Паротурбинная установка с безнасосной системой подачи рабочего тела для утилизации низкопотенциального тепла

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

новили на аппарате «Зонд-2» в качестве двигателя ориентации с питанием от солнечных батарей [3].

К середине 60-х годов в нашей стране были получены обнадеживающие результаты по разработке плазменных двигателей разных типов. Но наибольший успех пришел к группе из Института атомной энергии им. И. В. Курчатова, которой руководили А. И. Морозов и Г. Я. Щепкин. Этот коллектив к маю 1969 года создал работающий макет двигательной установки. После конструкторской доработки в ОКБ «Факел» двигатель в последних числах 1970 года был установлен на спутнике «Метеор» и выведен на орбиту. С тех пор прошло почти тридцать лет, но этот стационарный плазменный двигатель (СПД) все еще не имеет конкурентов - другие схемы оказались менее эффективными и штатной принадлежностью космических аппаратов не стали.

В середине 80-х годов работы над СПД из Института атомной энергии были переведены в Московский институт радиотехники, электроники и автоматики и продолжены в лаборатории профессора Антонины Ивановны Бугровой. В 1992 году лабораторию посетил вице-президент франко-европейской космической фирмы SEP г-н Буланже. Он предложил заключить контракт на создание патентно-чистой модели СПД с улучшенными характеристиками.

Дело в том, что такие двигатели имеют два существенных недостатка: большую расходимость плазменного пучка (до 45о) и КПД порядка 50 %, что было меньше их возможностей. И была у них одна странность: наиболее сильная тяга получалась при геометрии полей, с точки зрения теории далекой от оптимальной. Когда причины такого поведения удалось понять, сотрудники лаборатории МИРЭА изменили конфигурацию канала, анода и магнитного поля. Это сразу же дало удивительные результаты: КПД вырос почти до 70 %, а расходимость пучка стала меньше 10о. Так были созданы СПД второго поколения.

Через несколько дней после запуска «Метеора» начались эксперименты с двигателями. «Эол-1» был установлен на спутник таким образом, что ось его тяги не проходила через центр масс аппарата. При включении двигателя возникал некоторый крутящий момент, который можно было компенсировать системой ориентации, при этом она служила еще и измерителем тяги «Эола».

За экспериментом внимательно следили не только создатели двигателя, но и скептики, коих было достаточно. «Эол-1» должен был проработать всего несколько минут, потом автоматически выключиться (конструкторы боялись, что струя плазмы заблокирует радиосигнал с Земли на выключение). Двигатель отработал свое и выключился. После проведения радиоконтроля орбиты оказалось, что результаты в точности соответствуют лабораторным данным. Правда, скептики не угомонились и выдвинули гипотезу, что изменение орбиты вызвано обычным истечением газа через открытый клапан. Но это предположение не подтвердилось: после второго включения по команде с Земли двигатель проработал еще 170 часов, подняв орбиту «Метеора-10» на 15 км. ОКБ «Факел» отлично справилось со своей задачей: ресурс был превышен почти вдвое.

Китай, Европа, США сегодня наперегонки покоряют космические просторы. Австралия, похоже, не собирается оставаться в стороне. Физики из Австралийского национального университета получили грант на 3,1 миллиона долларов, который будет потрачен на дальнейшую разработку плазменного двигателя Helicon Double Layer Thruster. Планируется, что двигатель будет установлен на борт одного из европейских спутников, и в 2013 году будут осуществлены первые испытания.

Для решения земных задач поле деятельности плазменных двигателей огромно. Уже сейчас СПД в соответствующем исполнении используются для обработки различных поверхностей - из металла, стекла, полупроводников. Но, по-видимому, область их применения будет несравненно шире, тем более, что мощность подобных систем может быть увеличена в тысячи раз [2].

Библиографические ссылки

1. URL: http://topwar.ru/10552-tyazhelym-raketnym-dvigatelyam-na-zamenu-pridet-ektoplazma.html.

2. Успенский Г. Р. Космонавтика XXI. URL: http://www.airbase.ru/books/authors/rus/u/uspenskiy-g-

r/space21/.

3. Максимов А. И. Историческая одиссея или краткая история развития ракетной техники и космонавтики. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991. 213 с.

© Волков Д. О., Ганущенко А. П., 2012

УДК 658.26; 621.165.1

А. В. Гайнутдинов, О. В. Каменюк Научный руководитель - А. А. Зуев Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ПАРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА С БЕЗНАСОСНОЙ СИСТЕМОЙ ПОДАЧИ РАБОЧЕГО ТЕЛА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА

Оценены перспективы использования паротурбинных установок на низкокипящем рабочем теле в качестве потребителей низкопотенциальных источников энергии. Произведён термодинамический анализ установки.

Секция «Двигательные установки и системы терморегулированияЛА и КА»

В последние 30 лет все большую силу набирает проблема энергетического кризиса. По оценкам учёных [1], спад добычи энергоёмких полезных ископаемых наступит в ближайшие десятилетия, а энергетическая зависимость человечества с каждым годом возрастает. Одним из решений данной проблемы может послужить использование альтернативной энергетики или модернизация существующей.

Техническая сторона вопроса подразумевает использование низкопотенциального тепла. Его источниками могут являться: энергия солнца, термальные воды, выбросы ТЭС, перегревающиеся компьютерные серверы и т. п.

Предложена схема паротурбинной установки (ПТУ), которая является косвенным аналогом установки, спроектированной [2]. Принципиальное отличие нашей установки заключается в безнасосной системе подачи низкокипящего рабочего тела (НРТ) (см. рисунок).

9

Л

Пневмогидравлическая схема установки

Установка работает по замкнутому циклу: из конденсатора 1 в ресивер 2 под действием силы тяжести сливается рабочее тело по трубе через клапан 5. Равенство давлений между конденсатором и ресивером поддерживается уравнительной линией с клапаном 6. После слива рабочего тела клапаны 5 и 6 закрываются, а клапан 7 открывается и рабочее тело сливается в испаритель 3,после чего клапаны 9 и 7 закрываются. К испарителю 3 подводится низкопотенциальное тепло (порядка 60-90°С), и в результате нагрева рабочее тело закипает. Давление в испарителе достигает 2,5-3 МПа. После чего клапан 8 открывают, происходит изоэнтропийное расширение на турбине, турбина вращается и на генераторе вырабатывается электрическая энергия. После расширения на турбине рабочее тело поступает в конденсатор 1, клапан 8 закрывается, начинается подача охлаждающей жидкости и рабочее тело конденсируется. Цикл повторяется.

Был проведён термодинамический анализ цикла, который показал КПД, равный 16,7 %, при использовании в качестве рабочего тела фреона марки Я22. Таким образом, при затрате 5 кВт тепловой мощности бросового источника эффективная мощность турбины составит 835 Вт.

Результаты проведенных исследований показали актуальность исследований ПТУ НРТ. Термодинамический анализ выявил КПД, равный 16,7 %. Это приемлемый показатель для установок подобного рода.

Разработка подобных установок является перспективным направлением малой энергетики.

Библиографические ссылки

1. Макаров О. Когда настанет «пик-ойл» // Популярная механика. 2010. № 5 (91). С. 32-40.

2. Ходенков С. А. [и др.]. Разработка экспериментального стенда паротурбинной установки на низкокипящем рабочем теле // Решетневские чтения : материалы науч. конф. СибГАУ. Красноярск, 2010. Ч. 1. С. 131-132.

© Гайнутдинов А. В., Каменюк О. В., 2012

УДК 629.78

П. А. Григорьев, П. О. Агеев Научный руководитель - М. В. Кубриков Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ПРОБЛЕМЫ УСТРАНЕНИЯ «КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА»

Законы гравитации заставляют большую часть космического мусора накапливаться в околоземном пространстве. В статье представлен обзор возможных решений борьбы с космическим мусором.

Казалось бы космос - пространство огромное и мусор в нем - капля в море. Чем же космический мусор так плох? Прежде всего, это вопрос безопасности, ведь современная защита космических аппаратов способна выдержать попадание микрометеоритов диаметром лишь до 1 см. Даже если исключить из списка угроз мусор, за которым следят с Земли, останется

более 50 тыс. опасных частиц мусора диаметром больше 1 см, которые движутся с огромной скоростью. Любая из них может неожиданно пробить борт космического аппарата и вызвать разрушения, сравнимые с попаданием бронебойного малокалиберного снаряда [1].

К сожалению, уже есть множество случаев столк-