§ 4.7. МАШИННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.

§ 4.7.1. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ КЛА

§ 4.7.2. ПАРОТУРБИННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

§ 4.7.3. УСТАНОВКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

§ 4.7.4. ГАЗОТУРБИННЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

§ 4.7.5. ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ ПО ВЫБОРУ ТЕПЛОВОГО ЦИКЛА

В УСЛОВИЯХ КОСМОСА

ГЛАВА 5. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ.

§ 5.1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

§ 5.1.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭМД НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ.

§ 5.1.3. ИМПУЛЬСНЫЕ ЭМД

§ 5.2. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ И ИОННО-ХОЛЛОВСКИЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

§ 5.2.1. УСТРОЙСТВО И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭИД

§ 5.2.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ИОННО-ХОЛЛОВСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ

§ 5.2.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИХД

§ 5.3. ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

§ 5.3.1. ОБЩИЕ ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

§ 5.3.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ

§ 5.4. ТЯГОВЫЕ СИСТЕМЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ВНЕШНИЕ ПОЛЯ.

§ 5.4.1. ТЯГОВЫЕ СИСТЕМЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ.

§ 5.4.2. МАГНИТОСТАТИЧЕСКИЕ ТЯГОВЫЕ СИСТЕМЫ

ГЛАВА 6. ПРИЕМНИКИ ВНЕШНИХ РЕСУРСОВ МАССЫ

§ 6.1. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ МАССОЗАБОРНИКИ

§ 6.2. ТИПЫ МАССОЗАБОРНИКОВ

§ 6.3. ПАРАМАГНИТНЫЙ МАССОЗАБОРНИК

§ 6.4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МАССОЗАБОРНИК

141

Комбинированные

Газовые двигатели

ЖРД

С изотопным реактором

Химические РД

ЯРД

РД КЛА

С реактором деления

Комбинированные

РДТТ

Взрывные

Твердая активная зона

Фотонные

С реактором синтеза

Жидкая активная зона

Газовая активная зона

С прямым нагревом

С прямым использованием продуктов распада

Солнечный парус

Электрореактивные

С газодинамическим ускорением

С электростатическим ускорением

С электромагнитным ускорением

С внешним магнитным полем

С собственным магнитным полем

Фотонные

Электрические ракетные ДУ

Система преобразо-вания тока

Электрическое потребление

кабины корабля

Орган управления режимом работы

Система регулирования

Двигатель

Тяга

Бак

Система подачи РТ

Резервная нагрузка

Система регулирования

ЭУ

Отвод тепла в космос

Энергетическая установка

Аккумулятор тепловой энергии

Приемник солнечной энергии

Концентратор солнечной энергии

Энергия излучения солнца

Реактор деления

Радиоизотопный реактор

Источник энергии

Нестационарный

Стационарный

Холодильник - излучатель

Преобразователь энергии

Динамические

Фотоэлектрические

На продуктах ?- и ?- распада

Термоэлектрические

Термоэмиссионные

Статические

Прямого преобразования

Поршневые

Газотурбинные

Паротурбинные

Машинные

Ток

Магнитогазодинами-ческие

Магнитогидродинами-ческие

Электрогазодинами-ческие

Энергетическая установка

Аккумулятор тепловой энергии

Приемник солнечной энергии

Концентратор солнечной энергии

Энергия излучения солнца

Реактор деления

Радиоизотопный реактор

Источник энергии

Нестационарный

Стационарный

Холодильник - излучатель

Преобразователь энергии

Динамические

Фотоэлектрические

На продуктах ?- и ?- распада

Термоэлектрические

Термоэмиссионные

Статические

Прямого преобразования

Поршневые

Газотурбинные

Паротурбинные

Машинные

Ток

Магнитогазодинами-ческие

Магнитогидродинами-ческие

Электрогазодинами-ческие

Нейтрализующая система

Ток

Тяга

Регенеративная

Система охлаждения

Отвод тепла излучением

Ускоряющая система

Газодинамическая

Электростатическая

Электромагнитная

Ионные

Коллоидные

Непрерывного действия

Пульсирующие

Коаксиальные

Рельсовые

Торцевые

С внешним магнитным полем

С собственным магнитным полем

Топливный бак

Система подачи РТ

Система нагрева

Система ионизации

Под давлением

Насосная

Капиллярная

Теплообменная

Электродуговая

Высокочастотная

Термич. объемная

Поверхн. контактная

Ударная, с потоком частиц, или ? - квантов

Оставить комментарий © Copyright Савченко Григорий Борисович (savtchencogb69@rambler.ru) Размещен: 19/01/2012, изменен: 19/12/2014. 282k. Статистика. Справочник: Естествознание Иллюстрации/приложения: 16 шт. Скачать FB2
Аннотация: Пособие для студентов - двигателистов. Не закончено. По сути, едва только начато ))) Представляет собой не более чем реферат по книгам и статьям нескольких действительно замечательных авторов, разбирающихся в теме. Моего здесь ничего нет. Список литературы выложу чуть позже, когда закончу. С благодарностью приму советы и тапки.

Савченко Григорий Борисович : другие произведения.

Космические энергоустановки