CC BY
106УДК 629.78.062.3: 629.785
Худяков С. А.
РКК «Энергия» им. С.П. Королева, г. Королев Московской области
Тел.: (095) 513-65-81, факс: (095) 513-61-38, e-mail: Sergey.Hudyakov@rsce.ru
РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ЩЕЛОЧНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ЛУННОГО ОРБИТАЛЬНОГО КОРАБЛЯ И МНОГОРАЗОВОГО КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ «БУРАН»
Представлены основные результаты работ по энергоустановкам на основе щелочных топливных элементов для советских пилотируемых космических кораблей: лунного орбитального корабля и многоразового орбитального космического корабля «<Буран». Обсуждаются основные научно-технические и производственно-технологические проблемы, которые были решены при создании этих энергоустановок. Дано сравнение основных характеристик отечественных энергоустановок с характеристиками энергоустановок на основе топливных элементов американских пилотируемых космических кораблей «<Джемини», «(Аполлон» и «(Шаттл» и показаны перспективы их совершенствования.
ВВЕДЕНИЕ
Впервые топливные элементы (ТЭ) были созданы англичанином Гровом в 1839 г, однако только в середине ХХ века они стали интенсивно разрабатываться, и появилась реальная возможность создания энергоустановок (ЭУ) на их основе.
ТЭ является электрохимическим источником тока, в котором свободная энергия пространственно разделенных окислительно-восстановительных процессов непосредственно превращается в электрическую энергию постоянного тока. ТЭ отличается от обычного гальванического элемента главным образом тем, что его конструкция позволяет обеспечить непрерывный раздельный подвод компонентов топлива (горючего и окислителя) в зону реакции и непрерывное (или периодическое) удаление продуктов реакции. ТЭ в отличие от аккумулятора, который запасает электроэнергию, является генератором (первичным источником) электроэнергии (рис. 1).
Реакции идут на специально разработанных пористых электродах, активированных мелкодисперсными порошками редких металлов (П, Pd и др.). Между электродами находится водный раствор электролита (в данном случае КОН). На водородном электроде идет реакция:
Н2 + 2ОН- ^ 2Н2О + 2е-,
в результате которой накапливается вода и выделяются электроны. На кислородном электроде реакция может быть записана в виде:
О2 + 2Н2О + 4е- ^ 4ОН-,
т. е. если электроды соединить металлическим проводником, по нему потекут электроны - электрический ток.
Суммарно реакции, протекающие в ТЭ, могут быть записаны в виде:
Н2 + — О 2 = электроэнергия + Н2О + 242 кДж/моль.
Таким образом, в результате реакции на электродах в ТЭ вырабатывается электроэнергия, образуется вода и выделяется тепло. Некоторое количество образующейся воды может накапливаться в специальном пористом буферном слое, который устанавливается в каждом ТЭ.
Напряжение на отдельном ТЭ не превышает 1,1В и постепенно снижается при повышении плотности тока (отношение тока к площади электрода) отдельного ТЭ. Для получения заданного напряже-
Рис. 1. Принципиальная схема щелочного водородно-кис-лородного топливного элемента: 1 - циркуляция и продувка; 2 - пористый никелевый водородный электрод; 3 - пористая никелевая буферная пластина; 4 - водородная камера; 5 - подвод водорода; 6 - подвод кислорода; 7 - кислородная камера; 8 - пористый никелевый кислородный электрод; 9 - пористая асбестовая матрица, пропитанная водным раствором КОН; 10 - продувка
38
ния ТЭ соединяются последовательно в батареи, а для получения заданной мощности батареи ТЭ соединяются параллельно. Одна или несколько батарей ТЭ вместе с элементами их газораспределения и (иногда) автономного терморегулирования монтируются в единый конструктивный блок, именуемый электрохимическим генератором (ЭХГ). Несколько ЭХГ, система хранения (подготовки) и подачи компонентов топлива, средства распределения и коммутации электроэнергии, система обеспечения теплового режима, средства накопления и удаления продуктов реакции (для водородно-кис-лородных ТЭ - вода), вспомогательные источники электроэнергии (обычно аккумуляторные батареи) и система автоматического управления, объединенные трубопроводами, кабельной сетью и элементами конструкции, образуют энергоустановку.
Наибольшее распространение получила классификация топливных элементов по типу среды для внутреннего переноса ионов (по типу электролита): ■ щелочные ТЭ (обычно КОН), Тра6 = 80...260 °С;
твердополимерные ТЭ (ионообменные мембраны), Т = 60.80 °С;
раб. '
кислотные ТЭ (обычно Н3РО4), Траб = 180.230 °С;
■ расплаво-карбонатные ТЭ (расплавленные карбонатные соединения), Траб = 500. 800 °С;
■ твердоокисные ТЭ (обычно^О^, Траб. = 900.1000 °С; Наибольшие успехи достигнуты по ЭУ с ЭХГ на
основе щелочных и твердополимерных ТЭ, причем последние активно готовятся к использованию на автомобильном транспорте. Оба этих типа ЭУ планируются как автономные ЭУ мощностью до нескольких сот киловатт, работающие как на водороде и кислороде, так и на природном газе (попутном нефтяном газе, газовом конденсате и т.д.) и воздухе. Область применения: космические аппараты, подводные аппараты и подводные лодки, электромобили и широкое использование в народном хозяйстве для электро- и теплоснабжения различных потребителей.
ЭУ с ЭХГ на основе фосфорнокислых ТЭ доведены до опытно-промышленных образцов, однако дальнейшего развития пока не получили из-за трудностей достижения необходимого ресурса и приемлемой стоимости.
ЭУ с ЭХГ на основе расплаво-карбонатных и твер-доокисных ТЭ проходят экспериментальную отработку. Их область применения - большая энергетика (сотни и тысячи киловатт), причем они могут в связи с высокими рабочими температурами потреблять различные углеводородные топлива без преобразования в водород.
Впервые ЭУ на основе ТЭ были применены на космических кораблях (американских: «Джемини», «Аполлон», «Шаттл» [1, 3, 5, 6] и Советских: Лунный орбитальный корабль советской Лунной экспедиции, многоразовый орбитальный пилотируемый космический корабль «Буран» [2, 4, 7, 8, 9, 10]), что было связано с рядом важных достоинств ЭУ на основе щелочных и твердополимерных ТЭ:
■ чрезвычайно высокая эффективность прямого преобразования химической энергии топлива (водорода) и окислителя (кислорода) в электроэнергию (КПД = 55-65 %);
■ удельная вырабатываемая энергия ~ в 10 раз выше, чем у лучших аккумуляторных батарей (800-1000 Вт . ч/кг вместо 80-100 Вт . ч/кг);
■ идеальная экологическая чистота (продуктом реакции является сверхчистая вода), отсутствие шума, вибраций, радиации;
■ способность к оптимальной интеграции с другими системами космического корабля (системой жизнеобеспечения, системой терморегулирования): использование продукта реакции - воды для питья и бытовых нужд экипажа, а также для испарителей системы терморегулирования; использование кислорода, предназначенного для ТЭ, также для дыхания экипажа;
■ простота обеспечения потребителей электроэнергией нужного качества;
■ стабильность выходного напряжения и КПД в большом диапазоне нагрузок, причем КПД при уменьшении нагрузки даже несколько возрастает; способность к многократным перегрузкам по току и, как следствие, отсутствие каких-либо дополнительных буферных и регулирующих устройств;
■ удобство эксплуатации космического корабля: обеспечение электрических проверок корабля в монтажно-испытательном корпусе и на стартовой позиции с функционированием ЭУ - штатного источника электропитания, возможность многократных заправок компонентами топлива.
К недостаткам этих ЭУ следует отнести относительно высокие удельную массу (кг/кВт) и удельный объем (л/кВт) ЭХГ и ЭУ в целом, а также невысокую рабочую температуру (<100 оС), что увеличивает площадь холодильника-излучателя, обеспечивающего сброс тепла, образовавшегося в процессе выработки электроэнергии. Однако перечисленные выше преимущества обеспечили бесспорный выигрыш ЭУ на основе ТЭ по сравнению с ЭУ на основе солнечных батарей, радиоизотопных генераторов, двигателей внутреннего сгорания и турбин открытого цикла, а также с радиоизотопными газотурбинными ЭУ замкнутого типа, имеющими в своем составе буферные аккумуляторные батареи, для пилотируемых маневрирующих (и особенно возвращаемых на Землю) космических кораблей при длительности полета до 30 суток. Это связано в первую очередь с тем, что ЭУ на основе ТЭ обеспечивает пилотируемый космический корабль не только электроэнергией, но и водой и кислородом для экипажа. Кроме того, ее работа не требует ориентации космического корабля или его отдельных элементов на Солнце и не зависит от его нахождения в тени Земли (Луны) или на участке выведения на околоземную орбиту и схода с нее.
ЭНЕРГОУСТАНОВКА ЛУННОГО ОРБИТАЛЬНОГО КОРАБЛЯ
В Советском Союзе работы по созданию космических ЭУ на основе водородно-кислородных ТЭ были начаты в РКК "Энергия" в 1967 году для лунного орбитального корабля (ЛОК) Лунной экспедиции.
Создание такой ЭУ было сложной научно-технической и производственно-технологической задачей, потребовавшей исследований и решения проблем в различных отраслях науки и техники: электрохимии, материаловедении, электротехники, теплофизики, криогенной техники, газодинамики, приборостроении, математическом моделировании и привлечении широкой кооперации в различных отраслях народного хозяйства.
Главной проблемой была разработка отечественных ТЭ и ЭХГ. К этой работе на конкурсной основе были привлечены все ведущие организации страны, имевшие лабораторный опыт создания топливных элементов: Всесоюзный научно-исследовательский институт источников тока (ВНИИТ) (в настоящее время НПО "Квант"); Кудиновский филиал Всесоюзного научно-исследовательского института электромеханики (КФ ВНИИЭМ); Уральский электрохимический комбинат (УЭХК); Институт электрохимии АН СССР (ИЭЛ АН), Московский энергетический институт (МЭИ). Ряд учебных и научных институтов вели экспериментальные работы по ТЭ различного типа.
Трем первым организациям по единому техническому заданию на конкурсной основе была поставлена задача - создать в кратчайшие сроки ЭХГ для ЭУ ЛОК. С целью обеспечения сжатых сроков разработки ЭУ ЛОК головным разработчиком - РКК "Энергия" - было принято решение о разработке для трех вариантов ЭХГ универсальных подсистем ЭУ, наиболее тесно связанных с ЭХГ: системы хранения и подачи криогенных компонентов (водорода и кислорода); системы терморегулирования ЭУ с автономными
средствами сброса тепла (радиационным теплообменником и теплообменником-испарителем, отводящим тепло за счет испарения реакционной воды ЭХГ в космическое пространство).
В течение полутора лет после начала разработки были созданы и испытаны на стендах РКК "Энергия" первые образцы ЭХГ трех указанных организаций. ЭХГ "Волна-10" и затем ЭХГ "Волна-20" (разработка УЭХК) с щелочным циркулирующим электролитом с "классической" схемой обеспечения тепломассообмена оказался наиболее приемлемым по совокупности всех основных показателей: КПД, масса, габариты, надежность и ресурс работы. Этому способствовал огромный опыт УЭХК по созданию пористых сред для газодиффузионного разделения урана, а также опыт Уральского электромеханического завода в части создания сложнейших электромеханических систем. Вольтамперные характеристики секций ЭХГ "Волна-20" были в то время одними из лучших в мире.
В состав поставочного комплекта ЭХГ входило три автономных энергоблока ЭХГ, именовавшихся секциями, блок коммутации, управления и контроля бесколлекторных двигателей центробежного насоса
Рис. 4. Вольтамперная характеристика секции ЭХГ «Волна-20» и ее изменение в процессе испытаний
40
и вихревого компрессора пароводородной смеси и блок автоматики. Масса секции ЭХГ, заправленной электролитом, теплоносителем и водой (с учетом доли масс блоков автоматики и коммутации, предназначенных для эксплуатации трех секций ЭХГ), составляла 69 кг, мощность - 1,1 кВт.
Объем производства однокиловаттных (при напряжении 27 вольт) секций ЭХГ с 1971 г. составлял 45 штук в год. Всего было изготовлено 192 секции ЭХГ.
Второй проблемой была разработка высокоэффективных емкостей для хранения криогенных компонентов, обеспечивающих снабжение ЭХГ водородом и кислородом с заданными параметрами в течение всего срока эксплуатации без потери компонентов. Система хранения и подачи компонентов (СХП) является одной из основных систем ЭУ, определяющей ее массогаба-ритные характеристики. Эффективность хранения водорода и кислорода в наибольшей степени влияет на приемлемость всей ЭУ для космического корабля. В таблице 1 представлены результаты анализа различных способов хранения водорода и кислорода с позиций минимальной массы конструкции системы хранения.
В РКК "Энергия" была выбрана схема со "статическим" (с помощью электронагревателя без принудительной циркуляции компонента) поддержанием давления в криогенных емкостях с докритическим хранением кислорода (Р < 25 кгс/см2) и сверхкритическим хранением водорода (Р > 12 кгс/см2). На рис. 5 представлена конструктивная схема блока криогенного хранения кислорода.
На рис. 6 представлен разрез блока криогенного хранения кислорода, а на рис. 7 представлена внутренняя емкость блока криогенного хранения кислорода с охлаждаемым экраном.
На рис. 8 представлен блок криогенного хранения кислорода и его составные части, а на рис. 9 представлены блоки криогенного хранения кислорода и водорода.
Разработка и изготовление блоков криогенного хранения водорода и кислорода были выполнены в РКК "Энергия", а испытания на криогенных компонентах проведены в НИИХИММАШ.
Третьей проблемой было создание специализированных цехов и участков для изготовления и
сборки: топливных элементов, батарей топливных элементов, элементов конструкции и ЭХГ в целом в УЭХК; криостатов для хранения водорода и кислорода, водородной и кислородной криогенной и "теплой" арматуры, теплообменников, приборов автоматики и электросиловой коммутации, элементов конструкции и ЭУ в целом в РКК "Энергия".
Четвертой проблемой было создание специализированных стендов для проведения испытательных работ: на УЭХК - пневматических и прочностных испытаний узлов и агрегатов ЭХГ и генератора в целом; включая проверку его работы на гозообразных водороде и кислороде; в РКК "Энергия" - пневмоэлектрических испытаний криоста-тов для хранения водорода и кислорода, узлов и агрегатов ЭУ и энергоустановки в целом; в ЦНИИ-МАШ - прочностных испытаний криостатов для хранения водорода и кислорода, а также ЭУ в целом; в НИИХИММАШ - криогенных испытаний криостатов для хранения водорода и кислорода а также ЭУ в целом в процессе работы на электрическую нагрузку.
Пятой проблемой было создание наземной инфраструктуры, обеспечивающей работу энергоустановки: разработка технологии и освоение производства жидких водорода и кислорода особой чистоты (Н2 -99,9999 %; О2 - 99,999 %), включая аппаратуру и методику измерения их чистоты (РНЦ "Прикладная химия"); разработка и изготовление средств транспортировки, хранения и заправки криогенных водорода и кислорода особой чистоты ("Уралкриомаш", НПО "Криогенмаш").
Энергоустановка ЛОК (рис. 10) предназначена для обеспечения бортовой аппаратуры электрической энергией, экипажа корабля кислородом для дыхания и водой для питья и бытовых нужд. Кроме того, вода может использоваться в испарительных агрегатах системы обеспечения теплового режима корабля. ЭУ состоит из следующих функциональных систем: ЭХГ, системы хранения и подачи рабочих тел (СХП), системы обеспечения теплового режима (СОТР), встроенной системы управления, контроля и электросиловой коммутации.
Таблица 1
Результаты анализа различных способов хранения водорода и кислорода
Способ хранения Компонент Давление, кгc/cм2 Температура, К Отно^т. ма^а конструкции, кг/кг комп. Примечание
Газобалонное Н2 350 300 20.25
O2 350 300 1,2.1,4
Криогенное сверхкритическое Н2 15...20 33 4,0.7,0 С учетом массы теплозащиты
О2 52...60 154 0,5.0,6
Криогенное H2 12 < 33 3,0.4,0 С учетом массы теплозащиты
докритическое О2 25 < 133 0,3.0,4
Рис. 5. Конструктивная схема блока криогенного хранения кислорода: 1 - предохранительная мембрана; 2 - теплоизоляция; 3 - охлаждаемый экран; 4 - опора; 5 - трубопровод отбора дренажа наддува; 6 - клапан вакуумирования; 7 - трубопровод заправки, слива; 8 - провод датчика количества; 9 - электронагреватель; 10 - тепловые ребра; 11 - внутренняя оболочка; 12 - клапан разгерметизации; 13 - наружная оболочка; 14 - адсорбент; 15 - внутренняя полость электронагревателя; 16 - дроссельный клапан
Рис. 6. Разрез блока криогенного хранения кислорода: 1 - наружная оболочка; 2 - внутренняя оболочка; 3 - ЭВТИ; 4 - ребро электронагревателя; 5 - антенна датчика количества; 6 - электрический гермовывод из внутренней емкости
Рис. 7. Внутренняя емкость блока криогенного хранения кислорода с охлаждаемым экраном: 1, 2 - левая и правая секции охлаждаемого экрана; 3 - расходный трубопровод; 4 - адсорбирующая навеска для поддержания вакуума в ЭВТИ
Рис. 8. Блок криогенного хранения кислорода и его составные части: 1 - блок криогенного хранения кислорода; 2 - внутренняя оболочка с сеткой для крепления адсорбента; 3 - стеклотекстолитовые опоры (термомосты); 4 - секции охлаждаемого экрана; 5 - корпус электронагревателя с ребрами, на которых закреплена антенна датчика количества
Таблица 2
Основные характеристики блоков криогенного хранения водорода и кислорода
БХВ БХК
Масса конструкций, кг 65 40
Объем внутренней оболочки, л 160 92
Масса заправляемого компонента, кг 10 100
Регулируемый диапазон давлений, кгс/см2 12...16 12.16
СТР состоит из агрегатов и теплообменных устройств, обеспечивающих отвод тепла ЭХГ в гидравлический контур СТР и радиационного теплообменника, обеспечивающего отвод тепла в космическое пространство, а также блока автоматики СТР.
Встроенная система управления, контроля и электросиловой коммутации состоит из блока силовой коммутации (БСК), обеспечивающего коммутацию электросилового питания энергоблоков ЭХГ на общие шины ЭУ, а также из встроенных в каждую подсистему ЭУ блоков автоматики.
Энергоустановка размещается в двух отсеках ЛОК: на переходном отсеке ЛОК конической формы, называемом также энергоотсеком (ЭО), размещены основные агрегаты ЭУ: ЭХГ, криогенные блоки хранения водорода и кислорода, агрегаты системы терморегулирования и др.; в герметичном приборном отсеке (ПО) ЛОК размещены приборы автоматического управления, контроля и электросиловой коммутации.
На рис. 11-13 представлено размещение ЭХГ, блоков криогенного хранения водорода и кислорода и других элементов ЭУна переходном отсеке ЛОК.
ЭУ ЛОК была создана вслед за ЭУ американского космического корабля "Аполлон". Так как оба корабля были предназначены для доставки на окололунную орбиту космонавтов с их последующим спуском на Луну и возвратом в ЛОК ("Аполлон") с дальнейшим возвратом в ЛОК"е ("Аполлоне") на Землю, их структура оказалась довольно похожей. В каждой ЭУ три ЭХГ, две водородных и две кислородных криогенных емкости, примерно одинаковые мощности и энергоем-
Рис. 9. Блоки криогенного хранения кислорода и водорода
ЭХГ состоит из трех энергоблоков (трех секций ЭХГ), блока коммутации электропитания собственных нужд ЭБ и блока автоматики ЭХГ.
СХП состоит из двух блоков криогенного хранения водорода, двух блоков криогенного хранения кислорода, заправочно-дренажной арматуры, газожидкостного теплообменника, испарителя и блока подачи компонентов в ЭХГ, а также блока автоматики СХП.
Рис. 10. Структурная схема ЭУ Лунного орбитального корабля: СХП - система хранения и подачи компонентов; ЗДА - заправочно-дренажная арматура; БХК - блок хранения кислорода; БХВ - блок хранения водорода; БА СХП -блок автоматики СХП; ГЖТГ - газожидкостный теплообменник - газификатор; ЭХГ - электрохимический генератор; БА ЭХГ - блок автоматики ЭХГ; ЭБ - энергоблок; БК ЭХГ - блок коммутации ЭХГ; БСК - блок силовой коммутации; СОТР - система обеспечения теплового режима; БА СОТР - блок автоматики СОТР; АТО СОТР - агрегаты и теплообменники СОТР; РТО - радиационный теплообменник; ПО - приборный отсек; ЭО - энергоотсек
Рис. 11. Размещение агрегатов ЭУ на переходном отсеке ЛОК: 1 - корпус отсека; 2 - блоки криогенного хранения водорода под панелями радиационного теплообменника; 3 - магистрали теплоносителя СОТР; 4 - запра-вочно-дренажные и управляющие водородные колодки
Рис. 12. Размещение ЭХГ и блока криогенного хранения кислорода на переходном отсеке ЛОК. На правом верхнем ЭХГ частично снята теплоизоляция
Рис. 13. Внутренняя компоновка агрегатов ЭУ на переходном отсеке ЛОК: 1 - блок криогенного хранения водорода; 2 - блок криогенного хранения кислорода; 3, 4 - блоки заправочно-дре-нажной арматуры водорода и кислорода; 5 - панель сигнализаторов давления; 6 - компенсатор объема СОТР; 7 - жидко-стно-жидкостной теплообменник; 8 - регулятор расхода жидкости; 9, 10 - гидроблоки СОТР; 11 - блок датчиков температуры
Таблица 3
Основные характеристики энергоустановки ЛОК
Электрическая мощность (постоянный ток): макс./мин., кВт 2,5/0,3
Напряжение на выходных клеммах ЭУ, В 24...34
Полезная энергоемкость, не менее, кВт.ч 300
Время штатной работы, ч 300
Гарантированный ресурс, ч 1000
КПД ЭУ не менее 0,55
Количество кислорода для экипажа, кг 30
Количество нарабатываемой воды, не менее, кг 100
Масса заправленной ЭУ, не более, кг 580
кости и т.д. (см. табл. 1). Основным отличием является тип ЭХГ. В ЭУ "Аполлона" использован ЭХГ со сред-нетемпературными щелочными ТЭ (Тра6=200...260 °С), а в ЭУ ЛОК ЭХГ с низкотемпературными щелочными ТЭ (Тра6=94... 100 °С). В первом случае несколько выше КПД, но из-за конструктивных особенностей в два раза больше удельная масса (125 кг/кВт вместо 65 кг/кВт) и из-за более интенсивных коррозионных процессов в электродах, связанных с более высокой рабочей температурой, в два раза меньший гарантированный ресурс (500 час вместо 1000 час).
К 1970 г. были закончены разработка, изготовление и первичная экспериментальная отработка всех узлов и агрегатов ЭУ, включая ЭХГ, и начались ее комплексные испытания в НИИХИММАШ. К середине 1972 г. ЭУ прошла полный цикл наземной экспериментальной отработки, ее штатный образец прошел пневмоэлектрические испытания в составе ЛОК в монтажно-испытательном комплексе космодрома Байконур и затем в составе ракетно-космического комплекса Н1-Л3 был вывезен на старт.
23 ноября 1972 г. состоялся четвертый (последний) пуск комплекса Н1-Л3, где впервые использовалась ЭУ с ЭХГ. Она обеспечила без замечаний электропитание всех систем ЛОК с заданными параметрами: на предстартовом участке ~ 10 мин, на участке выведения вплоть до взрыва первой ступени (блок А) ~ 110 с, на участке свободного падения, вплоть до удара о землю ~ 200 с.
Энергоустановка ЛОК, созданная в предельно сжатые сроки, явилась первой энергоустановкой с ЭХГ в Советском Союзе. Она открыла дорогу по созданию таких энергоустановок не только для космических целей, но и для широкого применения в системах наземных и подводных служб, а также на транспорте.
ЭНЕРГОУСТАНОВКА МНОГОРАЗОВОГО ОРБИТАЛЬНОГО КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ «БУРАН»
Энергоустановка предназначена для бесперебойного электропитания орбитального корабля (ОК) «Буран» многоразовой транспортной космической системы на базе ракеты-носителя «Энергия». При этом она выполняет следующие функции: генерирование элек-
трической энергии постоянного тока, коммутацию выходных шин ЭХГ и подачу электроэнергии в систему распределения электроэнергии ОК; выработку и подачу воды ЭХГ в систему водообеспечения ОК; хранение и подачу кислорода в систему обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) ОК. Работы по этой энергоустановке велись в РКК «Энергия», УЭХК и смежных организациях с 1976 по 1991 гг.
Энергоустановка (рис. 14) включает в себя: четыре ЭХГ "Фотон"; систему хранения и подачи криогенных компонентов (СХП); систему обеспечения теплового режима (СОТР); систему водоудаления и продувок компонентов; систему управления, контроля и электросиловой коммутации.
Электрохимический генератор «Фотон»
В 1975-1977 годах на УЭХК были выполнены исследовательские, технологические и конструкторские проработки по щелочным ТЭ с матричным электролитом, позволившие сформулировать технические требования к основным физико-химическим и конструктивным параметрам составных частей ТЭ, найти технологические решения по изготовлению тонких асбестовых матриц, электродов, буферных токосъ-емных пластин, газораспределительных и теплосъём-ных каркасов, уплотняющих и электроизолирующих материалов. В то же время были проработаны функциональная схема ЭХГ, обеспечивающая минимальное потребление электроэнергии на собственные нужды, и основные компоновочные решения, минимизирующие массу ЭХГ.
С начала 1978 года в УЭХК совместно с Уральским электромеханическим заводом было начато конструирование ЭХГ для ОК «Буран».
Конструкция ТЭ ясна из рис. 15, на котором представлен разрез части реальной конструкции многоэлементной сборки ТЭ, и рис. 16, на котором приведена фотография составных частей ТЭ.
К паяному серебром никелевому золоченому каркасу последовательно приложены с одной стороны - буферная токосъемная пластина водородного электрода, сформированный на золоченой никелевой сетке водородный электрод и асбестовая матрица, а с другой - токосъемная золоченая сетчатая пластина, сформированный на золоченой никелевой сетке кислородный электрод и следующая асбестовая матрица. Площадь электрода 176,7 см2.
Таблица 4
Основные характеристики энергоустановки ОК "Буран"
Электрическая мощность (постоянный ток): макс./мин., кВт 27/5
Напряжение на выходных клеммах, В 30,5.34
Полезная энергоемкость, не менее, кВт ч 2000
Продолжительность работы в одном полете, ч 168
Число циклов эксплуатации в составе орбитального корабля 25
КПД ЭУ, не менее 0,55
Количество кислорода для экипажа, кг 50
Количество нарабатываемой воды, не менее, кг 830
Масса ЭУ, не более: "сухой"/"заправленной", кг 1930/2900
Рис. 14. Структурная схема ЭУ орбитального корабля «Буран»: ЭМ - энергомодуль; СОЖ - система обеспечения жизнедеятельности; ТГ - теплообменник генераторный; СОТР - система обеспечения теплового режима; КЗК - колодка заправочная кислорода; БХК - блок хранения кислорода; КЗВ - колодка заправочная водорода; БХК - блок хранения водорода; ГЖТГ - газожидкостный теплообменник-газификатор; БПК - блок подачи кислорода; БПВ - блок подачи водорода; ЭХГ - электрохимический генератор; БД - блок дренажа; МП - модуль приборный; ОК - орбитальный корабль; СВО - система водообеспечения
Рис. 15. Разрез многоэлементной сборки топливных элементов. На вставках приведены микрофотографии пористых структур электрода, буферной токосъем-ной пластины и матрицы: 1 - водородная полость; 2 - полость теплоносителя; 3 - кислородная полость; 4 - асбестовая матрица; 5 -водородный электрод; 6 - буферная токосъемная пластина водородного электрода; 7 - токосъемная сетка кислородного электрода; 8 - кислородный электрод; 9 - микрофотографии пористых структур: электрода, буферной токосъем-ной пластины и матрицы; 10 - паяный никелевый каркас
46
Рис. 16. Составные части ТЭ (слева направо): асбестовая матрица, кислородный электрод, токосъемная сетка, каркас, буферная токосъемная пластина, водородный электрод, асбестовая матрица
Спаянные пластины каркаса с приложенными к ним токосъемными пластинами образуют три полости: водородную, через которую осуществляется циркуляция пароводородной смеси, кислородную, через которую циркулирует кислород, и полость теплоносителя. Каркасы с вложенными в них токосъемными пластинами и электродами образуют биполярный электрод.
Каркас изготовлен из двух никелевых колец с отверстиями и двух поверхностно профилированных дисков с отверстиями, совпадающими по расположению, размерам и форме с отверстиями колец. Четыре названных детали соединяются капиллярной пайкой и серебряным припоем по контактным площадкам, возникающим при сборке. На малой стороне всех трапециевидных отверстий сформированы радиальные каналы, через которые осуществляется подвод газов и теплоносителя в соответствующие полости топливного элемента.
Трапециевидные отверстия каркасов и асбополи-сульфоновых уплотнительных кантов матриц при сборке батареи образуют коллекторы подачи водорода, кислорода и теплоносителя.
ЭХГ "Фотон" обеспечивает длительную нагрузку в интервале электрической мощности от 0 до 10 кВт при напряжении 36...29 В в соответствии с циклограммой, приведенной на рис. 19. Гарантированный ресурс эксплуатации - 2000 часов (обычно работа до первого отказа - 3000.4000 часов, а в отдельных случаях - 5000.6000 часов). Масса ЭХГ, заправленного электролитом, теплоносителем и водой, — не более 160 кг, в том числе масса энергоблока — не более 145 кг.
Огромный объём ресурсных испытаний (более 120000 часов), включающих жесткие вибрационные, ударные, вакуумные, тепловые воздействия, воздействия ускорений на ЭХГ "Фотон", изготовленный по стабильной документации промышленного производства, показал, что ресурс генератора ограничивается только коррозионными процессами в топливных элементах. На рис. 20 приведены вольтамперные характеристики ЭХГ "Фотон" в процессе ресурсных испытаний. Всего было изготовлено 122 таких ЭХГ.
Рис. 17. Батарея топливных элементов ЭХГ «Фотон»
Рис.18. ЭХГ «Фотон»: энергоблок (справа) и блок автоматики
Система хранения и подачи компонентов (СХП) выполнена на основе докритического криогенного хранения кислорода в емкостях типа сосуда Дьюара при давлении 17.20 кгс/см2 и сверхкритического хранения водорода при давлении 16.19 кгс/см2. СХП в значительной степени определяет массовые и объемные характеристики энергоустановки, а также максимальную продолжительность штатной работы ЭУ в одном цикле эксплуатации.
В состав СХП (рис. 14) входят: два блока хранения кислорода (БХК); два блока хранения водорода (БХВ); два газожидкостных теплообменника-газификатора; два блока подачи; две колодки заправочные (водорода и кислорода); две колодки управления и подачи технологических газов; магистрали заправки, дренажа, подачи компонентов и аварийного дренажа с клапаном. Управление режимами работы СХП обеспечивает блок управления ЭУ совместно с блоком защиты питания.
Упрощенная пневмогидравлическая схема системы хранения и подачи компонентов представлена на рис. 21.
Рис. 19. Среднесуточная циклограмма нагрузки ЭХГ Рис. 20. Вольтамперные характеристики ЭХГ "Фо-«Фотон» тон" в процессе ресурсных испытаний
Рис. 21. Упрощенная пневмогидравлическая схема системы хранения и подачи компонентов ЭУ орбитального корабля «Буран»: КЗК - колодка заправочная кислорода; КДК - колодка дренажа кислорода; СОТР - система обеспечения теплового режима; КУТК - колодка управления и технологической подачи кислорода; БХК - блок хранения кислорода; ГЖТГ - газожидкостный теплообменник-газификатор; БПК - блок подачи кислорода; ЭХГ - электрохимический генератор; СОЖ - система обеспечения жизнедеятельности; КЗВ - колодка заправочная водорода; КУТВ - колодка управления и технологической подачи водорода; БХВ - блок хранения водорода; КДВ - колодка дренажа водорода; БПВ - блок подачи водорода
i8
Блок хранения кислорода выполнен в виде единого блока, состоящего из криостата и блока арматуры (рис. 22). Криостат состоит из: внутренней оболочки с расположенными в ней датчиком количества, электронагревателем и внутрибаковым теплообменником, которая закреплена на двух опорах в вакуум-но-плотной наружной оболочке; наружной оболочки; охлаждаемого экрана, расположенного между оболочками, на котором закреплена многослойная экра-но-вакуумная теплоизоляция; адсорбента, расположенного на наружной поверхности внутренней оболочки; трубопроводов заправки, дренажа и отбора кислорода; мембраны свободного прорыва и клапана вакуумирования, расположенных на наружной оболочке; датчиков температуры.
Устройство блока хранения водорода в основном аналогично устройству блока хранения кислорода.
Компонент из блоков хранения (БХК и БХВ) поступает в ЭХГ за счет избыточного давления, поддер-
живаемого в блоках хранения с помощью электронагрева. Холодный компонент перед поступлением в блок подачи газифицируется и подогревается до температуры не ниже минус 50 °С в газожидкостном теплообменнике-газификаторе.
Блок подачи обеспечивает распределение компонента, отбираемого от блоков хранения, между четырьмя ЭХГ. Он также обеспечивает подачу технологических компонентов в ЭХГ от технологических источников газа для проверки ЭХГ или консервации. При давлении выше 25 кгс/см2 срабатывают предохранительные клапаны блоков подачи и сбрасывают компонент в магистраль дренажа.
Автономная экспериментальная отработка блоков хранения водорода и кислорода на криогенных компонентах (водороде и кислороде) проводилась в составе специально разработанных экспериментальных установок. Экспериментальные установки позволяли производить заправку и слив криогенного ком-
Рис. 22. Блок хранения кислорода: 1 - блок криогенной арматуры; 2 - трубопровод заправки, слива и дренажа кислорода; 3 - датчик количества кислорода; 4 - клапан вакуумирования; 5 - наружная оболочка; 6 - предохранительная прорывная мембрана; 7 - экранно-вакуумная теплоизоляция; 8 - внутренняя оболочка; 9 - охлаждаемый экран; 10 - адсорбент; 11 - электронагреватель с внутренним теплообменником; 12 - стекло-пластиковая опора; 13 - трубопровод отбора
Таблица Б
Основные характеристики БХК и БХВ
БХК БХВ
Масса конструкции 130 151
Объем внутренней оболочки, л 430 840
Масса заправляемого кислорода (водорода), кг 430 54
Объем паровой подушки, л -40 ~5
Испаряемость, г/час 280 40
Суммарная мощность трехсекционного внутрибакового электронагревателя, Вт 810 270
Регулируемый диапазон давлений, кг/см2 17...20 16.19
Диаметр наружной оболочки, мм 1100 1300
Длина наружной оболочки (по опорам), мм 1600 1700
понента, отогрев криостата после слива до плюсовых температур, отбор криогенного компонента с требуемым расходом за счет включения в состав установок набора расходных шайб, проверку испаряемости криогенного компонента. Установки обеспечивали также повороты криостата на 180 градусов и обратно с определенной скоростью и включали в свой состав циферблатные весы с дистанционной регистрацией, которые позволяли производить тарировку датчика количества водорода и кислорода и контроль массы криогенного компонента в процессе испытаний наряду с контролем количества компонента с помощью блока криогенных измерений.
Перед изготовлением штатных образцов блоков хранения водорода и кислорода был проведен большой объем экспериментальной отработки на опытных образцах с целью достижения требуемого уровня испаряемости (не более 40 г/ч водорода и не более 280 г/ч кислорода), который определяется эффективностью теплозащиты блока хранения. Штатные образцы изготавливались с учетом результатов экспериментальной отработки опытных образцов. Каждый изготовленный образец (всего было изготовлено по 32 шт. блоков хранения водорода и кислорода) проходил автономные испытания на жидком водороде или кислороде в составе вышеупомянутых экспериментальных установок.
Система обеспечения теплового режима (СОТР) обеспечивает: термостатирование и отвод тепла, выделяющегося в энергоблоках ЭХГ; конденсацию паров воды в теплообменниках-конденсаторах энергоблоков; разогрев батарей топливных элементов в процессе запуска; газификацию и подогрев криогенных компонентов; термостатирование приборов ЭУ.
Система обеспечения теплового режима энергоустановки выполнена в виде активной двухконтур-ной системы, объединенной с активным гидравлическим контуром системы обеспечения теплового режима орбитального корабля с радиационным теплообменником и теплообменником-испарителем, использующим на орбитальном участке полета в качестве хладагента реакционную воду ЭХГ (на участке посадки используется аммиачный испаритель). Упрощенная пневмогидравлическая схема системы обеспечения теплового режима ЭУ, сопряженная с
системой обеспечения теплового режима орбитального корабля "Буран", приведена на рис. 25.
Система водоудаления и продувок компонентов обеспечивает отвод воды, образующейся в ЭХГ при реакции водорода с кислородом, а также водорода и кислорода, сбрасываемых при периодических продувках для очистки полостей топливных элементов ЭХГ от инертных примесей, накапливающихся в них при работе. Кроме того, она обеспечивает аварийный сброс жидкой воды при прекращении ее приема в систему водообеспечения орбитального корабля. Упрощенная пневмогидравлическая схема этой системы приведена на рис. 26.
Система управления, контроля и электросиловой коммутации обеспечивает: электросиловую коммутацию всех ЭХГ на общие шины ЭУ и выдачу вырабатываемой электроэнергии в системы и оборудование орбитального корабля; электропитание собственных нужд ЭУ от внешнего источника при запуске ЭУ и от ЭХГ в процессе работы; многоуровневый контроль и управление режимами работы ЭУ; автоматический контроль и управление средствами пожаровзрывопредупреж-дения. Упрощенная электросиловая схема ЭУ орбитального корабля "Буран" приведена на рис. 27.
Каждый энергоблок ЭХГ через свой электрический коммутатор (К), установленный в блоке включения генераторов (БВГ) на плюсовой шине, выдает электроэнергию на общие шины ЭУ, при этом "минусовая" шина формируется кабельной сетью непосредственно с клемм энергоблоков. Блок защиты питания (БЗП), обеспечивающий электропитание собственных нужд ЭУ, запитывается непосредственно с шин ЭУ.
Для запуска ЭУ выходные шины запитываются от технологического наземного источника, при этом запитывается блок защиты питания и все собственные потребители ЭУ.
Структурная схема системы управления и контроля приведена на рис. 28. Для обеспечения высокой надежности и безопасности работы ЭУ в составе орбитального корабля с учетом возможного отказа любого из элементов и контуров управления предусмотрен многоуровневый контроль и управление, вклю-
49
Рис. 23. Сборка блоков хранения водорода Рис. 24. Блоки хранения кислорода (слева) и водорода
50
Рис. 25. Упрощенная пневмогидравлическая схема системы обеспечения теплового режима ЭУ орбитального корабля «Буран»: ТО ОК - теплообменник орбитального корабля; ПР- побудитель расхода; РР - регулятор расхода; МП - модуль приборный; ЭЖ Н2 - эжектор Н2; ЭЖ О2 - эжектор О2; БТЭ - батарея топливных элементов; ТОК - теплообменник-конденсатор; ТД - температурный датчик; РД - регулятор давления; ГЖТГ -газожидкостный теплообменник-газификатор; ТОИ - теплообменник-испаритель; СВО - система водообес-печения; УД - устройство дренажа; ЭУ - энергоустановка; РТО - радиационный теплообменник; ЭХГ - электрохимический генератор; ТГ - теплообменник генераторный
чающий как встроенные "жесткие" средства автоматики, так и внешние средства:
■ первый уровень (встроенные средства) - блоки автоматики ЭХГ (БА ЭХГ), обеспечивающие непосредственное автоматическое управление агрегатами и управление средствами, отвечающими за пожаровзрывобезопасность ЭХГ;
■ второй уровень (встроенные средства) - блок управления ЭУ (БУ ЭУ), который совместно с блоком защиты питания обеспечивает управление агрегатами ЭУ, совместно с блоком автоматики ЭХГ - автоматическое выключение и отсечку пневмогид-равлических контуров отказавшего ЭХГ, а также интерфейс с внешними средствами управления ЭУ;
■ третий уровень (внешние средства) - бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ) с устройством сопряжения (УС) и системой бортовых измерений (СБИ), которая обеспечивает гибкое (программно-математическое) управление ре-
жимами запуска, останова, работой в аварийных режимах;
■ четвертый уровень (внешние средства) - центральный пульт контроля (ЦПК), а также наземный комплекс управления (НКУ), который через бортовой радиокомплекс (БРК) и бортовую цифровую вычислительную машину может обеспечивать управление ЭУ в "ручном" режиме. Приборный модуль (МП) представляет собой герметичный контейнер прямоугольной формы, обеспечивающий необходимые условия для размещения в нем приборов ЭУ. Пневмогидравлическая схема модуля приведена на рис. 29.
Приборный модуль включает в себя: герметичный корпус со съемной крышкой и пневматической арматурой избыточного давления; раму с термоплатами крепления и термостатирования приборов; четыре блока автоматики ЭХГ; блок включения генераторов; блок защиты питания; ретранслятор ко-
Рис. 26. Упрощенная пневмогидравлическая схема системы водоудаления и продувки компонентов ЭУ орбитального корабля «Буран»: ЭХГ - электрохимический генератор; ДД - датчик давления; НВ - накопитель воды; КУВ - клапан удаления воды; ЭН - электронагреватель; БД - блок дренажа; СВО - система водообеспечения
Рис. 27. Упрощенная электросиловая схема ЭУ орбитального корабля «Буран»: ЭБ - энергоблок; БТЭ - батарея топливных элементов; ЭМ - энергомодуль; ДТ - датчик тока; К - коммутатор; БВГ - блок включения генераторов; МП - модуль приборный; ШО - шина общая; ОК - орбитальный корабль; БЗП - блок защиты питания; ЭУ - энергоустановка
Рис. 28. Структурная схема управления и контроля ЭУ орбитального корабля «Буран»: БРК - бортовой ради-комплекс; НКУ - наземный комплекс управления; БЦВМ - бортовая цифровая вычислительная машина; УС -устройство сопряжения; ЦПК - центральный пульт контроля; СБИ - система бортовых измерений; ЭУ - энергоустановка; БУ ЭУ - блок управления ЭУ; ЭХГ - электрохимический генератор; БЗП - блок защиты питания
Рис. 29. Пневмогидравлическая схема приборного модуля: 1 - вход СОТР1; 2 - вход СОТР2; 3 - пневмоуправле-ние КНБ; 4 - заправка БН; 5 - выход СОТР2; 6 - выход СОТР1; ПК - предохранительный клапан; БУ ЭУ - блок управления энергоустановки; БА ЭХГ - блок автоматики ЭХГ; БЗП - блок защиты питания; РКС - ретранслятор команд и сигналов; БВГ - блок включения генераторов; БН - баллон наддува; БРД - блок регуляторов давления; КНБ - клапан наддува баллона; ДД - датчик давления
манд и сигналов (РКС); блок управления ЭУ; кабельную сеть.
Двухступенчатая система предохранительных устройств модуля приборного позволяет предохранить его корпус от разрушения при изменении перепада давления между внутренней полостью и окружающей средой более 120 мм рт.ст. Пневматическая арматура обеспечивает поддержание избыточного давления в модуле от 10 до 120 мм рт.ст. при изменении давления окружающей среды от 820 до 10-6 мм рт.ст. и обратно.
В состав системы поддержания избыточного давления входят: баллон наддува (БН); блок регуляторов давления (БРД); предохранительный клапан (ПК); две горловины наддува; клапан наддува баллона (КНБ); датчики давления. Приборы ЭУ устанавливаются на термоплаты, расположенные на силовой раме, при этом специальной прижимной конструкцией обеспечивается тепловой контакт корпуса прибора и термоплаты. Через термоплаты прокачивается теплоноситель системы обеспечения теплового режима ЭУ, обеспечивая температуру теплосъемных поверхностей приборов в пределах от 5 до 50 °С.
КОНСТРУКЦИЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ
ЭУ располагается на орбитальном корабле в средней части фюзеляжа под отсеком полезного груза. Она размещена в трех отсеках фюзеляжа, разделяемых шпангоутами. В центральном отсеке установлен энергомодуль с четырьмя ЭХГ и на бортах смонтированы заправочно-дренажные колодки и блоки дренажа водорода и кислорода. В переднем отсеке установлены два блока хранения кислорода и приборный модуль, в котором находятся приборы управления и электросиловой коммутации ЭУ. В заднем отсеке установлены два блока хранения водорода. Агрегаты ЭУ установлены на посадочных местах, организованных на силовых элементах фюзеляжа. После монтажа агрегатов, прокладываются трубопроводы и кабельная сеть, связывающие отдельные агрегаты. Для отработки ЭУ, проведения приемо-сдаточных испытаний, транспортировки и установки ЭУ в орбитальном корабле был создан имитатор конструкции фюзеляжа орбитального корабля, обеспечивающий компоновку и посадочные места для всех агрегатов, аналогичные штатным. Общий вид ЭУ, смонтированной на имитаторе конструкции фюзеляжа орбитального корабля, приведен на рис. 30 и 31.
Упрощенная пневмогидравлическая схема ЭУ представлена на рис. 32. Блоки хранения водорода (БХВ) и кислорода (БХК) соединены заправочно-дре-нажными трубопроводами с колодками заправочными (КЗВ, КЗК), трубопроводами пневмоуправления с колодками управления и технологической подачи водорода или кислорода (КУТВ, КУТК) и трубопроводами подачи компонентов с энергомодулем, в котором они последовательно связывают газожидкостные теплообменники- газификаторы (ГЖТГ), блоки подачи водорода и кислорода (БПВ, БПК) и энергоблоки ЭХГ. В блоке подачи кислорода организованы два штуцера связи с системой обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) корабля. Колодки управления и технологической подачи водорода и кислорода соединены трубопроводами подачи технологических газов с соответствующими блоками подачи компонентов в энергомодуле.
Два контура теплоносителя СОТР последовательно проходят через приборный модуль, в котором контуры теплоносителя разветвляются, проходя по четырем каналам термоплат, на которых закреплены приборы, и далее проходят в энергомодуль, в котором теплоноситель каждого контура охлаждает два параллельно соединенных газожидкостных теплообменника-газификатора и теплообменник генераторный (ТГ). Магистрали теплоносителя каждого ЭХГ соединены с соответствующей секцией теплообменника генераторного (ТГ).
Криогенные водород и кислород поступают из всех четырех блоков хранения в энергомодуль, где они подогреваются в газожидкостных теплообменниках-газификаторах теплоносителем системы обеспечения теплового режима ЭУ до ± 50 °С и далее поступают в блоки подачи водорода и кислорода, которые распределяют компоненты между энергоблоками ЭХГ. Блоки подачи могут направлять компоненты из любого блока хранения в любой энергоблок ЭХГ и из любого блока хранения кислорода - в систему обеспечения жизнедеятельности корабля.
В энергоблоках, в результате электрохимического окисления водорода и восстановления кислорода раздельно на электродах топливных элементов, генерируется постоянный электрический ток, образуется вода и выделяется тепло, причем зависимость количества расходуемых компонентов, генерируемой воды и тепла пропорциональна количеству генерируемой электроэнергии. Вода из энергоблоков поступает по водяным магистралям через блоки дренажа и накопители воды в систему водо-обеспечения (СВО), а тепло отводится циркулирующим в энергоблоках теплоносителем системы обеспечения теплового режима ЭУ в генераторный теплообменник, в котором передается теплоносителю системы обеспечения теплового режима орбитального корабля.
Подача компонентов из блоков хранения водорода и кислорода происходит за счет поддержания в них давления компонентов в диапазоне 10.20 кгс/см2 путем периодического включения блоком защиты питания секций электронагревателей в блоках хранения компонентов командами, формируемыми в блоке управления энергоустановки по сигналам, поступающим от встроенных в блоки хранения сигнализаторов давления.
Электроэнергия, генерируемая энергоблоками ЭХГ, по кабельной сети поступает на общую "минусовую" шину, а в блоке включения генераторов -на общую "плюсовую" шину и далее по бортовой кабельной сети к бортовым потребителям. С этих же шин электроэнергия отбирается на собственные нужды энергоустановки. Распределение электроэнергии между электропотребителями энергоустановки осуществляется блоком защиты питания.
В процессе работы электрохимических генераторов на нагрузку в топливных элементах накапливаются примеси, входящие в состав кислорода и водорода, что затрудняет работу топливных элементов. Удаление примесей осуществляется периодическими продувками топливных элементов рабочими компонентами. Сброс продувочных газов и воды (при отказе принятия ее системой водообеспечения) в окружающее пространство и подача воды в систему водообеспечения осуществляется агрегатами блока дренажа и накопителем воды.
Рис. 30. Энергоустановка, смонтированная на имитаторе конструкции ОК «Буран» в сборочном цехе
Блоки хранения Электрохимические
водорода
Рис. 31. Энергоустановка; смонтированная на имитаторе конструкции ОК «Буран», на контрольно-испытательной станции
Рис. 32. Упрощенная пневмогидравлическая схема ЭУ орбитального корабля «Буран»: КЗК - колодка заправочная кислорода; КУТК - колодка управления и технологической подачи кислорода; БХК - блок хранения кислорода; КДК - колодка дренажа кислорода; СОТР - система обеспечения теплового режима; ГЖТГ - газожидкостный теплообменник-газификатор; БПК - блок подачи кислорода; СОЖ - система обеспечения жизнедеятельности; МП - модуль приборный; КЗВ - колодка заправочная водорода; КУТВ - колодка управления технологическая водорода; КДВ - колодка дренажа водорода; ТГ - теплообменник генераторный; ЭХГ - электрохимический генератор; БД - блок дренажа; СВО - система водообеспечения
В случае нерасчетного повышения давления в одном из блоков хранения водорода и кислорода (более 25 кгс/см2) срабатывает "теплый" предохранительный клапан в соответствующем блоке подачи и стравливает компонент с ограниченным расходом, примерно равным максимальному расходу компонента в энергоблоки, в трубопровод аварийного дренажа, чтобы не переохладить компоненты на входе в энергоблоки.
Теплоноситель по двум контурам системы обеспечения теплового режима орбитального корабля поступает с температурой 5...35 °С на вход приборного модуля, в котором прокачивается через термоплаты приборов, направляется в энергомодуль, где газифицирует и подогревает компоненты в газожидкостных теплообменниках-газификаторах, а затем отводит основное тепло, выделяемое энергоблоками в генераторном теплообменнике. После этого теплоноситель в энергомодуле объединяется в один канал (по каждому контуру) и возвращается в систему теплового режима орбитального корабля.
Перед началом работы энергоустановки производится ее заправка криогенными компонентами и запуск, а после окончания работы - останов и слив ос-
татков компонентов из блоков хранения водорода и кислорода. Заправка и слив компонентов проводятся через заправочные колодки и заправочно-дренажные магистрали. Управление заправочными клапанами блоков хранения водорода и кислорода осуществляется через колодки управления и трубопроводы управления пневмоклапанами блоков хранения. После заправки энергоустановки за 8-12 минут до отвода башни обслуживания орбитального корабля производится отстыковка наземных частей заправочных и управляющих колодок путем подачи гелия с избыточным давлением 150...230 кгс/см2 в механизмы их дистанционного разделения.
Запуск энергоустановки включает в себя операции по подъему давления компонентов в блоках хранения водорода и кислорода, разогрев и замену газов в электрохимических генераторах и включение их на нагрузку. Подъем давления компонентов в блоках хранения осуществляется включением электронагревателей в каждом блоке хранения, при этом контролируется рост давления и температуры в каждом блоке. Разогрев электрохимических генераторов производится включением электронагревателей энергоблоков. Замена консервирующего газа (аргона) про-
56
изводится продувкой газовых полостей топливных элементов водородом и кислородом. Каждая продувка включает в себя несколько циклов открытия входных клапанов ЭХГ,его наддув и стравливание газов через продувочные клапаны. Для автономного запуска ЭХГ в составе ЭУ подвод компонентов к нему осуществляется через базовые колодки управления, трубопроводы технологической подачи компонентов и технологические электроклапаны блоков подачи.
Останов энергоустановки заключается в отключении каждого ЭХГ от нагрузки и продувке его аргоном. На время продувки (2+0,2 мин) открываются продувочные клапаны (входные клапаны открыты) и на вход ЭХГ подается аргон. После останова ЭУ ее водяные магистрали остаются заправленными водой, а в продувочных магистралях присутствует влага, поэтому дальнейшее хранение и транспортирование энергоустановки до начала очередного цикла ее работы должно проводится с обеспечением температуры агрегатов и элементов конструкции ЭУ не ниже 5 °С.
Экспериментальная отработка энергоустановки. В соответствии с комплексной программой экспериментальной отработки ЭУ были проведены следующие испытания: автономная отработка ЭХГ, блоков хранения криогенных компонентов, агрегатов и приборов ЭУ; автономная отработка энергоустановки; комплексная отработка ЭУ в составе макетов ОК (орбитального корабля); проверка интерфейса и функционирования ЭУ в составе ОК.
Автономная отработка ЭУ проводилась поэтапно, при этом последовательно были изготовлены: статический макет ЭУ, лабораторно-отработочный макет ЭУ (ЛОИ), две ЭУ штатного исполнения для проведения конструкторско-доводочных испытаний (КДИ), экспериментальная установка, имитирующая бортовую нагрузку, систему термостатирования ОК, систему обеспечения жизнедеятельности ОК, условия размещения ЭУ на ОК, а также включающая в себя бортовые средства управления и контроля ЭУ - комплексный электрический стенд ОК. При этом в корпусе ОК "Буран" были смонтированы все штатные системы корабля, в том чис-
ле и ЭУ, которые взаимодействуют электрически и пневмогидравлически так же, как в полете.
Для подтверждения прочности конструкции при воздействии максимальных инерционных нагрузок и определения напряженно-деформированного состояния элементов конструкции проводились испытания статического макета ЭУ.
Для проведения приемо-сдаточных испытаний ЭУ, а также лабораторно-отработочных и конст-рукторско-доводочных испытаний ЭУ и криогенных блоков хранения при их функционировании на криогенных компонентах в НИИХИММАШ был создан специализированный испытательный стенд В5 с одновременным функционированием четырех рабочих мест (двух ЭУ, криогенного блока хранения водорода и криогенной водородной арматуры), размещенных в четырех боксах, снабженных средствами заправки и дренажа газообразных и криогенных рабочих и технологических компонентов, вакууми-рования, термостатирования ЭУ, имитации бортовой нагрузки, контроля качества компонентов, по-жаровзрывопредупреждения и пожаротушения, а также дистанционными средствами управления, контроля и регистрации параметров ЭУ и стенда, установленных в пультовых (в отдельном здании), обеспечивающих безопасность обслуживающего персонала (рис. 33, 34). Экспериментальные установки, смонтированные в двух боксах стенда, обеспечивали возможность изменения на 90 градусов положения конструкции ЭУ (с габаритами 5500x4500x2500 мм), что имитировало "стартовое" и "посадочное" положения ОК.
Лабораторно-отработочные испытания ЭУ проводились с целью проверки выбранной схемы заправки жидким водородом и кислородом, хранения этих веществ и функционирования ЭУ на криогенных компонентах.
Конструкторско-доводочные испытания ЭУ включали следующие работы: вибропрочностные испытания, испытания на имитацию транспортировочных нагрузок и ударные нагрузки при имитации отделения ОК от ракеты-носителя "Энергия", кли-
Рис. 33. Корпус стенда В5 для входного контроля узлов и агрегатов ЭУ ОК «Буран», ее сборки и управления и контроля при криогенных испытаниях
Рис. 34. Корпус стенда В5 для криогенных испытаний узлов и агрегатов ЭУ и ЭУ ОК «Буран» в целом
матические и тепловакуумные испытания, проверку работоспособности ЭУ в цикле штатной эксплуатации.
Вибропрочностным испытаниям, имитирующим нагрузки при выводе ОК на орбиту с помощью ракеты-носителя "Энергия", подвергалась ЭУ-КДИ, заполненная имитатором компонентов (этиловым спиртом) до штатной массы. Испытания проводились в ЦНИИМАШ при воздействии низкочастотных нагрузок в диапазоне 5-1000 Гц (рис. 35, 36).
Проверка вибропрочности конструкции на режимах, имитирующих транспортировку ЭУ наземным транспортом, проводилась при незаправленных блоках хранения водорода и кислорода на том же стенде ЦНИИМАШ.
Испытания ЭУ-КДИ на воздействие ударных нагрузок проводились в НИИХИММАШ с блоками хранения, заправленными имитаторами компонентов, на специальном стенде, при этом ударные нагрузки (100 g) обеспечивались срабатыванием штатного пиротехнического толкателя, отделяющего ОК от ракеты-носителя "Энергия" (рис. 37, 38).
Климатические испытания ЭУ проводились в НИИХИММАШ с выдержкой в специальной климатической камере при следующих условиях воздействия окружающей среды: относительная влажность 98 % при температуре 35 °С, температура 50 °С, температура минус 50 °С.
Тепловакуумные испытания ЭУ (рис. 39, 40) проводились в термобарокамере ВК-600/300 (в НИИХИМ-МАШ) с целью проверки теплового режима и работоспособности ЭУ в условиях, близких к натурным: давление - 1. 10-5 мм рт. ст., температура окружающей среды - минус 170 °С, воздействие потоков солнечного излучения.
Испытания проводились в двух экстремальных режимах работы ЭУ: при максимальных электрических нагрузках ЭУ (25 кВт), максимальной температуре теплоносителя СОТР ОК (35 °С) и имитации максимальных внешних тепловых потоков (солнечное облучение); при минимальных электрических нагрузках ЭУ (2 кВт), минимальной температуре теплоносителя СОТР ОК (5 °С) и отсутствии внешних тепловых потоков ("космический холод").
Проверка работоспособности ЭУ на криогенных компонентах в штатных циклах эксплуатации проводилась на экспериментальных изделиях ЭУ-ЛОИ, ЭУ-КДИ1, ЭУ-КДИ2 в составе специализированного стенда В5 (НИИХИММАШ - рис. 41, 42), при этом решались следующие задачи: отработка штатной технологии заправки блоков хранения водорода и кислорода криогенными компонентами, отработка вывода на режим БХК, БХВ, проверка режима безрасходной стоянки БХК, БХВ, отработка штатного запуска ЭХГ с последующим подключением на нагрузку, проверка работоспособности ЭУ и режимов работы за время одного цикла, определение реально нарабатываемой
Рис. 35. Подготовка вибро-испытаний ЭУ ОК "Буран"
Рис. 36. Виброиспытания ЭУ ОК "Буран"
58
Рис. 37. Ударные испытания (на отстрел) ЭУ ОК Рис. 38. Штатный пиропатрон на установке для удар-«Буран» ных испытаний ЭУ ОК «Буран»
Рис. 39. Подготовка ЭУ ОК "Буран" к загрузке в термобарокамеру
Рис. 40. Загрузка ЭУ ОК «Буран» в термобарокамеру
Рис. 41. Установка ЭУ ОК «Буран» в боксе на стенде В5
Рис. 42. ЭУ ОК «Буран» на стенде В5 в вертикальном (стартовом) положении
энергоемкости, воды и других параметров ЭУ. Общее время работы ЭУ на нагрузку составило ~2000 часов.
В составе комплексного электрического стенда ОК в РКК "Энергия" ЭУ работала на газообразных компонентах (водороде и кислороде) и прошла совместные пневмоэлектрические испытания со всеми системами ОК, с которыми она связана (рис. 43, 44).
После всесторонней экспериментальной отработки и соответствующих доработок была изготовлена ЭУ для пилотируемого ОК. Она прошла приемо-сдаточные испытания сначала на инертных газах, потом на газообразных водороде и кислороде на контрольно-испытательной станции РКК "Энергия, а затем на криогенных компонентах в НИИХИММАШ. После доставки на космодром Байконур в начале 1990 г. все крупные блоки ЭУ (энергомодуль, приборный модуль, блоки хранения водорода и кислорода и др.) прошли индивидуальный входной контроль. Затем они были смонтированы на пилотируемый вариант ОК и соединены ка-
белями и трубопроводами. После этого ЭУ в составе ОК прошла специальные автономные, а потом комплексные испытания на инертных газах и затем - на газообразных водороде и кислороде (рис. 45, 46).
ОК был состыкован с ракетой-носителем "Энергия", и летом 1990 г. весь ракетно-космический комплекс "Энергия - Буран" был вывезен и установлен на стартовый комплекс (рис. 47, 48). Рис. 47 - на правой башне обслуживания видны две цилиндрические емкости для заправки ЭУ ОК "Буран" криогенным водородом. Немного ниже видны две раздвижные площадки обслуживания (охватывающие ОК) для заправки ЭУ ОК "Буран" криогенными водородом и кислородом. Одной из главных задач этого "сухого" вывоза (без заправки баков ракеты-носителя) была проверка штатного предполетного цикла работы ЭУ: заправка ЭУ криогенными водородом и кислородом; подъем давления (с помощью электронагревателей) в блоках
59
Рис. 44. Энергоустановка в составе комплексного электрического стенда ОК «Буран»
Рис. 43. Комплексный электрический стенд ОК «Буран»
Рис. 45. ЭУ в составе ОК «Буран» на техническом комплексе космодрома «Байконур»
Рис. 46. ЭУ в составе ОК «Буран» на техническом комплексе космодрома «Байконур»
ас
Рис. 47. Ракетно-космический комплекс «Энергия-Буран» на стартовом комплексе
хранения водорода и кислорода; разогрев ЭХГ и замена в них инертных газов на водород и кислород; вывод ЭУ на рабочий режим; переключение всей электрической нагрузки ОК с неземного питания на питание от ЭУ и работа в таком режиме до "старта". Управление всеми этими операциями проходило с командного пункта (бункера), при этом работа ЭУ прошла без замечаний.
Основным отличием ЭУ "Бурана" от ЭУ ЛОК является переход от ЭХГ с щелочным электролитом, циркулирующим через ТЭ, на ЭХГ, у которого электролит находится в пористых матрицах самих ТЭ. В этом случае межэлектродное расстояние уменьшается с 3 до 0,3 мм, что ведет к резкому сокращению внутреннего электрического сопротивления ТЭ и отсюда -к более высокому КПД и более пологой вольт-амперной характеристике ТЭ, а также к более компактной и легкой батарее ТЭ. Более рациональная схема ЭХГ и более тщательная разработка узлов и агрегатов привели к тому, что его удельная масса уменьшилась в четыре раза (с 65 кг/кВт до 16 кг/кВт), а гарантированный ресурс увеличился в два раза (с 1000 до 2000 ч) (см. табл. 2). В целом же произошло увеличение мощности (с 3-1,1 кВт до 4-10 кВт), энергоемкости (с 500 кВт-ч до 2500 кВт-ч) и удельной энергоемкости (с 770 Вт-ч/кг до 860 Вт-ч/кг). По такому же пути при разработке ЭХГ на ЭУ многоразового космического корабля "Шаттл" пошли и американцы (см. табл. 6).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате завершения работ по энергоустановке с ЭХГ для ОК "Буран", являющихся логичес-
Рис. 48. Подстыковка наземной системы заправки криогенным водородом к ЭУ ОК
ким продолжением работ по энергоустановке с ЭХГ
для ЛОК, решен ряд сложных научно-технических
проблем:
■ Разработана конструкторская, технологическая и эксплуатационная документация и освоены производство, экспериментальная отработка и эксплуатация ЭУ с ЭХГ с криогенным хранением водорода и кислорода. При этом исследованы и оптимизированы процессы энергетического, теплового и массового баланса в ЭУ с ЭХГ; созданы новые конструкционные материалы и теплозащитные покрытия; исследованы различные способы хранения водорода и кислорода (газобаллонное, в химически связанном состоянии, криогенное док-ритическое и сверхкритическое) и выбраны оптимальные для данной задачи криогенное док-ритическое хранение кислорода и криогенное сверхкритическое хранение водорода; созданы криогенные системы хранения водорода и кислорода, обеспечивающие длительное безрасходное хранение компонентов с минимальными теп-лопритоками, а при работе ЭХГ - вообще без паразитных потерь; создана легкая, компактная, высоконадежная водородная и кислородная арматура, работающая как при криогенных, так и при нормальных температурах; разработаны способы и устройства, обеспечивающие сброс влажных газов и воды в космический вакуум; разработаны методы вибропрочностных, ударных, тепловакуумных и ресурсных испытаний ЭУ с ЭХГ, обеспечивающих всестороннюю наземную отработку, чем гарантируется надежное функционирование установки в космических условиях; создана стройная система комплексного проектирования, изготовления, сборки, приемосдаточных испытаний (сначала на газообразных, а затем на криогенных компонентах) ЭУ с ЭХГ и далее испытаний установки в составе ОК "Буран" на техническом и стартовом комплексах космодрома "Байконур" с параллельным контролем из Центра управления космическими полетами.
■ Разработана конструкторская, технологическая и эксплуатационная документация и освоено се-
Таблица 6
Основные характеристики ЭУ пилотируемых космических кораблей «Джемини»,
«Аполлон», ЛОК, «Шаттл», «Буран»
№ п/п Характеристики «Джемини» «Аполлон» ЛОК «Шаттл» «Буран»
1 Мощность длит./кратковр., кВт 2x0,64/2x x1,05 3x0,9/3x1,42 3x1,1/3x1,5 3x7/3x12 4x10/4x15
2 Напряжение, В 24.31 26,5.31 25.33 27,5.32,5 30,5.34
3 Тип ТЭ в ЭХГ Твердопо-лимерн. ТЭ с ионообменной мембраной Щелочной ТЭ с электролитом в замкнутом объеме Щелочной ТЭ с циркулирующим электролитом Щелочной ТЭ с электролитом в матричной мембране Щелочной ТЭ с электролитом в матричной мембране
4 Рабочая температура ТЭ, ОС 30.40 200.260 94.100 82.110 85.100
5 КПД ЭХГ, % 55 63 58 60 60
6 Уд.расход Н2+О2, кг/кВт ч 0,55 0,37 0,38 0,35 0,35
7 Уд.масса ЭХГ, кг/кВт 50 125 65 16 16
8 Гарантир.ресурс ЭХГ, ч 400 500 1000 2000 2000
9 Уд.стоимость ЭХГ, тыс.долл/кВт 80.100 80.100 70 40.50 30
10 Раб.давление, кгс/см2/вид криог.хранения*:
- водород сверхкри-тич. 16.18/сверх-критич. 12.16/све-рхкритич. 7.24/сверх-критич. 16.19 /сверхкритич.
- кислород сверхкри-тич. 61,3.66 /сверхкритич. 12.16 /докритич. 7.74/сверх-критич. 17.20 /докритич.
11 Энергоемкость (полная), кВт ч 160 660 500 2000 2500
12 Уд.энергоемкость, Вт ч/кг 680** 800*** 770 880 860
13 Время одного полета, сут/ч 14/336 14/336 12/228 7/168 7/168
Примечания:
*РН2 >12 кгс/см2, Р02 > 25 кгс/см2 - сверхкритическое состояние с однофазным состоянием компонента; **Не учтена масса системы управления, межблочных электрических и пневмогидравлический связей, крепежа, холодильника-излучателя и ряда агрегатов СОТР; ***Не учтена масса системы управления и электросиловой части.
62
рииное производство щелочных топливных элементов, батарей топливных элементов и электрохимических генераторов. При этом использованы различные типы ТЭ и выбраны оптимальный тип и конструкция ТЭ для данной ЭУ; разработаны высокоэффективные катализаторы для водородно-кислородных ТЭ; разработаны металлокерамические никелевые электроды с высокой однородностью пор; обеспечено точное регулирование тепломассообмена в ТЭ с матричным электролитоносителем для обеспечения их длительной устойчивой работы.
■ Разработана технология и освоено производство криогенных водорода и кислорода особой чистоты (99,9999 % - Н2, 99,999 % - О2); разработаны и освоены методы и аппаратура контроля их чистоты.
■ Созданы оборудование и инфраструктура транспортировки, хранения и заправки криогенных водорода и кислорода; разработаны и проверены требования и нормативная документация по безопасному хранению и эксплуатации криогенных водорода и кислорода.
■ Таким образом, после завершения разработки ЭУ с ЭХГ для орбитального корабля "Буран" в 19901991 гг. в СССР были созданы фундаментальные научно-технические, проектно-конструкторские, производственно-технологические и экспериментальные основы для развития новейшего вида энергетики - энергоустановок на основе топливных элементов. Такой высокий уровень разработок по ЭУ с ЭХГ в то время был только в США.
■ Для дальнейшего развития ЭУ с ЭХГ для пилотируемых многоразовых космических кораблей необходимо решение следующих научно-технических и конструкторско-технологических задач:
♦ Снижение удельной массы ЭХГ с 16 кг/кВт до 5...7 кг/кВт за счет схемного и конструктивного совершенствования всех его составляющих и прежде всего батареи ТЭ;
♦ Увеличение гарантийного ресурса ЭХГ с 2000 ч до 7000.10000 ч и прежде всего за счет ослабления коррозионных процессов в ТЭ;
♦ Снижение удельной стоимости ЭХГ (основной составляющей стоимости ЭУ) с 30.50 тыс.долл/кВт до 5.10 тыс.долл/кВт, в том числе за счет существенного уменьшения содержания платины, используемой в качестве катализатора в электродах ТЭ;
♦ Увеличение удельной энергоемкости ЭУ с 800.900 Вт.ч/кг до 1200.1500 Вт.ч/кг за счет схемного и конструктивного совершенствования всех ее составляющих и прежде всего системы хранения и подачи компонентов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] H. Mac Brayar. Fuel Cell Systems for Manned Spacecraft. // Proc. conf. Electrochem. Power Sources Systems for Space Applic-Paris: D.4-7 dec.1967, р.21-34.
[2] Мишин В.П., Мельников М.В., Овчинников В.С., Григоров Э.И., Худяков С.А. и др. Система энергопитания лунного орбитального корабля ЛОК-ЛЗ на основе электрохимических генераторов с во-дородно-кислородными топливными элементами. // Эскизный проект - Королев: РКК "Энергия", 1969, П4341-505, 209с.
[3] Ferguson P.L. Apollo Fuel Cell Power Systems // 23 Annual Power Sources Conf. 1969, p. 11-13.
[4] Мишин В.П., Мельников М.В., Овчинников В.С., Гри-горов Э.И., Худяков С.А. и др. Результаты летно-кон-структорских испытаний системы энергопитания лунного орбитального корабля ЛОК-ЛЗ № 6А при пуске ракеты-носителя Н1 № 7. // Технический отчет - Королев: РКК "Энергия", 1973, П9553, 27с.
[5] Fulton M. Fuel Cell power the Space Shuttle Orbiter. // Elect. Rew., 1978, No. 17, p. 53-54.
[6] Подшивалов С.А. (Худяков С.А.), Иванов Э.И., Муратов Л.И. и др. Энергетические установки космических аппаратов // М.: Энергоиздат, 1981, 222 с.
[7] Глушко В.П., Черток Б.С., Овчинников В.С., Григо-ров Э.И., Магдесьян А.Л., Худяков С.А. и др. Многоразовый пилотируемый космический корабль "Буран". Система электропитания. // Технический проект. Пояснительная записка - Королев: РКК "Энергия", 1986, 11Ф35.10Э0000-0732, 112с
[8] Grigorov E.I., Korovin N.V., Khudyakov S.A. Hyd-rogen-oxjgen fuel cell plant for ship "Buran". // International Society of Electro chemistry, 42 nd Meeting, Abstracts, Montreux, Switzerland, 1991, p. 1-18.
[9] Аршинов А.Н., Григоров, Худяков С.А. и др. Энергоустановка на основе электрохимических генераторов с водородно-кислородными топливными элементами для многоразового космического корабля "Буран". // Водородная энергетика и технология -М.: Институт водородной энергетики и плазменных технологий Российский научный центр "Курчатовский институт", 1992, вып. 1, с.73-76.
[10] Аршинов А.Н., Корнилов В.Ф., Худяков С.А. и др. Энергоустановка на основе электрохимических генераторов для космического корабля "Буран" и возможности ее использования в народном хозяйстве. // Труды первой международной авиакосмической конференции "Человек-земля-космос" - М.: 1996, Т.6, с.362-376.
