Файл: Коровин, Н. В. Электрохимические генераторы.pdf

К ЭХГ космического назначения предъявляются высо­ кие требования по массе, объему, надежности, стабиль­ ности характеристик, устойчивости в невесомости, к виб­

Так, затраты па разработку ЭХГ для корабля «Джемпни» составили около 30 млн. долл. [Л. 138]. Всего за последние 10 лет в США израсходовано на разработку ЭХГ свыше 100 млн. долл. [Л. 139].

Первое применение в качестве бортового источника энергопитания ЭХГ нашли во время полетов космиче­ ских кораблей по программе «Джемнни» (ЭХГ этого ко­ рабля описан ранее). Общая масса ЭХГ с топливом и окислителем для двухнедельного полета «Джемнни 7» составляла 260 кг, объем 0,42 м3. В случае применения батареи серебряно-цинковых аккумуляторов масса си­ стемы энергопитания составляла бы 1490 кг, объем

0,53 м3.

Во время семи полетов космических кораблей «Джемпнп» ЭХГ проработали в общей сложности 840 ч, ге­ нерировали 512 кВт-ч электроэнергии и более 200 л. во­ ды. При полете корабля «Джемнни 5» возникали непо­ ладки в системе энергопитания, однако они были связа­ ны не с собственно ЭХГ, а с системой подачи реагентов в ЭХГ.

При разработке космического корабля «Аполлон» бы­ ли использованы ЭХГ фирмы Пратт и Уитни на основе средпетемпературного ТЭ с концентрированным (85%) раствором щелочи. Предпочтение, отданное ЭХГ фирмы Пратт и Уитни, обусловлено более сложными темпера­ турными условиями полета «Аполлона». Повышение тем­ пературы ЭХГ до 200—230 °С облегчило отвод тепла и воды от ЭХГ, повысило напряжение ТЭ и к. п. д. уста­ новки до 60—-65%, что позволило снизить расход реаген­ тов на единицу энергии (ЭХГ «Аполлона» был описан ранее). Расчеты системы энергопитания корабля на 400 ч работы при номинальной мощности показали, что при чистоте реагентов 99,995% необходима масса кисло­ рода с баками для хранения 380 кг, водорода 100 кг. Общая масса системы энергопитания составляет 810 кг.

Энергоустановки на основе ЭХГ обеспечивали энер­ гией корабль «Аполлон» во время 13 полетов, в том чис­ ле 6 орбитальных околоземных и 7 лунных [Л. 163]. Все­ го за 13 полетов ЭХГ проработали 6 325 ч, генерировав

176

4 369 кВт-ч энергии и 1 400 кг воды. Среднее потребле­ ние реагентов было 0,36 кг/(кВт-ч). Удельная энергия

безотказно, даже после хранения перед запуском в те­ чение трех лет. Во время полета «Аполлон 13» вышли из строя баки с кислородом, однако ЭХГ работал нор­ мально до момента прекращения подачи кислорода.

Разрабатывались ЭХГ космического назначения так­ же фирмой Аллис Чалмерс. Фирма разработала водо­ родно-кислородный ЭХГ мощностью 0,2 кВт массой 14 кг для использования на беспилотных спутниках Зем­ ли ВВС США. Фирма Аллис Чалмерс разработала ЭХГ

В США планировалась разработка ЭХГ по программе «Скайлаб» для системы энергопитания орбитальной кос­ мической лаборатории, предназначенной для полетов в течение 28 и 56 дней [Л. 140]. Система энергопитания должна иметь рабочую мощность при длительной ра­ боте 8 кВт при напряжении 28 В. Три ЭХГ мощностью по 2 кВт обеспечивают энергией командный и прибор­ ный отсеки. Кремниевые солнечные элементы обеспечи­ вают орбитальную мастерскую. Кроме того, в систему энергопитания входят батареи для аккумулирования энергии, работающие при пиковых нагрузках, при входе в атмосферу, после разделения отсеков и после посадки.

ГЛ. 164]. Из экстраполяции следовало, что в 1972 г.

с характеристиками ЭХГ на «Аполлоне» по массе в 4 ра­ за, объему в 10 раз, по сроку службы в 5 раз, стоимости в 2,5 раза. В 1970 г. Центр пилотируемых полетов заклю­ чил контракты с фирмами Пратт и Уитни и Дженерал Электрик на разработку к 1972 г. энергетических уста­ новок на основе ЭХГ мощностью 5 кВт, массой 18—

28 кг/кВт сроком службы 5 000 ч; ЭХГ предназначены для энергопитания челночных орбитальных кораблей.

КОН. Фирма Дженерал Электрик разрабатывает ЭХГ

При кратковременной работе основную долю объема и массы занимают собственно ЭХГ. Поэтому в этом слу­ чае важное значение имеет удельная мощность ЭХГ на единицу массы и объема. Фирма Пратт и Уитни [Л. 36] разработала систему энергопитания с высокой удельной мощностью и энергией, рассчитанную на кратковремен­ ные полеты от нескольких минут до нескольких часов. Увеличение удельной энергии и мощности обеспечивает­ ся работой ТЭ при высоких плотностях тока, упрощени­ ем вспомогательных систем ЭХГ и применением облег­ ченных баллонов для хранения водорода и кислорода. Расчеты показали, что система имеет удельную энергию 80 Вт-ч/кг при полете в течение 5 мин и 220 Вт-ч/кг при полете в течение 1 ч.

В качестве реагентов для ЭХГ космического назначе­ ния до сих пор использовались жидкий кислород и во­ дород. Как указывалось ранее, кислород при криоген­ ном хранении имеет наиболее высокие значения удель­ ной энергии по сравнению с другими окислителями. Во­ дород при криогенном хранении также имеет высокие значения удельной энергии. Однако при храпении жид­ кого водорода происходит его утечка, потери водорода при длительных полетах могут быть довольно высокими. Поэтому большой интерес представляет хранение водо­ рода в виде гидрида лития или боргидридов металлов. іМасса реагентов на единицу энергии при этом может быть ниже, чем масса жидкого водорода с учетом тары.

38. Электрохимические генераторы для флота и подводных работ

Достоинства ЭХГ представляют большой интерес для морского флота и подводных исследований; ЭХГ могут найти применение в подводных лодках, подводных лабо­ раториях и исследовательских станциях.

178

Интерес к подводным энергетическим установкам бу­ дет расти по мере разработки методов добычи полезных ископаемых со дна океана.

В [Л. 141] проанализирована целесообразность при­ менения четырех видов источников энергии для работ в течение более 168 ч на подводных установках: атом­ ных реакторов, батареи аккумуляторов, двигателей вну­ треннего сгорания и ЭХГ. Учитывались удобство, эконо­ мика, масса, объем и другие параметры. В результате

научно-исследовательской лодки мощностью 20—25кВг на четырех человек при глубине погружения до 6 км по­ казали, что при запасе энергии 1 100 кВт-ч масса энер­ гоустановки с ЭХГ составляет около 5 000 кг, объем —

ны способы хранения водорода и кислорода на подвод­ ной лодке для ЭХГ мощностью 5—30 кВт. Срок службы ЭХГ принимался от 1 мес. до нескольких лет. Криоген­ ное хранение водорода оказалось менее выгодным, чем

кислорода и хранения водорода под давлением. Однако наиболее целесообразно применение твердых реагентов: СаН2 для получения водорода и NaC103 для получения кислорода. Разработки ЭХГ для флота ведутся фирмой Аллнс Чалмерс совместно с Военно-морской инженерной лабораторией [Л. 144]. Проведено испытание водороднокислородного ЭХГ мощностью 1 кВт. Лаборатория Нейвэл шип систем комманд (США) [Л. 39] также разра­ батывает ЭХГ для морского флота. Были испытаны во­ дородно-кислородные ЭХГ мощностью 1—4 кВт. Имеет­ ся сообщение также о батарее ТЭ фирмы Пратт и Уит­ ни мощностью 5 кВт для гидрологических устройств [Л. 145]. Масса батареи 63,5 кг, объем 87 л.

Фирма Электрик Пауа Сторидж (Англия) [Л. 146] сообщила о применении водородно-кислородного ЭХГ на подводной станции в Средиземном море около о. Мальта в августе 1969 г. на глубине 7— 10 м. ЭХГ помещался в металлический цилиндр, внутри которого поддержива­

лось давление, равное внешнему давлению; ЭХГ обес­ печивал энергией насосы для очистки и циркуляции воз­ духа и ламп фотоаппаратов; ЭХГ работал 9 дней без промежуточных заправок реагентами при мощности 25—

работал на берегу, обеспечивая подзарядку аккумулято­ ров, освещение и другие потребности.

Шведская фирма АСЕА [Л. 48, 147] разрабатывает ЭХГ мощностью 200 кВт для подводной лодки, по кон­ тракту со шведским военно-морским флотом на сумму около 2 млн. долл. Кроме того, планировалась примерно такая же сумма за счет бюджета фирмы. В состав ЭХГ входит батарея водородно-кислородных ТЭ. Кислород хранится в сжиженном виде. Водород либо хранится в сжиженном состоянии, либо получается разложением аммиака. При использовании аммиака возникает про­ блема хранения газообразного продукта реакции—азота. Фирма АСЕА конденсирует азот с помощью холодиль­ ной установки.

Имеются проекты ЭХГ для флота и подводных иссле­ дований с использованием гидразина. Достоинством гид­ разина по сравнению с водородом является простота его хранения, так как он находится в жидком состоянии и не требует тяжелой тары. Однако гидразин значительно дороже водорода.

Фирма Аллис Чалмерс разработала и испытала гид­ разино-кислородный ЭХГ мощностью 750 Вт на неболь­ шой подводной лодке [Л. 148].

Для использования во флоте очень перспективны раз­ работанные фирмой Альстом (Франция) гидразино-пе- рекисьводородные ЭХГ [Л. 96]. Достоинством этой систе­ мы также является возможность хранения реагентов в жидком состоянии при обычных температурах. В мае 1970 г. проводилось несколько погружений ЭХГ в море на глубину до 82 м. Масса системы была 75 кг. Ток в ЭХГ получали через несколько секунд после включе­ ния. Напряжение ЭХГ возрастало от 24 В на поверхно­ сти до 28 В на глубине 50’ м. Мощность, отбираемая от ЭХГ, была 1,75—2,0 кВт. Расход реагентов (гидразингидрата и 35%-ной перекиси водорода) был достаточно высок 4,5 л/ (кВт ■ч); такой высокий расход свидетель­ ствует о низком значении фарадеевского к. п. д.

18 0