В.А. Коноваленко

Источник питания для зондов Источники энергии
        В журнале «Популярная механика» (№11, Ноябрь 2011) была опубликована статья И. Края «Ядерная энергия в космосе: мирный атом за пределами планеты», в которой шла речь об энергообеспечении космонавтики. В ней достаточно полно описано современное состояние вопроса: «Ракету, спутник или автоматическую межпланетную станцию трудно представить без веера солнечных батарей для питания бортовой аппаратуры. Но с Солнцем приходится считаться, и это не всегда удобно. Космические исследования требуют независимости – в том числе и от источника энергии» – говорит автор статьи. – «В космосе можно использовать практически любые силовые агрегаты и источники энергии. Вопрос только в стоимости доставки топлива на орбиту. <...> Солнечные батареи более или менее приемлемы разве что в условиях земной орбиты. Но уже на орбите Марса их площадь и масса для получения той же мощности должны быть увеличены в 2,5 раза, на орбите Юпитера – в 27 раз, на орбите Сатурна – в 91, а на орбите Нептуна – аж в 900».
        Далее автор статьи последовательно рассматривает различные источники энергии на примерах целого ряда реальных конструкций. Так, например, рассмотрены: американские «снэпы» (SNAP-1, SNAP-3, запущенный в космос в 1961 г., SNAP-10A, первый полноценный ядерный реактор, отправленный в космос в 1965 г., работавший 43 дня и оставшийся в истории как единственный энергетический ядерный реактор, не способный обеспечить работу обычного электрочайника), советский космический реактор БЭС-5 «Бук», серийно производившийся с 1970 года, который переводил полупроводниковым ТЭГ 100 кВт тепловой мощности в электрическую форму около 3 кВт (то есть «Бук» таки мог выполнять возложенные на него задачи с общим КПД 3%).
        Действительно, «в космосе можно использовать практически любые силовые агрегаты и источники энергии», проблема лишь в том, чтобы это использование было осмысленно и соразмерно стоящим задачам. В предыдущем номере «Виртуального мира» в статье «Астронавтика...» шла речь о том, что объективно («без надувания щёк» под девизом «здесь был Вася») человек всё-таки останется на Земле, а исследовать космос он будет различными зондами. Сразу же возникает вопрос энергетического обеспечения их работы, что существенно меняет требования к источникам энергии – нужны маломощные, но очень долгоживущие. Первоначальный разгон зонда могут обеспечить те же разрабатываемые в РФ ТЭМ'ы (транспортно-энергетические модули), но затем наступает главный этап работы – полёт по инерции со сбором информации и её передачей на Землю. Опыт работы «Вояджеров» и других, им подобных зондов («Викинг-1 и -2», «Пионер», «Кассини», «Новые горизонты») показывает, что наиболее перспективными источниками для зондов, по крайней мере, в обозримом будущем, могут служить радиоизотопные генераторы энергии, прототипами которых можно считать радиоизотопные генераторы «Вояджеров».
«Вояджеры»
        В 1977 году в космическое пространство отправились аппараты «Вояджер-2» (20 августа) и «Вояджер-1» (5 сентября). В окончательной версии масса каждого из зондов составляла около 800 килограммов.  Судьба «Вояджеров» сложилась по-разному. Первый аппарат сблизился с Сатурном и Юпитером и после этого сразу полетел в сторону границы Солнечной системы. Второй аппарат успел пролететь ещё и мимо Урана и Нептуна. Даже если бы зондам и не удалось долететь до границ Солнечной системы, они всё равно заслужили своё право войти в историю. Именно благодаря им учёные узнали огромное количество новых фактов о Сатурне и Юпитере. У последнего, например, оказалось больше двух магнитных полюсов, а также нашлись кольца, аналогичные сатурнианским; кроме того, была обнаружена вулканическая активность на Ио. Было установлено, что Уран и Нептун на самом деле могут считаться огромными океанами, а вовсе не газовыми гигантами, как думали до полёта «Вояджеров». Второй аппарат к тому же открыл у Урана сразу несколько спутников и стал первым рукотворным объектом, прошедшим в относительной близости мимо всех восьми планет Солнечной системы.
Конструкция аппаратов         Вполне очевидно, что установка на зонде множества всевозможных датчиков проблемой не является, проблем на самом деле две – питание и связь. Источник энергии состоял из трёх термоэлектрических генераторов MHW (40,6 см в диаметре при длине в 51 см). Вес каждого – 37,7 кг (включая около 4,5 кг плутония-238), а мощность больше 156 Вт на старте (около 2,4 кВт тепловых).
Радиоизотопный генератор зонда «Вояджер»         Система связи «Вояджеров» такова: так как разработчики изначально рассчитывали, что их аппараты должны достичь дальних границ Солнечной системы, антенны занимают ключевое место в аппаратах – диаметр их составляет 3,66 м, а сами они состоят из алюминиевого ядра, покрытого смесью графита и эпоксидной смолы. Команды с Земли передаются в S-радиодиапазоне на один из двух дублированных приёмников, а для передачи данных на Землю также используется ещё и передатчики X-диапазона. Один S-передатчик и оба X-передатчика используют лампы бегущей волны в качестве усилителя. Мощности усилителей составляют 9,4 и 21,3 Вт, при этом единовременно может работать только один из приёмников или передатчиков. Очень важна в этом варианте система ориентации, которая включает в себя 16 однокомпонентных двигателей ориентации (работающих на гидразине) с тягой всего в 85 грамм каждый; три гироскопа с точностью в одну десятитысячную долю градуса; датчики Канопуса и Солнца (в отверстии антенны).
        Научное оборудование включало в себя 11 инструментов весом в 105 кг, большинство из которых размещены на платформе длиной 2,3 м: инфракрасные и ультрафиолетовые спектрометры, фотополяриметр, плазменный спектрометр, детектор заряженных частиц низких энергий, приёмник плазменных волн, детектор космических лучей, и система, использующая штатную систему связи аппаратов для изучения среды между аппаратами и Землёй. Полный вес вращающейся платформы составляет 103 кг, а точность её позиционирования – выше одной десятой градуса. На аппаратах размещены две камеры узкого и широкого угла обзора (3° и 0,4°) с разрешением 800 строк. При этом резкости узкоугольной камеры достаточно для чтения газеты с дистанции в 1 км.
        Скорости «Вояджеров» составляют 17,07 км/с и 15,64 км/с соответственно. Их масса (после использования части топлива) составляет 733 и 735 кг. В РИТЭГах остаётся около 73% плутония-238, но выходная мощность, питающая аппараты, снизилась до 55% (с учётом деградации ТЭГов) и составляет 249 Вт от изначальных 450-ти. Из начальных 11 приборов включёнными остаются только 5: это MAG (магнитометр), LECP (детектор заряженных частиц низкой энергии), CRS (детектор космических лучей), PLS (детектор плазмы), PWS (приёмник плазменных волн). На «Вояджере-1» периодически включают ещё UVS (ультрафиолетовый спектрометр).
        В данный момент команда «Вояджеров» борется за живучесть аппаратов, стараясь выкроить максимум из доступной энергии для работы научных приборов и их обогревателей. В ближайшее время на аппаратах должны быть отключены гироскопы, а с 2020 года – придётся приступить уже к отключению некоторых из научных инструментов. Члены команды пока не знают, как они поведут себя в условиях дикого холода космоса (так как запасных аппаратов, и даже отдельных их инструментов, которых бы можно было проверить в барокамере, на Земле не сохранилось). Возможно приборы останутся работоспособны после отключения их обогревателей, и тогда момент отключения последних приборов удастся оттянуть с 2025 года до 2030-го.
        «Вояджер-2» должен выйти за пределы гелиосферы в пределах десятилетия. Точной даты назвать нельзя, так как гелиосфера не идеально сферическая, а вытянута внешними силами межзвёздной среды. Так что «Вояджеру-2» должно хватить времени выйти из ударной волны, чтобы приступить к изучению межзвёздного вещества и сделать возможно даже не последнее своё открытие – форму солнечной гелиосферы. «Вояджер-1» отдалится от Земли на 1 световой день к 2027 году, а «Вояджер-2» – к 2035-му.
        После 2030 года аппараты перейдут в режим радиомаяков (не имея мощности поддерживать работу своих приборов) и проработают так до 2036 года, после чего замолкнут уже навсегда. Таким образом аппараты должны «выйти на пенсию» в возрасте 48-53 лет, а «дожить» они должны до возраста в 59 лет. «Вояджер-1» направляется в точку с координатами 35,55° эклиптической широты, и 260,78° эклиптической долготы, и должен через 40 тыс. лет сблизиться на 1,6 св. года со звездой AC +79 3888 созвездия Жирафа (эта звезда в свою очередь сближается с Солнцем, и в момент пролёта «Вояджера-1» будет на расстоянии 3,45 св. лет от нас). Примерно в тот же момент, «Вояджер-2» (двигающийся в направлении – 47,46° эклиптической широты, и 310,89° эклиптической долготы), приблизится к звезде Росс 248 на расстояние 1,7 св. года, а спустя 296 тыс. лет с текущего момента пролетит в 4,3 св. года от Сириуса. Увы, но до того времени не доживём ни мы, ни «Вояджеры».
Радиоизотопные источники энергии
        Как видим, «время жизни» зондов практически полностью определяет источник энергии. Радиоизотопные источники энергии (РИЭ) – устройства различного конструктивного исполнения, использующие энергию радиоактивного распада для обогрева или преобразующие её в электроэнергию. РИЭ принципиально отличается от атомного реактора тем, что в нём используется не управляемая цепная ядерная реакция, а энергия спонтанного распада радиоактивных изотопов. Существуют различные РИЭ:  – Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭлГ'и) используют термоэлементы;
 – Радиоизотопные термоэмиссионные генераторы (РИТЭмГ'и) используют термоэмиссионный преобразователь;
 – Радиоизотопные комбинированные генераторы используют термоэмиссионный преобразователь (1-я ступень) и термоэлементы (2-я ступень преобразования);   – Атомные полупроводниковые элементы: облучение полупроводниковых сборок в заданном направлении;  – Радиоизотопные пьезоэлектрические источники;
 – Радиоизотопные паротурбинные генераторы: парортутные или пароводяные турбины и электрогенератор.
        Список далеко не полон (существуют ещё оптико-электрические источники, источники высокопотенциального тепла, подогреватели и ионизаторы воздуха, реактивные двигатели). «Топливом» РИЭ являются радиоактивные изотопы различных химических элементов с достаточно большим периодом полураспада, безопасных в обращении и эксплуатации, с большим удельным энерговыделением. Общим недостатком существующих РИЭ является опосредованное использование кинетической энергии элементов распада: кэВы и МэВы сперва диссипируют до тепловых скоростей и только в таком виде преобразуют в разность потенциалов. Поэтому ожидать от таких генераторов высоких КПД нет никаких оснований.  Для справки характеристики применяемых в РИЭ изотопов:

Вид излучения	a-излучение	b-излучение
Энергетический диапазон, МэВ	2,0 ... 8,0	0,01 ... 8,0

        Так, стронций-90 при радиоактивном распаде испускает электрон, способный преодолеть (а, следовательно, и создать) разность потенциалов 610 кВ, в РИЭ создаёт напряжение в пределах 10 В, всё остальное теряется в преобразованиях. С 1913 года, когда Генри Мозли изготовил первый генератор, преобразующий энергию ядерных реакций в электрический ток, до настоящего времени, несмотря на все последующие доработки, недостатком РИЭ остаётся крайне низкий КПД – не более 7% энергии распада ядер.
Экономичный радиоизотопный источник энергии
        Между тем, ещё в середине прошлого века трое студентов ЛЭТИ (Ю. Карпов, В. Краснопёров, Ю. Окунев) получили авторское свидетельство на «Диэлектрический двигатель», который может работать именно с кило- и мегавольтами. Их двигатель получил Золотую медаль на международной выставке в Брюсселе (1958 г.).

Этот двигатель явился результатом изучения вращения твёрдых диэлектриков в жидкой непроводящей среде в электрическом поле. Явление, обнаруженное в конце XIX века немецким учёным Квинке и вновь замеченное в 1955 г. японским исследователем Сумото, тогда ещё не было объяснено. Целью исследования, проведённого на кафедре диэлектриков и полупроводников, было объяснить это явление и наметить возможности его практического применения. Результаты привели к выводу о том, что в некоторых условиях возможно вращение диэлектрика в газообразной атмосфере (при отсутствии жидкой диэлектрической среды).

        Впоследствии было ещё несколько авторских свидетельств по усовершенствованию диэлектрических двигателей (SU 1054861 А, авторы В.А. Бушуев, Л.И. Комаровский, С.И. Лопатко, Е.Г. Орлов, SU 1066009 А, авторы С.С. Литовченко, В.С. Литовченко, Н.М. Тимченко, SU 1117802 А, автор В.А. Челухин). Однако, в них идёт речь о снижении рабочего напряжения, поэтому для нас наиболее подходит именно самый первый, студенческий вариант, состоявший из плексигласового цилиндра с двумя подводящими металлическими электродами.
        Итак, суть предложения сводится к следующей схеме, включающей три блока: изотопный блок (ИБ), диэлектрический двигатель (ДД) и обычный электромагнитный генератор постоянного тока (ГПТ), вращаемый ДД.
Изотопный блок (ИБ).
Шаровая конструкция изотопного блока, кроме «красивого» внутреннего поля, достаточно надёжно защищает от корпускулярной радиации. В такой схеме на оболочке блока после выхода на режим возникнет именно то напряжение, которое сможет преодолеть высокоэнергичная частица, истратив весь свой запас энергии и превратившись в обычный электрон или ядро гелия.         Недостатком студенческой системы ДД, которая должна проработать десятки и сотни лет, является возможность переноса ионов положительного электрода на ротор с их нейтрализацией, приводящей к металлизации ротора. Одним из вариантов устранения этого недостатка может быть исполнение положительных электродов в виде лотков, в которых свободно, с пренебрежимо малым трением, вращается диэлектрический ротор из керамики с высокой диэлектрической проницаемостью (~10000). При этом высокая разность потенциалов прилагается, главным образом, к зазору между ротором и отрицательными электродами, вызывая холодную эмиссию электронов, которые заряжают ротор, а затем, через контакт ротора с положительным лотком, уходят на него.
Диэлектрический двигатель (ДД).         Общую для ДД и ГПТ ось необходимо опереть на магнитные подвесы, обеспечивая практически нулевое трение, следовательно, малый износ и высокий кпд. ГПТ снабжён выпрямителем по схеме Ларионова, снижающим пульсации. Поскольку все компоненты схемы имеют высокие КПД, их произведение тоже будет высоким.
Бесколлекторный генератор переменного тока (ГПТ).         Вторую проблему дальних зондов – связь – можно решить, применив способ, предложенный в Демиурге № 2 2017 г. в статье «Модуляция отражённого сигнала». Этот способ, помимо экономии энергии зонда (полезный сигнал – отражение земного), однозначно обеспечивает ориентацию сигнала на источник запроса – на Землю. Поэтому отпадает потребность ориентации антенн, хотя необходимость ориентации самого зонда остаётся, чтобы понимать, что же именно он снимает. Однако, при этом можно обойтись без «16 работающих на гидразине однокомпонентных двигателей ориентации», заменив их «шаровым асинхронным двигателем с произвольной осью вращения», который описан в ВМ № 1 2006 г.

---

В оглавление