CC BY
20
УДК 621.455
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-677-682
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
В.В. Мартынов, П.С. Гончаров, О.Ю. Цыбин, М.Д. Гуляев
На основе анализа основных свойств и характеристик термоэлементов предложена идея их применения для использования тепловой энергии, выделяющейся при работе электрического ракетного двигателя. С учётом опыта эксплуатации термоэлектрических преобразователей в энергетических установках обозначены пути реализации идеи. Проведённые теоретические и экспериментальные исследования показали перспективность данного направления.
Ключевые слова: термоэлемент, электрический ракетный двигатель, тепловое излучение, термоэлектрический преобразователь, теплообмен, рекуперация энергии.
Перспективы использования электрических ракетных двигателей (ЭРД), как при выполнении возрастающих задач орбитальной эксплуатации космических аппаратов (КА), так и осуществлении дальних космических перелётов, требуют постоянного их совершенствования. Для функционирования им требуются, прежде всего, топливо - рабочее тело (РТ) и электрическая энергия. Рациональное их потребление будет способствовать увеличению срока эксплуатации и расширению возможностей КА. Электрическая энергия хоть и является восполняемым ресурсом, однако её производство в условиях космического полёта - нелёгкая задача. Для получения электрической энергии на борту КА следует использовать всевозможные доступные в данных условиях источники. Наряду с использованием традиционных источников энергии (солнечная, запасы всевозможного топлива, механические и химические аккумуляторы и т. д.), необходимо вести поиск и исследование дополнительных. К числу работ, посвящённых этому направлению, относится, к примеру, исследование возможности использования энергии фотонного излучения плазменной струи ЭРД [1].
Настоящая статья является развитием данного направления исследований и имеет целью оценить возможность использования тепловой энергии, выделяющейся при работе ЭРД, с преобразованием её в электрическую. Следует отметить, что выделяющаяся тепловая энергия имеет высокий потенциал, однако не находит должного применения и безвозвратно излучается в космическое пространство. Хотя бы частичная её рекуперация будет способствовать повышению энергоэффективности КА.
Для преобразования тепловой энергии в электрическую служат термоэлектрические преобразователи (ТЭЛП), которые состоят из отдельных термоэлементов, содержащих разнородные полупроводники п- и р-типа. В общем случае, работа термоэлемента основана на трех термоэлектрических эффектах: Зеебека, Пельтье и Томсона. Эффект Зеебека предполагает получение электрического тока при обеспечении разности температур вышеупомянутых полупроводников п- и р-типа. Он состоит в том, что при нагревании одного из спаев (контактов) двух разнородных проводников и охлаждении другого спая в цепи, составленной из данных проводников, возникает электрический ток, а при размыкании цепи в местах разрыва будет существовать разность потенциалов - электродвижущая сила - термо-ЭДС. В обоих разнородных проводниках при наличии разности температур начинается движение зарядов (электронов) от участка с более высокой температурой к участку с более низкой. Возникающее при этом электрическое поле стремится вернуть поток электронов в обратную сторону, однако до тех пор, пока существует разность температур вдоль проводника, концентрация электронов на холодном участке будет более низкой, чем на горячем. Поскольку рассматриваются только разнородные проводники, в любом месте (сечении) столбика, составленного из них, будет наблюдаться разность концентраций электронов, обуславливающая термо-ЭДС. Если теперь включить в цепь некоторую нагрузку, в цепи будет наблюдаться электрический ток [2].
Эффект Зеебека в количественном отношении описывается следующим образом. При бесконечно малой разности температур ёТ между контактами термоэлемента
dE = ап р йТ,
где Е - термо-ЭДС; а„,р - коэффициент дифференциальной термо-ЭДС проводников п- и р-типа, зависящий не только от индивидуальных свойств проводников, но и от температуры.
В случае конечной разности температур между контактами, термо-ЭДС также приобретает конечное значение:
_ ГТг
Е— I ап,р ¿Т — ап р (Тг — Тх),
Тх
где апр - коэффициент среднедифференциальной термо-ЭДС в диапазоне Тг - Тх (разности температуры горячего и холодного контактов).
Установившийся режим работы термоэлемента описывается уравнением закона Ома для замкнутой цепи:
1 =
Е К+г'
При этом термо-ЭДС Е и внутреннее сопротивление термоэлемента г сохраняются постоянными, поэтому зависимость силы тока I от напряжения и получается линейной (рис. 1). При изменении сопротивления нагрузки Я от нуля (короткозамкнутая цепь) до бесконечности (разомкнутая цепь) сила тока меняется от максимальной до нуля, а напряжение и=1Я, соответственно, от нуля до Е.
0 0,5Е яич) Е 11
Рис.1. Сила тока, мощность и КПД термоэлемента в зависимости от напряжения на нагрузке
Выражения для силы тока и напряжения можно представить в виде:
J _ ап,рАТ у _ ап,рАТК0ТН
г(1+^отн)' 1+^отн
где АТ = ТГ — Тх - разность температур; Ятн=Я/г - относительное сопротивление внешней цепи. Мощность, выделяемая на нагрузке, определяется соотношением:
и(Е - и) Ыэл = Ш= \ '
и достигает максимума при при и=0,5Е.
КПД термоэлемента ц зависит, прежде всего, от температур Тг и Тх, относительного сопротивления внешней цепи Яотн и средней добротности термоэлемента
а 2
_ 1А-п,р
где к - коэффициент теплопроводности термоэлемента.
Добротность, в свою очередь, зависит от трех различных свойств материала - теплопроводности, электропроводности и термо-ЭДС.
Чем больше при прочих равных условиях добротность, тем выше КПД термоэлемента. То же можно сказать и о разности температур при условии обособленного её влияния. Однако увеличение Тг или уменьшение Тх до уровня выше или ниже определенных значений может привести к существенному снижению добротности. Для увеличения КПД важно иметь стремящееся к максимуму произведение I Тср, которое называют иногда критерием Иоффе или критерием добротности.
Представленный анализ основных характеристик термоэлектрических преобразователей позволяет определить критерии выбора полупроводниковых материалов, температурный режим и сопротивление нагрузки. Разумный подход к их выбору будет способствовать повышению КПД ТЭЛП.
В таблице представлены основные характеристики некоторых полупроводниковых материалов, в наибольшей степени отвечающих существующим требованиям.
Основные характеристики материалов для термоэлементов
Материал Максимальная температура горячего спая, К Допустимая разность температур на разнородных спаях, К Термоэлектрическая добротность, 10"3 К-1
РЬТе 900 350 1,30
PbSe 950 400 1,05
PbS 1000 400 0,80
Si(0,7)+Ge(0,3) 1200 900 0,65
Si(0,85)+Ge(0,15) 1300 1000 0,65
GeS 1400 1100 0,2
Для получения существенной мощности электрического тока большое количество термоэлементов в ТЭЛП соединяют параллельно-последовательно. Конструктивная форма ТЭЛП может быть различной (плоская, сферическая, полый цилиндр) и обычно определяется особенностями конструкции источника теплоты. Для ЭРД, вероятнее всего, это будет полый цилиндр, либо ТЭЛП из нескольких плоских элементов, объединенных в отдельные цепочки, соединенные в параллельные или последовательные электрические цепи. Подобные ТЭЛП применяются в ядерных энергетических установках с термоэлектрическим преобразователем.
Температура в струе и камере ЭРД может достигать высоких значений, в особенности это касается электротермических ракетных двигателей. К примеру, в камерах двигателей с контактным нагревом джоулевой теплотой максимальная среднемассовая температура РТ может превышать 3000 К, а с нагревом электродуговым разрядом - 5000 К. Понятно, что температура корпуса ЭРД при этом будет значительно ниже и приведённые численные значения свидетельствуют лишь о большом имеющемся потенциале тепловой энергии. При этом особый интерес представляет место установки ТЭЛП, где не будет превышена максимальная температура горячего спая применяемых в конкретном случае термоэлементов.
Очевидно, что обеспечить требуемую температуру горячего спая ТЭЛП не представляет особых трудностей, да и количество тепловой энергии, выделяемой ЭРД велико. Однако сохранение стационарного процесса преобразования энергии требует поддержания необходимой разности температур и нужно своевременно отводить «теряемую» часть первичной энергии во внешнюю среду или бортовым потребителям КА. Выполнение этого условия представляет собой более серьёзную задачу. Для оценки эффективности его обеспечения было изготовлено устройство (рис. 2) и проведены экспериментальные исследования в лабораторных условиях.
1 2
АУ _з_
Рис. 2. Устройство для проведения экспериментов: 1 - термоэлемент; 2 - термоизоляция; 3 - радиатор; 4 - термопара.
Термоэлемент, через термопасту, был установлен на радиатор, свободная (оставшаяся) поверхность которого со стороны воздействия тепла имела термоизоляцию. Устройство размещалось вблизи струи ЭРД. Горячий спай термоэлемента нагревался до максимально допустимой рабочей температуры, а холодный спай охлаждался с помощью радиатора. При этом температура разнородных спаев контролировалась с помощью термопар, установленных в непосредственной близости от поверхностей испытываемого образца. Для оценки эффективности работы термоэлемента регистрировали вольт-амперную характеристику в электрической цепи его нагрузки. Эксперименты проводились в камере вакуумной установки ВУ-М.
Эксперименты показали, что в условиях вакуума обеспечить охлаждение термоэлемента достаточно трудно и для повышения его эффективности необходимы определённые технические решения.
В условиях космоса отвод тепла с КА можно рассматривать по трём схемам:
1. Лучистый теплообмен, который осуществляется путем излучения и поглощения телами электромагнитного излучения.
2. Выброс вещества (хладагента) за пределы КА.
3. Комбинированный способ, представляющий комбинацию предыдущих двух.
Для длительно работающих ЭРД лучистый теплообмен является наиболее приемлемым, так как не требует больших запасов и, соответственно, расхода хладагента. Однако не следует исключать и другие схемы отвода тепла, например при пиковых температурных нагрузках.
При лучистом теплообмене результирующий тепловой поток q будет направлен от горячих тел к холодным. При этом его величина пропорциональна абсолютной температуре Т излучаемого тела в четвертой степени:
д = оеТ 4,
где о = 5,67^10"8 Вт/(м2 • К4) - постоянная Стефана-Больцмана; е - степень черноты излучающей поверхности.
Очевидно, что значение абсолютной температуры излучаемого тела оказывает сильное влияние на интенсивность теплообмена. Если, к примеру, температуру излучаемого тела увеличить в 2 раза, интенсивность излучения возрастёт в 16 раз. Установлено, что при особенно низкой температуре порядка 300 К отводить тепло излучением либо не представляется возможным, либо для этой цели требуется неприемлемо большая излучающая поверхность. Температура холодного контура тепловых энергоустановок, как правило, превышает 600 К [3].
Безусловно, значимым фактором процесса теплообмена является площадь излучающей поверхности. Её величина непосредственным образом влияет на поддерживаемую разность температур, а, следовательно, на эффективность ТЭЛП. Понятно, что размеры радиатора охлаждения в реальных условиях ограничены. В существующих энергетических установках с термоэлектрическим преобразователем теплоотвод от холодного спая чаще всего производится с помощью теплоносителей, посредством которых организуется внутренний теплообмен КА, либо теплоизлучение с помощью выносных устройств - так называемых холодильников-излучателей. Нередко используют элементы КА, например корпус, в качестве дополнительной излучающей поверхности. Существуют также схемы с аккумулированием тепловой энергии, применением эндотермических реакций, выбросом хладагента и т. д. Отрицательная сторона этого вопроса заключается в дополнительном расходе ресурсов (электрической энергии, вещества). Поэтому целесообразность использования подобных схем оценивается в каждом конкретном случае.
В ходе проведения экспериментальных исследований устройства (рис. 2) в паре с работающим в вакуумной камере ионным ЭРД возникла идея отвода тепла от радиатора по третьей схеме - комбинированным способом. Важным моментом идеи является практическое отсутствие дополнительных энергетических и материальных затрат. В качестве теплоносителя используется подающееся для работы ЭРД газообразное РТ. В теле радиатора необходимо выполнить каналы, предпочтительно в непосредственной близости к ТЭЛП, и включить их в магистраль системы подачи РТ в ЭРД. Это обеспечит предварительный нагрев газообразного РТ и отвод части тепловой энергии. Каналы могут быть соединены по параллельной схеме, их суммарная площадь поперечного сечения при этом будет больше, чем у подводящей (отводящей) магистрали. При прохождении газообразного РТ по каналам скорость потока снизится, а площадь соприкосновения с радиатором увеличится, что будет способствовать лучшему прогреву РТ и повышению эффективности теплопередачи. Затраты на подачу РТ при этом не возрастут, потому что насосов в системе нет - газ поступает под давлением в резервуаре. Дополнительного расхода РТ при этом не будет. Необходимое для работы двигателя РТ попутно используется в качестве теплоносителя. Более того, в варианте с исследуемым ионным ЭРД, где ионизация газа производится с помощью контактного ионизатора, можно ожидать улучшения технических характеристик.
Существуют конструкции электростатических ионных двигателей, где, с целью интенсификации процесса, контактный ионизатор нагревается до высокой температуры. При повышении температуры возрастает поверхностная ионизация. При этом, однако, существует оптимальный уровень температуры обусловленный влиянием в различных направлениях ряда факторов.
Так, при повышении температуры, наряду с возрастанием поверхностной ионизации, увеличивается термоэлектронная эмиссия с поверхностей, что приводит к ускоренной нейтрализации ионов. Установлено, что оптимальный уровень температуры контактных ионизаторов в ряде конструкций может достигать 1300 - 1500 К [3].
Таким образом, повышение температуры газа и контактного ионизатора в пределах оптимального её значения способствует росту коэффициента ионизации РТ, а значит, положительным образом отразится на эффективности работы ЭРД. Поэтому подобная комбинированная схема может оказаться весьма рациональной.
Что касается КПД, то у существующих в настоящее время термоэлементов он пока относительно невелик (5-7 %). Уместно заметить, что в недавнем времени и фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии имели сопоставимую эффективность. Однако уже сейчас ТЭЛП, наряду с термоэмиссионными и фотоэлектрическими преобразователями, широко используются в традиционных методах получения электрической энергии на борту КА. К тому же, ведутся постоянные исследования по совершенствованию термоэлементов. Наиболее эффективный путь увеличения КПД термоэлемента - повышение критерия Иоффе (£ Тср) за счёт применения перспективных материалов или использования неравномерного распределения примесей по высоте ветвей термоэлемента (постепенного снижения концентрации примесей от горячего контакта к холодному). Существует еще ряд конструктивно-технологических мероприятий, например каскадирование ветвей. Каскадирование предполагает целесообразность выполнения каждой ветви термоэлемента из нескольких последовательно расположенных материалов. Так как температура от холодного к горячему контактам в каждой ветви меняется в широком диапазоне, то и последовательно расположенные материалы должны иметь максимальную добротность в соответствующей части этого температурного диапазона. При этом КПД такого каскадированного термоэлемента в сравнении с однокаскадным возрастает примерно на 30 -40 %.
В заключении следует отметить, что систематические исследования в области генерирования электрической энергии на борту КА должны учитывать применение всевозможных доступных первичных источников энергии. Рассмотренный способ получения электрической энергии в космосе за счёт использования теплового излучения работающего ЭРД имеет право на существование и заслуживает проведения дальнейших исследований. Развитие данного направления будет способствовать повышению энергоэффективности КА, совершенствованию средств и способов получения электрической энергии в космосе.
Список литературы
1. Гончаров П.С. Использование электромагнитного излучения плазмы электрического ракетного двигателя / П. С. Гончаров [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 11. С. 197-202.
2. Энергетические установки космических летательных аппаратов. Часть 1 / В.В. Синявский [и др.] / Под ред. профессора В. В. Синявского. СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2013. 169 с.
3. Ермолаев В.И. Двигательные и энергетические установки космических летательных аппаратов / В. И. Ермолаев, Ю. Н. Чилин, Н. Н. Наркевич / Под ред. А. П. Ковалёва. СПб.: Типография ФГУП ЦКБ "Рубин", 2003. 585 с.
Мартынов Виктор Васильевич, старший научный сотрудник, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Гончаров Павел Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, начальник отдела, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Цыбин Олег Юрьевич, д-р физ.-мат. наук, профессор, [email protected].т, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Гуляев Марк Дмитриевич, курсант, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского
USING ENERGY THE THERMAL RADIATION OF AN ELECTRIC ROCKET ENGINE V.V. Martynov, P.S. Goncharov, O.Yu. Tsybin, M.D. Gulyaev
Based on the analysis of the main properties and characteristics of thermoelements, the idea of their application for the use of thermal energy released during the operation of an electric rocket engine is proposed. Taking into account the experience of operating thermoelectric converters in power plants, the ways of implementing the idea are outlined. The conducted theoretical and experimental studies have shown the prospects of this direction.
Key words: thermoelement, electric rocket engine, thermal radiation, thermoelectric converter, heat exchange, energy recovery.
Martynov Viktor Vasilievich, senior researcher, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Goncharov Pavel Sergeevich, candidate of technical science, docent, head of department, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Tsybin Oleg Yuryevich, doctor of physical and mathematical sciences, professor, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic Universit,
Gulyaev Mark Dmitrievich, cadet, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space
Academy УДК 629.1.01
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-682-688
ВЛИЯНИЕ ПРОФИЛЯ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТОРМОЗНОГО ДИСКА НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ
П.А. Поляков
Управления процессами взаимодействия контактных площадок тормозного механизма дисково-колодочного типа возможно при решении задачи определения параметров влияния. В качестве основного критерия процесса необходимо выделить температуру на поверхности фрикционного узла. В данной работе приводится способ моделирования величины и распределения температуры по поверхности тормозного диска в зависимости от микрогеометрии профиля поверхности контактных площадок тормозного механизма. Полученная модель сравнивалась с гладкими поверхностями контактирующих площадок. В результате при использовании контактных площадок с шероховатостью достигается снижение температуры по величине и наблюдается равномерное распределение по всей площади тормозного диска.
Ключевые слова: тормозной диск, равномерное распределение температуры, контактирующие площадки тормозного механизма, профиль площадки, шероховатость.
В работах исследователей [2,3,4] указывается влияние температуры на трибоконтакт различных фрикционных узлов. В литературных источнике [7] предлагаются модифицированные фрикционные узлы на основе новых полимерных материалов, применяемых в тормозных устройствах различных типов. В работе [6] предлагается метод управления энерго-нагруженно-стью фрикционного узла на примере тормоза барабанно-колодочного типа. В работе [8] исследователи разработали тепловую модель тормозного диска с применением приповерхностных слоев на рабочих и матовых поверхностях тормозного диска.
В литературном источнике [1] описывается взаимодействие электрических полей поверхностей контактных площадок фрикционных узлов. Из анализа работ [9,10], посвященных изнашиванию рабочих поверхностей фрикционных узлов видно, что удельные контактные давления рабочих поверхностей пар трения распределяются по площади металлического элемента неравномерно. Эти исследования позволяют говорить о том, что взаимодействие рабочих пар фрикционного узла это управляемый процесс, зависящий от многих фактором и на него можно и нужно влиять.
