и механическими воздействиями подтвердили прочность такой конструкции. Для монтажа термоэлементов алюминиевую фольгу соединяют изолятором керамического типа. Размер генератора зависит от генерируемой им электрической мощности. В варианте, предложенном в работе [39], изготовляются панели площадью около 0,09 м, которые могут быть собраны в компактный узел и развернуты в космосе (рис. X. 19). Поверхности коллектора должны быть селективными: обладать максимальным поглощением в видимой и минимальным излучением в инфракрасной частях спектра при длинах волн, соответствующих максимальному излучению от разогретого коллектора. Приемлемыми являются покрытия из SiOj и А1, нанесенные напылением (рис. X. 20), образующие темные зеркала

с хорошей поглощающей способностью (до 0,8 мкм) и отражением при длинах волн более 1,0 мкм.

В космосе единственным способом рассеяния тепла является излучение, поэтому коэффициент излуче-

Рис. Х.20. Отражательная способность темных зеркал , покрытых SiOa (/) и AI (2) [39].

6,50,7 0,91,02.0 3,0 4.0 5,0

ния отражателей должен быть по возможности большим. Например, при использовании пленки SiOa коэффициент излучения е равен 0,93.

Несмотря на относительно низкий КПД (2-2,5%) посравна-никУ, например, с фотоэлектрическими преобразователями, термоэлектрические панели имеют тем не менее приемлемые показатели: около 32 кг/кВт у генераторов, предназначенных для использования между орбитами Марса и Венеры, около 13,6 кг/кВт - между орбитами Земли и Венеры и около 9,1 кг/кВт -вблизи орбиты Венеры. Термоэлектрические генераторы имеют более высокую надежность по сравнению с фотопреобразователями при повышенных температурах и при воздействии метеоритов.

В конструкции с плотностью размещения термоэлементов 3 тыс. шт. на 1 м получен КПД около 2%. Термоэлементы электрически изолированы от коллектора и рассеивающей пластины. Каждый из термоэлементов вырабатывает электрическую мощность около 10 мВт. В космическом пространстве коллектор разогрет до 300°С, рассеивающая пластина - до 70 °С. Генератор имеет приемлемые массово-энергетические характеристики: 25-30 кг/кВт - и позволяет получить 30-40 Вт электроэнергии с 1м* площади коллектора. Генератор изготовлен из кассет, каждая поверхностью 30 см . В кассете 12 рядов элементов (по 12 элементов в ряду). Кассета генерирует. 2 Вт электроэнергии [78J.

Генераторы с оптическим концентратором. Макет солнечного генератора, изготовленный по схеме, предложенной А. Н. Ворониным [31], описан в [73]. Отличительной конструктивной особенностью генератора является применение вместо полусферического коллектора энергии сферического с коническим теплопереходом (рис. X. 21).Конструкции рассчитаны для рефлекторов диаметром

76,2; 89 и 102 мм. Для каждого диаметра определялось отношение фокусного расстояния к радиусу рефлектора, которое обеспечивало минимальный путь для прохождения тепла от термопары к излучателю (выпуклой стороне рефлектора). Найдена оптимальная масса единичного блока - 5,8 г. Для испытаний в наземных условиях из таких блоков собрана батарея мощностью 5 Вт. Испытания проведены в течение 100 ч. Расчет характеристик генератора для околоземной и окололунной орбит показал, что 676 единичных блоков должны развивать электрическую мощность 243 Вт. Из таких блоков можно собрать установку мощностью 3 кВт. Удельная мощность блока составляет 30-50 Вт/кг, а при использовании аккумулятора тепловой энергии - 18-22 Вт/кг.

Больший КПД преобразования достигается при увеличении погло-щательной способности коллектора и возрастании перепада темпера-

Рис. X.2I. Термоэлемент (/) единичного блока со сферическим коллектором лучистой энергии (2), коническим теплопереходом (?) и полу цилиндрическими теплоотводами (4) [73].

туры. В США проведены макетные испытания генератора с цилиндрической приемной полостью и двухкаскадной термобатареей [50 из материалов МСС-40 и МСС-50 для р-ветви и МСС-40 и МСС-60 для п-ветви. Расчетная температура горячих спаев 1215° С, холодных - 570° С. Термобатарея состоит из 23 секций, каждая из которых имеет вид разр£занного на четыре части кольца, где каждая четверть кольца - ветвь термоэлемента. Диаметр термогенератора с радиатором 155 мм, общая длина по оси источника тепла 406 мм, масса 1 кг. Всего в батарее 46 термоэлементов. Тепло подводится к внутренним отверстиям колец расположенных в один ряд. Наружные части колец охвачены радиатором. Испытания батареи проведены в течение 2500 ч при температуре горячих спаев 1200° С, холодных - 460- 490° С в вакууме 10-§ мм рт. ст. КПД генератора 4%.

Генераторы с аккумулятором тепла. Разработаны для питания искусственных спутников Земли. Тепловой акку-

Рис. Х.22. Схема солнечного генератора

с аккумулятором тепла:

/ - оптический коицеитратор; 2-рассеиватель тепла; 3-емкость теплового аккумулятора; 4 - термобатарея; 5 - теплоизоляция.

мулятор применяется для работы термогенератора вовремя прохождения спутником тени Земли. Схема термогенератора приведена на рис. X. 22. Коллектор лучистой энергии в форме цилиндра охвачен

камерой с веществом, имеющим подходящую температуру плавления и большую скрытую теплоту плавления. Через наружные стенки камеры тепло передается горячим спаям термобатареи. Тепловая энергия, полученная коллектором при облучении, расходуется как на работу термобатареи, так и на плавление вещества теплового аккумулятора. При входе спутника в тень необходимый перепад температуры в термобатарее поддерживается за счет тепловыделения при затвердевании вещества теплового аккумулятора. Для уменьшения потерь на излучение при

Таблица Х.6

Характеристики окислов для высокотемпературных аккумуляторов тепла

использовании аккумулированной энергии входное отверстие коллектора автоматически закрывается.

В США разработан образец такого генератора полезной мощностью 10 Вт для искусственного спутника Земли с периодом обращения 90 мин (нз них 55 мин генератор освещается солнцем, 35 мин находится в тени). Генератор компоновался с концентратором диаметром 1,5 мм [45]. Термоэлементы р-типа изготовлены изGeTcpggи BiTco 05, п-типа- из РЬТе(0,1% Bi); геометрические размеры ветвей 25,4 X X 6,35 X 6,35 мм. Термобатарея изготовлена из 12 X 3 модулей, 6 каждом модуле по 10 термоэлементов; все термоэле-мен ты включены последовательно. В качестве аккумулирующего материала использован гидрид лития. При испытаниях получена средняя мощность 12-18 Вт, выходное напряжение около 15В, емкость теплового аккумулятора 12 320 Вт/мин, г) = = 3,5%. Подобный генератор с аккумулятором тепла был установлен на спутнике с периодом вращения 90 мни [54,93].

Свойства некоторых окислов для высокотемпературных аккумуляторов приведены в табл. X. 6.

Солнечные термоэлектрические генераторы в сочетании с термоэлектрическими холодильниками для кондиционирования описаны в работах [1, 44]; в сочетании с фотоэлектрическим генератором - в работах [23, 46, 56].

§ 3. Термоэлектрические генераторы с изотопными источниками тепла

В генераторах использована энергия, выделяющаяся при распаде ядер радиоактивных изотопов. Большая часть этой энергии является кинетической энергией заряженных частиц и Y-кваитов. При их

Поглощении выделяется тепловая энергия, используемая в термогенераторах.

К областям применения таких генераторов относятся: питание космических объектов - спутников, автоматических станций на поверхности Луны, Марса и других планет, удаленных от Солнца; питание наземных устройств в труднодоступных для обслуживания районах - автоматических метеорологических станций, линий радиосвязи, катодной защиты трубопроводов; питание автономных средств сигнализации - буев, маяков; питание подводных автоматических установок - средств противолодочной защиты, гидроакустических маяков, подводных океанографических установок; питание аппаратов искусственное сердце - в медицине.

Мощности изотопных термогенераторов от нескольких ватт до нескольких киловатт, КПД 3-5% и более, срок непрерывной работы от нескольких месяцев до десяти лет.

Рис. Х.23. Модель типичного изотопного термоэлектрического генератора (разрез части сферического или цилиндрического генератора):

/ - радиоактивный изотоп; 2 - топливная капсула; 3 - внутренняя защита от радиоактивного излучения; 4 - термобатарея; S - оболочка; б-внешняя защитная оболочка; 7 - оболочка, рассеивающая тепло [42].

Типичная модель, которой описывается большинство конструкций изотопных генераторов, приведена на рис. X. 23. Радиоактивное вещество расположено в герметичной топливной капсуле и разогревает ее; разогревается и внутренний защитный экран, через который тепло переносится к горячим спаям термоэлементов. Теплосброс! с холодных спаев осуществляется внешней рассеивающей оболочкой через внешний защитный экран. Внутренний экран используется только в тех случаях, когда излучение изотопа влияет на свойства термобатареи, внешня? защитная оболочка применяется для обеспечения биологической безопасности и устранения влияния излучения на работу приборов, расположенных вблизи генератора.

На рис. X. 24 приведена схема, поясняющая распределение потоков тепла и электричества в генераторе. В схеме кроме тепловых Сопротивлений элементов модели учтены управляемые тепловые Сопротивления. Ими, как и системой электрического регулирования, компенсируются уменьшение со временем мощности изотопного источника, изменение внешних условий теплообмена, что позволяет поддерживать напряжение генератора на заданном уровне.

КПД генератора, равный отношению выработанной электрической мощности к затраченной тепловой мощности изотопного источника:

(Х.З)

содержит несколько сомножителей:

гдет)э -КПД термобатареи, Пр -КПД регулирующего устройства, Tjg- коэффициент, зависящий от различных потерь тепла. Величина rijg описывается формулами (см. гл. 1П) для термоэлектрического генератора, т) обычно составляет 80-90% и учитывает

- Л-ЛЛЛЛ.ЛЛЛЛ- 2 3 4

Рис. Х.24. Схема распределения потоков тепла и электричества в изотопном термогенераторе:

; - изотопный источник тепла; 2 - изотоп; 3 - стенка капсулы; 4 - внутренняя защита; 5 - система электрического регулирования; 6 - термобатарея для регулировки теплового потока эффектом Пельтье; 7 - рабочая термобатарея; 8 - заслонка терморегулирования; 9 - тепло, выделенное электрическим регулятором; 10 -т- внешняя защита; II - излучатель; 12 - электрическая нагрузка; 13 - окружающая среда [42].

шунтирующее действие изоляции между термоэлементами и различными элементами конструкции, Tjp находится в пределах 75-90% и зависит от качества электронных преобразователей,.систем регулирования и интервала изменения мощности изотопного источника тепла.

1. Изотопные источники тепла

Выбор изотопного источника для термоэлектрического генератора производится на основе анализа ряда основных его свойств: периода полураспада, удельной мощности, типа проникающего излучения и уровня кинетической энергии 150]. Период полураспада определяется из выражения, которым описывается процесс распада радиоактивных ядер:

Af(A) = Af(A)e-W, (Х.5)

где f - количество распавшихся ядер в образце, N*- количество ядер в начальный момент времени t= О, t - время. Я - постоянная распада.

Период полураспада, т. е. время, в течение которого р.аспада-ется половина ядер в образце.

Г./, = 0,693-i-.

(Х.6)

Значение обычно выбирается в интерЕале от 100 дней до 100 лет. При использовании изотопа с меньшим периодом возникают трудности, обусловленные кратковременностью его действия, особенно если учесть время, необходимое для его монтажа, транспортировки и хранения. При очень больших периодах распада тепловой эффект ниже минимально необходимого для работы генератора. В зависимости от проектируемого ресурса и мощности используют тот или иной изотоп.

Удельная мощность w, характеризующая тепловыделение единицы массы изотопа, связана с периодом полураспада выражением

ю = 2,12 . Ш-

(Х,7)

где f/ - средняя энергия, поглощенная в изотопе, МэВ, /Пд -атомная масса, г/моль.

Для генераторов используют изотопы, тепловыделение которых ш > 0,1 Вт/г; применение изотопа меньших мощностей приводит к неоправданно большому объему источника тепла.

Уровень кинетической энергии определяет тепловой эффект топлива, поэтому при малых его значениях изотоп не может быть использован из-за слабых тепловыделений.

Вследствие указанных ограничений количество пригодных для использования в термогенераторе изотопов невелико (табл. X. 7, X. 8) 142, 50]. Дополнительные ограничения на возможность применения изотопов накладывают их температурная и химическая стойкость и выделение газов при радиоактивном распаде.

2. Особенности конструкции

Тепловой блок обычно состоит из ампулы с изотопом и корпуса, в тело которого они вмонтированы. Форма корпуса чаще всего цилиндрическая, коническая или плоская (рис. X. 25-Х.27). К наружной поверхности корпуса монтируются горячие спаи термобатареи.

Перепад температуры внутри Цилиндрического теплового блока (капсулы), наполненного изотопом, при адиабатической изоляции краев цилиндра, определяется по формуле [42]

(Х.8)

1где То - температура в центре камеры (максимальная температура изотопа), Ti - температура на внутренней поверхности камеры, W - тепловыделение единицы объема изотопа, Вт/см, а - внутренний радиус камеры, - коэффициент теплопроводности изотопа.