Батарейка для космических аппаратов
Разработка конкурентоспособной космической техники требует перехода на новые типы аккумуляторов, отвечающих требованиям систем электроснабжения перспективных космических аппаратов.
В наши дни космические аппараты используются для организации систем связи, навигации, телевидения, изучения погодных условий и природных ресурсов Земли, освоения и изучения дальнего космоса.
Одним из главных условий к подобным аппаратам является точная ориентация в космосе и коррекция параметров движения. Это значительно повышает требования к системе электроснабжения аппарата. Проблемы энерговооруженности космических аппаратов, и, в первую очередь, разработки по определению новых источников электроэнергии, имеют первостепенное значение на мировом уровне.
В настоящее время основными источниками электроэнергии для космических аппаратов являются солнечные и аккумуляторные батареи.
Солнечные батареи по своим характеристикам достигли физического предела. Дальнейшее их совершенствование возможно при использовании новых материалов, в частности, арсенида галлия. Это позволит в 2-3 раза увеличить мощность солнечной батареи или уменьшить ее размер.
Среди аккумуляторных батарей для космических аппаратов сегодня широко используются никель-водородные аккумуляторы. Однако энергомассовые характеристики этих аккумуляторов достигли своего максимума (70-80 Вт*ч/кг). Дальнейшее их улучшение очень ограничено и, кроме того, требует больших финансовых затрат.
В связи с этим, в настоящее время на рынке космической техники происходит активное внедрение литий-ионных аккумуляторов (ЛИА).
Характеристики литий-ионных батарей гораздо выше по сравнению с аккумуляторами других типов при аналогичном сроке службы и количестве циклов заряд-разряд. Удельная энергия литий-ионных аккумуляторов может достигать 130 и более Вт*ч/кг, а коэффициент полезного действия по энергии — 95%.
Немаловажным фактом является и то, что ЛИА одного типоразмера способны безопасно работать при их параллельном соединении в группы, таким образом, несложно формировать литий-ионные аккумуляторные батареи различной емкости.
Одним из главных отличий ЛИА от никель-водородных батарей является наличие электронных блоков автоматики, которые контролируют и управляют процессом заряда-разряда. Они также отвечают за нивелирование разбаланса напряжений единичных ЛИА, и обеспечивают сбор и подготовку телеметрической информации об основных параметрах батареи.
Но все же основным преимуществом литий-ионных аккумуляторов считается снижение массы по сравнению с традиционными батареями. По оценкам специалистов, применение литий-ионных аккумуляторов на телекоммуникационных спутниках мощностью 15-20 кВт позволит снизить массу батарей на 300 кг. Учитывая то, что стоимость вывода на орбиту 1 кг полезной массы составляет около 30 тысяч долларов, это позволит значительно снизить финансовые затраты.
Одним из ведущих российских разработчиков подобных аккумуляторных батарей для космических аппаратов является ОАО «Авиационная электроника и коммуникационные системы» (АВЭКС), входящее в КРЭТ. Технологичный процесс изготовления литий-ионных аккумуляторов на предприятии позволяет обеспечить высокую надежность и снижение себестоимости.
Источник
Энергия космоса: аккумуляторы для ракет, зондов и кораблей
«Вояджер-2» исследовал дальние планеты Солнечной системы в течение 26 лет Фото: Getty Images/MPI
Нашу Солнечную систему можно сравнить с автобаном, по которому ездят разные машины. Одни похожи на огромные фуры, медленно перевозящие грузы, эти дальнобойщики – космические аппараты для изучения дальнего космоса. Другие летают, как мотоциклы, быстро преодолевая нужный отрезок пути, – их запускают на пару часов с конкретной целью: взять грунт, например. Третьи патрулируют дорогу, перемещаясь туда-обратно, – это орбитальные станции, рассчитанные только на полет вокруг Земли. Укомплектованы машины по-разному, источники энергии в них тоже отличаются: все зависит от цели, с которой машина выпущена на трассу.
От Солнца
Самый простой способ получить энергию в космосе – огромный желтый карлик, с которым мы соседствуем. Он не требует эксплуатации, за него не нужно платить, и работать он будет еще очень и очень долго. Все наверняка видели солнечные батареи. Широкие блестящие панели устанавливают там, куда может попасть солнце, и специальные полупроводники преобразуют попадающие с солнечными лучами фотоны в движущиеся электроны, которые и дают электричество. Международная космическая станция похожа на птицу с огромными крыльями. Они состоят из четырех рядов солнечных батарей. Специальные программы поворачивают эти блоки к Солнцу таким образом, чтобы станция получала как можно больше энергии. Но вот незадача: МКС делает оборот вокруг Земли за 90 минут, и примерно половина этого времени приходится на теневую сторону, когда планета загораживает станцию от Солнца. В это время солнечные батареи уходят в спящий режим, поворачиваясь по направлению движения таким образом, чтобы уменьшить сопротивление атмосферы. Грубо говоря, ложатся вдоль течения. К обеспечению электроэнергией станции тогда подключаются дополнительные аккумуляторы – никель-водородные или литий-ионные.
МКС с рядами солнечных батарей, похожими на крылья community.topcoder.com
С солнечными батареями работают 241 из 244 межпланетных станций, сотни орбитальных спутников и большая часть луноходов и марсоходов. Солнце может дать нам много дешевой энергии, но расстояние отдачи ограничено. Уже на Марсе, если мы все еще хотим использовать солнечный свет, блоки солнечных батарей придется увеличить в два раза для получения той же энергии, что и на орбите Земли. А Марсом наши космические амбиции не ограничены. Мы хотим видеть свои корабли и на Уране, и на Юпитере, и дальше – там, куда солнечный свет не проникает вообще.
Инфографика: spacecraftearth.com
От плутония
«Новые горизонты», «Галилео», «Кассини», «Улисс», «Вояджеры» – эти аппараты объединяют не только красивые названия, но и дальность космической миссии. «Новые горизонты» отправились к Плутону, «Галилео» летел исследовать Юпитер, «Кассини» – Сатурн. Всем им установили похожие источники энергии – радиоизотопные термоэлектрические генераторы. РИТЭГ использует тепловую энергию, которая выделяется при распаде радиоактивных изотопов, чаще всего – плутония. Эти маленькие реакторы не нуждаются в солнечной поддержке, а работать могут очень долго. Период полураспада плутония-238 – 88 лет. «Вояджеры» работают уже почти полвека, хотя частично отключены. Проблема в том, что, делая ставку на длительность полета, мы сильно теряем в скорости. Но это еще полбеды, можно и подождать, когда наши посыльные долетят. Другая сложность – цена и нехватка плутония. Запуск «Новых горизонтов» в 2006 году несколько раз откладывался, потому что США, одни из самых богатых космических исследователей, не могли найти нужные «Новым горизонтам» 11 кг плутония. По этой же причине зонд «Юнона», отправленный к Юпитеру, все же получил массивные солнечные крылья, которые могут улавливать свет даже на такой приличной удаленности. Плутоний-238 долго, сложно и очень дорого получать. Его можно заменить другим радиоактивным нуклидом – ураном-232 с периодом полураспада в 67 лет. Но оба элемента опасны: в случае взрыва устройства при запуске радиоактивный выброс может быть крайне велик.
От винта
Аккумуляторы в качестве источников энергии применяются в космосе редко. Обычно их ставят на аппараты, которым предстоит работать только пару часов. Зонд MASCOT был сброшен на астероид Рюгу, чтобы собрать с него пробы грунта, и проработал 17 часов на литий-тионилхлоридных элементах. Они дают очень большую плотность энергии при габаритах, равных с другими химическими источниками тока, и способны работать в жестких климатических условиях и в труднодоступных местах. Мы как будто бы бросили на астероид пуленепробиваемый смартфон, только размерами повнушительнее. Правда, подзарядить его не получится. Литий-тионилхлоридные элементы неперезаряжаемые, поработали – на выброс. Для более длительных миссий требуется перезаряжаемая система.
«Спутник-1», первый искусственный спутник Земли, работал на серебряно-цинковом аккумуляторе. Их же ставили на луномобили программы «Аполлон». Маленькие, стабильные, спокойно терпящие перегрузки, серебряно-цинковые аккумуляторы довольно быстро проиграли бой никель-водородным. Главное преимущество последних – время работы. Никель-водородные аккумуляторы обеспечивали энергией МКС, «Марс Глобал Сервейор», «Марс Одиссей» и телескоп «Хаббл». Во всех устройствах аккумуляторы оказывали поддержку солнечным батареям. Сейчас там, где можно осуществить замену, никель-водородные источники меняют на литий-ионные. Они стоят и в наших телефонах, и на огромных машинах, которые мы запускаем в космос. Характеристики литий-ионных аккумуляторов гораздо выше, чем их «коллег» по цеху, но в чем они несравненно хороши – маленький размер. В 2019 году космонавты МКС выходили в открытый космос, чтобы заменить старые никель-водородные аккумуляторы новыми литий-ионными.
Когда-то лошадь вполне удовлетворяла человека, пока не оказалось, что с паровозом можно преодолеть весь путь гораздо быстрее. Для создания и ввода в эксплуатацию таких источников энергии, которые продлят наш космический автобан до соседних галактик, нужна новая научно-техническая революция. Новый аккумулятор должен быть легким – мы все еще не способны поднять в космос целую атомную электростанцию. Он должен отвечать требованиям безопасности, потому что в далеком космосе не будет ремонтных бригад и дополнительных инструментов. И, наконец, он обязан быть невосприимчивым к экстремальным условиям перепадов температур, радиации и солнечного ветра. Как только такой источник энергии будет создан, мы сможем посылать не только корабли к соседям по Вселенной, но и космических туристов в приятные лунные прогулки, например. И тогда на автобане появятся экскурсионные автобусы, а вслед за ними, может быть, и частные автомобили.
Источник
ПОЛЕТЫ ВО СНЕ И НАЯВУ
Каким образом обеспечивалось энергоснабжение энергоемких американских космических кораблей всех миссий «Аполлон» во время, их многодневного полета в Космосе, пребывания на Луне и возвращения на Землю?
На фотографии № 417 изображена Международная космическая станция, буквально опутанная «паутиной» солнечных батарей, обеспечивающих электроэнергией состыкованные модули, в которых живут и работают астронавты и космонавты на околоземной орбите.
Чем больше площадь этих батарей, тем больше энергии они вырабатывают для нужд жизнеобеспечения обитателей МКС.
А теперь посмотрите внимательно, на Командный Модуль и Лунный Модуль миссии «Аполлон» (фото № 418 и № 419).
Вы видите у них что-нибудь похожее на солнечные батареи?
Специалисты НАСА утверждают, что на Модулях и в ранцах на скафандрах астронавтов «Аполлона», были установлены мощные серебряно-цинковые аккумуляторы очень большой емкости.
В эту сказку, конечно, можно было бы поверить с большой натяжкой, если бы ее сюжет разворачивался на Земле. Но даже в этом случае разряженные аккумуляторы надо постоянно заряжать.
Аппараты жизнеобеспечения астронавтов (внутрикорабельные и индивидуальные) потребляют колоссальное количество энергии и должны функционировать постоянно, не останавливаясь ни на секунду, пока длится космический полет.
Что же это были за супер аккумуляторы, которые работали без подзарядки в экстремальных условиях открытого Космоса с колоссальным перепадом температур на протяжении многодневного космического вояжа?
Возможно, их заряжали по радиосвязи с Земли? Но это уже из разряда научной фантастики.
Судя по техническому описанию этого луномобиля (фото № 420), в нем даже нет и намека на наличие там солнечных батарей, использующих возобновляемую энергию всегда открытого Солнца.
А как ведут себя аккумуляторы на морозе (в том числе, и серебряно-цинковые), знает каждый автомобилист. Даже, при температуре окружающей среды минус 40 градусов по Цельсию, любой аккумулятор становится, практически неработоспособным.
Но на Луне, в тени, температура может понижаться до -270 градусов по Цельсию, что выведет работоспособность аккумулятора НАВСЕГДА!
При плюсовой температуре (более +100 градусов на Солнце), кипящий электролит в герметизированном корпусе аккумулятора, повысит внутреннее давление и разрушит его!
Выходит, что использование любого аккумулятора на Луне, мероприятие в высшей степени бесперспективное.
Целесообразнее всего конечно было бы использовать в луномобиле альтернативные источники питания (по методу Теслы, например, черпающие энергию из окружающей среды) и значительно уменьшить вес Ровера за счет демонтажа необязательных деталей в его конструкции, в том числе металлических крыльев с подкрылками и замены тяжелых автомобильных колес на легкие велосипедные.
Тогда можно было бы на облегченном луномобиле смонтировать солнечные батареи в виде зонта или крыши, которые уже в то время нашли широкое распространение в практике мировой космонавтики.
Посмотрите внимательно на изображение советского «Зонда-4», предназначенного всего лишь для облета Луны и возвращения на Землю, с экипажем на борту (фото № 416).
Источник
Космические источники энергии. Откуда спутники черпают электричество.
С момента первого запуска искусственного спутника земли человечество столкнулось с проблемой автономности рукотворных космических объектов. Решения применимые на земле не подходили для космоса. Ни одна установка (на твердом или жидком топливе) не могла работать в условиях вакуума, а существовавшие в то время аккумуляторы быстро выходили из строя из-за частого цикла разряда. Но вскоре решение было найдено.
1. Энергия солнца в помощь спутникам.
В 1953 трое специалистов компании Bell Laboratories создали первые солнечные батареи, основным материалом которых стал кремний. Уже через четыре года они стали использоваться на советских и американских спутниках.
В космосе солнечные лучи не задерживаются атмосферой и плотность потока энергии, исходящий от Солнца, составляет более 1300 ватт на квадратный метр. При коэффициенте полезного действия в 20 процентов мы получаем 260 ватт на каждый квадратный метр солнечной батареи. Преимущество солнечных батарей в их автономности, ведь их не нужно обслуживать, заправлять топливом. Но спутники и орбитальные станции не всегда находятся на освещенной стороне орбиты земли, поэтому энергию где то нужно сохранять.
2. Эра водородных аккумуляторов.
В процессе развития космической отрасли ученые искали пути решения проблем малого жизненного цикла аккумуляторов на космических аппаратах. Кроме того большинство ранее изобретенных аккумуляторов обладали еще одним недостатком. Они были чувствительны к перезаряду и короткому замыканию. В 1970 году решение было найдено. Это были Никель-водородные аккумуляторы.
Источник