Бортовые солнечные энергетические установки

Развитие орбитальных средств различного назначения характеризуется ростом общего уровня их энергопотребления и соответственно энерговооруженности, а следовательно, и срока активного существования. В частности, уровень энергопотребления бортовой ретрансляционной аппаратуры и служебных систем коммуникационных геостационарных КА нового поколения будет составлять до 5-10 кВт при уровне энерговооруженности 1,4-2,0 Вт/кг, что примерно в 2-3 раза выше, чем соответствующие показатели отечественных аппаратов, находящихся в настоящее время в эксплуатации. Удельная мощность систем электроснабжения (СЭС), являющаяся обобщенным показателем их совершенства, за последние 10 лет возросла примерно в 1,5 раза (с 4-5 до 6-9 Вт/кг). Имеются принципиальные возможности дальнейшего увеличения удельной мощности СЭС в 2-3 раза за счет совершенствования систем генерации, накопления и преобразования энергии.

Важным направлением повышения эффективности целевого применения космических комплексов и систем, а также срока их активного существования является использование энергодвигательных систем на основе солнечных или ядерных энергоустановок и электрических ракетных двигателей. В частности, применение буксира с ЭРД позволяет в 2… 2,5 раза увеличить массу КА (целевого модуля) на геостационарной орбите (ГСО). Подобные перспективные средства межорбитальной транспортировки характеризуются значительными уровнями энергопотребления (40…100 кВт) и энергомассового совершенства бортовых ЭУ.

Для удовлетворения возрастающих требований к системам энергоснабжения необходимы:

• повышение гарантированных удельных характеристик элементов СЭС в конце срока активного существования КА;
• переход на элементы нового типа;
• снижение уровня деградации СБ (начальных запасов ее мощности);
• создание адаптивных систем преобразования электроэнергии, управления СЭС и контроля ее работы для обеспечения наиболее эффективного использования возможностей элементов данной системы;
• повышение ресурса и стойкости СЭС при воздействии факторов космического пространства.

Проблема улучшения гарантированных удельных энергомассовых характеристик бортовых ЭУ, работающих с использованием солнечных батарей и химических источников тока, при одновременном увеличении их ресурса может решаться:

1. дальнейшим совершенствованием традиционных СЭС и их элементов с целью достижения высоких удельных характеристик фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) на основе Si (170Вт/м²; 100 Вт/кг) и GaAs (220 Вт/м²; 60 Вт/кг), солнечных батарей (100-110 Вт/м²; 1,5-2,5 кг/м² в конце ресурса, равного 10-15 годам на высоких орбитах, и 80-90 Вт/м² после 5-7 лет работы на низких орбитах), а также совершенствованием существующих никель-кадмиевых аккумуляторов до достижения уровня удельной энергии 40-50 Вт*ч/кг при ресурсе до 5 лет на низких орбитах и 10-15 лет на ГСО;
2. разработкой СБ на основе высокоэффективных ФЭП с повышейными КПД и радиационной стойкостью (в частности, у ФЭП на основе InP КПД > 20 %),а также панелей СБ с концентраторами солнечной энергии для эксплуатации на особо радиационно опасных орбитах. Ожидаемые удельные характеристики панели СБ с зеркальными концентраторами — 120-140 Вт/м²; 2-5 кг/м² в случае деградации ФЭП на основе GaAs 2-3 % за 5 лет и на основе Si 15-20 % за 5 лет при ресурсе 10 лет. Для эксплуатации на высоких и менее радиационно опасных орбитах могут использоваться разрабатываемые СБ с линзовыми концентраторами (ожидаемые характеристики модуля с гетерогенными арсенид-галлиевыми ФЭП — 200 Вт/м²; 4 кг/м²);
3. созданием СБ на основе сверхтонких ФЭП, гибких и бескаркасных панелей (достижением удельной массы панели СБ 1,5-2,5 кг/м²);
4. разработкой накопителей энергии новых типов на основе электрохимических источников тока: никель-водородных аккумуляторных батарей (АБ) с общим газовым коллектором в целях достижения их удельной энергии 45-60 Вт*ч/кг и ресурса 25 000 циклов на низких орбитах и 10 лет на ГСО; серно-натриевых АБ с удельной энергией 110-140 Вт*ч/кг, удельной мощностью 120-180 Вт/кг и ресурсом 4000 циклов; регенеративных накопителей энергии на основе водородно-кислородной электрохимической системы для работы в составе СЭС и энергодвигательных систем с высокими удельными характеристиками (120 Вт*ч/кг) и длительным ресурсом (10 лет), а также разработкой СЭС на основе электромеханических накопителей энергии с удельной энергией 30 Вт*ч/кг для КА с длительным циклическим ресурсом (10 лет) и сильноточными нагрузками;
5. разработкой адаптивных комплексов электропреобразующей аппаратуры, включая систему преобразования электроэнергии и управления электрическими ракетными двигателями (широкое применение которых предполагается для увеличения эффективности средств межорбитальной транспортировки КА и срока их активного существования), с удельной мощностью до 100 Вт/кг при ресурсе 10-15 лет.

Одним из перспективных направлений развития бортовых ЭУ является разработка солнечных газотурбинных установок (СГТУ) с электрической мощностью 10 кВт и выше, что обусловлено их следующими преимуществами:

• более высоким КПД преобразования солнечной энергии в электрическую (25 % и в перспективе до 50 %);
• меньшими габаритами СГТУ по сравнению с размерами ЭУ на базе СБ;
• возможностью генерирования переменного тока повышенного напряжения;
• длительным ресурсом работы (за счет применения газовых подшипников в опорах турбокомпрессора);
• меньшей стоимостью энергоустановки;
• перспективностью газотурбинных преобразователей энергии, которые могут использоваться совместно с ядерными и химическими источниками энергии;
• возможностью применения теплового аккумулятора энергии.

В настоящее время в Исследовательском центре им. М.В. Келдыша совместно с другими предприятиями создается установка СГТУ-10 первого поколения (модуль мощностью 10 кВт) для орбитальных станций типа «Мир», МКС. С помощью таких модулей можно получить электрическую мощность до 100 кВт. Уровни мощности в сотни и тысячи киловатт (для функционирования буксиров с ЭРД, выполнения лунной и марсианской программ) могут быть достигнуты с использованием СГТУ второго поколения (на основе высокотемпературных светоприемников и турбины, а также капельных холодильников-излучателей). Прогнозируемые удельные характеристики подобного СГТУ: мощность — 250-2500 кВт; удельная мощность — 100-250 Вт/кг. При высоких уровнях энергопотребления весьма перспективным представляется использование ядерных бортовых энергоустановок.