Особенности нахождения электролита в поле центробежных сил комбинированного накопителя энергии Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 629.78.001.5

ОСОБЕННОСТИ НАХОЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИТА В ПОЛЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ КОМБИНИРОВАННОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ

Ц. Г. Надараиа1, К. Н. Виноградов2, И. Я. Шестаков2, А. А. Фадеев2

:ООО «Конструирование, внедрение образцов новой техники» Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 75 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: V1nogradov-KN@yandex.ru

Рассматривается физическая модель процесса образования разности потенциалов в электролите аккумуляторной батареи установленной на вращающейся платформе.

Ключевые слова: поляризация, накопитель энергии, перспективный космический аппарат.

ESPECIALLY THE FINDING OF THE ELECTROLYTE IN A CENTRIFUGAL FORCE FIELD OF THE COMBINED ENERGY STORAGE DEVICE

C. G. Nadaraia1, K. N. Vinogradov2, I. Ja. Shestakov2, A. A. Fadeev2

1LLC «Design, Implementation of New Eqipment» 75, Svobodny prosp., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: V1nogradov-KN@yandex.ru

The authors consider the physical model of the process of formation difference of potentials between the centre and the periphery that occurs when the rechargeable battery are installed on a rotating platform.

Keywords: polarization, energy storage device, perspective space vehicle.

Введение. Любой космический аппарат (КА) представляет собой сложную автономную электротехническую систему, состоящую из модуля полезной нагрузки и модуля служебных систем [1; 2]. Каждая подсистема выполняет свою функцию и характеризуется параметрами, общими для всего аппарата. Это масса и габариты, потребление электроэнергии, тепловыделение и надежность [3].

Одним из главных условий, предъявляемых к современным КА, является снижение массы служебных систем. Это значительно повышает требования к системе электроснабжения аппарата. Выход из строя системы электроснабжения влечет за собой выход из строя всего аппарата [4].

Производство высоконадежных и конкурентоспособных на мировом рынке спутников различного назначения требует использования перспективных типов аккумуляторов, отвечающих всем требованиям систем электроснабжения КА и средств для их технической подготовки к запуску. Поэтому, проблемы энерговооруженности космических аппаратов, особенно, разработки новых источников электроэнергии, имеют первостепенное значение.

Электролит в поле центробежных сил. В СЭП КА всех типов обязательно используют химические источники тока, в которых энергия химических окислительно-восстановительных реакций преобразуется в электрическую. Они могут применяться в качестве автономных источников энергии и совместно с генераторами электроэнергии для ее накопления и последующей выдачи потребителям на борту аппарата [5].

В работах [4; 6] представлен комбинированный накопитель энергии в составе СЭП для компенсации пиковых потреблений во время нерасчетных режимов работы КА для поддержания его «живучести», снятия телеметрии и выдачи команд радиоуправления в случаях возможных аварийных ситуаций генератора электроэнергии.

Секция «Электронная техника и технологии»

Важным моментом работы комбинированного накопителя является эффект поляризации, возникающий при вращении электролита аккумуляторной батареи (АБ) [7]. В поле центробежных сил в электролите происходит разделение среды на легкие и тяжелые ионы. Это приводит к появлению радиальной разности потенциалов Дф, а затем к возникновению электрического тока, контур которого замыкается через вращающийся корпус установки.

Ставится задача оценки радиальной разности потенциалов, возникающей при вращении комбинированного накопителя с использованием свинцово-кислотного аккумулятора.

Рассмотрим модель установки (рис. 1):

- радиус вращающейся установки Я = 0,25 м,

- высота столба раствора электролита И = 0,1 м,

- плотность раствора И2804 в свинцово-кислотной АБ р = 1,26...1,28 г/см3, при массовой концентрация электролита С = 36 %, мольная концентрация будет равна 4,4М. Серная кислота сильный электролит поэтому степень диссоциации К = 1.

Схема установки

За счет центробежных сил Рцб создается разность концентраций ионов 8042- и Н+, что приведет к разности потенциалов Дф между центром и периферией АБ.

Центробежная сила определяется известными выражениями:

2

Рцб = тЦ-= то,2 Я. (1)

Я

Работа по перемещению зарядов:

А = ^Цб • I, I = Я/2. (2)

Оценить количество электричества, образующегося в представленной модели можно следующим образом:

Я = Р • с, •V. (3)

После подстановки в выражение (4) всех величин получим Я = 8,5 106 Кл.

Во вращающемся столбе раствора электролита ионы сильно гидратированы, поэтому их масса увеличивается на массу двадцати молекул воды [7].

Масса иона 804 равна [8] т(8042-) = 21,26 10-23 г. С учетом эффекта гидратации получили тГИдр.(8042-) = 81,26-10-23 г.

Подставляя в выражение (2) данные и зная частоту вращения установки (п = 7000 об/мин), определили = 110-16 Н.

Далее определили работу по перемещению одного гидратированного иона А = 0,125 10-16 Дж. Один моль вещества содержит 6,02 1023 частиц (число Авогадро - И), тогда общее количество ионов 8042- будет равно N4,4/2 = 8,8 1023. Общая работа будет равна 1,1107 Дж.

Разность потенциалов определим по формуле

лФ=а / е. (4)

Откуда Дф = 1,3 В.

Заключение. Рассмотрена модель комбинированного накопителя энергии, вращающегося с определенной угловой скоростью. В результате этого процесса центробежные силы создают разность концентраций ионов в электролите, а далее разность потенциалов Дф между центром и периферией АБ. Получено теоретическое значение Дф, которое в дальнейших работах будет проверено экспериментально.

Библиографические ссылки

1. Конструкция и проектирование космических летательных аппаратов : учебник для средних спец. учеб. заведений / Н. И. Паничкин, Ю. В. Слепушкин, В. П. Шинкини др. М. : Машиностроение, 1986. 344 с.

2. Гущин В. Н. Основы устройства космических аппаратов : учебник для вузов. М. : Машино-втроение, 2003. 272 с.

3. Хромов А. В. Разработка методического аппарата повышения эффективности использования электроракетных двигательных установок в системах коррекции орбиты малых низкоорбитальных космических аппаратов : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.09.03, 05.07.05. М., 2013. 24 с.

4. Энергетическая установка космического аппарата с вращающимися аккумуляторными батареями / К. Н. Виноградов, Е. К. Виноградова, А. А. Фадеев и др. // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : тезисы IX Всерос. науч.-практ. конф. творческой молодежи (8-12 апреля 2013 г., Красноярск) : в 2 т. Т. 1. Технические науки. Информационные технологии. Сообщения школьников / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2013. С. 175-177.

5. Козлов А. Г., Ходосов В. В. Системы электропитания космических аппаратов : учеб. пособие. Ч. 1.; Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 2011. 105 с.

6. Химико-кинетический накопитель энергии / Ц. Г. Надараиа, Л. А. Бабкина, И. Я. Шестаков и др. // Вестник СибГАУ. 2014. № 2(54). С. 56-61.

7. Рассадкин Ю. П. Вода обыкновенная и необыкновенная. М. : Галерея СТО, 2008. 840 с.

8. Краткий справочник физико-химических величин. 7-е изд., испр. / под ред. К. П. Мищенко и А.А. Равделя. Л. : Химия, 1974.

© Надараиа Ц. Г., Виноградов К. Н., Шестаков И. Я., Фадеев А. А., 2016