№ 1
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2009
УДК 629.788.018.3:541.135
© 2009 г. ГРИШИН В.М., КАБАЙЛОВА Н.В., СОКОЛОВ Б.А., ЧЕЛЯЕВ В.Ф., ШИШКАРЕВА Н.И., ЩЕРБАКОВ А.Н., ЕГОРОВ А.М., ДОЛГИН А.В., КОРОВИН А.В.*
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЛУННОЙ БАЗЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЕЙ, ТЕПЛОМ, ВОДОРОДОМ И КИСЛОРОДОМ НА ОСНОВЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ И АККУМУЛЯТОРОВ ЭНЕРГИИ С ВОДОРОДНЫМ ЦИКЛОМ
Изложена концепция энергообеспечения лунной базы на начальном этапе ее развертывания с использованием водородных технологий. Обоснованность разработки данной концепции базируется на успехах применения на современном этапе водородных технологий в наземной и в космической технике.
В настоящее время в мире проявляется повышенный интерес к работам по лунной тематике, развивающей работы, начатые в 80-х годах прошлого века [1]. Национальные и интернациональные лунные программы анонсируют космические агентства многих стран (Россия, США, Китай, Япония, Великобритания, Германия, Швеция, ESA и др.). В программах рассматривается возобновление пилотируемых полетов на Луну и начало строительства долговременной лунной базы (ДЛБ), начиная с середины 20-х годов 21 века.
Исследования построения и определения архитектурно-технического облика ДЛБ были начаты ФГУП "КБОМ" им. В.П. Бармина по личной инициативе С.П. Королева с середины 60-х годов 20 века и продолжены c 2000 г. в рамках выполнения федеральных космических программ. Были рассмотрены основные аспекты и вопросы, касающиеся создания ДЛБ, и определен его состав. Структурно в состав ДЛБ входят стационарные сооружения и передвижные средства [2-4].
Стационарные сооружения обеспечивают полную защиту и обеспечение жизнедеятельности персонала на лунной поверхности. В состав стационарных сооружений могут входить научные объекты, комплекс оборудования лунного космодрома и (на заключительном этапе развертывания) энергетический центр, в котором размещается основная энергетическая установка на базе ядерного реактора.
В состав передвижных средств ДЛБ могут входить транспортные средства и рабочие машины различного назначения, снабженные навесными орудиями, тяжелые пилотируемые луноходы, открытые пилотируемые луноходы, предназначенные для мобильного перемещения членов лунной экспедиции между сооружениями ДЛБ.
Развертывание ДЛБ происходит в несколько этапов.
На первом этапе в состав ДЛБ может входить основное сооружение, состоящее из четырех модулей: жилого модуля, предназначенного для комфортного проживания экипажа, технологического модуля - для размещения оборудования служебных систем; фитотрона - для размещения оранжереи и выращивания кислородообразующей
* Гришин В.М., Кабайлова Н.В., Соколов Б.А., Челяев В.Ф., Шишкарева Н.И., Щербаков А.Н. - РКК "Энергия" им. С.П. Королева; Егоров А.М., Долгин А.В., Коровин А.В. - ФГУП Конструкторское Бюро общего машиностроения им. В.П. Бармина.
биомассы; научного модуля - для размещения оборудования для проведения исследований и экспериментов.
В состав ДЛБ начального этапа развертывания входят открытый пилотируемый луноход, тяжелый пилотируемый луноход, снабженный навесными строительными орудиями, оборудование лунного космодрома.
В связи с тем, что ядерной энергетической установкой (ЯЭУ) планируется оснастить ДЛБ на последующих этапах развертывания, для начального этапа предлагается организовать энергоснабжение на основе солнечных батарей и аккумуляторов энергии с водородным циклом.
Требования к системе энергоснабжения лунной базы
Рассматривая вопросы энергообеспечения лунной базы, необходимо отметить следующее:
- опыт создания двигательных и энергетических систем космических аппаратов (КА) показывает, что время их разработки определяет время создания всего изделия в целом;
- параметры системы энергоснабжения (СЭС) определяют целевые возможности потребителей на весь жизненный цикл изделия, поэтому архитектура энергосистем баз должна быть достаточно гибкой, модульной, чтобы быть в состоянии обеспечить возможности решения неизвестных задач;
- к энергосистемам нового поколения предъявляются повышенные требования по срокам службы (5-15 лет), ресурсу функционирования (10000-40000 ч), должна быть обеспечена возможность ремонтопригодности и модернизации;
- надежность, ресурс, технология регламентных работ СЭС должны быть подтверждены наземными испытаниями;
- качество электроэнергии должно быть максимально высоким, недопустим перерыв в энергоснабжении;
- при создании энергосистем для планет нужно учитывать факторы окружающей среды - космического излучения, температуры, воздействия атмосферы планет, включая воздействие пыли (загрязнение солнечных батарей на Марсе возможно из-за пылевых бурь, в условиях Луны - пылью, поднимаемой при перемещении по поверхности луноходов, технологического оборудования).
Обеспечение лунной базы энергией и рабочими газами
Система энергообеспечения Лунной базы должна состоять из трех взаимосвязанных модулей:
- первичного преобразователя энергии (ядерная или солнечная энергоустановка);
- накопителя энергии большой емкости, обеспечивающего энергией ДЛБ в течение лунной ночи (при использовании солнечных батарей) и в случае отказа первичного источника энергии;
- генератора кислорода и водорода для систем жизнеобеспечения стационарных и мобильных модулей, заправку компонентами топлива блоков хранения ракетных двигательных установок.
Выбор накопителя энергии
В существующих и разрабатываемых системах энергоснабжения КА для накопителей энергии используется достаточно широкий спектр аккумуляторов:
- никель-кадмиевые, никель-металлгидридные аккумуляторы, в т.ч. для КА с длительным сроком (до 15 лет) эксплуатации (метеоспутники, орбитальные станции и др.);
Сравнение характеристик традиционных аккумуляторов энергии в АЭВЦ
Характеристики
ръ-ръо2 стацио- Са-№Оон Ы-ион
герметич- МН-№-ООН Н2-№ООН
Ы- полимер
нарный ный
АЭВЦ
Напряжение, В
Удельная энергия, Вт • ч/кг (80% разряда)
Удельная энергия, Вт • ч/л
Ресурс при разряде до 80% (кол-во циклов разряд-заряд)
1,8-2,0 25-40 30-50 1000-2000 15-20
Саморазряд за месяц при 20°С, % Рабочая температура, °С -10-40
КПД, % 70-80
КПД когенерационный (электричество + тепло), %
1,0-1,25 30-50 60-150 400-800 15-20 -40-45 60-70
Нормированный ток заряда/разряда
Допустимость тока короткого замыкания
Возможность отбора водорода, кислорода
Ремонтопригодность Относительная стоимость (за единицу принята стоимость свинцового аккумулятора) Прямой контроль степени заря-женности
Максимальная энергоемкость накопителей энергии, кВт • ч
да
да
1000
10
100
1,1-1,25 40-70 100-250 400-800 15-20 -20-45 60-70
да
10
100
3,5-3,7
3
90- -150
130- -1-50
230- -3-50
250- -3-50
500- 1000
800-1000
6-10 3-4
-20-60
-10-50
70
70
нет нет
_8_ 10
40 40
1 12-380 50-60 700
80-90 100-300 1000 15000 90 0,1
-10-50 -50-50
70
50 85
0,1С/10С 0,2С/5С 0,2С/4С 0,01С/1С
Опреде-0,5С/0,5С ляется нагрузкой
да да
нет да
нет да
1000 120
да
да
Более 5000
нет
нет
нет
нет
нет
нет
нет
нет
1
нет
нет
нет
нет
5
- серебряно-цинковые аккумуляторы для КА с коротким сроком эксплуатации (КА типа "Союз" и др.);
- никель-водородные для геостационарных спутников ("Ямал-100", "Ямал-200" и др.);
- литий-йонные аккумуляторы для систем энергоснабжения микро-наноспутников;
- для некоторых классов космических задач предложены аккумуляторы энергии с водородным циклом [5].
Сравнение характеристик современных и перспективных аккумуляторов энергии [6] и предлагаемого аккумулятора энергии с водородным циклом (АЭВЦ) дано в табл. 1. Аккумуляторы энергии традиционных схем имеют особенностями:
- удельная энергия при 80% уровне разряда составляет 50-150 Вт • ч/кг, ресурс (заряд-разряд) - 400-2000 циклов; для достижения приемлемого для практики ресурса (до
Рис. 1. Структурная схема аккумулятора энергии с водородным циклом
12000 циклов) глубину разряда снижают до 20%, что соответственно снижает удельную энергию традиционных аккумуляторов до величин 12,5-37,5 Вт ■ ч/кг;
- высокий саморазряд (в месяц при 20°С) - 3-20%;
- трудность контроля фактического уровня заряда;
- неремонтопригодность - после истечения ресурса батареи подлежат 100% замене.
Существуют и индивидуальные недостатки аккумуляторов, которые зависят от
особенностей веществ, используемых в электрохимических системах. Например, для литиевых аккумуляторов недопустим режим короткого замыкания, который приводит к расплавлению лития в аноде и взрыву аккумулятора. Для аккумуляторов с использованием никеля существует "эффект памяти формы циклограммы". Для ликвидации эффекта никелевые аккумуляторы необходимо периодически (обычно один раз в год) разряжать на 100% емкости, что приводит к неоправданным потерям электроэнергии.
Указанные недостатки аккумуляторов традиционных схем обусловлены тем, что накопление и выдача электроэнергии осуществляется в ходе электрохимических реакций, компоненты которых непосредственно размещены на электродах аккумулятора и не выводятся за пределы корпуса.
У аккумулятора энергии с водородным циклом нет этих недостатков, поскольку компоненты электрохимической реакции (водород и кислород) раздельно поступают на электроды из специальных систем хранения, а продукт электрохимической реакции (вода) удаляется из топливных элементов и подается в электролизные элементы специальной системой.
В АЭВЦ применяются новейшие водородные технологии: создание ЭХГ нового поколения, электролизеров воды высокого давления, разработка систем хранения водорода и кислорода высокого давления на основе композиционных емкостей высокого давления [7, 8]. Одна из возможных схем АЭВЦ приведена на рис. 1. На Луне она работает следующим образом.
Электролизер воды высокого давления лунным днем получает электроэнергию от внешнего источника - солнечных батарей. Получаемые в процессе электролиза водород и кислород запасаются в баллонах системы хранения газов. Кислород может быть использован для дыхания экипажа, водород и кислород - для ракетной двигательной установки возвращаемых ступеней инфраструктуры лунной базы. Работа электролизера при высоком давлении газов позвол
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.