СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПРИ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD OF ENERGY CONVERSION IN POWER SUPPLY OF SPACECRAFT

Изобретение относится к способам и системам энергоснабжения космических аппаратов (КА), содержащим вторичные химические металл-водородные источники тока (электрохимические аккумуляторы), обладающие свойством накапливать энергию в виде токообразующих электрохимических связей и преобразовывать ее в электрический вид в обратимых химических реакциях кислородно-водородного цикла. Кроме этого изобретение относится к системам энергоснабжения реактивных двигателей КА, работающих на кислородно-водородном топливе, получаемом на борту аппарата.
Известен способ преобразования энергии в кислородно-водородном цикле энергоснабжения космического аппарата в обратимой химической реакции на борту, связанной с получением и использованием на борту топлива для реактивных двигательных установок (РДУ) (см. Кочанов А.В., Оглоблина И.С. Перспективы создания и применения для управления КА двигательных установок на базе электролиза воды // Полет. 2012. №4. С. 9-15) [1]. В прямом направлении реакция протекает в виде горения водорода при его соединении с кислородом в РДУ, а в обратном - при электролизе воды в окислительно-восстановительном процессе, протекающем на электродах при прохождении постоянного электрического тока через воду
В прямом направлении происходит выделение большого количества энергии в виде тепла, которая в РДУ преобразуется в кинетическую энергию направленного движения газового потока. В обратном направлении производится накопление механической энергии в виде газообразных кислорода и водорода путем разложения воды в электролизной установке с выделением водорода на катоде и кислорода на аноде за счет преобразования энергии электрохимических связей воды (слабого электролита) при прохождении через нее постоянного электрического тока. При этом установка запитывается электроэнергией на борту КА от солнечных батарей (СБ) или электрических аккумуляторов.
Недостаток способа заключатся в том, что накопленная механическая энергия сжатых газов преобразуется в тепловой вид, который не является основным видом энергии на борту КА. Основным является электрический вид энергии, который в наибольшей степени востребован для работы бортовой аппаратуры КА.
В настоящее время на борту летательных аппаратов различных классов и назначения нашли широкое применение металл-водородные аккумуляторы и в частности на борту КА - никель-водородные аккумуляторные батареи (НВАБ). Известен выбранный в качестве прототипа способ преобразования энергии при энергоснабжении КА от НВАБ с общим газовым коллектором (см. Баранчиков В.А., Железняков А.Г., Ковтун B.C., Сагина Ж.В. Ресурсные характеристики никель-водородных аккумуляторных батарей в общем корпусе при эксплуатации космического аппарата на геостационарной орбите // Изв. РАН. Энергетика. 2006. №1. С. 59-66) [2]. Способ включает в себя подачу на электроды металл-водородного аккумулятора (НВАБ) постоянного электрического тока при его заряде в кислородно-водородном цикле газовой смесью из кислородной и водородной компонент для преобразования энергии электрохимических связей в механическую энергию, подключение к электродам аккумулятора токовой нагрузки при его разряде путем преобразования в кислородно-водородном цикле механической энергии указанной газовой смеси в энергию электрохимических связей, измерение давления и температуры сжатых газов смеси в процессе заряда и разряда аккумулятора.
Недостаток способа заключается в том, что в конце срока эксплуатации батареи, при ее утилизации в составе КА, часть механической энергии в виде кислородно-водородной газовой смеси, находящейся в корпусе батареи под давлением, является невостребованной.
Технический результат изобретения заключается в получении дополнительного энергетического ресурса КА за счет преобразования накопленной в металл-водородных аккумуляторах механической энергии кислородно-водородной смеси (сжатых газов, находящихся под давлением в корпусе батареи) в дополнительный (по отношению к основному электрическому виду) вид тепловой энергии, используемой на борту КА. При этом указанная смесь может являться топливом для кислородно-водородных РДУ.
0
ду
0
ду
0
ду
1
1
ду
1
ду
n
n
ду
Для достижения технического результата в способе преобразования энергии при энергоснабжении космического аппарата, включающем подачу на электроды металл-водородного аккумулятора постоянного электрического тока при его заряде в кислородно-водородном цикле газовой смесью из кислородной и водородной компонент для преобразования энергии электрохимических связей в механическую энергию, подключение к электродам аккумулятора токовой нагрузки при его разряде путем преобразования в кислородно-водородном цикле механической энергии указанной газовой смеси в энергию электрохимических связей, измерение давления и температуры сжатых газов смеси в процессе заряда и разряда аккумулятора, по измеренным значениям давления и температуры газовой смеси в конце заряда и последующего разряда определяют в ней количество кислорода и водорода, определяют соотношение количества К кислорода к количеству водорода, сравнивают указанное соотношение с номинальным коэффициентом избытка окислителя К при преобразовании в кислородно-водородном цикле механической энергии в тепловой вид и при выполнении условия К≥К, производят полный указанный заряд аккумулятора механической энергией смеси с последующим преобразованием механической энергии в тепловой вид энергии в кислородно-водородном цикле, а при К<К производят перезаряд аккумулятора электрическим током, при этом продолжительность перезаряда контролируют по предельно допустимому значению температуры смеси сжатых газов из компонент и в момент достижения предельного значения, осуществляют указанный разряд аккумулятора номинальной токовой нагрузкой, с одновременным охлаждением аккумулятора до номинальных температурных значений смеси компонент, далее производят повторный зарядно-разрядный цикл, по результатам которого определяют значение коэффициента К, обуславливающего указанное соотношение компонент в аккумуляторе после проведенного перезаряда, и, если выполняется условие К≥К, производят полный заряд батареи с последующим преобразованием механической энергии в тепловой вид энергии, а при К<К повторяют n-е число зарядно-разрядных циклов с предварительным указанным перезарядом аккумулятора, где n=2, 3, …, и определением коэффициентов К до выполнения условия К≥К, с последующим преобразованием механической энергии в тепловой вид энергии после полного заряда аккумулятора.
В качестве примера для пояснения технической сущности способа преобразования энергии при энергоснабжении КА выбран НВАБ с общим газовым коллектором (объемом) [2].
Для пояснения сути предложенного технического решения, представлены:
Фиг. 1 - графики зависимости емкости аккумуляторного элемента (АЭ) от электролитосодержания.
Фиг. 2 - графики измеренных значений основных параметров НВАБ, полученные в течение полетных суток (время, час), включающих проведение зарядно-разрядного теста батареи после девяти летнего срока эксплуатации в составе КА «Ямал-100» на геостационарной орбите (ГСО).
Фиг. 3 - графики измеренных значений основных параметров НВАБ, полученные в течение полетных суток (время, час), включающих проведение зарядно-разрядного теста батареи после пяти летнего срока эксплуатации в составе КА «Ямал-100» на ГСО.
2
2
На представленных графиках фиг. 1 отражается емкость АЭ с накоплением молекулярного кислорода (O) 1 и без накопления O 2.
На представленных графиках фиг. 2, фиг. 3 отражены: давление (P) 3 в газовом коллекторе НВАБ; температуры (t, °C): на корпусе батареи 4, поверхности радиационного теплообменника (РТО) 5 и тепловых трубах 6.
Известно, что процесс заряда НВАБ сопровождается выделением молекулярного кислорода на положительном окисно-никелевом электроде (ОНЭ) (см. Центер Б.И., Лызлов Н.Ю. Металл-водородные электрохимические системы. Ленинград. «Химия», Ленинградское отделение, 1989 г.) [3, стр. 265-266]. В конце заряда часть зарядного тока тратится на реакцию выделения кислорода. В идеальном случае весь образующийся на ОНЭ кислород при разряде должен восстанавливаться (рекомбинировать) с водородом на катализаторе водородного отрицательного электрода (ВЭ) с образованием воды. В состоянии термодинамического равновесия процессы генерации и рекомбинации носителей зарядов должны быть взаимно уравновешены. Таким образом, вместе с токообразующей реакцией обеспечивается замкнутый кислородно-водородный цикл [3, стр. 19]
Однако, как показывают испытания и опыт эксплуатации батареи, восстанавливается не весь выделившийся на ОНЭ кислород, а лишь некоторая большая его часть, в то время как остальной газ постепенно накапливается в коллекторе НВАБ. Транспорт кислорода по газовой фазе протекает в двух направлениях: тангенциальном - вдоль поверхности ОНЭ с выходом в газовую фазу и нормальном, формируя каналы подачи газа в сепараторе. В первом случае кислород поступает в общий объем коллектора. Во втором - газ накапливается в пористом объеме ОНЭ.
Наличие газообразного кислорода в порах положительного электрода отрицательно влияет на основные электрические характеристики аккумулятора. Протекающие в ОНЭ во время зарядно-разрядного цикла процессы влияют на его пористую структуру. Так, выделяющийся при заряде кислород помимо «локальных» эффектов (выдавливания электролита из ОНЭ и уменьшения рабочей поверхности его активного слоя, затопления ВЭ и повышения температуры при рекомбинации кислорода с водородом на ВЭ), оказывает механическое воздействие на пористую структуру ОНЭ. При этом, выделяющийся на ОНЭ кислород может отслаивать частицы активной массы от никелевого каркаса и выносить их к сепаратору.
В соответствии с законами образования новой газовой фазы в жидкой среде, выделяющийся в конце заряда кислород обладает большим давлением, чем давление жидкости в капиллярах и, тем более, большим давлением, чем давление водорода в общем газовом коллекторе. Таким образом, ОНЭ в конце каждого заряда испытывает «внутреннее» избыточное давление, максимум которого наступает в первые моменты времени разряда, когда давление водорода, окружающего батарею, начинает падать. Периодичность зарядно-разрядных циклов является причиной циклического характера этого воздействия. Этот процесс вызывает усталостные дефекты в материале электрода и приводит к появлению и росту трещин, что вместе с ростом крупных пор способствует изменению (увеличению) пористости в ходе наработки ресурса.
Было исследовано влияние выделения и накопления кислорода на характеристики НВАБ, установленных на КА «Ямал-100». Испытания проводились на малоформатных АЭ диаметром 49 мм, состоявших из одной электрохимической группы (ЭХГ) биполярной конструкции, стянутой между двумя фланцами в специальной оснастке. ЭХГ состояла из одного ОНЭ, ВЭ и сепаратора. При этом электрохимическая часть ЭХГ НВАБ состоит из 18 последовательно соединенных ЭХГ.
Выделение кислорода на ОНЭ начиналось по достижении уровня заряженности, соответствующего 0,6-0,7 C (C - номинальный уровень заряженности). После заряда до 0,8 C давление кислорода превысило постоянно поддерживаемое давление водорода в водородной полости, продолжая быстро возрастать вплоть до заряда 1,2 C. В этот момент наступил газовый пробой сепаратора: кислород начал перетекать (через освобожденные перепадом давления крупные поры сепаратора) из полости ОНЭ на ВЭ и в общий объем установки.
В результате исследований, определено влияние накапливающегося кислорода на электрическую емкость АЭ при различном электролитосодержании в ЭХГ. Зависимость электрической емкости АЭ от электролитосодержания с накоплением в полости ОНЭ кислорода и без него приведены на графиках фиг. 1. Как видно из графиков, при наличии перепада давления со стороны ОНЭ емкость АЭ уменьшается на ~20%.
Эти исследования убедительно свидетельствовали о том, что при накоплении кислорода в ОНЭ и образовании перепада давлений между кислородной и водородной полостями происходит некоторое передавливание электролита с ОНЭ на ВЭ, что приводит к уменьшению «рабочей» поверхности активной массы ОНЭ и возрастанию газодиффузионной поляризации ВЭ вследствие его затопления электролитом.
Результаты исследований были положены в основу эксплуатации НВАБ на верхних уровнях заряженности [4]. Заряд НВАБ находился в пределах 100-110% C (перезаряд более чем на 10% не допускался), что считалось оптимальным верхним уровнем заряженности.
p
Однако, по мере выработки ресурса батарей, происходило постепенное накопление в их коллекторах не рекомбинированного кислорода. Об этом свидетельствовал рост остаточного давления в коллекторе в конце тестовых разрядов, в зарядно-разрядных циклах, проводимых по два раза в год перед прохождением КА весенних и осенних теневых участков орбиты ([2], стр. 64, рис. 7). Расчетная формула энергоемкости (W) НВАБ (см. [2], стр. 60)
к
включает в себя К - коэффициент сжимаемости и расхода водорода в токообразующей электрохимической реакции; P - давление в коллекторе на момент времени окончания заряда, Па; P - давление в коллекторе на момент времени окончания разряда, Па.
2
При этом в конце разряда принимается условие использования всего водорода (переход в Ni(OH)) в электрохимической реакции, о чем косвенно свидетельствует резкое падение напряжения на батареи (см. [2], стр. 63, рис. 4), фиксируемое датчиком. Частичные остатки водорода можно принять как не значительные и ими в расчетах можно пренебречь. Таким образом, падение давления, связанное с расходом водорода в электрохимической реакции, составило
к
Остаточное давление P создается смесью газообразного кислорода и паров воды. Общее давление смеси (из условия идеальных газов по закону Дальтона) равно сумме парциальных давлений газов в смеси
к
В начале эксплуатации батареи пары воды в коллекторе практически отсутствуют. Однако, при определенных температурных условиях дальнейшей эксплуатации, может происходить «высушивание» ЭХГ (см. Ковтун B.C., Железняков А.Г., Сагина Ж.В. Характеристики никель-водородных аккумуляторных батарей после десяти лет эксплуатации в космосе // Изв. РАН. Энергетика. 2011. №3. С. 12-22) [4], с выпадение влаги на внутренних поверхностях корпуса НВАБ. При этом часть влаги находится в газообразном состоянии внутри корпуса. Процент ее незначителен (по проведенным оценкам, после пяти лет эксплуатации НВАБ и далее не более 4% от P), так как она либо конденсируется на внутренних поверхностях корпуса, либо за счет капиллярных сил, создаваемых пористыми структурами АЭ, восстанавливает состав щелочного электролита (КОН). Таким образом, с учетом всех конструктивных особенностей и условий эксплуатации батарей на конечном этапе их эксплуатации, можно принять за парциальное давление кислорода в НВАБ значение
где k - коэффициент, учитывающий наличие влаги в составе кислородно-водородной смеси, в рассматриваемом примере k≈0,96.
Проанализируем проведенный в конце срока эксплуатации батареи, тестовый зарядно-разрядного цикл, для определения по полученным значениям давления и температуры в конце заряда и конце разряда батареи, количества кислорода и водорода в НВАБ1 [2, 4] (фиг. 2).
Как следует из измеренных значений, отражаемых в виде графиков, в разрядно-зарядном цикле НВАБ получены значения
1
1К
2
6
2
6
P≈46,8 кгс/см≈4,68⋅10 Па; P≈21,0 кгс/см≈2,1⋅10 Па.
1
При этом температура корпуса в конце заряда составила T≈0°C≈273 К. Определим массу водорода в конце заряда батареи, с учетом (2), по выражению
1
-3
где μ=2⋅10 кг/моль - молярная масса водорода;
-3
3
V=15⋅10 м - объем газового коллектора НВАБ;
R=8,31 Дж/моль⋅K - универсальная газовая постоянная.
Определим массу кислорода в конце заряда батареи, с учетом (4), по выражению
2
-3
где μ=32⋅10 кг/моль - молярная масса кислорода.
1
1К
2
2
6
2
6
Аналогичный тест проводился в конце пятилетнего срока эксплуатации НВАБ1 (фиг. 3, см. [2]., стр. 64, рис. 7]). По результатам теста получены исходные данные для расчета P'≈55,1 кгс/см≈5,51⋅10 Па; P'≈15,0 кгс/см≈1,5⋅10 Па; T≈60°C≈279К. Далее производим аналогично по (5) и (6) определение массы водорода и кислорода
0
Определим соотношение количества кислорода к количеству водорода в объеме батареи (К) для первого случая
ду
2
2
ду
Выберем в качестве преобразователя энергии РДУ, работающую на кислородно-водородном топливе, в которой можно было бы использовать полученную смесь. Для этого можно использовать экспериментальную двигательную установку, разработанную в Центре Келдыша [1], для применения на КА. Получение топлива для РДУ производится за счет электролиза воды. Коэффициент избытка окислителя (К) РДУ (соотношение компонентов топлива O к H) К=7,94.
Для эффективного преобразования механической энергии в тепловой вид необходимо добиться в преобразователе полного сжигания водорода в кислороде. Как видно, соотношение (7) больше примерно в полтора раза коэффициента избытка окислителя разработанной РДУ. Использование такого состава смеси приведет к повышенному расходу окислителя и уменьшению удельного импульса тяги. Изменить указанное соотношение, за счет управляющих воздействий на НВАБ, физически не возможно.
ду
0
ду
Поэтому сравнивают указанное соотношение (7) с номинальным коэффициентом избытка окислителя К при преобразовании в кислородно-водородном цикле механической энергии в тепловой вид и при выполнении условия К≥К производят полный указанный заряд аккумулятора механической энергией смеси с последующим преобразованием механической энергии в тепловой вид энергии в кислородно-водородном цикле путем сжигания водорода в кислороде.
В другом случае тестирования НВАБ получим соотношение
ду
ду
В данном варианте коэффициент меньше заданного, что также приведет к уменьшению удельного импульса тяги из-за неполного сгорания горючего. Значения величин, полученные в (7) и (8), образуют интервал, в котором находится коэффициент К. Следовательно, по мере выработки ресурса НВАБ, можно достичь номинального соотношения кислородно-водородной смеси в коллекторе батареи для выбранной РДУ. В случае завершения полета КА и прекращения эксплуатации батареи в качестве источника электроэнергии при соотношении (8), сокращения сроков получения смеси в соотношении, близком к значению К, производится за счет эксплуатации НВАБ в режиме перезаряда.
Как указывалось ранее, перезаряд батареи на величину больше 1,2 С, приводит к быстрой генерации кислорода с экзотермической реакцией и накоплением кислорода в газовой фазе. При этом высокое тепловыделение, приводит к быстрому росту температуры в зоне электрохимических реакций, который приводит к росту температуры газовой смеси. Указанный рост температуры может привести к «тепловому разгону батареи» [2-4] с разрушением структуры АЭ. Поэтому контроль завершения перезаряда производят по допустимому температурному значению газовой смеси (которое можно принять примерно равным температуре на корпусе батареи). В рассматриваемом примере предельной являлась температура газовой смеси 450°C. По достижении предельно допустимого температурного значения газовой смеси для исключения разрушения АЭ производится разряд батареи номинальным током с одновременным охлаждением ЭХБ через РТО [2].
0
ду
1
1
ду
1
ду
n
n
ду
Таким образом, при К<К производим перезаряд аккумулятора электрическим током, при этом продолжительность перезаряда контролируем по предельно допустимому значению температуры смеси сжатых газов из компонент и в момент достижения предельного значения осуществляем указанный разряд аккумулятора номинальной токовой нагрузкой, с одновременным охлаждением аккумулятора до номинальных температурных значений смеси компонент (15-200°C) [2, 4]. Далее производим повторный зарядно-разрядный цикл, по результатам которого определяем значение коэффициента К, обуславливающего указанное соотношение компонент в аккумуляторе после проведенного перезаряда, и, если выполняется условие К≥К, производим полный заряд батареи с последующим преобразованием механической энергии в тепловой вид энергии. Если условие не выполняется (К<К), производится «дополнительное накачивание» батареи кислородом. Для этого повторяется n-е число зарядно-разрядных циклов с указанным перезарядом батареи, где n=2, 3, …, и с определением коэффициентов К до выполнения условия К≥К, с последующим преобразованием механической энергии в тепловой вид энергии после полного заряда аккумулятора. При этом осуществляется перепуск кислородно-водородной смеси из батареи в преобразователь (магистраль подачи топлива в РДУ [1]) после полного заряда батареи.
Реализация способа может быть осуществлена с использованием существующей НВАБ, с общим газовым коллектором, конструктивные особенности которой не потребуют специальной доработки (см. Баженов М.Д., Железняков А.Г., Кондратьев Д.Г. Никель-водородная аккумуляторная батарея с общим газовым коллектором // Изв. РАН. Энергетика. 2003. №5. С. 21-37) [5]. К штуцеру заправки водорода НВАБ подключается магистраль системы подачи смеси в РДУ. При этом в магистраль системы последовательно включены электропневмоклапан открытия магистрали, газожидкостный сепаратор воды, понижающий рабочий редуктор. Указанные элементы системы представлены на рис. 3б в [1]. На выходе магистраль соединяется со штуцером подачи кислорода в РДУ (см. [1], рис 2). А на штуцер подачи водорода в РДУ ставится заглушка.
Проведем оценку эффективности применения способа. Для этого используем основные параметры разработанного экспериментального двигателях [1] - расчетную тягу F=0,1H; расход компонентов топлива: кислорода - 27 мг/с, водорода 3,4 мг/с (суммарный секундный массовый расход ); расчетный удельный импульс тяги 3730 м/с.
1
2
2
ду
В результате использования способа в НВАБ может быть образована кислородно-водородная смесь общей массой Mc~41,5 г, при соотношении компонентов топлива 36,9 г O и 4,6 г H (К'≈8). Всего на борту КА «Ямал-100» находится две НВАБ, следовательно, можно использовать суммарную массу смеси Mc≈83 г. Общая продолжительность работы двигателя на образованной смеси
К
3
Для КА «Ямал-100» массой М=10 кг величина характеристической скорости увода на орбиту захоронения составит
К
ΔV≈FΔτ/М≈0,27 м/с.
Указанная оценка приводится для существующих устройств, на базе которых может быть реализован предложенный способ. Отдельное рассмотрение технического решения, с разработкой специальных устройств для его реализации могут повысить эффективность способа. Необходимо также отметить, что реализация предложенного способа преобразования энергии может использоваться на борту КА совместно с двигательной установкой на базе электролиза воды. Преимущество такой реализации заключается в уменьшении общей массы исполнительных устройств.
Литература
1. Кочанов А.В., Оглоблина И.С. Перспективы создания и применения для управления КА двигательных установок на базе электролиза воды // Полет. 2012. №4. С. 9-15.
2. Баранчиков В.А., Железняков А.Г., Ковтун B.C., Сагина Ж.В. Ресурсные характеристики никель-водородных аккумуляторных батарей в общем корпусе при эксплуатации космического аппарата на геостационарной орбите // Изв. РАН. Энергетика. 2006. №1. С. 59-66.
3. Центер Б.И., Лызлов Н.Ю. Металл-водородные электрохимические системы. Л.: «Химия», Ленинградское отделение, 1989 г.
4. Ковтун B.C., Железняков А.Г., Сагина Ж.В. Характеристики никель-водородных аккумуляторных батарей после десяти лет эксплуатации в космосе // Изв. РАН. Энергетика. 2011. №3. С. 12-22.
5. Баженов М.Д., Железняков А.Г., Кондратьев Д.Г. Никель-водородная аккумуляторная батарея с общим газовым коллектором // Изв. РАН. Энергетика. 2003. №5. С. 21-37.