Контейнер для транспортировки ядерной энергоустановки космического аппарата

Полный текст

Искусственные спутники Земли, а также космические аппараты (КА) являются длительно действующими летательными аппаратами (ЛА). Основным первичным источником их энергоснабжения в настоящее время являются солнечные батареи (СБ) [1]. Однако по своей физической природе СБ являются источниками тока с нелинейным и нестационарным внутренним сопротивлением. Кроме того, их характеристики в значительной степени изменяются в процессе эксплуатации: при выходе из тени Земли охлажденные СБ генерируют максимальную энергию, которая с прогревом батареи уменьшается, а со временем СБ деградируют от воздействия ионизирующего излучения космического пространства [2]. При этом также существуют сложности раскрытия и обеспечения требуемой ориентации СБ по отношению к Солнцу, что, например, убедительно показано в патенте РФ № 2509694 [3], текст которого представлен на 14-ти страницах, включая 3 страницы рисунков и математических выражений, а формула изобретения изложена в 55 строчках и заключатся в следующем (с сокращениями): «Способ управления ориентацией СБ КА с ограничением угла поворота СБ, заключающийся в том, что определяют заданный угол СБ как положение проекции единичного вектора направления на Солнце на плоскость вращения нормали к ее рабочей поверхности относительно связанных с КА осей координат, измеряют угловое положение нормали к рабочей поверхности СБ относительно связанных с КА осей координат в плоскости вращения СБ с точностью до дискретного сектора соответствующего датчика угла, определяют угловую скорость вращения СБ по времени пересечения СБ границы между дискретными секторами датчика угла, вычисляют расчетный угол относительно измеренного углового положения СБ как произведение угловой скорости СБ на время ее вращения, вращают СБ в направлении уменьшения рассогласования между заданным и расчетным углами, определяют угол разгона СБ и угол торможения, корректируют расчетный угол по измеренному угловому положению указанной нормали в моменты изменения значений датчика угла на величину одного дискретного сектора, задают порог срабатывания, при превышении которого формируется рассогласование между заданным и расчетными углами как: (аразг + аторм) < acp < arc cos , max где acp - порог срабатывания; аразг - угол разгона СБ; аторм - угол торможения СБ; Imin - минимально допустимый ток, вырабатываемый СБ; Imax - максимально возможный ток, вырабатываемый СБ... ...Присваивают заданному углу значение углового положения ближайшего к нему луча рабочего угла, если положение указанной выше проекции единичного вектора направления на Солнце находится вне рабочего угла, формируют сигнал отказа и прекращают управление СБ, если угловое положение нормали к рабочей поверхности СБ находится вне рабочего угла и при этом изменяется в направлении увеличения угла относительно ближайшего к нему луча рабочего угла». Таким образом, в настоящее время существуют проблемы применения СБ в КА не только исходя из их «физической» и «механической» специфики, но и при том, что одной из основных тенденций развития ракетно-космической техники является рост эффективности энергетического обеспечения КА. Анализ альтернативных источников энергии показал, что наиболее высокоэффективным и стабильным источником энергии могут служить ядерные энергетические установки (ЯЭУ) [4; 5]. И работы в этом направлении проводились как американскими, так и российскими научно-исследовательскими и производственными организациями [6]. Первой в мировой практике экспериментальной ЯЭУ стала разработанная по программе Systems for Nuclear Auxiliary Power [7] американская установка SNAP-10A (рис. 1), размещенная на космическом аппарате Snapshot, который был выведен на орбиту 3 апреля 1965 года. Электрическая мощность, обеспечиваемая термоэлектрическим преобразователем, составляла от 500 до 650 Вт. Реактор успешно проработал 43 дня. Первый советский спутник типа «УС-А» с ЯЭУ был запущен 3 октября 1970 г. [6]. В качестве энергетической установки КА была использована ЯЭУ БЭС-5 (рис. 2) мощностью 3 кВт с термоэлектрическим преобразованием тепловой энергии. За время серийного производства спутников типа «УС-А» удалось увеличить срок активного существования изделий с 45 до 120 суток, а в дальнейшем до 300 суток, при этом были решены задачи по защите бортовой аппаратуры КА от радиационного воздействия ЯЭУ. В настоящее время, по сообщению директора, генерального конструктора НИКИЭТ (ОАО «Ордена Ленина Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Н. А. Доллежаля») Ю. Г. Драгунова на состоявшейся в Обнинске 148 Авиационная и ракетно-космическая техника Однако при этом важнейшим условием применения КА с ЯЭУ является обеспечение радиационной безопасности [9; 10], в частности, этой проблеме уделена целая глава в фундаментальной монографии специалиста в этой области, генерального директора одного из ведущих разработчиков российской космической техники ФГУП «Конструкторское бюро «Арсенал» им. М. В. Фрунзе» [11] (гл. 4. Некоторые аспекты эксплуатации космических аппаратов с ядерными энергетическими установками; 4.1. Транспортировка и испытания КА с ядерными энергетическими установками на техническом комплексе; 4.5. Специальные требования к РКК для подготовки и запуска КА с ЯЭУ и вероятные последствия аварий при наземной эксплуатации КА с ЯЭУ и при выведении его на орбиту функционирования). В общем случае, транспортировке с завода-изготовителя на космический полигон предшествует хранение КА ЯЭУ в заводских условиях, для чего применяется транспортировочный контейнер. В технической литературе представлено большое количество конструкций таких контейнеров, и работы в этом направлении продолжаются. Важное значение конструкции контейнера можно усмотреть, например, в описании к патенту США № 5438597 [12], изложенном на 18 стр., включая 10 рисунков, в котором в качестве прототипов рассмотрено 25 патентов США и 2 Японии. Основываясь на анализе патентной и технической литературы, была разработана оригинальная конструкция контейнера для ЯЭУ КА [13], которая схематично представлена на рис. 3. Рис. 2. ЯЭУ БЭС-5 [6] 6 3 2 12 5 10 11 9 1 Рис. 3. Транспортировочный контейнер: 1 - ядерная энергетическая установка; 2 - термосифон; 3 - вентилятор; 4 - металлорезиновый амортизатор; 5 - датчик температуры; 6 - система управления температурным режимом; 7 - система поддержания давления азота; 8 - датчик давления; 9 - газовод; 10 - электронагреватель; 11 - энергетическая установка; 12 - компрессионная холодильная установка [13] 149 25-27 июня 2014 года конференции, посвященной 60-летию со дня пуска Обнинской АЭС, работы в этом направлении ведутся весьма успешно: к настоящему времени в НИКИЭТ в рамках проекта «Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса» [8] завершены испытания системы управления реактором ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса для космического использования. Рис. 1. ЯЭУ SNAP-10A [7] Вестник СибГАУ. 2014. № 4(56) Внутри контейнера, заполненного азотом с давлением 1,2 кг/см2, не содержатся подвижные части, а тепловой поток выносится в газовод 9 с помощью пассивных тепловых труб, выполненных в виде термосифонов 2, где возврат теплоносителя (аммиак NH3) осуществляется самотеком под действием силы тяжести. Необходимый нагрев для обеспечения температуры в контейнере выше +5 °С (чтобы не замерз теплоноситель ЯЭУ - эвтектика Na-Ka) обеспечивается нагревателем 10 по сигналу датчика температуры 5. Питание всех потребителей энергии осуществляется от энергетической установки 11. При необходимости охлаждение осуществляется вентилятором 3, обдувающим оребренные конденсаторы термосифонов через испаритель холодильной машины 12. Система позволяет поддерживать температуру 20 ± 1 °С, что является комфортными и безопасными условиями транспортировки ЯЭУ. Система поддержания давления 7 азота внутри контейнера по сигналам датчика давления включает компрессор системы 7, обеспечивая давление порядка 1,1...1,2 кг/см2. Радиационная защита контейнера выполнена с использованием материалов в виде конструкционных элементов по аналогии с описанными в патенте РФ № 2042984 [14]. Согласно описанию радиационная защита ЯЭУ содержит контейнер (рис. 4) в виде обечайки 1 с днищами 2 и 3, заполненной монолитным гидридом лития 4, смонтированные на днищах 2 и 3 узлы 5 крепления защиты с другими агрегатами ЯЭУ и силовые элементы 6 внутри монолита, скрепляющие узлы 5 между собой, а также установленные на обечайке узлы 7 крепления коммуникаций установки, на конической обечайке 1 выполнены расположенные вдоль ее образующих зиги 8, а на внутренней ее поверхности в местах расположения узлов 7 установлены крепежные элементы 9, выполненные в виде перфорированных профилированных ребер. б Рис. 4. Конструктивная схема радиационной защиты: а - общий вид; б - разрез по I [14] С целью гарантии надежности космической техники в отношении устойчивости против механических воздействий проводятся специальные испытания [15], включающие испытания на действие статических, ударных и вибрационных нагрузок, куда входит и имитация нагрузок при транспортировании. В этом отношении следует отметить, что важнейшим элементом конструкции контейнера является металлорезиновый амортизатор 4, который представляет собой металлокомпозит, состоящий из металлической спирали, впрессованной в резину. Его назначение заключается в уменьшении амплитуды вибраций в широком диапазоне частот за счет трения на поверхностях спирали, что предотвращает контейнер от повреждений при транспортировке. С целью повышения прочностных характеристик амортизатора в резину предварительно вводили нанопорошок углерода, который получали из природного скрытокристаллического графита по технологии [16], разработанной отделом инжиниринга минеральных ресурсов Ноттингемского университета [17], по которой графитовую руду с размерами кусочков порядка 10 мм вначале измельчали в щековой мельнице до размеров частиц менее 0,1 мм, удельная поверхность которых составляла 6 м2/г, а дальнейшее измельчение производили в центробежно-планетарной мельнице при ускорении 40 g. При этом были подобраны, количественно оптимизированы и интеркалированы в межплоскостное пространство графитовых сеток соответствующие детергенты, которые в процессе обработки позволили разрушить графит, практически не разрушая графитовые сетки. Такое диспергирование графита не приводит к появлению низкомолекулярных соединений со свойствами смол или асфаль-тентов и поэтому только увеличивает удельную поверхность до 60.80 м2/г при получении частиц графита со средним размером около 50 нм с содержанием углерода до 91,6 масс. %. Измельчение с применением центробежно планетарной мельницы сводится не только к диспергированию, но и к механоактивации измельчаемых частиц, что повышает их энергонасыщенность [18] в результате накопления структурных дефектов, увеличения кривизны поверхности и даже аморфизации кристаллов (в данном случае графита), что усиливает их химическую активность [19], а при использовании в изделиях - улучшает их физико-механические и, как следствие, эксплуатационные характеристики. Полученный нанопорошок (НП) в количестве 5 масс. % вводили в состав «резиновой смеси» (каучук, технический углерод, кремниевая кислота, сера, масла и смолы, вулканизационные активаторы - по ГОСТ 5513-97 до 20 компонентов) взамен технического углерода и выполняли все технологические операции, связанные с производством протекторных резин [20], в результате чего получали резину, характеристики которой превышали таковые для обычной резины (см. таблицу) [21]. Причем присутствующие в объеме резины наночастицы углерода не только приводят к ее упрочнению [22], но и вследствие того, что важнейшей особенностью ультрадисперсных систем является их исключительно развитая поверхность, вблизи которой находится значительная доля атомов [23], наночастицы также вносят свой антивибрационный вклад за счет уменьшения амплитуды колебаний в результате возникновения эффекта трения на их поверхностях. а 150 Авиационная и ракетно-космическая техника Влияние НП графита на свойства протекторных резин Показатель Резиновая смесь Стандартный состав С добавкой 5 масс. ч. нанопорошка графита Величина Прирост, % Условное напряжение при 300%-ном удлинении, МПа 9,2 10,1 +9,78 Сопротивление многократному растяжению, 1000 циклов 80 103 +28,75 Сопротивление образованию трещин, 1000 циклов 219 283 +29,22 Полученные данные показывают, что введение нанопорошка природного графита в резину обеспечивает существенное повышение усталостной выносливости в различных режимах деформации. Этот факт следует рассматривать как имеющий большое практическое значение, поскольку упругогистерезисные и усталостные свойства резин во многом определяют эксплуатационные характеристики изготовляемых из них изделий. Увеличение прочностных характеристик пластмассы было установлено в исследовании [24], выполненном в университете штата Огайо под руководством проф. Дж. Ланнутти (J. Lannutti). При этом в результате введения в пластмассы двуокиси кремния SiO2 с размерами частиц до 50 нм их прочность повысилась в 3...4 раза в результате того, что плавящаяся пластмасса заполняет мельчайшие поринки в наночастицах, что создает прочные связи между атомами SiO2 и пластмассой на большой площади поверхности. И нагрузка, воздействующая на нанопластмассу, делится в ее объеме на множество взаимодействий с наночастицами SiO2. По мере продвижения трещины в композите она дробится на все меньшие и меньшие трещинки, пока материал не поглотит (рассеет -dissipated) энергию нагрузки. Авторы назвали разработанный способ синергетическим упрочнением или наномасштабным упрочнением. Разработанная нанопластмасса показала такую же теплостойкость, как и пластмассы с графитовыми волокнами, но выдерживали ударные нагрузки в 4.5 раз больше. Полученные результаты совпадают на качественном уровне с данными, опубликованными известной в области производства и применения нанопорошков фирмой NaBond Technologies Co., Ltd. HONG KONG (also knwon as [25], согласно ко торым в результате введения в резину нанопорошка кабида кремния SiC повышаются эксплуатационные характеристики изготовляемых из нее изделий, а также с данными работы [26], в которой описаны положительные эффекты от введения наночастиц оксида алюминия в металлорезиновые композиты, используемые для изготовления тормозных колодок, эксплуатация которых проходит в жестких условиях, включая вибрацию. Библиографические ссылки

Об авторах

Валерий Васильевич Двирный

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: dvirnyi@mail.ru
доктор технических наук, профессор

Гурий Валерьевич Двирный

Сибирская пожарно-спасательная академия - филиал Санкт-Петербургского университета государственной противопожарной службы МЧС России, г. Железногорск

Email: dg1802@mail.ru
кандидат технических наук

Генрих Гаврилович Крушенко

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева; Институт вычислительного моделирования СО РАН

Email: genry@icm.krasn.ru
доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник

Список литературы

Дополнительные файлы