Андраник Иосифьян - Электромеханика в космосе

• Название: Электромеханика в космосе
• Автор: Андраник Иосифьян
• Издательство: Знание
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1977

Электромеханику, в общем смысле слова, можно определить как науку о законах движения вещественных инерциальных микро- и макротел, несущих электрические заряды и токи, при взаимодействии их с магнитными и электрическими полями. В то же время электромеханика является и отраслью техники, использующей электрическую энергию для производственной, научной и жизненной деятельности и неразрывно связанной с орудиями и средствами труда во всех областях народного хозяйства. В данной брошюре изложено одно из важных применений электромеханики — ее использование в космической технике.

Она рассчитана на широкий круг читателей.

---

Электрореактивные маховики отрабатывают малые возмущения, а также компенсируют влияние нелинейностей, которые присущи силовым управляющим электрогироскопам.

Моментные электрогироскопы, действующие по трем осям (см. рис. 12), используются для постоянной разгрузки электродвигателей-маховиков, что позволяет существенно уменьшить габариты спутника и обеспечить его маневренность. Однако система моментных гироскопов также имеет предел «насыщения», связанный с тем, что по мере перевода внешнего кинетического момента во внутренний возможности для аккумулирования кинетического момента уменьшаются.

Чтобы разгрузить управляющий моментный электрогироскоп от «насыщения», используют газореактивные, электрореактивные или космические моментные магнитодвигатели, которые создают управляющие моменты при помощи магнитного поля Земли и тем самым обеспечивают точность стабилизации и ориентации космического аппарата при применении всех трех ступеней комбинированной системы исполнительных органов.

Электромеханическая система терморегулирования. Несомненно, очень важной является проблема обеспечения заданной температуры для работы всех приборов и механизмов, находящихся как внутри, так и вне космического летательного аппарата. Терморегулирование приборов, находящихся вне космического аппарата, обычно осуществляется за счет естественного теплопоглощения и теплоизлучения поверхностей в условиях глубокого вакуума. Основное назначение системы терморегулирования внутри космического аппарата — это отвод тепла, выделяющегося при работе приборов, а также тепла, получаемого аппаратом от Солнца и Земли.

Необходимая температура внутри аппарата сохраняется, если обеспечивается баланс притока тепловой энергии к объекту и удаления ее из объекта путем излучения в космическое пространство.

Излучающие поверхности космического аппарата могут быть стационарными или регулируемыми с помощью жалюзи или передвижных экранов. В любом случае подвод тепла к излучающим поверхностям осуществляется с помощью жидких или газообразных теплоносителей. Работа системы терморегулирования обеспечивается электромеханическими устройствами, которые осуществляют открытия, закрытия, перемещения жалюзи и экранов, регулирующих поступление и излучение энергии, а также вращение насосов и вентиляторов, обеспечивающих движение теплоносителей, переносящих тепло от нагретых участков космического аппарата к его холодным поверхностям.

Особые проблемы при терморегулировании связаны с отводом тепла из орбитальных тепловых космических электростанций с ядерным или химическим топливом, поскольку на этих станциях вследствие низкой величины их КПД необходимо отводить большое количество энергии в вакуум при относительно высокой температуре излучающих поверхностей.

Электромеханика автономных систем источников электроэнергии. Если средняя мощность электрической энергии на современных космических аппаратах исчисляется несколькими киловаттами, то в будущем потребуются сотни и тысячи киловатт. Электрическая энергия в принципе может быть получена в результате преобразования других видов аккумулированной энергии — тепловой (при химических реакциях между горючим и окислителем), ядерной (при использовании ядерного горючего) или путем прямого преобразования энергии солнечных фотонов.

Системы генерирования электромагнитной энергии при использовании химического или ядерного топлива включают следующие электромеханические агрегаты: турбогенераторы, преобразующие механическую энергию турбины в электрическую энергию; электронасосы различных типов и конструкций, рассчитанные на различные мощности, для обеспечения циркуляции пара или жидкости; электродвигатели насосов для перекачки охлаждающих агентов через излучатель, отводящий тепловые потери как в реакторах или котлах, так и в системах собственных нужд, обслуживающих эту тепловую космическую электростанцию.

Особенностью машинных способов получения электрической энергии с помощью турбогенераторов является необходимость компенсации реактивного момента, который возникает в корпусе генератора при его нагрузке. При применении вращающихся машин (турбогенератора или насосов) для получения энергии приходится устанавливать парные турбогенераторы или специальные маховики-компенсаторы, имеющие для ликвидации моментов реакции на корпус противоположные направления вращения. Парные турбогенераторные агрегаты должны быть при этом снабжены чувствительными регуляторами частоты и напряжения, необходимыми для компенсации механических моментов, воздействующих на корпус космического летательного аппарата при изменяющихся электронагрузках бортовой электросети. Такую же компенсацию механических сил, связанных с нестационарным движением в замкнутом контуре ионизированного газа или жидкости, необходимо осуществить для линейных генераторов электрической энергии.

Одна из главных проблем космических электростанций — создание излучателя, предназначенного для охлаждения газа, циркулирующего в контуре теплоносителя, и для отвода тепла в мировое пространство. Эти излучатели должны иметь минимальные вес и толщину стенок, но в то же время должны быть достаточно надежными для работы в течение длительного времени. Так же, как и при машинном способе генерирования электроэнергии в космических аппаратах, отвод большого количества тепла необходим в устройствах прямого преобразования тепловой («топливной») энергии в электрическую. Принцип прямого преобразования энергии в электрическую основан на прохождении теплового потока в камере сгорания химического топлива (горючего и окислителя) или в атомном реакторе через полупроводниковое или термоэмиссионное устройство, или, наконец, через ионизационную камеру МГД-генератора. Во всех трех случаях тепловой поток создается за счет разности температур между охладителем и камерой, и поэтому для регулирования расхода теплоносителя и сохранения постоянства температурных режимов в реакторе или камере сгорания необходимо иметь автоматизированные электромеханические насосы и электромеханическую аппаратуру. Аналогичные электромеханические системы терморегулирования применяются и в радиоизотопных генераторах прямого преобразования ядерной энергии в электрическую.

Специфические электромеханические системы терморегулирования применяются в топливных элементах прямого преобразования энергии горения горючего и окислителя (например, водорода и кислорода) в электрическую энергию с очень высоким КПД (до 98 %). При этом электромеханические системы обеспечивают соответствующий уровень давления газов, отвод дистиллята и сохранение общего температурного режима за счет искусственного охлаждения.

Конструктивные формы и состав электромеханических устройств (а также специальных излучателей), предназначенных для прямого преобразования «топливной» энергии в электрическую на космических летательных стационарных аппаратах, зависят от мощности космической электростанции, а также от назначения и длительности энергоснабжения бортовых потребителей.

Создание специальных излучателей для отвода тепловой энергии как от ядерного реактора, так и от системы с химическим топливом является сложной проблемой, так как при этом возникают высокие температуры (до нескольких сотен градусов). В случае производства электроэнергии в бортовой электростанции мощностью несколько десятков и сотен киловатт необходимы очень большие поверхности излучателей, исчисляемые сотнями и тысячами квадратных метров. В то же время электрические машины и генераторы, а также электротехническая аппаратура должны быть работоспособны и длительно функционировать при 500–600 °C.

Именно поэтому использование солнечных батарей для получения электрической энергии в космических аппаратах является на данном этапе наиболее перспективным. Хотя и. в этом случае также требуются большие поверхности, однако электротехническое оборудование, и в том числе электромеханические системы, связанные с организацией движения поверхностей солнечных батарей, может работать при низких температурах.

Преобразование солнечной энергии в электрическую. Солнечные батареи представляют собой жесткие или гибкие панели с закрепленными на них полупроводниковыми фотоэлементами. Эти панели конструктивно располагаются либо по цилиндрической или сферической поверхности, либо по плоской поверхности.

Путем коммутации многих сотен и тысяч фотоэлементов, имеющих напряжение в пределах долей вольта, создается система с напряжением в несколько десятков вольт и током в десятки ампер. Современные солнечные батареи могут вырабатывать электрическую энергию в пределах (в зависимости от геометрических размеров батарей) нескольких киловатт, а в перспективе — нескольких сотен киловатт. Жесткие или гибкие солнечные батареи могут укрепляться либо в отдельном энергетическом отсеке, либо непосредственно в космическом летательном аппарате.