Как накормить спутник

Недостаточно запустить спутник в космос. Нужно, чтоб он работал на орбите, и для этого необходимо пичкать его аппаратуру электроэнергией. За 6 10-ов лет система энергоснабжения галлактических аппаратов перетерпела значимые конфигурации.

От Солнца

1-ый искусственный спутник Земли, доставленный на орбиту 4 октября 1957 года ракетой-носителем Р-7, передавал в земной эфир «бипанье» на 2-ух частотах – 20 и 40 мгц. Для что использовались два передатчика, любой из которых потреблял мощность семь ватт, выдавая в эфир одноваттный сигнал. Также необходимо было запитывать вентилятор, который нужен для остывания ламповых приемников при превышении рабочего температурного порога. Пиковое потребление мощности составляло порядка 40 ватт.

Питание «галлактической радиостанции» в протяжении 3-х месяцев обеспечивали две батареи из серебряно-цинковых аккумов. Анодная батарея с напряжением 130 вольт имела емкость 30 ампер/час, накальная с напряжением 7,5 вольта – 140 ампер/час. Итак вот на долю батарей приходилась большая часть массы спутника – 50 кг из 83,6 килограмма. У янки соотношение масс в первом спутнике было другим за счет того, что, во-1-х, употреблялся транзисторный передатчик с низким энергопотреблением, а во-2-х, уровень выходного сигнала был меньше, чем у русского, в 30 раз.

1-ый спутник был на самом деле демонстрационным. Настолько расточительное расходование размера и массы полезной перегрузки, выводимой в космос, не допускало длительное внедрение галлактического аппарата для решения каких-то исследовательских целей. Батареи были уместны и во 2-м спутнике с собакой Лайкой, который не подразумевал долгого функционирования его систем.

“В реальный момент идет работа сотворения ядерного реактора, который работал бы 10 лет. Но для сверхдальних полетов это не так и много”

В 3-ем спутнике, запущенном 15 мая 1958 года, главным источником энергии, обеспечивавшим работу 12 устройств и связь с Землей, были снова применены батареи. И они прослужили только три недельки. Но в качестве экспериментальных были установлены панели солнечных батарей.

Конкретно это направление в предстоящем сделалось главным для того, чтоб пичкать энергией огромную часть околоземных галлактических аппаратов, работа которых не просит завышенных энергозатрат. Правда, в далеком мироздании все еще труднее.

Солнце – это неисчерпаемый источник энергии, которая выделяется в виде беспрерывного потока фотонов. Чем поближе к Солнцу, тем этот поток плотнее. На расстоянии до Земли (до входа в атмосферу) на один квадратный метр приходится энергия 1360 ватт. У поверхности Земли за счет атмосферного поглощения и ряда оптических явлений интенсивность потока даже при ясной погоде понижается приблизительно до 1000 ватт на квадратный метр.

В солнечной батарее происходит преобразование солнечной (световой) энергии в электронную за счет открытого еще в позапрошлом веке фотоэлектрического эффекта. Его сущность заключается в том, что фотоны, бомбардируя материал солнечной батареи, вышибают из него электроны, которые и делают электронный ток.

Традиционным материалом для преобразователя считается кристаллический кремний. Используя его, удается достигнуть КПД порядка 8–13 процентов. Другими словами с квадратного метра батареи получат от 110 до 180 ватт. Конкретно такие батареи и применялись при реализации первых галлактических программ.

Построенные на базе кремния преобразователи состоят из 2-ух слоев, один из которых – незапятнанный, беспримесный, а 2-ой – легированный. Таковым образом получают p-n-переход. Другими словами как и в диодике.

Потом стали употребляться наиболее сложные подложки – двухслойные с применением остальных хим частей. А потом и трехслойные, значимый выигрыш эффективности в каких выходит от использования сейчас престижного арсенида галлия. И сейчас КПД возрос до 20–25 процентов. Другими словами с квадратного метра удается снимать 340 ватт. Ну а в исследовательских лабораториях уже атакуют 40-процентный предел.

Солнечные батареи владеют целым рядом плюсов. О одном мы уже произнесли – внедрение для преобразования фактически нескончаемого источника световой энергии. Кроме этого, они способны работать пару лет, чуток ли не до 10, без технического обслуживания. Также на их работу существенного воздействия не оказывают дестабилизирующие причины.

Но эти самые причины медлительно, но правильно приводят к деградации фотослоя, к понижению КПД. К ним относятся столкновение с мелкими жесткими частичками, радиационное облучение, растущее при солнечных вспышках, резкое изменение температуры при переходе из теневого участка орбиты на освещенный и назад. Конструкторы пробуют свести к минимуму результаты таковых действий, но совсем искоренить их нереально.

Сплошная химия

Обычно, в системах электропитания, использующих солнечные батареи, используются и батареи, которые поддерживают работу систем, когда спутник перебегает в область тени. Решают они и еще одну задачку – оказывают демпфирующее воздействие, когда в сети резко изменяется перегрузка.

На заре галлактической эры применялись серебряно-цинковые батареи, которые имели красивые по тем временам энергомассовые свойства – 110–120 Вт•ч на килограмм. Но они на самом деле были фактически разовыми, выдерживая только до сотки циклов заряда/разряда. При всем этом по мере эксплуатации их емкость понижалась, и настоящая полезность от таковых аккумов – до момента, когда они не перевалили за 70–80 циклов. Есть и еще два существенных недочета – долгое время заряда, также недопустимость перезарядки.

Посреди 70-х годов в мироздании начали работать никель-водородные батареи, в каких употребляется газообразный водород. Они работают до сего времени на целом ряде галлактических аппаратов. К примеру, на МКС, на ряде беспилотных станций, изучающих Марс, на именитом телескопе «Хаббл». Их удельная энергоемкость ниже, чем у серебряно-цинковых, – 70–80 Вт•ч/кг. Но плюсы с лихвой перекрывают понижение этого параметра. Основное из их – возможность эксплуатации пару лет. На «Хаббле» никель-водородные батареи до подмены на новейшие прослужили 19 лет. Данный вторичный хим источник тока допускает 20 тыщ циклов заряда/разряда при 85 процентах эффективности. Никель-водородные батареи не страшатся перезарядки и имеют широкий спектр рабочих температур. К недочету относится нарастающий при больших температурах саморазряд.

Переход на последующий тип хим источников энергии состоялся благодаря работам 3-х ученых, которые получили Нобелевскую премию. Вот их имена: британец Майкл Стэнли Уиттингем, янки Джон Гуденаф и японец Акира Есино. Их исследования привели к возникновению литий-ионных аккумов. Изюминка такового аккума в том, что переносчиками заряда в нем являются ионы лития, который в чистом виде не употребляется. Катод содержит в себе хим соединения лития (к примеру, оксид кобальта лития), которые в итоге реакции с электролитом выделяют ионы, переносящие заряд меж электродами.

Литий-ионные батареи владеют рекордной на реальный момент энергоемкостью – 110–250 Вт•ч/кг и имеют огромную разность потенциалов, превосходящую четыре вольта. Также огромные значения выходного тока. Саморазряд – 1,6 процента за месяц. И количество циклов заряда полностью подходящее – 600.

Но есть значимый недочет. Когда батареи, совсем неопасные в бытовых устройствах, собираются в массивные батареи, возникает настоящая опасность их возгорания и взрыва. Но с сиим в мироздании научились управляться, используя электрические системы управления на базе процессоров, отслеживающих протекание действий в батарее и подкорректирующих их в случае необходимости.

Литий-ионные батареи для вселенной у нас создаются в ПАО «Сатурн» (г. Краснодар) с середины нулевых годов. Спустя 10 лет они начали устанавливаться как на русские галлактические аппараты, так и на спутники, построенные для зарубежных заказчиков. Емкость полутора 10-ов сатурновских батарей находится в спектре от 11 до 128 ампер/час. Удельная энергоемкость добивается 162 Вт•ч/кг. Номиналы напряжений – от 40 до 83 вольт. Какие-то батареи уже установлены на геостационарных спутниках. Какие-то предусмотрены для аппаратов, рассчитанных для межпланетных полетов, если, естественно, ведомство Рогозина наконец дозреет до решения таковых задач, которые вовсю решались в 60–70-е годы.

Есть сведения о том, что в обозримом будущем должен показаться литий-серный аккумулятор, электронные свойства которого предположительно будут лучше в два-три раза, чем литий-ионного. Но это очень непростая задачка, при решении которой употребляются наноматериалы. Правда, у янки уже есть лабораторные эталоны. Но от их до серийной продукции расстояние, как от Земли до Луны.

Галлактические АЭС (Атомная электростанция — ядерная установка для производства энергии в заданных режимах и условиях применения, располагающаяся в пределах определённой проектом территории, на которой для осуществления этой цели используются ядерный реактор)

Все вышеупомянутое относится как к орбитальным полетам, так и к исследованию планет, расположенных к Солнцу поближе, чем Земля. Если же лететь в обратную сторону, то интенсивность светового потока миниатюризируется назад пропорционально квадрату расстояния до Солнца. И как следует, солнечные батареи скоро станут никчемны. Как и батареи, которые будет нечем заряжать.

В этом случае употребляются источники или химической энергии (которые не настолько эффективны), или ядерной. 1-ые опыты с атомным реактором для вселенной начались посреди 60-х годов как в СССР (Союз Советских Социалистических Республик, также Советский Союз — государство, существовавшее с 1922 года по 1991 год на территории Европы и Азии), так и в США (Соединённые Штаты Америки — государство в Северной Америке). И достаточно скоро по обе стороны Атлантического океана пришли к одному воззрению относительно конструктивно-физических особенностей реактора.

Была выбрана одноконтурная схема, что обеспечивало высшую температуру теплоносителя и облегчало систему. Использовалась реакция с ролью стремительных нейтронов. В качестве теплоносителя применялся солевой калий-натриевый расплав. Горючее – уран-235, обогащенный до 90 процентов. Никакой антирадиационной защиты не требовалось, так как реактор употреблялся в необитаемых аппаратах. Потом популярность стали завоевывать жидкометаллические теплоносители, имеющие низкую температуру плавления. Припас горючего был невелик, в связи с чем продолжительность работы слегка превосходила год, на первых же реакторах и того меньше.

В Русском Союзе в первый раз «для дела», а не для испытаний был применен реактор «Бук», сделанный на НПО (Научно-производственное объединение, также научно-производственное предприятие — организация любой организационно-правовой формы, проводящая научные исследования и разработки) «Красноватая звезда» сначала 70-х годов. Он устанавливался на спутники радиолокационной разведки, входящие в систему глобальной морской галлактической разведки и целеуказания (МКРЦ) «Легенда». Три 10-ка спутников повсевременно следили за океаном, отслеживая перемещение натовских кораблей. При этом и деньком, и ночкой, другими словами круглые сутки. И при переходе спутника в ночную зону, его РЛС запитывалась от реактора, так как батареи не могли отдать нужной мощности.

Но следует учесть, что вывод на околоземную орбиту работающих атомных реакторов – дело небезопасное. И у нас, и у янки были трагедии, которые, к счастью, завершились легким испугом.

В январе 1978 года спутник «Космос-954», входящий в МКРЦ «Легенда», стопроцентно вышел из строя и стал неуправляемым. Пробы вывести его на «орбиту захоронения» оказались безрезультативными. Началось неконтролируемое понижение спутника, на что немедля среагировало Объединенное командование ПВО (Противовоздушная оборона — комплекс мер по обеспечению защиты (обороны) от средств воздушного нападения противника) американского материка NORAD. Известия о скором падении «российского спутника-убийцы с ядерным зарядом» начали распространять западные СМИ (Средства массовой информации, масс-медиа — периодические печатные издания, радио-, теле- и видеопрограммы).

24 января спутник разрушился в атмосфере над территорией Канады и его осколки свалились на малонаселенную часть провинции Альберта. Нужно сказать, что улов, который собрали военные, был впечатляющим – наиболее сотки фрагментов общей массой 65 кг. Радиоактивность неких деталей достигала 200 рентген/час. К счастью, никто из обитателей не пострадал.

В заключение нужно сказать, что неувязка энергоснабжения сверхдальних пилотируемых полетов до сего времени не решена. В реальный момент выполняются пробы сотворения ядерного реактора, который работал бы 10 лет. Но для сверхдальних полетов это не так и много.

Правда, есть источники, которые способны работать несколько десятилетий. Конкретно таковой (поточнее – три таковых) установлен на аппарате «Вояджер-1», который был запущен в 1977 году. И сравнимо не так давно он покинул пределы Галлактики.

На «Вояджере-1», как и на аналогичном аппарате «Вояджер-2», установлен радиоизотопный термоэлектрический генератор, в который на старте загрузили изотоп плутоний-238. Установка производит мощность, равную 470 ватт, что довольно для обеспечения работы научной аппаратуры и связи с Землей.

Но с течением времени мощность генератора понижается. Математика здесь таковая. Полураспад этого изотопа – 88 лет. Как следует, через 88 лет выходная мощность снизится до 235 ватт. Правда, зависимость чуток наиболее непростая, она учитывает и технические индивидуальности генератора, модифицирующего термическую энергию в электронную. Потому к истинному моменту «Вояджер-1» уже растерял половину собственной мощности. Но его приборы будут работать до 2025 года. Опосля что он, выключившись, будет нескончаемо странствовать по Вселенной, неся золотой видеодиск с посланием к неземному разуму.

Источник: vpk-news.ru

Источник: newsland.com