CC BY
20УДК 538.945 DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2019-2-14-27
НЕКОТОРЫЕ ВОЗМОЖНЫЕ ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ В ПРОГРАММЕ ОСВОЕНИЯ ЛУНЫ
© 2019 г. Маевский В.А.1, Асеев В.В.1, Ивлев А.С.1, Нижельский Н.А.2, Сысоев М.А.2, Синявский В.В.3
1Филиал АО «ОДК» «МКБ «Горизонт» Ул. Энергетиков, 7, г. Дзержинский, Московская обл., Российская Федерация, 140091,
e-mail: mkbgorizont@salut.ru
2Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана) 2-я Бауманская ул., 5/1, г. Москва, Российская Федерация, 105005, e-mail: bauman@bmstu.ru
3Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070,
e-mail: post@rsce.ru
В статье представлены возможные варианты решения задач, характерных для лунной программы, с помощью устройств с элементами технологии высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Предварительно рассмотрены как общее состояние работ по ВТСП-технологиям, так и виды ВТСП-изделий и их основные характеристики. По зарубежным информационным материалам описаны возможные варианты использования ВТСП-узлов для решения задач на лунной поверхности. Показано, что условия на лунной поверхности являются более привлекательными для функционирования ВТСП-устройств, чем на поверхности Земли.
Объединение ВТСП и лунных технологий связано со стремлением уменьшить массу и габариты и увеличить ресурс оборудования для работы на Луне. Основное внимание в статье уделено устройствам с объемными ВТСП и, прежде всего, учитывая возможное широкое применение на лунной поверхности, — магнитным ВТСП-опорам, в т. ч. для кинетического накопителя энергии, телескопа. Приводится перечень устройств с ВТСП-узлами, которые могут быть эффективно использованы для оптимального решения многих актуальных задач, и описаны их особенности.
Ключевые слова: высокотемпературная сверхпроводимость, объемные ВТСП, магнитная ВТСП-опора, поверхность Луны, кинетический накопитель энергии, телескоп.
SOME POSSIBLE FIELDS OF UTILIZATION OF HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTIVITY IN LUNAR EXPLORATION PROGRAM
Maevskiy V.A.1, Aseev V.V.1, Ivlev A.S.1, Nizhelskiy N.A.2, Sysoev M.A.2, Sinyavskiy V.V.3
1Branch of JSC United engine corporation MBDB Gorizont (Branch of JSC UEC MBDB Gorizont) 7 Energetikov str., Dzerzhinskiy, Moscow region, 140091, Russian Federation, e-mail: mkbgorizont@salut.ru
2Bauman Moscow State Technical University (Bauman MSTU) 5/12nd Bauman str., Moscow, 105005, Russian Federation, e-mail: bauman@bmstu.ru
3S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail: post@rsce.ru
The article presents possible options to solve problems characteristic of the lunar program using devices with elements of high-temperature superconductivity technology (HTSC). Both the general state of work on high-temperature superconductivity technologies and types of HTSC products and their main characteristics are considered preliminarily. According to foreign information materials, the possible options are described to use HTSC assemblies for solving tasks on the lunar surface.
It is shown that conditions on the lunar surface are more attractive for operation of HTSC devices than on the surface of the Earth.
Combining HTSC and lunar technologies is related to the purpose of reducing the mass and dimensions and increasing the service life of the equipment for operation on the Moon. The main attention in the article is paid to devices with bulk HTSC and, above all, taking into account the possible wide use on the lunar surface — to magnetic HTSC bearings, including for the kinetic energy storage, a telescope. The list of devices with HTSC assemblies that can be efficiently used for the optimal solution of many urgent tasks is given and their features are described.
Key words: high-temperature superconductivity, bulk HTSC, magnetic HTSC bearing, lunar surface, kinetic energy storage, telescope.
МАЕВСКИй B.A.
АСЕЕВ В.В.
ИВЛЕВ А.С.
НИЖЕЛЬСКИй H.A.
СЫСОЕВ М.А.
СИНЯВСКИЙ В.В.
МАЕВСКИЙ Владимир Александрович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заместитель главного инженера филиала АО «ОДК» «МКБ «Горизонт», e-mail: vamaevskiy@yandex.ru
MAEVSKIY Vladimir Aleksandrovich — Candidate of Science (Engineering), Senior research scientist, Deputy Chief engineer at Branch of JSC UEC MBDB Gorizont, e-mail: vamaevskiy@yandex.ru
АСЕЕВ Василий Викторович — начальник лаборатории филиала АО «ОДК» «МКБ «Горизонт», e-mail: vaseeb@yandex.ru
ASEEV Vasiliy Viktorovich — Head of Laboratory at Branch of JSC UEC MBDB Gorizont, e-mail: vaseeb@yandex.ru
ИВЛЕВ Александр Сергеевич — начальник группы филиала АО «ОДК» «МКБ «Горизонт», e-mail: Alexsandr.Ivlev@gmail.com
IVLEV Aleksandr Sergeevich — Head of the research team at Branch of JSC UEC MBDB Gorizont, e-mail: Alexsandr.Ivlev@gmail.com
НИЖЕЛЬСКИЙ Николай Александрович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник МГТУ им. Н.Э. Баумана, e-mail: nizhelskiy@rambler.ru
NIZHELSKIY Nikolay Aleksandrovich — Candidate of Science (Engineering), Senior research scientist at Bauman MSTU, e-mail: nizhelskiy@rambler.ru
СЫСОЕВ Михаил Алексеевич — заведующий лабораторией «Конструирование элементов систем управления летательными аппаратами» МГТУ им. Н.Э. Баумана, e-mail: ujikolp@bk.ru
SYSOEV Mikhail Alekseevich — Head of Designing Elements of Aircraft Control Systems Laboratory at Bauman MSTU, e-mail: ujikolp@bk.ru
СИНЯВСКИЙ Виктор Васильевич — доктор технических наук, профессор, научный консультант РКК «Энергия», e-mail: viktor.sinyavsky@rsce.ru
SINYAVSKIY Viktor Vasilyevich — Doctor of Science (Engineering), Professor, Scientific consultant at RSC Energia, e-mail: viktor.sinyavsky@rsce.ru
Введение
Обнаруженное в 1986 г. явление сверхпроводимости у ряда материалов при температуре на уровне температуры кипения жидкого азота (77 К) определило возможность использования этого эффекта в реальных технических устройствах. В отличие от известных ранее материалов, обладающих эффектом сверхпроводимости при гелиевых температурах (4,2 К), новый класс материалов получил название высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).
Доступность и относительно низкая стоимость жидкого азота, многолетний опыт создания и эксплуатации азотных криогенных устройств в различных областях техники определили широкий интерес к ВТСП-технологиям. За достаточно короткий срок не только проведен обширный объем исследований по физике ВТСП, но и разработан ряд устройств с использованием ВТСП-элементов. Эти работы подтвердили эффективность их применения и возможность реализации практически интересных удельных массовых и объемных характеристик изделий, в которых они используются [1-4].
Особый интерес ВТСП-устройства представляют для транспортных средств
в условиях низких температур и разреженной атмосферы, которые обеспечивают дополнительные возможности повышения их эффективности. В полной мере эти возможности могут быть реализованы в космической технике.
Основные направления развития ВТСП-технологий и характеристики ВТСП-устройств
В настоящее время наиболее эффективным по комплексу свойств материалом, определяющим применение сверхпроводников в реальных устройствах, является керамика на основе окиси иттрия У-Ва-Си-О (УВСО). Она имеет критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние 93 К, и ее сверхпроводящие свойства (величина захваченного магнитного поля), как и всех сверхпроводников, улучшаются с уменьшением температуры.
Из этого ВТСП-материала изготавливают изделия двух видов:
• сверхпроводящий провод второго поколения со слоем УВСО толщиной 1-3 мкм на текстурированной подложке с током 300-500 А. В проводнике реализуется свойство потери электрического сопротивления при уменьшении температуры ниже критической величины;
• объемные сверхпроводники, обладающие упорядоченной структурой, сформированные чаще всего на монокристалле гадолиния в виде прямоугольных или цилиндрических таблеток толщиной ~10 мм. Эти таблетки в устройствах реализуют эффект Мейснера (выталкивание магнитного поля из сверхпроводника при переходе через критическую температуру), который и является основой левита-ционных явлений — свободного парения магнита над сверхпроводником.
Сверхпроводящий провод второго поколения используется для передачи энергии сверхпроводящими кабелями, в токоограничителях, отключающих сети при возникновении коротких замыканий, трансформаторах, индуктивных накопителях [1]. Ведутся работы по созданию электрогенераторов и электродвигателей с обмотками из сверхпроводника второго поколения [4].
По оценкам, за счет применения технологии ВТСП происходит уменьшение объема и массы устройств в два-три раза [4].
В связи с тем, что ВТСП-материал локализован внутри проводника и изолирован от внешней среды элементами системы охлаждения жидким азотом и экранно-вакуумной изоляции, особенности его применения в космических условиях определяются только вариантами его охлаждения жидким азотом. В связи с этим конструкция изделий с его применением аналогична используемым в условиях Земли, однако, в некоторых случаях она может быть сильно упрощена. В частности, можно исключить систему обеспечения вакуума, а при расположении в местах, где температура меньше температуры жидкого азота, и систему охлаждения. В любом случае теплопритоки к проводнику и жидкому азоту резко уменьшаются.
Специфические условия космического пространства (сила тяжести, температура, давление) могут существенно сказаться на облике и характеристиках устройств с объемными ВТСП.
Объемные сверхпроводники на первой стадии работ по ВТСП использовались в конструкции токоограничителей, электромеханических преобразователей, однако, с появлением ВТСП провода второго поколения уступили эту область применения им. Известны также работы, в которых исследуются свойства таблеток
(стэков), сформированных из отрезков проводника второго поколения, которые могут использоваться аналогично объемным ВТСП [5].
Основная область применения объемных ВТСП-элементов — фиксация положения взаимодействующих тел в пространстве, в т. ч., и вращающихся тел [6]. Процесс фиксации положения реализуется взаимодействием источника магнитного поля, которым снабжена одна поверхность, и высокотемпературного сверхпроводника, связанного с другой взаимодействующей поверхностью. На рис. 1 показана схема элемента такого устройства.
Рис. 1. Схема взаимодействия постоянного магнита и ВТ СП-элемента: 1 — силовые линии магнитного поля; 2 — ВТСП; 3 — магнит
Возможны два варианта взаимодействия магнитного поля и сверхпроводника.
По первому варианту ^с-режим захолаживание ВТСП в нулевом магнитном поле) предварительно захолажива-ется сверхпроводник, магнитное поле не может проникать в объем захоложен-ного ниже критической температуры сверхпроводника, что обеспечивает их взаимную левитацию.
По второму варианту захолаживание сверхпроводника происходит после фиксации взаимного положения постоянного магнита (/с-режим — захолаживание ВТСП в магнитном поле) и сверхпроводника твердотельными арретирами. После перехода ВТСП через критическую температуру магнитное поле захватывается сверхпроводником, арретиры извлекаются, и изменение первоначального взаимного положения потребует приложения усилий, которые и определяют жесткость этой связи.
Удельная жесткость в устройствах с zfс-режимом выше, чем в режиме /с, однако, этот режим не обеспечивает стабильного положения взаимодействующей
пары. Режим fc обеспечивает полную стабилизацию и, несмотря на несколько меньшую удельную жесткость, чаще применяется при разработке систем фиксации взаимного положения.
В fc-режиме магнитное поле внутри сверхпроводника формируется в виде периодической решетки вихревых токов, образующих локальные участки магнитного поля. Вихри цепляются за дефекты кристаллической решетки сверхпроводника, и сила сцепления, которая зависит от типа дефекта, препятствует изменению первоначального положения магнита или сверхпроводника. Такие дефекты называют центрами пиннинга, а само явление — field pinning interaction. После формирования такого взаимодействия любое относительное перемещение в паре «магнит - ВТСП» требует приложения силы, которая и определяет жесткость связи.
Как правило, статические системы фиксации в космосе предполагается использовать для позиционирования космических объектов. В динамических системах (например, с вращающимися валами) пара «постоянный магнит - ВТСП» применяется в качестве пассивных бесконтактных опор валов.
Магнитные ВТСП-опоры являются наиболее сложным вариантом применения объемных сверхпроводников, которые достаточно широко обсуждаются в литературе [5-7]. На рис. 2 представлена конструкция цилиндрического магнитного ВТСП-подвеса ПМН-1 (подшипник магнитный накопителя), который использовался для проведения исследований в филиале «МКБ «Горизонт» АО «НПЦ газотурбостроения «Салют».
ВТСП-элементы укреплены на внутренней поверхности кольцевого цилиндра, который установлен через тепловой мост на крышке корпуса статора и охлаждается жидким азотом. Цилиндр отделен от оболочки вакуумируемого корпуса статора зазором с экранно-вакуумной изоляцией. В центральном отверстии статора расположен с зазором ротор подшипника. Он состоит из последовательно расположенных встречно намагниченных кольцевых постоянных высокополевых магнитов, разделенных проставками из магнитомягкого материала. Перед захо-лаживанием относительное положение ротора и статора фиксируется арретирами, которые извлекаются после достижения рабочей температуры.
Рис. 2. Магнитный ВТСП-подвес ПМН-1: 1 — кольцо постоянного магнита; 2 — ВТ СП-элемент; 3 — ротор; 4 — ВТСП-блок; 5 — статор; 6 — трубки охлаждения жидким азотом; 7 — тепловой мост
Наиболее представительными являются исследования и разработки немецкой фирмы ATZ [8]. В табл. 1 приведены основные характеристики подшипника этой фирмы. Следует обратить внимание на максимальную нагрузку (1 000 кг) и плотность жесткости (4 Н/мм-см2).
Таблица 1
Основные характеристики подшипника фирмы ATZ
Характеристики Осевая Радиальная
Перемещение 3,3 3,2
Нагрузка, Н 4 600 (10 000) (4 700)
Жесткость, Н/мм 3 000 (4 500) 1 400 (1 800)
Удельная нагрузка, Н/см2 6,18 (13,3) (6,3)
Удельная жесткость, Н/мм-см2 4,0 (6,0) 1,9 (2,4)
Примечание. В скобках указаны значения при температуре ВТСП 72 К.
Рассматриваются и другие возможности схемных решений опоры. Однако, схема цилиндрического подшипника с внутренним расположением ротора-магнита наиболее широко используется в разработках и экспериментах. Возможно, с увеличением скорости вращения обеспечение прочности ротора потребует введения бандажа и использования
схемы с внутренним расположением ВТСП-статора, но такие решения могут появиться уже для скоростей выше ~30 000 об/мин. Максимальная скорость вращения ротора 500 000 об/мин была достигнута на макете подвеса [9].
Отечественные разработки также связаны с развитием схемы цилиндрического подшипника с внутренним расположением ротора. На рис. 3 представлен магнитный ВТСП-подвес с вертикальным валом, разработанный в филиале «МКБ «Горизонт» АО «НПЦ газотурбостроения «Салют». Партнерами в разработке были МГТУ им. Н.Э. Баумана (разработка технологии и изготовление ВТСП-элементов), МЭИ (электромагнитные расчеты) и МАИ (использование подвесов в кинетических накопителях энергии) [10]. Удельная осевая жесткость, полученная на этом экспериментальном образце, сравнима с упомянутыми выше результатами фирмы ATZ и составила 3,8 Н/мм-см2. Основные характеристики магнитного ВТСП-подвеса приведены ниже.
Рис 3. Общий вид магнитного ВТСП-подвеса (ротор и статор) с вертикальным валом
Основные характеристики магнитного ВТСП-подвеса с вертикальным валом разработки филиала МКБ «Горизонт» АО «НПЦ газотурбостроения «Салют»: жесткость магнита осевая 1 267 Н/мм;
жесткость магнита радиальная
удельная осевая жесткость нагрузка осевая (эксперимент) удельная осевая нагрузка площадь взаимодействия число оборотов теплоприток к ВТСП-блоку температура азота габариты БхИ масса
масса ВТСП-элементов
Этот же образец после небольших доработок был использован для исследований магнитной ВТСП-опоры ПМН-1ГД с горизонтальным валом (рис. 4).
630 Н/мм; 3,8 Н/мм-см2;
3 070 Н 9 Н/см2 334 см2 9 000 об/мин 10 Вт 78 К 280x260 мм 22 кг 1,8 кг.
Рис. 4. Магнитная ВТСП-опора ПМН-1ГД с приводом
Статические характеристики этой опоры представлены на рис. 5. Они не отличаются от таких же характеристик подвеса с вертикальным валом. Удельная радиальная жесткость составила 2 Н/мм-см2 при вертикальной нагрузке до 80 кг [10].
Необходимо заметить, что по разработанным конструкции и технологии уже изготовлены и используются в составе кинетического накопителя энергии магнитные ВТСП-подвесы с площадью ВТСП-элементов 620 см2 с соответствующим увеличением нагрузки. Могут быть изготовлены опоры большего и меньшего технического масштаба (до 1 000 кг) в одном блоке в зависимости от потребностей заказчика. Ниже приведены основные средние характеристики ряда таких подвесов:
температура ВТСП-элемента 78 К;
удельная осевая жесткость до 4,0 Н/мм-см2; удельная радиальная
жесткость до 2,5 Н/мм-см2;
число оборотов ротора до 12 000 об/мин; - для новых
разработок до (3-10)-104 об/мин;
теплоприток
к ВТСП-блоку до 20,0 Вт;
удельная масса ~0,006 кг/Н.
0,3 a)
Р ,кгс
49
4235 2821
14'
0 ох )6 0,1 2 0,18 0,; Н 0,3 0 0,3 3 0,45 Д,м
б)
Рис. 5. Зависимость нагрузки опоры Р от перемещения ПМН-1ГД (А): а — в осевом направлении; б — в радиальном направлении; ™ — нагружение; ™ — разгрузка
Основным процессом, определяющим ресурс магнитной ВТСП-опоры, является уменьшение расстояния между ротором и статором под действием постоянной нагрузки (крип). Если скорость этого процесса окажется большой, это приведет к их касанию и невозможности вращения ротора. В работе [11] проводилось исследование этого процесса. На рис. 6 представлена зависимость осевого перемещения ротора от времени для интенсивности нагрузки 10 Н/см2.
Скорость перемещения экспоненциально уменьшается со временем. В логарифмических координатах эта зависимость представляет собой прямые линии, наклон которых определяется температурой. Наклон прямых резко уменьшается, если в процессе перемещения понижать температуру или уменьшать нагрузку; после этого перемещение ротора практически прекращается.
5 0
1ч
24 ч
1 мес
Г 4
ВТС] 1-подшипни £ А гол
73SST пс-- - - - _ 71 К
/эк >/ ж - _ 73 К
» ^ " ~ - - „75 К
10 10- 10* Ю1 10' 10е 107 10к
Время, с
Рис. 6. Зависимость перемещения ротора под постоянной нагрузкой 10 Н/см2 от времени (крип) для разных начальных температур [11]
Ситуация существенно улучшается со снижением первоначальной нагрузки при использовании подвеса в условиях ограниченной силы тяжести или невесомости, когда постоянная нагрузка отсутствует, и радиальная жесткость опоры компенсирует только возможные биения или вибрации, связанные с вращением вала. Во всех случаях более целесообразным является расположение оси вращения по вектору силы тяжести, так как в этом случае осевое перемещение ротора в цилиндрическом подшипнике практически не ограничивается статором.
Необходимо также заметить, что если перемещение ротора становится критическим (например, при ортогональном расположении его оси по отношению к силе тяжести), ситуацию можно всегда возвратить к первоначальной за счет пере-захолаживания. Эта процедура займет не более нескольких часов.
Таким образом, в условиях полной невесомости ресурс ВТСП-опоры не имеет ограничений. Это, по-видимому, относится и к цилиндрической опоре с вертикальным (совпадающим по направлению с вектором силы тяжести) положением вала. Для опоры с горизонтальным валом для увеличения ресурса необходимо снижать нагрузку. Так, в работе [10] показано, что при удельной
нагрузке 2 Н/см2 и температуре Т = 74,5 К за 107 с перемещение составит 0,14 мм, а за 109 с (~20 лет) — 0,2 мм, что вполне приемлемо. Результаты, представленные в источнике [11], также подтверждают эти оценки.
Использование ВТСП-устройств в деятельности по освоению лунной поверхности
Уменьшение габаритов и масс устройств особенно актуально при их применении на транспортных средствах и в задачах, которые решаются с помощью этих средств. Это, безусловно, существенно для всех операций, реализующихся в космическом пространстве и, в частности, при освоении лунной поверхности [12].
Одним из важных этапов продвижения человеческой цивилизации в космическое пространство является освоение Луны [13], которое будет не только ярким символом этого продвижения, но и трамплином для дальнейшего развития космической деятельности по исследованию нашей планетной системы [14]. Решению этих задач будет способствовать освоение лунных ресурсов, их использование для реализации программ как лунной деятельности [15], так и подготовки экспедиции на другие планеты солнечной системы, в частности, на Марс.
Можно считать удачным совпадением, что по времени эти усилия совпадают с реальными достижениями в области высокотемпературной сверхпроводимости. Известно, что электротехнические устройства на базе ВТСП-изделий имеют объем и массу меньше аналогичных устройств, выполненных по традиционным технологиям [4].
Актуальность рассмотрения возможности применения ВТСП для лунной программы подчеркивается в материал ах рабочих встреч по рассмотрению этих вопросов, которые проводятся в центре сверхпроводимости университета г. Хьюстон с 2011 г. Там рассматривается довольно широкий круг вопросов, часть из которых упоминается в данной статье [16].
Действительно, окружающая среда в космическом пространстве и на лунной поверхности являются более чем удобными для функционирования устройств на основе высокотемпературной сверх-
проводимости. На рис. 7 приведены распределения температур по поверхности Луны [17]. Из него следует, что на значительной части Луны температура близка к температуре кипения азота при нормальном давлении, что значительно упростит криосистемы ВТСП-устройств. Применение в качестве криосистем замкнутых циркуляционных схем избавит от необходимости решать проблему доставки или получения большого количества жидкого азота.
422
0° — 20= — 40= — 60= — 70=
Ш I Í 1 0 W 5 20 2; 3 30Р
Й 330 р.
255
а к
I 172 F
881
Рис. 7. Прогноз температуры лунной поверхности в зависимости от широты [12]
Необходимо отметить, что даже на участках с умеренной температурой имеются локальные зоны (кратеры, впадины) с пониженной температурой, где можно и располагать ВТСП-устройства.
Низкое давление на поверхности Луны (10 нПа), как и для других космических объектов, ограничивает применение опор трения из-за риска сваривания трущихся поверхностей. В то же время наличие вакуума в бесконтактных пассивных опорах, которыми и являются магнитные ВТСП-опоры, создает благоприятные условия для функционирования экранно-вакуумной теплоизоляции и снижения теплопритоков к азотным системам. Собственное газоотделение объектов не сможет ухудшить эту ситуацию.
Использование ВТСП на Луне позволит эффективно решить ряд энергетических задач, проблемы перемещения по поверхности Луны, в т. ч., перемещение лунного грунта, отправку грузов с поверхности Луны, размещение на ее поверхности антенн с высоким соотношением сигнал - шум, высокоточных оптических телескопов и интерферометров, и обеспечить оптимальное решение других задач [13, 18, 19].
Меньшая величина силы тяжести существенно упрощает требования к жесткости связи в ВТСП-устройствах по сравнению с земными условиями.
Энергетические системы. Из энергетических задач, как и в земных условиях, наиболее очевидным является применение ВТСП-элементов в кинетических накопителях энергии в качестве бесконтактных опор и обмоток мотор-генератора (рис. 8). По сравнению с условиями их применения на Земле, ряд факторов обеспечивает улучшение эффективности накопителя. К ним можно отнести уменьшение (за счет исключения герметизирующих оболочек) расстояния между ротором и статором магнитных ВТСП-опор, что приведет к снижению их габаритов, и уменьшение потерь на аэродинамическое торможение накопителей-маховиков.
Рис. 8. Общий вид кинетического накопителя энергии 5/250 кВт фирмы ATZ с массой маховика 600 кг [9]
Представляется, что с учетом этих факторов скорость вращения может составить до 30 000 об/мин, что позволит реализовать энергоемкость таких накопителей на уровне 25-75 кВт-ч при мощности ~25-75 кВт [19].
Особое внимание необходимо обратить на возможность резкого увеличения ресурса таких накопителей по сравнению с аккумуляторными батареями, жизненный цикл которых ограничен количеством циклов заряд-разряд. С учетом снижения из-за уменьшения силы тяжести на Луне нагрузки на ротор кинетического накопителя энергии, можно рассчитывать, что в соответствии с оценками ресурса по процессу «крипа», сделанными выше, в данных условиях он проработает не менее 15-20 лет. Такой прогноз представляет интерес и для энергосистем
космических объектов с точки зрения длительности их существования.
Отсутствие в пассивных ВТСП-опорах системы управления и энергопитания с электронными компонентами делает систему более устойчивой с точки зрения работы в условиях воздействия всех видов радиационного космического излучения.
Один из примеров использования ВТСП-технологий в энергетических устройствах представлен на рис. 9 [20]. Фокусирующее зеркало, изготовленное из материала на основе лунного грунта — реголита — фокусирует солнечный свет на приемнике тепла. Наведение отраженного зеркалом солнечного света при изменении положения Солнца осуществляется его поворотом в магнитных ВТСП-опорах. Теплоприемник может быть использован как печь для реализации технологических процессов на Луне или как источник тепла в цикле преобразования энергии.
Рис. 9. Солнечная установка для энергетических и технологических применений с системой слежения за положением Солнца на магнитных ВТСП-опорах [20]:
1 — теплоприемник; 2 — управляемое отражающее зеркало
Необходимо заметить, что во всех машинных способах преобразования тепловой энергии можно использовать бесконтактные пассивные магнитные опоры, как это предполагается делать и в наземных энергоустановках [7].
Для распределения электрической энергии можно использовать ВТСП-кабели на основе сверхпроводников второго поколения, которые уже сейчас применяются в наземных электрических сетях.
Так же, как и в наземных сетях, можно использовать ВТСП-токоограничитель и ВТСП-трансформатор, которые менее материалоемки и более компактны, чем аналогичные устройства, выполненные по традиционной технологии.
Перемещение грунта. Предполагается, что основным технологическим направлением на поверхности Луны будут операции с грунтом — реголитом. Одной из главных задач в связи с этим является создание установок по перемещению реголита. На рис. 10, 11 [21] представлена одна из возможных схем транспортировки с использованием ВТСП-катушек.
Рис. 10. Линейный ускоритель с бегущей волной для транспортировки реголита [21]: 1 — ВТСП-катушка; 2 — замыкатель; 3 — источник электропитания
Рис. 11. Устройство для перемещения реголита с помощью бегущей магнитной волны [21]
При последовательном подключении катушек к источнику электропитания в канале возникает бегущая магнитная волна, которая увлекает за собой контейнер с реголитом, разбавленным частицами железа. По оценкам, скорость перемещения реголита таким способом составит 2 м/с.
Перемещение грузов. Весьма полезным для перемещения грузов на Луне может оказаться бесконтактный манипулятор [22]. В торцевой части манипулятора размещается ВТСП-блок, охлаждаемый жидким азотом. На перемещаемом объекте установлен постоянный магнит. При необходимости перемещения ВТСП-блок располагается над магнитом и захолаживается, обеспечивая с помощью магнитного поля надежное сцепление груза и манипулятора. В этой системе исключен риск ударов, поскольку сцепление объектов происходит без их непосредственного контакта.
Важное место в общей лунной программе отводится возможности обеспечения старта с ее поверхности аппаратов для исследования других планет и дальнего космоса [19]. Большая эффективность этих полетов связана с меньшим значением гравитационной силы, отсутствием атмосферы и возможностью использования в ракетах-носителях и нагрузках продуктов лунной технологической деятельности и лунных ресурсов. В работе [14] показано, что при прочих равных условиях старт с Луны энергетически примерно в 20 раз выгоднее, чем с Земли. В работе [20] предлагается для решения проблем обеспечения радиационной безопасности экипажа изготавливать блок радиационной защиты из лунного грунта. После изготовления блок защиты выводится на трассу полета корабля, например, марсианской экспедиции, стыкуется с ним и обеспечивает безопасность экипажа от воздействия потока космического излучения.
Условия на Луне позволяют эффективно использовать электромагнитные ускорители для транспортировки с ее поверхности грузов, допускающих высокие перегрузки. В качестве таких грузов могут быть результаты добычи и переработки полезных ископаемых, в т. ч. редкоземельных [23], и термоядерное топливо гелий-3 [24], топливо на обратный рейс для ракетных двигателей межорбитальных буксиров, курсирующих между орбитами Земли и Луны [25].
В источнике [26] предлагалось использование электромагнитных ускорителей
для доставки с поверхности Луны в точки Лагранжа L4 или L5 изготовленных элементов и материалов для сборки специального комплекса огромной массы в системе обеспечения устойчивого климата Земли.
Разгон корабля с этими нагрузками при старте с Луны производится электромагнитным способом на магнитных ВТСП-опорах (рис. 12).
Рис. 12. Линейная система ускорения на магнитных ВТСП-опорах для вывода грузов с Луны в космическое пространство [20]
Экспериментальный макет этой опоры исследовался в Китайской академии наук. Направляющие выполнены из постоянных магнитов; зазор между разгоняемым объектом и направляющими обеспечивается установленными на объекте ВТСП-элементами, охлаждаемыми жидким азотом. Продемонстрировано ускорение груза массой 5 кг до скорости 5 м/с на базе участка длиной 7 м [20].
Такие же устройства могут быть использованы для сообщения и транспортировки грузов по поверхности Луны, между освещенной и обратной сторонами Луны.
ВТСП-системы для исследовательских программ. Уникальные возможности по созданию оптического телескопа могут быть реализованы также с использованием ВТСП-опор [19].
Отсутствие трения покоя дает возможность обеспечить высокую точность наведения. В работе [19] обсуждается возможность создания оптического телескопа с диаметром зеркала 25-50 м для поисков следов жизни на других планетах, в т. ч. с анализом спектра излучения планет. Предполагается достичь высокой точности наведения (0,1 угл. с) и низкой скорости
перемещения (0,5 угл. с/с) [9]. На рис. 13 показана модель такого малоразмерного телескопа.
Рис. 13. Демонстрационная модель двухстепенного телескопа на магнитных ВТСП-опорах [20]
Зеркало для таких телескопов предполагается изготовить из материала на основе реголита.
В рассмотренных применениях ВТСП-технологий чаще других ВТСП-узлов упоминаются магнитные ВТСП-опоры в качестве бесконтактных подшипников вращающихся валов, опор систем разгона транспортных средств и технологических объектов, опор систем слежения за положением Солнца и других астрономических объектов.
Необходимо заметить, что системы с объемными ВТСП и магнитными ВТСП-опорами обладают высоким уровнем модульности, унификации и преемственности конструкции различного назначения на их основе. Характерным признаком всех рассмотренных устройств является единство элементной базы (ВТСП из YBCO, магниты Nd-Fe-B и конструкционная схема элементарной ячейки взаимодействия ВТСП-магнит).
Результаты разработки любого устройства с объемными ВТСП могут быть в значительной мере использованы при разработке устройств другого назначения, что существенно снизит риск разработки и позволит резко снизить финансовые затраты на реализацию программы.
Заключение
Развитие исследований и разработок технологии высокотемпературной сверхпроводимости позволяет создавать устройства на их основе с характеристиками,
достаточными для их практического применения. Снижение массы и габаритов таких устройств по сравнению с их традиционным исполнением представляет интерес для использования ВТСП-узлов в космических изделиях, в частности, для реализации в лунной программе, условия применения в которой дают дополнительное увеличение эффективности ВТСП. Обзор материалов зарубежной информации показывает широкие возможности применения ВТСП-элементов в энергетических, транспортных, промышленных технологиях, устройствах оптических и радиотехнических наблюдений, запусках космических аппаратов с поверхности Луны.
Магнитные ВТСП-опоры по конструкции аналогичны опорам, работающим на земной поверхности. Однако, в связи со специфическими условиями работы на Луне (меньшая гравитация, наличие глубокого вакуума, областей с пониженной температурой) они будут иметь более высокие массогабаритные характеристики и надежность. Научно-технический задел по разработке и исследованиям магнитных ВТСП-опор, полученный при их создании для наземных устройств, более чем достаточен для разработки ВТСП-элементов узлов, работающих в условиях космического пространства и лунной поверхности. Эти соображения относятся и к ВТСП-изделиям, выполненным из ВТСП-проводника (кабели, токоограничители, обмотки электромеханических преобразователей).
Использование ВТСП-технологии в лунной программе должно существенно упростить оборудование, в котором она используется, и увеличить его ресурс.
Список литературы
1. Высоцкий В.С., Ситников В.Е., Илюшин К.В., Ковалев Л.К., Ковалев К.Л. Сверхпроводимость в электромеханике и электротехнике // Электричество. 2005. № 7. С. 31-41.
2. Hull J.R. Superconducting bearings // Superconductor Science and Technology. 2000. V. 13. P. RI-R15.
3. Ковалев Л.К., Ковалев К.Л., Ко-неев С.М., Паньшин В.Т., Полтавец В.Н. Электромеханические преобразователи на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников. М.: МАИ - ПРИНТ, 2008. С. 439.
4. Левин А.В., Мусин С.М., Харитонов С.А., Ковалев К.Л, Герасин А.А., Халю-тин С.Н. Электрический самолет: концепция и технологии / Под ред. Мусина С.М. Уфа: Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т, 2014. С. 387.
5. Sass F., Dias D.H., Sitelo G.G., de Andrade R. (Jr.) Coated conductors for the magnetic bearing application // Physics Procedia. 2012. 36. P. 1008-1013. DOI: 10.1016/j. phpro.2012.06.097.
6. Полущенко О.Л., Матвеев В.А, Ни-жельский Н.А. Магнитный подвес с дисковыми монодоменными ВТСП-элемен-тами на роторе // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2006. № 2. С. 15-22.
7. Werfel F.N., Floegel-Delor U, Riedel T., Rothfeld R., Wippich D., Goebel B. Encapsulated HTS bearings technical and cost consideration // IEEE Transaction on Applied Superconductivity. 2005. V. 15. № 2. P. 2306-2311.
8. Werfel F.N., Floegel-Delor U, Riedel T., Rothfeld R, Wippich D., Goebel B. HTS magnetic bearings in prototype application // IEEE/CSC&ESAS European superconductivity news forum. 2010. № 12. P. 1-6.
9. Wei-Kan Ch. HTS Bulk applications and early prototypes at TeSUH // 1st International Workshop on Lunar Superconductor Applications. March 3-5, 2011, Houston, Texas. P. 21.
10. Асеев В.В., Ивлев А.С., Маевский В.А., Нижельский Н.А., Сысоев М.А., Альтов В.А. Магнитные ВТСП-опоры цилиндрического типа для горизонтальных валов // Известия академии электротехнических наук РФ. 2017. Вып. 19. С. 64-71.
11. Koshizuka N. The superconducting magnetic bearings and magnetic clutches for flywheel energy storage // NEDO Project (2000-2004). P. 22.
12. Матвеев В.А., Маевский В.А., Асеев В.В., Ивлев А.С., Сысоев М.А. Применение объемных высокотемпературных сверхпроводников в перспективных космических системах // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2016. № 1. С. 15-32.
13. Луна — шаг к технологиям освоения Солнечной системы / Под науч. ред. В.П. Легостаева, В.А. Лопоты. М.: РКК «Энергия», 2011. 550 с.
14. Грибков А.С., Романов С.Ю., Севастьянов Н.Н., Синявский В.В. Лунный добывающий и промышленно-перерабаты-вающий комплекс на базе атомной
теплоэлектростанции // Известия РАН. Энергетика. 2007. № 3. С. 22-34.
15. Брюханов Н.А., Легостаев В.П., Лобыкин А.А., Лопота В.А., Сизенцев Г.А., Синявский В.В., Сотников Б.И., Филиппов И.М., Шевченко В.В. Использование ресурсов Луны для исследования и освоения Солнечной системы в XXI веке // Космическая техника и технологии. 2014. № 1(4). С. 3-14.
16. Program and Abstracts. Lunar Superconductor Applications // 1st International Workshop on Lunar Superconductor Applications. March 3-5, 2011, Houston, Texas.
17. Kumar Krishin. NASA. The 2011 Lunar Superconductor Applications // 1st International Workshop on Lunar Superconductor Applications. March 3-5, 2011, Houston, Texas. Р. 6.
18. Weinstein R., Sawh R, Park D. Trapped field magnets: basic and applications on low ambient temperature // 1st International Workshop on Lunar Superconductor Applications. March 3-5, 2011, Houston, Texas. Р. 21.
19. Beno J., Wuks D.W., Zierer J.J., Hayes R.J. Application of Bulk High Temperature Superconductors (HTS) for flywheels, energy storage systems on lunar poles. // 1st International Workshop on Lunar Superconductor Applications, sessions overview. March 3-5, 2011, Houston, Texas. Р. 10.
20. Chen P.C., Lowman P.D., Rabin D.M. HTS and Moon dust — key ingredients for lunar, science, infrastructure, and space exploration // 1st International Workshop
on Lunar Superconductor Applications. March 3-5, 2011, Houston, Texas. P. 26.
21. Ignatiev A., Putman P. Lunar regolith excavation and transport by superconducting magnetic transport // 1st International Workshop on Lunar Superconductor Applications. March 3-5, 2011, Houston, Texas. Р. 21.
22. Jones L.L., Wilson W.R., Peck M.A. Design parameters and validation for a non-contacting flux-pinned docking interface. Cornell University, Ithaca, New York. 14850.
23. Шевченко В.В. Утилизация привнесенного на Луну астероидного вещества как более экономичный путь к получению космических ресурсов высокой точности // Космическая техника и технологии. 2018. № 1(20). С. 5-22.
24. Синявский В.В. Обзор концептуальных проектов роботизированных космических комплексов для добычи на Луне термоядерного топлива гелия-3 // Робототехника и техническая кибернетика. 2018. № 2. C. 5-15.
25. Грибков А.С. Технологии и энергозатраты для космического производства металлических рабочих тел ракетных двигателей // Известия РАН. Энергетика. 2009. № 2. С. 112-117.
26. Сизенцев Г.А., Сотников Б.И. Концепция космической системы регулирования термического режима земной атмосферы // Известия РАН. Энергетика. 2009. № 2. С. 91-100.
Статья поступила в редакцию 02.04.2019 г.
Reference
1. Vysotskiy V.S., Sytnikov V.E., Ilyushin K.V., Kovalev L.K., Kovalev K.L. Sverkhprovodimost' v elektromekhanike i elektrotekhnike [Superconductivity in electromechanics and electrical engineering]. Elektrichestvo, 2005, no. 7, pp. 31-41.
2. Hull J.R. Superconducting bearings. Superconductor Science and Technology, 2000, vol. 13, pp. R1-R15.
3. Kovalev L.K., Kovalev K.L., Koneev S.M., Pan'shin V.T., Poltavets V.N. Elektromekhanicheskie preobrazovateli na osnove massivnykh vysokotemperaturnykh sverkhprovodnikov [Electromechanical converters based on massive high-temperature superconductors]. Moscow, MAI - PRINT publ., 2008. 439 p.
4. Levin A.V., Musin S.M., Kharitonov S.A., Kovalev K.L, Gerasin A.A., Khalyutin S.H. Elektricheskiy samolet: kontseptsiya i tekhnologii [Electrical aircraft: concept and technologies]. Ed. by Musin S.M. Ufa, Ufimsk. gos. aviats. tekhn. un-tpubl., 2014.387p.
5. Sass F., Dias D.H., Sitelo G.G., de Andrade R. (Jr.) Coated conductors for the magnetic bearing application. Physics Procedia, 2012,36, pp. 1008-1013. DO1:10.1016/j.phpro.2012.06.097.
6. Polushchenko O.L., Matveev V.A, Nizhel'skiy N.A. Magnitnyy podves s diskovymi monodomennymi VTSP-elementami na rotore [Magnetic suspension with disk single-domain HTSC elements on the rotor]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Mashinostroenie, 2006, no. 2,pp. 15-22.
7. Werfel F.N., Floegel-Delor U., Riedel T, Rothfeld R., Wippich D., Goebel B. Encapsulated HTS bearings technical and cost consideration. IEEE Transaction on Applied Superconductivity, 2005, vol. 15, no. 2, pp. 2306-2311.
8. Werfel F.N., Floegel-Delor U., Riedel T., Rothfeld R., Wippich D., Goebel B. HTS magnetic bearings in prototype application. IEEE/CSC&ESAS European superconductivity news forum, 2010, no. 12, pp. 1-6.
9. Wei-Kan Ch. HTS Bulk applications and early prototypes at TeSUH. 1st International Workshop on Lunar Superconductor Applications, March 3-5,2011, Houston, Texas, p. 21.
10. Aseev V.V, Ivlev A.S., Maevskiy V.A., Nizhel'skiy N.A., Sysoev M.A., Al'tov V.A. Magnitnye VTSP-opory tsilindricheskogo tipa dlya gorizontal'nykh valov [Magnetic HTSC supports of a cylindrical type for horizontal shafts]. Izvestiya akademii elektrotekhnicheskikh nauk RF, 2017, issue 19,pp. 64-71.
11. Koshizuka N. The superconducting magnetic bearings and magnetic clutches for flywheel energy storage. NEDO Project (2000-2004), p. 22.
12. Matveev V.A, Maevskiy V.A, Aseev V.V., Ivlev A.S., Sysoev M.A. Primenenie ob'emnykh vysokotemperaturnykh sverkhprovodnikov v perspektivnykh kosmicheskikh sistemakh [The use of high-temperature volume superconductors in the advanced space systems]. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Priborostroenie, 2016, no. 1, pp. 15-32.
13. Luna — shag k tekhnologiyam osvoeniya Solnechnoy sistemy [The Moon — a step to technologies of the Solar System exploration]. Sci. ed. by V.P. Legostaev, V.A. Lopota. Moscow, RKK «Energiya»publ, 2011. 550p.
14. Gribkov A.S., Romanov S.Yu, Sevast'yanov N.N., Sinyavskiy V.V. Lunnyy dobyvayushchiy i promyshlenno-pererabatyvayushchiy kompleks na baze atomnoy teploelektrostantsii [Lunar mining and industrial processing complex based on the nuclear thermal power plant]. Izvestiya RAN. Energetika, 2007, no. 3, pp. 22-34.
15. Bryukhanov N.A., Legostaev V.P., Lobykin A.A., Lopota V.A., Sizentsev G.A., Sinyavskiy V.V., Sotnikov B.I., Filippov I.M., Shevchenko V.V. Ispol'zovanie resursov Luny dlya issledovaniya i osvoeniya Solnechnoy sistemy v XXI veke [Use of lunar resources for Solar System exploration and exploitation in the 21st century]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2014, no. 1(4), pp. 3-14.
16. Program and abstracts. Lunar superconductor applications. 1st International Workshop on Lunar Superconductor Applications, March 3-5,2011, Houston, Texas.
17. Kumar Krishin. NASA. The 2011 Lunar Superconductor Applications. 1st International Workshop on Lunar Superconductor Applications, March 3-5,2011, Houston, Texas, p. 6.
18. Weinstein R., Sawh R., Park D. Trapped field magnets: basic and applications on low ambient temperature. 1st International Workshop on Lunar Superconductor Applications, March 3-5, 2011, Houston, Texas. P. 21.
19. Beno J., Wuks D.W., Zierer J.J., Hayes R.J. Application of Bulk high temperature superconductors (HTS) for flywheels, energy storage systems on Lunar Poles. 1st International Workshop on Lunar Superconductor Applications, sessions overview, March 3-5,2011, Houston, Texas, p. 10.
20. Chen P.C., Lowman P.D., Rabin D.M. HTS and Moon dust — key ingredients for lunar, science, infrastructure, and space exploration. 1st International Workshop on Lunar Superconductor Applications, March 3-5,2011, Houston, Texas, p. 26.
21. Ignatiev A., Putman P. Lunar regolith excavation and transport by superconducting magnetic transport. 1st International Workshop on Lunar Superconductor Applications, March 3-5, 2011, Houston, Texas, p. 21.
22. Jones L.L., Wilson W.R., Peck M.A. Design parameters and validation for a non-contacting flux-pinned docking interface. Cornell University, Ithaca, New York, 14850.
23. Shevchenko V.V. Utilizatsiya privnesennogo na Lunu asteroidnogo veshchestva kak bolee ekonomichnyy put' k polucheniyu kosmicheskikh resursov vysokoy tochnosti [Utilization of the asteroid subject on the Moon — a more economic way to obtain cosmic resources of high value]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2018, no. 1(20), pp. 5-22.
24. Sinyavskiy V.V. Obzor kontseptual'nykh proektov robotizirovannykh kosmicheskikh kompleksov dlya dobychi na Lune termoyadernogo topliva geliya-3 [Overview of conceptual projects of robotized space systems for mining of helium-3 thermonuclear fuel on the Moon]. Robototekhnika i tekhnicheskaya kibernetika, 2018, no. 2, pp. 5-15.
25. Gribkov A.S. Tekhnologii i energozatraty dlya kosmicheskogo proizvodstva metallicheskikh rabochikh tel raketnykh dvigateley [Technologies and power consumption for space production of metal working bodies of rocket engines]. Izvestiya RAN. Energetika, 2009, no. 2,pp. 112-117.
26. Sizentsev G.A., Sotnikov B.I. Kontseptsiya kosmicheskoy sistemy regulirovaniya termicheskogo rezhima zemnoy atmosfery [The concept of the space control system of the Earth atmosphere thermal mode]. Izvestiya RAN. Energetika, 2009, no. 2, pp. 91-100.
