О ПЕРСПЕКТИВАХ РАЗРАБОТКИ НОВОГО БОРТОВОГО ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

© В.М.Короткий, А.А.Курков
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2004 г.

Космические исследования последних десятилетий потребовали энергооснащенности спутников Земли и космических аппаратов (КА) для дальних перелетов, в десятки раз превышающей ту, что могли обеспечить солнечные батареи или изотопные источники питания. Необходимую мощность могли дать только компактные ядерные энергетические установки (ЯЭУ). Альтернативой указанным бортовым источникам электроэнергии КА ближнего и дальнего базирования могут оказаться так называемые термомагнитные генераторы (ТМГ) прямого преобразования тепла ЯЭУ. Возможность использования ТМГ для преобразования тепловой энергии в электрическую рассматривалась неоднократно, однако для создания эффективных ТМГ прямого преобразования тепла ЯЭУ для КА надо было решить ряд вопросов, связанных с увеличением рабочей индукции и температурного напора при одновременном снижении тепловой инерции магнитных шунтов. Необходимо было радикально изменить топологию схемы ТМГ для обеспечения коммутации магнитного потока при одновременном использовании в качестве источника тепла ЯЭУ и применении высокотемпературных магнитных материалов для шунтов с малой тепловой инерцией.

Авторами в сотрудничестве с ОИВТ РАН и МЭИ был предложен источник питания КА на базе ТМГ, вариантами выполнения которого являются генераторы коммутационного типа с переменной и постоянной полярностью магнитного потока с жидкометаллическим охлаждением шунтов, а также ТМГ с использованием встроенного импульсного ядерного реактора и реактора на быстрых нейтронах.

Один из вариантов ТМГ с ЯЭУ выполнен на основе импульсного ядерного реактора, содержащего неподвижные и подвижные докритические сборки. При этом активные участки неподвижной части магнитной цепи выполнены в виде наборов пластин тепловыделяющих элементов из делящегося материала (обогащенный уран 235), облицованных пластинами из никеля или другого магнитного сплава, образующих в совокупности неподвижные докритические сборки, установленные по окружности в ветвях магнитопровода ТМГ с зазорами между пластинами для прохождения жидкометаллического теплоносителя. Подвижные докритические сборки выполнены при этом вращающимися около неподвижных докритических сборок магнитных шунтов.

Рассматривается также возможность использования в схеме предложенного ТМГ постоянно действующего реактора на быстрых нейтронах с горячим и холодным контурами жидкометаллического теплоносителя в виде К-Na эвтектики.

Масса и теплоемкость активных участков магнитной цепи в предложенном ТМГ для КА с ЯЭУ имеют предельно низкие значения (менее 1% от массы магнитной системы), что позволяет сравнительно близко подойти к созданию генератора высокой мощности с рабочей частотой в десятки герц. Тем не менее, вопрос об удельной выходной мощности реального ТМГ с коммутацией магнитного потока достаточно сложен с точки зрения термодинамики цикла, термоциклической устойчивости магнитных шунтов и требует дополнительного рассмотрения.