Космические энергоустановки

Теги:космос
 
?? Diadia_Sidor #16.06.2000 06:23
+
-
edit
 

Diadia_Sidor

разгонный блок космофорума

По просьбе трудящихся масс, и по назревшей необходимости открываю данную разборку, так как все дискуссии об электроракетных моторах, да и вообще о перспективах деятельности в космосе сводятся к этим проблеммам. Потому как хреново без света.
Ждём интересных вопросов.
 
+
-
edit
 

varban

администратор
★★★
Первый мой, если не опередят:)
Реактор чё дает? - тепло, да. Как печка.
Требуется преобразовать в эл. энергию. Как это делается? Турбиной? Термоэлектропреобазователями? Как-то еще?
И какова эффективность.
 
?? Alecsandro #18.06.2000 03:58
+
-
edit
 

Alecsandro
Серокой

координатор
★★★
Вопросы были, и я как-то постарался сам найти на них ответы. Если в чём-то неправ, поправьте :)
На Солнце вроде надеятся нечего, особенно где- нибудь в районе Юпитера. Реактор? Турбину с электрогенератором применять- создавать себе лишние проблемы: два контура пара, а вдруг утечка, да и КПД у турбины вроде не очень (число точно не помню, но знаю, что мало). Так что остаётся? Непосредственные термоэлектропреобразователи типа помершей "Ромашки", то есть встроенные прямо в реактор полупроводниковые термопары- это "горячим" концом, а "холодным" соответсвенно за бортом. Идея вроде заманчивая, но требуется защита от излучения. Отсюда выход: выносим реактор на штанге, после чего достаточно прикрыть защитой такой участок, чтобы жилой модуль остался в "тени". Недостаток: возрастает момент инерции, маневрировать неудобно. Хотя с ограниченным энергозапасом это и не потребуется, так что вроде такой вариант неплох. Другое дело, как поведут себя полупроводники в активной зоне? С увеличением количества радиационных дефектов в кристалле должна упасть подвижность носителей, то есть снизится всё тот же КПД.
Ещё выход: использовать топливные элементы, которые всё ж поменьше аккумуляторов по габаритам (как тут не вспомнить "Буран", просто заставленный изнутри этими самыми аккумуляторами- ТЭ были то ли не готовы, то ли их не было в достаточном количестве, спешили запустить машинку...). Недостаток- нужно тащить с собой запасы водорода и кислорода. Теоретически водород есть за бортом. Практически- его там мало, и непонятно,как его собрать. Кислород вроде как и самим нужен- дышать.
Кстати, по поводу генераторов. Я очень удивился, что на "Мире" велоэргометр подключен к резистору, то есть энергия, создаваемая "велосипедистом"-космонавтом раасеивается в виде тепла. Интересно, а я думал, что как раз отвод тепла и представляет собой проблему...
Из особоэкзотических источников энергии могу предложить только вычитаннных где-то бактерий, которые, будучи освещёнными на специальном геле, генерят разность потенциалов.
Больше не раскалятся ваши колосники. Мамонты пятилеток сбили свои клыки. ©  
+
-
edit
 

varban

администратор
★★★
1. кпд у турбины не так мал - около 40%, бывает и выше. Турбина - дело знакомое для ракетчиков - практически все маршевые ЖРД оборудованы ТНА. Кстати, турбины мощных ТНА являют собой прекрасный пример мощных, компактных и легких двигателей.
2. А если фантазировать, почему не привели особо элегантный метод терморазложения воды на водород и кислород с последующим их использованием в топливном элементе.

2Diadia_Sidor: уточняю свой первый вопрос: технически реальные преобразования тепла в эл. энергию.
 
?? Diadia_Sidor #19.06.2000 07:50
+
-
edit
 

Diadia_Sidor

разгонный блок космофорума

Слава Богу, заработало
Рассказывать буду постпенно. Поехали. Использовались и разрабатывались самые разнообразные ЭУ. Самые применибельные сейчас - фотоэлектрические преобразователи (ФЭП-ы), наиболее популярные - кремниевые, найболее эффективные - арсенид-галиевые. КПД как у паровоза - 3-7%. Плотность потока солнечного излучения на орбите Земли - 1.4 квт на кв.м. Вот и считайте, сколько останется. Очень большая беда - деградация. Падение кпд, до 10% в год. На арсенид-галии меньше, если предпринять спец. технологические и конструктивные меры, ещё меньше. Из за этой беды наши спутники имеют ресурс по энергетике в 2-3 раза меньше, чем у америкосов.

Электро-химия. Кислород-водородные элементы с Аполлоном на Луну и обратно летали. (на 13-ом, чуть всю команду не похоронил). Трогал наш энергоотсек с такими же элементами для нашей лунной экспедиции. Вещь хорошая, для недолгих экспедиций, а продукт реакции (воду) вполне можно употреблять. Кстати, тащить с собой воду, её разлагать, а кислород и водород использовать для получения электричества нельзя, т.к. непонятно откуда брать то же самое электричество для разложения воды.

Ядерщина. Бывает безмашинная и машинная.
Безмашинная - термоэлектрические (ТЭГ) и термоэмиссионные (ТЭП) преобразователи. КПД, не более 10%, ресурс, порядка 10 лет. Летали.

Машинные. Наиболее применим т.н. цикл Брайтона. Рабочее тело - газ. Одноконтурная схема. ресурс порядка 10 лет.

Расмматривались циклы Ренкина и Стирлинга (любимый) к.п.д 20-30%

Далее солнечные ЭУ с машинным преобразователем, почти то же самое, что и ядерные.

Это очень поверхностный обзор.
 
+
-
edit
 

varban

администратор
★★★
1. Какая температура достижима в реальных реакторах?
2. Энергоблок межнародной станции будет на ФЭП www.boeing.com/defense-space/space/power/iss.html - 78 kW. Маловато, убоялись реактор применить?
3. А разложение воды на водород и кислород имел ввиду не электролитическое, а термическое, с диффузионным разделением. Когда-то вроде проработывалось, слышал краем уха. А может трепались:)
 
?? Diadia_Sidor #19.06.2000 08:44
+
-
edit
 

Diadia_Sidor

разгонный блок космофорума

2 Varban
1. Какая температура достижима в реальных реакторах?
***Температура определяется стойкостью материалов реактора (в турбомашином варианте - турбины). В турбомашинных вариантах это - 1300-1500 кельвинов, в ТЭГ, ТЭП - выше, на эмиссионных преобразователях до 3000
2. Энергоблок межнародной станции будет на ФЭП Маловато, убоялись реактор применить?
***Реактор убоялись, да и нечего ему там с людишками делать. А на заре проектирования Альфы, прланировалось на первом этапе использовать ФЭП, а на последующих дополнить их СЭУ с Брайтоном по 25Квт, каждая
3. А разложение воды на водород и кислород имел ввиду не электролитическое, а термическое, с диффузионным разделением. Когда-то вроде проработывалось, слышал краем уха. А может трепались:)
  • Ничего про это не слышал, но ведь на разрыв водород-кислородной молекулы, всё равно откуда то энергию нужно брать
  • 2 Waldy
    =как поведут себя полупроводники в активной зоне? С увеличением количества радиационных дефектов в кристалле должна упасть подвижность носителей, то есть снизится всё тот же КПД.=
    Ну тепло можно из реактора к термоэлементам охлаждающей водой выносить, то же самое касательно радиатора.

    ***Всё правильно. Найдены пары, в которых этот эффект сведён к минимуму. А американцы так и делали, выносили преобразователи на из АЗ на тепловых трубах. Ни о какой воде там на может быть и речи, либо кремнейорганика, либо жидкие металлы.

    Интересно послушать про термическое разложение воды в реакторе. Не может ли грумучий газ в реакторе же и рвануть? М/б, тоже вынести из реактора с использованием теплоносителя?
    ***А зачем воду в реакторе разлагать то ?

    Мне кажется, что и у турбин еще не вся песенка спета. Но в классической схеме нужны громоздкие и тяжелые парогенератор и конденсатор, которые не очень приспособлены к невесомости (малой гравитации).
    ***Для космоса рассматривались абсолютно другие схемы. Даже с конденсацией. Но основной рассматриваемой турбомашинной схемой, яляется реализация цикла Брайтона с рекуперацией, а там работает только газ (подтверждён ресурс непрерывной работы до 10 лет!!). Кстати у Стирлинга тоже
  • Просьба, задавать по 1-2 вопросам, а то глаза разбегаются, кому отвечать
  •  
    ?? Diadia_Sidor #19.06.2000 08:59
    +
    -
    edit
     

    Diadia_Sidor

    разгонный блок космофорума

    В качестве провокации.
    Стирлинг - поршневой цикл, с теоретически максимальным КПД (Практически - Карно).
     

    KIKA

    новичок
    varban
    Получаемые в реакторе водород и кислород лучше сжигать в газовой турбогенераторе, чем в oгромных и тяжелых ЭХ-ячейках. Как я понимаю, есть 2 основных проблемы - раскочегарить реактор до 3000-5000К (м/б газофазный ЯР?) и не дать рвануть гремучему газу при охлаждении. Для последнего: м/б связывать водород или лучше (из-за проблемы окисления рабочей зоны) кислород в горячей зоне реактора, потом высвобождать его (пусть лучше сам высвобождается при остывании) и затем их жечь в турбине. Красиво? Что теплохимики скажут?

    [Edited by Waldi (19-06-2000 at 13:39).]
     
    ?? Diadia_Sidor #19.06.2000 10:42
    +
    -
    edit
     

    Diadia_Sidor

    разгонный блок космофорума

    Рассматривались т.н. ЭУ с диссоциирующим теплоносителем. В реакторе он не прсто нагревается, но и диссоциирует. в этом состоянии крутит турбину, ассоциируется в рекуператоре, отдавая тепло ассоциации, вышедшему из компрессора (перед реактором) РТ и т.д. Никакого кислорода, никакого водорода, соотв. ничего и не бабахнет.
     

    Waldi

    втянувшийся
    Diadia_Sidor
    Ну вот и проблема решена. Ну что, будем строить? :-)
    [...падал прошлогодний снег...]  
    ?? Diadia_Sidor #19.06.2000 11:10
    +
    -
    edit
     

    Diadia_Sidor

    разгонный блок космофорума

    to Waldy
    Сейчас я доразовью эту мысль. Берём ураносодержащий газ, например гексофторид урана. Он не просто греется в реакторе от стенки, в нём самом происходит реакция, а далее обычный замкнутый цикл. А ?

    Строить это всё можно тока "пох чка" ("нет денег" Арм.)

    Реально испытаны сначала за морем, потом у нас ЭУ, работающие по циклу Брайтона для использования в составе ЯЭУ( в т.ч. двухрежимных) или СЭУ размерностью 5-25 кВт. Вопросы, решённые при этом куда интереснее, чем рассуждения на сильно-далёкие перспективы. 30000 оборотов, общее к.п.д. тепло/эл. 23-25%. ресурс до 10! лет непрерывного верчения. Блок турбокомпрессора-генератора размером с два ведра
     
    +
    -
    edit
     

    varban

    администратор
    ★★★
    1. Про воду в реакторе. Подумавши, соглашаюсь и с Diadia_Sidor, и с Waldi. Ну почему стал быстрее писать в инете, чем думать:( Синдром инета, однако.
    2. А обороты выше 20...30000 все равно не сделать - по крайней мере пока. Прочность констр. материалов мешает.
    3. Большие мощности нужны для ЭРД. Иначе он просто не потянет - импульс высок, а тяга низка. И кпд у него - хуже чем даже у РДТТ.
     

    Waldi

    втянувшийся
    =как поведут себя полупроводники в активной зоне? С увеличением количества радиационных дефектов в кристалле должна упасть подвижность носителей, то есть снизится всё тот же КПД.=

    Ну тепло можно из реактора к термоэлементам охлаждающей водой выносить, то же самое касательно радиатора.
    Интересно послушать про термическое разложение воды в реакторе. Не может ли грумучий газ в реакторе же и рвануть? М/б, тоже вынести из реактора с использованием теплоносителя?
    Мне кажется, что и у турбин еще не вся песенка спета. Но в классической схеме нужны громоздкие и тяжелые парогенератор и конденсатор, которые не очень приспособлены к невесомости (малой гравитации).


    [Edited by Waldi (19-06-2000 at 11:23).]
    [...падал прошлогодний снег...]  
    +
    -
    edit
     

    Balancer
    Guest

    гость
    Поправьте, если я не прав :)

    Двигатели Су-27 дают максимальную форсажную тягу 2*12500кгс = 25000кгс = 245250Н.

    Максимальная, развиваемая им скорость = 2500км/ч = 694.4м/с.

    Т.о. мощность двигателей составляет N=F*V=245250*694.4=170312500Вт.

    Т.е. мощность в 85.2МВт на турбину уже двадцать лет летает вовсю :)
     
    +
    -
    edit
     

    Balancer
    Guest

    гость
    >А обороты выше 20...30000 все равно не сделать

    Небольшие авиатурбинки до 40000 дают. Конкретных моделей, правда, не знаю.
     

    Waldi

    втянувшийся
    Ну тогда я всеми конечностями за турбину. Можно кучу энергии добыть при высоком КПД и малом весе/габаритах.
    Про СЭУ (с Брайтоном, Сирлингом или Ренкиным - не помню...) для Альфы читал еще 13 лет назад. Оказались от этого, выходит. Ну и ладно, для нее и не особенно нужно (близость к Солнцу, вибрации, неотработанность и т.д.). А вот для регулярных полетов на Марс и дальше (и пребывания), имхо без реактора с турбиной никуда не деться.


    [Edited by Waldi (19-06-2000 at 12:06).]
    [...падал прошлогодний снег...]  
    ?? Diadia_Sidor #19.06.2000 12:07
    +
    -
    edit
     

    Diadia_Sidor

    разгонный блок космофорума

    про 40000 об/мин - совершенно правильно. просто, кроме всего прочего, при принятой схеме генератора, на 30000 получается ровно 50 Гц

    нельзя сравнивать Су-27, при всём моём к нему уважении, с космической ЭУ. Самолётный мотор это ничтожный ресурс, по сравнению с годами КЭУ, нет проблем сброса тепла.
     

    KRoN
    Nilli

    опытный

    Э... Тут у вас топик - "Комические энергоустановки". Так народ посмеяться заходит, ничего не понимает, читает, вникает, потом смеётся :)

    В общем, я его переименовал на всякий случай :))

    [Edited by KRoN (19-06-2000 at 12:40).]
     
    ?? Diadia_Sidor #19.06.2000 12:46
    +
    -
    edit
     

    Diadia_Sidor

    разгонный блок космофорума

    великолепный вопрос про подшипник. и у нас и у заморских братьев использовался газодинамический лепестковый подшипник. Для него чем больше оборотов, тем лучше, тока плохо переносит пусковые режимы и динамические нагрузки, но в стационарном режиме, характерном для КЭУ - вещь !
     
    +
    -
    edit
     

    varban

    администратор
    ★★★
    Мощность РД я считаю по другому - ускорение рабочего тела. Потому как все равно летит ли ДУ со скоростью 10 km/s или благополучно работает на стенде. А всего лучше через тепло. Пробую посчитать кпд для различных двигателей, сложновато. До сих пор не приходилось, ей-богу.
     
    ?? Diadia_Sidor #19.06.2000 12:55
    +
    -
    edit
     

    Diadia_Sidor

    разгонный блок космофорума

    в рассматриваемых мною ЭУ именно 50Гц. я не спец в электротехнике, но если интересно, могу нарыть дома или у братвы, что это за штуковина. он не совсем обычен и в авиации не используется.

    и откукда взялся газофазный реактор. Помилуй Бог, только твердофазный. Температура перед турбиной не более 1300 кельвинов.

    И потом, зачем такие большие мощности ?
    Если лететь на Марс, то смотрите мою писанину в Атомном Двигателе I и II про холодильники излучатели и радиационные пояса.

    Сейчас актуальны мощности 25-100 квт.
     

    Waldi

    втянувшийся
    varban
    = Не знаю, как будет выглядеть генетатор мегаватт на 10...100 при неск. десятков тысяч оборот на валу?=
    Возьмем для примера какой-нибудь самолетный генератор на 400Гц (24000 об/мин)- отработанная долгоживущая конструкция. Пусть знающие люди прикинут, сколько он будет весить.
    Мне кажется, что на существенно больших оборотах, чем 400Гц, КПД турбины будет ниже из-за газодинамических потерь, но я не теплофизик.

    [Edited by Waldi (19-06-2000 at 13:48).]
    [...падал прошлогодний снег...]  

    KRoN
    Guest

    гость
    Ну, это само собой. Я, к примеру, не представляю турбину, что на 30000 оборотах 10 лет протянет :) Если только на магнитной подвеске и с какими-нибудь циклами восстановления поверхности осаждением из газовой фазы...
     

    Waldi

    втянувшийся
    =мощность в 85.2МВт на турбину уже двадцать лет летает вовсю=
    Ну не двадцать же лет на форсаже! От силы несколько часов в общей сложности.

    Насколько я понял, уважаемый All предлагает одноконтурный газофазный ЯР в блоке с турбогенератором. Оценим турбогенератор в 10МВт размером в 2 большие бочки, согласны? Каковы размеры реактора без/с радиационной защитой?
    Кстати, 50Гц получается при 3000об/мин, при 30000 об/мин получится 500Гц. Насколько я знаю, в авиации издавна используются 400Гц-агрегаты, но никак не 50Гц.

    =Я, к примеру, не представляю турбину, что на 30000 оборотах 10 лет протянет=
    Это означает, что надо разгружать конструкцию. Например, вместо 5000К берем 1000-1500К. Кстати, надо предусмотреть еще место для гигантской свалки отработанных "светящихся" реакторов и турбин. На Солнце скидывать дороговато, разве что своим ходом.

    Diadia_Sidor
    =Реально испытаны сначала за морем, потом у нас ЭУ, работающие по циклу Брайтона для использования в составе ЯЭУ( в т.ч. двухрежимных) или СЭУ размерностью 5-25 кВт.=
    Ссылочку, пожалуйста!!!
    Подшипники при малой гравитации только газодинамические и делать, они же вечные.

    [Edited by Waldi (19-06-2000 at 15:51).]
    [...падал прошлогодний снег...]  

    в начало страницы | новое
     
    Поиск
    Настройки
    Твиттер сайта
    Статистика
    Рейтинг@Mail.ru