Е.И. Панченко
А.С. Коровкин
электроэнергетика

Е. И. Псшченко,
А. С. Коровкин
КОСМИЧЕСКАЯ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
Предисловие
члена-корреспондента АН СССР
н. с. лидоренко
Издательство «Знание»
Москва 1967

етояг
83-1

Предисловие
Вопросы энергетики занимают особое место при оценке
состояния прогресса и уровня развития науки и техники. В
нашей стране развитию энергетики уделяется большое
внимание, и это нашло отражение в Программе КПСС, которая при
определении задач в области науки поставила в один ряд
с другими важнейшими задачами — открытие новых
источников энергии и способов прямого преобразования тепловой,
ядерной, солнечной и химической энергии в электрическую.
В последнее десятилетие большие успехи были
достигнуты в области космической электроэнергетики.
Необходимость создания эффективных энергетических установок для
автоматических искусственных спутников Земли, обитаемых
космических кораблей и межпланетных станций
стимулировала развитие новых направлений разработок бортовых
источников тока, основанных на достижении современной физики и
химии.
Успехи в области космической электроэнергетики в
большой мере определили уровень развития и перспективные
возможности космической техники. Достижения космической
энергетики оказывают также плодотворное влияние на
дальнейшее развитие энергетических установок, работающих в
земных условиях, что, в свою очередь, определяет
последующий технический прогресс энергетических установок
космических объектов.
Несмотря на то, что земная и космическая
электроэнергетика основывается практически на одних и тех же физических
процессах, особенности и специфика использования
источников электроэнергии на космических объектах вынуждают
конструкторов-разработчиков этих средств преодолевать
значительные ^трудности, определяемые требованиями
обеспечения высокой надежности в сложных эксплуатационных
режимах при наличии жестких требований к весам и
габаритам бортовых энергоустановок, искать принципиально новые
технические решения, применительно к задачам и условиям
работы космических объектов.
Эти специфические особенности — характерные условия
эксплуатации, новые технические решения — дают основание
выделить энергетические установки космических объектов в
самостоятельную группу.
Настоящая брошюра посвящена рассмотрению именно
этой группы энергетических установок.
Вопросам популяризации космической энергетики
посвящено немного работ. Не претендуя на полное и подробное
освещение многообразных проблем космической энергетики,
3

данная брошюра тем не менее дает представление об уровне
и тенденциях развития первичных источников электроэнергии
космических объектов и может быть полезна всем
интересующимся этой новой и многообещающей отраслью техники.
Член-корреспондент
Академии наук СССР
Н. С. Лидоренко
От авторов
Развитие космической техники связано с решением грандиозных задач и
проведением сложных научных исследований. Решение этих задач
возможно лишь на основе мощной экономики, крупных достижений науки и
техники во многих направлениях, совершенной технологии и высокой
организации производства.
Однако как ни велико разнообразие научных и технических задач, как
бы ни отличались конкретные пути и методы проникновения в космос и
его освоения, создание и усовершенствование космической техники во
многом зависит от решения проблем электроэнергетики.
В данной брошюре, написанной по материалам советской и
иностранной литературы, сделана попытка дать читателям представление о
современном состоянии работ в области космической энергетики и определить
основные тенденции ее развития. При этом выделены три основные
направления получения электрической энергии на борту космических объектов,
которые наиболее определились как в нашей стране, так и за границей. Они
связаны с использованием в качестве первичной — химической, световой и
тепловой энергии.
Различают ХИТ одноразового и многоразового действия. К
одноразовым относятся гальванические элементы. В них невозможно после
разряда восстановить первоначальные свойства электродов, т. е. вновь получить
исходные активные вещества при пропускании тока от внешнего
источника в обратном направлении. В источниках многоразового действия
(аккумуляторах) электрохимическая реакция обратима, т. е. продукты реакции
могут регенерироваться (превращаться в исходные, вновь активные
вещества). Это происходит при пропускании тока в обратном направлении от
внешней цепи через разряженный аккумулятор,

Электрохимические источники тока
Химический источник тока (ХИТ) —это устройство, в
котором осуществляется преобразование химической энергии,
т. е. энергии химической реакици, в энергию электрическую.
ХИТ, как правило, состоят из двух разнородных
электродов (реагентов), погруженных в электролит (гальваническая
пара). На одном электроде (отрицательном) происходит
реакция окисления, а на другом (положительном) — реакция
восстановления. Окислительно-восстановительная реакция
заключается в том, что атомы или ионы одного из реагирующих
веществ отдают свои электроны, а атомы или ионы другого
реагирующего вещества их принимают.
Обычные ХИТ характеризуются тем, что количество
отдаваемой электрической энергии пропорционально количеству
реагентов, заранее закладываемых в конструкцию
источников тока. В процессе токообразующей реакции исходные
активные вещества вследствие электрохимических процессов
окисления и восстановления теряют свои свойства отдавать
и принимать электроны и в результате разряда
превращаются в новые вещества, уже не способные к генерированию
электрической энергии.
Для космической электроэнергетики ХИТ —пока один из
важнейших, а до недавнего времени практически
единственный вид бортовых источников электропитания. Они
используются практически на космических объектах всех типов:
автоматических спутниках Земли, межпланетных станциях,
обитаемых космических кораблях.
Столь широкое распространение ХИТ объясняется рядом
причин. Первая из них (и основная) связана с большей, чем
у любых других видов источников тока, величиной удельной
энергии, т. е. со способностью обеспечить выработку
наибольшей электроэнергии с единицы веса источника. Другой
важный фактор — высокая надежность ХИТ. Она определяется
относительной простотой конструкции и отработанностью про^
цесса изготовления.
На космических объектах наибольшее распространение
получили энергетические установки, использующие такие
гальванические пары, как окись серебра — цинк
(серебряно-цинковые батареи — СЦ), окись никеля — кадмий (кадмий-никеле*
вые батареи — КН). Ограниченное применение находит ртут-
но-цинковые (окисно-ртутные) элементы.
К основным техническим характеристикам ХИТ относятся;
рабочее напряжение, емкость, энергия^ мощность, величина
саморазряда, срок службы,
5

Различают начальное рабочее напряжение — это
напряжение, обеспечиваемое ХИТ в начале разряда, конечное
напряжение разряда, ниже которого эксплуатация ХИТ
считается нецелесообразной, и среднее рабочее напряжение,
используемое при расчетах электроэнергии, обеспечиваемой ХИТ.
Емкость ХИТ — это количество электричества, которое он
может отдать при разряде до конечного напряжения. При
постоянной величине разрядного тока емкость ХИТ подсчиты-
вается по формуле:
где Q — емкость, ампер-часы;
/р—величина разрядного тока, амперы;
t — время разряда, часы.
Величина емкости определяется количеством активных
веществ, заложенных в ХИТ, а также температурой и
величиной разрядного тока, от которого зависит степень
использования активных веществ.
Энергия, отдаваемая ХИТ, определяется произведением:
л/ р = и Ср р (^ р,
где Wp — энергия разряда (ватт-часы);
^срр — среднее рабочее напряжение (вольты);
Qp — разрядная емкость.
Отношение величины энергии, отдаваемой ХИТ, к его
полному весу и объему называют удельной энергией по весу и
удельной энергией по объему соответственно. Это один из
важнейших параметров ХИТ.
Величина мощности ХИТ (P = IpUcp,p) характеризует его
возможность работы с большими разрядными токами.
Саморазряд оценивается снижением емкости (обычно
выражается в процентах) в процессе хранения в результате
расхода активных веществ из-за их взаимодействия с
электролитом и побочных процессов.
Ртутно-цинковые (окисно-ртутные) элементы
Эти элементы, называемые также РЦ (или ОР)
-элементами, применяются, как правило, для питания слаботочной
аппаратуры. Они допускают лишь однократный разряд.
РЦ — элементы пуговичного типа имеют дисковую форму
(рис. 1). Активной массой положительного электрода служит
смесь окиси ртути и небольшой добавки графита. Эта масса
запрессовывается непосредственно в крышку элемента.
Отрицательным электродом служат цинковые опилки. Они
запрессовываются в крышку элемента и перед сборкой
амальгамируются ртутью. Электроды разделены бумажными
диафрагмами (сепараторы), пропитанными электролитом, а
корпус и крышка, служащие токоотводами, — резиновым коль-
6

г
[Г
h^Mth
I I
Рис. 1. Конструкция ртутно-цинковых элементов:
1 — положительный электрод; 2 — отрицательнйы электрод; 3 -*
резиновое кольцо; 4 — диафрагмы, пропитанные электролитом,
цом. После сборки РЦ-элементы полностью готовы к
применению. Они отличаются длительным сроком сохранности в
готовом для работы состоянии и высокой стабильностью э.д.с.
(нескольких месяцев и даже лет), а также высокой
стабильностью напряжения при разряде. Разность между начальным
и конечным напряжением при разряде составляет у них
единицы процентов. Поэтому РЦ-элементы часто используются
в качестве эталонов напряжения. Величина их удельной
энергии по объему наибольшая по сравнению с другими
электрохимическими системами и находится в пределах 300—
450 вт-ч/дмК Удельная энергия на единицу веса 80—
110 вт-ч/кг.
К недостаткам РЦ-элементов относят сравнительно
высокую стоимость, ограниченную работоспособность при
пониженных температурах, однократный разряд.
Серебряно-цинковые батареи
В отличие от РЦ-элементов серебряно-цинковые (СЦ)
батареи могут быть использованы не только в качестве
элементов с однократным разрядом, но и как аккумуляторы,
допускающие возможность нескольких зарядно-разрядных циклов.
СЦ-аккумуляторы, применяемые на космических объектах, по
устройству аналогичны используемым и в других областях
техники.
Главная часть конструкции СЦ-аккумуляторов— пакет из
чередующихся положительных и отрицательных электродов в
?

виде пористых пластин, изготовленных из окиси серебра
(положительный электрод) и губчатого цинка (отрицательный
электрод). Электроды разделены сепарацией. Пакет
помещается в литой пластмассовый бачок с герметично
приклеенной крышкой. В центре крышки расположен съемный
газоотводный клапан, через который выходят газы, образующиеся
при работе аккумулятора. Клапан одновременно служит
пробкой, закрывающей отверстие для заливки электролита.
Электролитом СЦ-аккумулятора служит раствор едкого
калия (щелочь). В ходе токообразующей реакции электролит
не участвует, поэтому его концентрация остается практически
постоянной.
В процессе разрядно-зарядного цикла в СЦ-аккумуляторе
протекает следующая реакция:
разряд
AgO + Zn < ""^Ag + ZnO.
заряд
Она показывает, что во время разряда происходит
восстановление окиси серебра (на положительном электроде) и
окислецие металлического цинка (на отрицательном
электроде). При заряде происходит обратная реакция.
СЦ-аккумуляторы обладают сравнительно небольшим
саморазрядом: за 6 месяцев хранения в нормальных условиях
©ни теряют около 30% емкости.
Наиболее важная характеристика СЦ-аккумуляторов,
определившая их широкое применение на космических
объектах— это высокая удельная энергия. В зависимости от
режима разряда и конструктивных особенностей- она может
колебаться от 50 до 130 вТ'ч/кг. К недостаткам
СЦ-аккумуляторов относят высокую стоимость и сравнительно небольшой
срок службы. Количество зарядно-разрядных циклов,
определяемое конструкцией, глубиной и режимом разряда СЦ-акку*
муляторов, колеблется от единиц до сотни циклов.
СЦ-аккумуляторы используются на космических объектах
как в комплексе с солнечными батареями (тогда их режим
работы называют буферным), так и самостоятельно (т. е. как
£лемен1ы с единственным штатным разрядным циклом).
Никель-кадмиевые герметизированные (КНГ)
аккумуляторы
Иностранная печать отмечает, что в настоящее время
КНГ-аккумуляторы широко применяются на космических
объектах и, как правило, работают в комплексе с солнечными
батареями. Они устанавливаются практически на всех кос*
мических объектах со сравнительно длительным сроком
активного существования (от нескольких месяцев до одного
года и более) %
s

Столь широкое применение КНГ-аккумуляторов
обусловлено рядом их положительных свойств и, прежде всего, тем,
что они обеспечивают в среднем в 40—50 раз большее
количество зарядно-разрядных циклов, чем СЦ-аккумуляторы.
Однако их удельная энергия, отдаваемая на одном разряде,
меньше, чем у СЦ-аккумуляторов в 3—5 раз.
Электроды КНГ-аккумуляторов — это пористые металло-
керамические пластины с гидроокисью никеля
(положительный электрод) и кадмием (отрицательный электрод). Блок
аккумулятора помещается в стальной герметичный корпус.
Электролитом служит раствор едкого калия с добавкой
литиевой щелочи. Электролит заливается с таким расчетом, что
бы заполнялись лишь поры электродов и сепарации.
Реакция при зарядно-разрядном цикле в КНГ-аккумуля-
торе идет по следующей формуле:,
разряд
2NiOOH + Cd + 2H2Q~ *Cd(OHV» + 2Ni(OH)2,
заряд
При заряде КНГ-аккумулятора на положительном
электроде в результате побочного процесса происходит выделение
кислорода, который поглощается активной массой
отрицательного электрода. Чтобы ускорить его поглощение и
избежать деформации корпуса,- разработаны аккумуляторы с
дополнительным угольным электродом, который электрически
соединяется с кадмиевым.
Чтобы избежать выделения водорода, которое происходит
в конце заряда,, создают избыточное количество гидроокиси
кадмия Cd (ОН)г.
Наилучшие условия газопоглощения достигаются при
плотной сборке электродов и минимальном количестве
электролита.
КНГ-аккумуляторы нормально работают при
положительных температурах, удобны в эксплуатации, так как не
требуют доливки и корректировки электролита, не выделяют газов
и паров щелочи в окружающее пространство, позволяют
автоматизировать процесс заряда и разряда.
Главное преимущество КНГ-аккумуляторов — большой
срок службы. При полном заряде и разряде они обеспечивают
до 1000 циклов, а при снятии 30% емкости — до нескольких
тысяч циклов.
Наряду с этим КНГ-аккумуляторы имеют относительно
низкие в сравнении с СЦ-аккумуляторами удельные
характеристики, Так, величина удельной энергии для лучших
образцов составляет 20—30 вт • ч/кг.
Основные работы по усовершенствованию
КНГ-аккумуляторов направлены на повышение удельной энергии до:
5& вт^ч/кг и увеличение числа рабочих циклов до 10000.
9

Серебряно-кадмиевые аккумуляторы
Этот тип аккумуляторов по своим электрическим
параметрам занимает промежуточное положение между СЦ и КНГ-
аккумуляторами. Их удельная энергия может достигать 50—
70 вТ'Ч/кг, а количество зарядно-разрядных циклов 300—500
(по некоторым зарубежным данным даже 2000). Этот тип
аккумуляторов применяется в энергетических установках
космических объектов в качестве буферных батарей.
Топливные элементы
Выше отмечалось, что химические источники тока облада*
ют серьезными преимуществами перед другими источниками
электроэнергии. Компактность, высокие удельные
характеристики, простота устройства, отсутствие подвижных
элементов— вот основные характерные черты химических
источников тока. Эти преимущества определяются используемыми в
химических источниках тока принципом непосредственного
преобразования (без промежуточных стадий^ химической
энергии и электрическую.
Недаром до настоящего времени, несмотря на широкое
развитие самых разнообразных методов получения
электроэнергии, в космической электроэнергетике первое место
принадлежит химическим источникам тока.
Однако обычные химические источники тока имеют и
серьезные недостатки, снижающие их технические
характеристики и возможности еще более широкого использования как для
космических систем, так и для других отраслей техники. Это,
прежде всего, недостаточные запасы энергии, ограниченность
срока службы и сравнительно высокая стоимость,
Эти недостатки обычных химических источников тока
определяются их главной характерной особенностью, а именно
прямой зависимостью количества вырабатываемой
электроэнергии от количества закладываемых заранее в
конструкцию источника запасов химических реагентов-электродов. Для
изготовления их применяются цветные металлы и весьма
дорогие соединения химических элементов.
В результате научных исследований химических
источников тока стало возможным создание более совершенных
электрохимических систем.
Основная особенность вновь созданных систем
заключается в том, что запасы химических реагентов не закладываются
заранее в конструкцию источника тока, а хранятся вне его и
подводятся для преобразования химической энергии этих
реагентов в электрическую постепенно (как топливо в тепловых
установках), в течение всего времени работы.
При таком принципе работы в электрохимической реакции
в отличие от обычных химических источников тока с твердыми
ш

электродами могут принимать участие жидкие или
газообразные вещества.
Само понятие об источниках тока с появлением такого
рода устройств коренным образом меняется. Это уже не
привычного вида гальванический элемент или аккумулятор, где
все процессы, связанные с созданием электрической энергии,
протекают в замкнутом объеме с электролитом и
электродами, ограниченном конструкцией внешнего корпуса. Новый тип
химического источника тока — это достаточно сложная
энергетическая установка, состоящая из резервуаров с
окислителем и топливом, системы их перекачки и регулирования
расходов, устройств газификации и отвода продуктов реакции.
В некоторых случаях создается и система регенерации.
Основным элементов, «сердцем» такой энергетической
установки является преобразователь химической энергии
компонентов, поступающих из особых емкостей, в энергию
электрическую. Это электрохимический генератор.
В связи с тем, что для его работы могут использоваться,
по существу, те же продукты, что и в топке тепловой машины,
включая природные виды топлива или продукты их
переработки (углеводород, окись углерода, генераторный газ),
другим, наиболее распространенным названием
электрохимических генераторов стало — «топливные элементы».
Самым замечательным свойством энергетических установок
с топлицными элементами, определившим особый интерес к
ним для нужд космической техники, является их высокая
удельная энергия, т. е. количество ватт-часов, снимаемых с
одного килограмма веса установки. Удельная энергия таких
установок может значительно превышать удельную энергию
самых совершенных (например, серебряно-цинковых)
химических источников обычного типа. И это, несмотря на
большой вес вспомогательных систем.
Значительный интерес к разработке ТЭ был проявлен в
предвоенные и послевоенные годы, особенно после успешных
работ советских ученых, подтвердивших реальность создания
водородно-кислородных ТЭ с плотностями тока до 20—
30 ма]см2.
В дальнейшем в лабораторных условиях удалось
значительно повысить плотности тока (до 300—500 ма/см2),
упростить конструкцию и облегчить режимы работы ТЭ.
Значительный объем работы по ТЭ был выполнен в
последнее время рядом научно-исследовательских институтов
нашей страны под руководством научного совета по
проблеме «Топливные элементы» Академии наук СССР.
Большой интерес и широкий размах научных
исследований и практических работ по ТЭ объясняется принципиальной
возможностью получения высоких значений КПД при
использовании сравнительно дешевых и доступных компонентов топ-
U

лива в сочетании с
длительной и непрерывной
работой (в отличие от
прерывистой работы
аккумуляторов). В
связи с отсутствием в ТЭ,
как и во всех типах
химических источник
ков тока, промежуточ*
ных стадий преобразо*
вания энергии,
коэффициент полезного
действия может быть весь*
ма высок.
На практике
значение КПД может быть
доведено до 65—70%,
что само по себе
превышает возможности всех
освоенных и
перспективных источников
электроэнергии.
Принципи а л ь н а я
схема работы ТЭ
показана на рис. 2,
Электроды в ТЭ не
принимают
непосредственного участия в токообразующей реакции. Они служат лишь
для подвода реагентов (например, водорода и кислорода),
пространственного их разделения и создания внешней
электрической цепи.
Электрохимические реакции, протекающие на электродах,
а точнее на границе реагент — электрод — электролит, для во-
дородно-кислородного ТЭ со щелочным раствором
электролита имеют следующий вид:
на положительном электроде
Рис. 2. Принципиальная схема работы
водородно-кислородного топливного
элемента.
02 + 2Н20 + Ае- > 40Н-,
на отрицательном электроде
2Н2 + 40Н- ► 4Н20 + 4e~f
Отсюда видно, что для работы ТЭ необходимы не только
постоянный подвод реагентов, но и непрерывный отвод воды —
продукта реакции. Из приведенной токообразующей реакций
видно, что из четырех молекул воды, образующихся на
отрицательном электроде, только две используются в реакций,
протекающей на положительном электроде.
Стремление к увеличению мощности ТЭ и зависимость ве«
12

личины мощности от скорости электрохимической реакции
определили два основных направления по
усовершенствованию ТЭ.
Одно из них связано с разработкой высокотемпературных
ТЭ, в которых ускорение реакции достигается повышением
температуры до 250—1000°. В таких ТЭ не могут
использоваться водные электролиты со сравнительно низкими
температурами кипения, поэтому в них применяются расплавы
солей или твердые электролиты. Использование сравнительно
дешевых цидов топлива составляет положительное качество
этих ТЭ.
Другое направление связано с созданием
низкотемпературных ТЭ, работающих при температурах до 250°, где ускорение
токообразующей реакции достигается применением при
изготовлении электродов специальных катализаторов.
С целью увеличения тока, отдаваемого ТЭ, стремятся к
получению электродов с максимальной рабочей поверхностью,
которая соприкасается с электролитом и реагентом. Для этого
электроды изготовляются высокопористыми.
Важной проблемой, связанной с использованием ТЭ в
космической технике, является выбор реагентов.
Крайне заманчивым было бы использование в ТЭ тех же
компонентов, что и в двигательных установках космических
кораблей, которые устанавливаются для осуществления
маневров на орбите и спуске.
Однако к настоящему времени практическое
использование в космической электроэнергетике получили ТЭ, где
топливом служит наиболее активный восстановитель — водород.
Преимущество такого топлива заключается в том, что
побочным продуктом реакции служит вода, удаление которой срав*
нительно легко осуществимо, а использоваться она может для
нужд экипажа космического корабля.
Транспортировка и хранение газообразного водорода из
соображений экономии веса менее выгодно, чем жидкого
водорода. Однако в последнем случае бортовая энергетическая
установка должна иметь криогенную установку.
В водородно-кислородном ТЭ имеется принципиальная
возможность применения регенеративной установки для
получения из воды исходных реагентов — водорода и кислорода.
В связи со значительным весом вспомогательных и
обеспечивающих систем применение на космических объектах
маломощных энергетических установок с ТЭ или установок,
рассчитанных на кратковременную работу, не всегда оправдано.
По-видимому, применение энергетических установок с ТЭ
наиболее целесообразно для космических объектов с
активным существованием 30—40 суток при потреблении от 1 до
10 кет.
Создание энергетических установок на ТЭ, удовлетворяю-
13

щих оптимальному режиму применения, с удельной энергией
500 вт • ч/кг, а возможно, и 1000 вт • ч/кг — вполне реальное
дело ближайшего будущего. При таких характеристиках с
каждого килограмма энергетической установки 6yn,ef сниматься
энергия порядка 1 квт-ч, что превышает возможности при од*
норазовом применении серебряно-цинковых батарей почти в
10 раз, а никель-кадмиевых аккумуляторов более чем в
30 раз!
Преобразователи световой энергии,
или фотопреобразователи
В потенциальных энергоресурсах мира запасы солнечной
энергии намного превосходят все виды земной энергии,
включающей ядерное горючее, ископаемое топливо, механическую
энергию рек, приливов и отливов, энергию ветра. И это
несмотря на то, что на Землю приходится лишь очень
небольшая доля — менее 0,0001% общего потока энергии,
излучаемой Солнцем.
Энергетика будущего, под которой обычно понимается
большая энергетика, необходимая для удовлетворения нужд
народного хозяйства, немыслима без использования в самых
широких масштабах солнечной энергии и, прежде всего, без
разработки и повсеместного внедрения экономичных средств
прямого преобразования этой энергии в энергию
электрическую.
В малой энергетике, используемой в космической технике,
уже найдено практическое решение этой проблемы.
В результате исследований физических процессов,
связанных с преобразованием солнечной энергии в электрическую,
построены и нашли практическое применение энергетические
установки космических объектов с солнечными батареями
(СБ).
Из всего огромного диапазона волн электромагнитного
излучения Солнца СБ воспринимают и преобразуют в
электрическую энергию световое излучение, занимающее
небольшой участок в общем спектре электромагнитных волн
примерно 0,4—0,8 микрон. Образно выражаясь, СБ являются
антеннами светового диапазона волн.
Элементарными ячейками, из которых набираются: панели
С Б, служат фотоэлектрические элементы из
полупроводниковых материалов. Эти фотоэлементы и осуществляет
генерирование электрического тока под действием светового потока.
Обычно такие фотоэлементы называют фотоэлектрическими
преобразователями.
14

Наибольшее практическое применение на спутниках и меж*
планетных аппаратах нашли СБ с кремниевыми фотоэлек*
трическими преобразователями. В последние годы
сообщалось о разработках СБ с тонкопленочными элементами на
основе кремния, сульфида кадмия, арсенида и теллурида
галлия.
Выбор кремния объясняется тем, что его промышленное
получение наиболее освоено по сравнению с другими
полупроводниковыми материалами. Однако изготовление кремниевых
элементов — сложный технологический процесс, главным
образом из-за необходимости получения сверхчистого
монокристаллического кремния, Это определяет довольно высокую
стоимость СБ.
Основные параметры СБ космических объектов — КПД,
максимальная выходная мощность и, конечно, удельные
характеристики, важнейшей из которых является удельная
мощность, т. е. мощность, снимаемая с 1 м2 панелей СБ.
КПД применяемых в настоящее время кремниевых
элементов составляет в среднем 8—11% при температуре ниже
30°. Вследствие неидентичности элементов и из-за
коммутационных потерь, КПД собранной СБ несколько ниже КПД
отдельных элементов и составляет 5—8%.
До недавнего времени мощность 500 вт для ориентируемых
на Солнце СБ считалась предельной. В настоящее время
большинство специалистов называют величну 1 кет. Более того,
сообщалось о разработке энергетической установки с СБ
мощностью 5 кет и даже крупногабаритной мощностью
12,5 кет.
Мощность СБ в основном определяется чувствительностью
фотопреобразователя к спектру солнечного излучения,
величиной потока световой энергии, падающей на элементы
(освещенностью), и температурой элементов.
Максимальная чувствительность кремниевых солнечных
элементов соответствует длине волны 0,7—0,8 микрон, а
максимум светового излучения Солнца находится на длине
волны 0,5—0,6 микрон. По этой причине в области
максимального потока солнечного излучения чувствительность
кремниевого элемента относительно мала. Для сближения
максимального значения чувствительности с областью повышенного
потока солнечной радиации изменяют тем или иным путем
спектральную чувствительность солнечного элемента (например,
введением специальных примесей).
Освещенность СБ зависит от угла падения солнечных
лучей, т. е. по существу, от положения космического объекта и
СБ относительно Солнца, от параметров орбиты и времени
года, применения концентраторов, наличия системы
ориентации.
С увеличением интенсивности освещения выходная мощ-
15

ность СБ сначала возрастает (наиболее резко при малых
уровнях), достигает максимума, а затем убывает из-за
преобладающего влияния нагрева элементов СБ. Для
увеличения выходной мощности требуется принудительное
охлаждение.
При наличии системы ориентации эффективность СБ
возрастает, так как уменьшается необходимая площадь СБ, а
следовательно, и вес (примерно в 4 раза). На ориентируемых
космических объектах СБ, как правило, выполняются в виде
автоматически раскрывающихся панелей. Они выделяются на
спутнике «Молния-1», напоминая лепестки цветка (рис. 3) или
крылья бабочки у спутника «Протон-1». Размер и
конфигурация панелей определяются условиями вывода на орбиту п
сложенном виде и развертывания в космическом
пространстве.
На неориентируемых и некоторых ориентируемых
космических объектах СБ монтируются непосредственно на корпусе и
поэтому могут иметь самую различную форму,
соответствующую конфигурации объекта, как, например, на советском
спутнике «Электрон-2». Естественно, на неориентируемых
13

спутниках или на спутниках, ориентируемых вращением,
эффективно используется лишь освещенная часть, т. е. примерно
20—30% всей поверхности СБ.
Удельнай мощность, как отношение выходной
электрической мощности (в ваттах) к общей площади панелей (в
квадратных метрах), характеризует совершенство СБ. В
настоящее время для ориентируемых СБ эта величина находится в
пределах 30—100 вт/м2. Для неориентируемых СБ она
составляет 30—40 вт/м2. За счет увеличения КПД и
совершенствования конструкции панелей можно рассчитывать на
увеличение удельной мощности до 120—140 вт/м2.
Некоторое представление о совершенстве СБ как
космических источников тока дает удельный вес СБ, т. е. отношение
веса панелей с солнечными элементами (в килограммах) к
выходной электрической мощности (з киловаттах). Это
представление приблизительно потому, что трудно разграничить
вес элементов конструкции космического объекта и вес
солнечных панелей. Так, удельный вес СБ будет сильно зависеть
от веса системы раскрытия и ориентации панелей, причем
последняя может относиться и к конструкции космического
объекта.
Удельный вес СБ на ориентируемых космических объектах
составляет 75—130 кг/квт. Как этот параметр характеризует
совершенствование конструкций СБ, видно из следующего.
Для космического аппарата «Маринер-2», совершившего
полет около планеты Венера в декабре 1962 года, удельный вес
СБ составлял 90 кг/квт. На космическом аппардте «Мари-
нер-4», пролетевшем около планеты Марс в июле 1965 года,
удельный вес СБ составлял уже 45 кг/квт, т. е. в два раза
меньшую величину.
Радиационная защита СБ составляет одну из главных
технических задач. В реальных условиях полета СБ постоянно
подвергаются воздействию заряженных частиц, особенно в
околоземных радиационных поясах, а также в областях
повышенной радиации, возникающих в результате высотных
ядерных взрывов.
Наиболее чувствительны к воздействию радиации
кремниевые элементы с р — п переходом. Снижение характеристик
происходит главным образом в результате столкновения с
протонами и электронами. В результате снижается
чувствительность, уменьшается выходная мощность и в конечном
счете происходит выход из строя СБ. Особенно резко
снижается эффективность СБ, у которых солнечные элементы не
имеют специальной защиты. Так, мощность, обеспечиваемая
СБ, за 922 суток пребывания на орбите связного спутника
«Синком-21» снизилась на 31%. На спутнике «Синком-3» была
применена усовершенствованная СБ и, как результат, за 532
суток полета мощность СБ снизилась лишь на 5%. На дейст-
17

вующих навигационных спутниках «NAVSAT» допускается
снижение выходной мощности на 17% за 5 лет существования
иа орбите.
Концентраторы — это плоские или параболические
рефлекторы из никеля или анодированного алюминия, фокусирую*
щие солнечные лучи на поверхность СБ. Вследствие
увеличения интенсивности светового потока при тоц же площади С Б
достигается значительно большая мощность, т. е.
увеличивается удельная мощность. При неизменной удельной
мощности применение концентраторов дает значительный
выигрыш в весе — до 25—30%. За счет уменьшения количества
элементов в панели СБ может быть достигнуто снижение
стоимости СБ до 30%.
Увеличение освещенности неизбежно приводит к
повышению температуры фотопреобразователей. По мере роста
температуры уменьшается КПД, а затем наступает полный отказ
в работе СБ. Так, для кремниевых элементов 80—100° —
критическая рабочая температура. При более высоких
температурах работать не рекомендуется из-за значительного
снижения КПД (примерно 0,5% при повышении на 1°), а при
температуре 160—180° кремниевые элементы практически
перестают работать.
Сочетание высокого уровня освещенности СБ с оптималь*
ной рабочей температурой — сложная техническая задача*
При высоких температурах заманчивым является
использование фотопреобразователей на основе арсенида галлия
(CaAs).
Фотопреобразователи, изготовленные из арсенида галлия,
при температуре 30° имеют КПД всего 4—5%, т. е. меньше,
чем у кремниевых элементов. Однако при температурах
около 100° КПД элементов из арсенида галлия сравнивается с
максимальным КПД кремниевых элементов при этой
температуре, а при 120° значительно его превосходит.
Элементы из арсенида галлия обладают более, высокой
радиационной стойкостью {примерно в три раза), чем
элементы из кремния.
Арсенид галлия — очень дорогой материал (в несколько
десятков раз дороже кремния). Его применение может быть
оправдано лишь для уникальных межпланетных кораблей или
в далеком будущем для лунных электростанций.
Тонкопленочные элементы из кремния и других
полупроводниковых материалов — сульфида кадмия, арсенида и тел-
лурида галлия также открывают перспективы дальнейшего
совершенствования СБ.
Изготовление фотопреобразователей из этих материалов
основано на получении очень тонкой пленки путем, например*
испарения в вакууме сульфида кадмия на другой материал
(подложка), прокатом или ковкой кремния в тонкие листы
18

и т. д. В сравнении с обычными кремниевыми
преобразователями тоцкопленочные дешевле и легче, они обладают
повышенной радиационной стойкостью и механической
прочностью. Так> если для обычных фотопреобразователей на
1 кет вырабатываемой мощности приходится примерно 7 кг
веса кремния, то для тонкопленочных элементов из
поликристаллического кремния этот вес снижается примерно до
0,36 кг.
СБ находят широкое применение в энергетических
установках космических объектов вследствие простоты
конструкции, надежности работы, стабильности характеристик.
Наряду с прямыми известны методы непрямого
преобразования солнечной энергии в электрическую как безмашинные,
так и машинные, которые могут найти применение в
космических энергетических установках.
Для непрямого преобразования свойственно
превращение солнечной энергии в другие виды энергии, например в
тепловую или химическую, а затем преобразование полученной
энергии в электрическую. Так, можно преобразовать
солнечную энергию сначала в химическую путем фотолиза воды на
водород и кислород с последующим использованием этих
реагентов в топливных элементах (о которых рассказывалось
выше) для получения электрической энергии. В случае
превращения солнечной энергии в электрическую с
промежуточным преобразованием в тепловую особого внимания
заслуживают безмашинные методы, при которых используются
термоэлектронные, а также термоэлектрические полупроводниковые
преобразователи.
Таковы основные направления технических решений,
использования солнечной энергии в космической
электроэнергетике. Среди них солнечные батареи с полупроводниковыми
фотоэлектрическими преобразователями стали одним из
основных типов источников тока космических объектов с
длительным сроком активного существования (до 1 года и
более). Из-за своих положительных качеств они, вероятно, еще
длительное время будут использоваться на спутниках и
межпланетных кораблях. Более того, как было показано,
солнечные батареи еще не исчерпали всех своих возможностей.

Преобразователи тепловой энергии
В космической электроэнергетике важное место занимают
разработки источников электроэнергии, использующих в качестве
первичной тепловую энергию. Для создания тепловой энергии
на космических объектах могут использоваться бортовые изо*
топные, ядерные и солнечные установки.
Различные виды источников тепловой энергии в сочетании
с разнообразными методами ее преобразования в энергию
электрическую позволяют создать целый класс бортовых
энергетических установок нового типа, способных создать
мощности от единиц и десятков ватт до десятков, сотен и даже
тысяч киловатт.
Наиболее отработанными к настоящему времени
преобразователями тепловой энергии в электрическую, которые могут
использоваться и уже используются на космических объектах,
можно считать преобразователи, использующие
термоэлектрический и термоэмиссионный (термоэлектронный) эффекты.
Основой термоэлектрического преобразователя служит
полупроводниковый термоэлемент (термопара), образованный,
как правило, двумя разнотипными полупроводниками (одного
с электронной, другого с дырочной проводимостью). С одной
стороны, эти полупроводники электрически соединяются
между собой, с другой стороны, к
ним подключается нагрузка
(рис. 4).
При разности температур
между сторонами
термоэлемента в замкнутой цепи
возникает электрический ток под
действием термоэдс. Величина
термоэдс зависит от свойств
применяемых полупроводников
и достигает 0,5 милливольта на
1° разности температур.
КПД является важнейшим
параметром термоэлементов.
Он определяется в первую
очередь физико-химическими
свойствами применяемых
материалов и температурой горячей
(прежде всего) и холодной
сторон элемента.
На практике реально дости-
Рис. 4. Схема полупроводникового жимое значение КПД не пре*
термоэлемента: ВОСХОДИТ 8—10%'. ПрИНЦИПИ-
/ — полупроводник с электронной про- аЛЬНО ИМееТСЯ ВОЗМОЖНОСТЬ ДОч
водимостью; 2 — полупроводник с
дырочной проводимостью
т,
г^х^
\Ш
Г^ч
• • • *1
»• *1
'•.».
■•• *А
N
IS; I
•74
2Q

стигнуть существен*
но более высоких
значений КПД, но
при этом должна
обеспечиваться
сохранность физико-
химических свойств
полупрово д н и к о в
при высоких рабочих
температурах,
которые в некоторых вы-
сокотемпературн ы х
энергетических
установках могут
достигать 1000°К.
Наиболее
распространенными
источниками тепловой
энергии для
термоэлектрических
генераторов в настоящее
время являются
радиоизотопные
установки. Вместе с
термоэлектрическими преобразователя они образуют так
называемые радиоизотопные термоэлектрические генераторы —
ИЗОТЭГ (рис.5).
В ИЗОТЭГ энергия радиоактивного излучения, состоящего
из а- или р-частиц, в результате поглощения металлом
превращается в тепло. Термоэлементы устанавливаются между
внутренней (горячей) и внешней (холодной) оболочками
термоблока. Температура внутренней оболочки может достигать
500—700°, а внешней 100—300°. Получаемый перепад
температур с помощью термоэлементов обеспечивает получение
электрической энергии.
В процессе разработки и изготовления детали и узлы
ИЗОТЭГ подвергаются испытаниям на механическую
прочность, термическую стойкость, коррозионную устойчивость,
радиационную стойкость в поле излучения и т. д.
Вслед за химическими источниками тока и солнечными
батареями ИЗОТЭГ нашли практическое применение в
системах энергопитания спутников Земли как в нашей стране \ так
и в США.
Длительность работы ИЗОТЭГ в основном определяемая
периодом полураспада радиоизотопов, может составлять от
1 Сообщение ТАСС от 4 сентября 1965 года о запуске ИСЗ «Кос*
мос-80», «Космое-81», *Коемос-82», «Космос-83», «Кошос-84»,
Рис. 5. Радиоизотопный термоэлектрический
генератор «СНЭП-3»;
1 — молибденовый контейнер с радиоизотопньш
горючим; 2 — входные электрические контакты;
3, 4 — термоэлементы из теллурида свинца; 5 —
горячий спай; 6 — холодный спай; 7 — винт регу-*
лировки термоэлемента; 8 — радиоизотопное
«горючее» ; 9 — медный корпус
21

нескольких месяцев до нескольких лет. ИЗОТЭГ имеют
сравнительно небольшие размеры, обеспечивают высокую
стабильность работы в течение всего срока службы, в них
отсутствуют какие-либо движущиеся части, они не требуют
специальной ориентации космического объекта.
Все эти положительные качества позволяют рассчитывать
на широкое использование ИЗОТЭГ на космических объектах
с длительным сроком существования и не требующих
больших мощностей. Например, на связных, навигационных,
метеорологических, геодезических и других искусственных спут-
никах. Земли.
Важнейшей характеристикой ИЗОТЭГ является удельный
вес установки, т. е. вес, необходимый для выработки 1 вт
электроэнергии. Для большинства разрабатываемых
американских ИЗОТЭГ этот параметр лежит в пределах 0,4—
0,8 кг/вт.
В США ИЗОТЭГ разрабатываются по программе СНЭП
(S'NAP— система атомных вспомогательных силовых
установок). Одна из первых подобных установок «СНЭП-3». Ее
мощность 2,7 вт, вес 2,3 кг, изотоп 'плутоний-238. Она была
установлена на военном навигационном спутнике «Тран-
зит-4А» и обеспечила наибольший срок его активного
существования из всех работающих американских спутников. Как,
сообщил журнал «Interavia Air Letter» в июне 1966 года, этот
спутник, выведенный 29 июня 1961 года, после пяти лет
пребывания на орбите продолжал работать.
На рис. 6 показан метеорологический спутник «Нимбус-В»,
запуск которого планируется в 1967—1968 годах. На
цилиндрическом контейнере с чувствительными элементами
установлен 50-ваттный радиоизотопный термоэлектрический
генератор «СНЭП-19А» для исследования эксплуатационных
характеристик радиоизотопных установок на метеорологических
спутниках. Он будет служить дополнительным источником
электроэнергии наряду с солнечными батареями.
Общая тенденция в разработках радиоизотопных
генераторов состоит в увеличении выходной мощности до сотен ватт
в ближайшее время и в недалеком будущем до нескольких
киловатт.
К недостаткам этих генераторов относят большую
стоимость изотопов, проблему ликвидации ампулы с
радиоактивным изотопом в конце существования космического объекта;
а также высокий удельный вес.
В последние годы проведено большое количество исследо-?
ваний и опубликовано много инженерных проектов,
посвященных полетам космических ракет к планетам солнечной
системы и даже за ее пределы. Вопросы электроэнергетики б
этих проектах занимают одно из главных мест. Двигательные
установки космических ракет разрабатываются на основе
22

Рис. 6. Рисунок метеорологического спутника «Нимбус-В» с
радиоизотопным термоэлектрическим генератором «СНЭП-19А»
электрореактивных двигателей, которые могут обеспечить
длительный полет в межпланетном пространстве, имеющем
очень слабые гравитационные поля и глубокий вакуум. К
таким двигателям относятся: электротермические или дуговые,
электростатические, или ионные, электродинамические или
магнитогидромеханические, а также фотонные двигатели, Во
всех электрореактивных двигателях главными агрегатами
являются энергетические установки, способные обеспечить
достаточно большие мощности. Наиболее перспективными
первичными источниками энергии для них считаются Солнце и
ядерные реакторы.
Машинные или термодинамические преобразователи теп*
ловой энергии Солнца в электрическую представляют собой,
по существу, солнечные тепловые электростанции и поэтому
более обычны по своему техническому решению. Рабочие
процессы в них, как и применяющиеся машины и аппараты
аналогичны тем, которые используются в обычных тепловых
электростанциях. Разница состоит в том, что нагрев рабочего тела
(ртуть, рубидий и др.) осуществляется солнечными лучами, а
не происходит при сгорании топлива в топке парового котла.
23

Солнечные лупи фиксируются коллекторами,
параболическими рефлекторами, создание которых само по себе
представляет сложную техническую задачу. Энергетические установки
с термодинамическими преобразователями, разрабатываемые
для космических систем, имеют мощности более 10 кет и
удельный вес до 25 кг)кет. Перспективы практического
использования солнечных термодинамических установок
связывают с отдаленным будущим. Проект ионной космической
ракеты с такой энергетической установкой показан на рис. 7.
В ядерных энергетических установках — ЯЭУ тепло,
создаваемое ядерным реактором, поглощается теплоносителем и
может использоваться для нагревания:
— катода термоэлектронного преобразователя;
— плазмы в магнитогидродинамическом преобразователе;
— жидкости в термодинамическом преобразователе.
В зависимости от схемы преобразования и мощности
удельный вес ЯЭУ может составлять от 100 до 2,5—5 кг/кет,
причем меньшие значения относятся к большим мощйостям.
Рис. 7. Ионная космическая рэкета с солнечной турбогенераторной
энергетической установкой (по проекту фирмы Арма, США). Рассчитана на
10 пассажиров и 50 г груза и предназначена для полета к Марсу в течение
примерно 1 года.
24

Многочисленные исследования всех трех типов преобразо*
вателей показали, что в настоящее время и последующие
два-три десятилетия в космических условиях может быть
использован наиболее известный из них — термодинамический1.
Основным элементом термодинамического
преобразователя служит машинная часть — турбина, вращающая
электрогенератор, поэтому такую установку называют ядерной
турбогенераторной энергетической установкой — ЯТГЭУ.
ЯТГЭУ могут вырабатывать электрический ток как
постоянного, так и переменного напряжения большой мощности.
Среди американских ЯТГЭУ следует отметить «СНЭП-2»
с тепловой мощностью 50 кет и электрической 3 кет и
«СНЭП-8» с тепловой мощностью 300 кет и электрической
30 /сет.
Дальнейшим развитием этих установок являются «СПУР»,
«СНЭП-50» н другие, разработка которых ведется уже в
течение нескольких лет. Они рассчитываются на электрическую
мощность 300—1000 кет. На рис. 8 показан космический
корабль с ионными двигателями и ядерной турбогенераторной
Рис. 8. Космический корабль с ядерной турбогенераторной энергетической
установкой
1 Э. Штулингер, Ионные двигатели для космических полетов. М.„
Военяздат, 1966.
2S

энергетической установкой (проект фирмы Дженерал
Электрик, США) мощностью 1000 кет и весом 4 т. Реактор
находится в хвостовой части ракеты (в левом нижнем углу
рисунка).
При последующем усовершенствовании ЯТГЭУ в них
предусматривается замена турбогенераторного преобразователя
на термоионный (термоэлектронный). Силовые установки с
такими преобразователями называются ядерными
термоионными энергетическими установками — ЯТИЭУ.
В ЯТИЭУ преобразователь расположен внутри активной
зоны реактора и непосредственно преобразует тепловую
энергию в электрическую. Он работает более эффективно, чем
термоэлектрический преобразователь, особенно для
повышенных выходных мощностей.
Термоэлектронный преобразователь по своему принципу
напоминает работу обычной электронной лампы, в которой
при подогреве катода происходит эмиссия электронов,
попадающих на анод и создающих тем самым электронный ток в
замкнутой цепи.
Для получения электронной эмиссии необходимо создание
температуры катода порядка 1000°. Область рабочих темпе-
ратур 1400—2000° принципиально позволяет получить
относительно высокий КПД преобразователя. Так, для идеального
цикла Карно КПД составляет 67%, если температура катода
равна 1700°К, а анода 650°К. Практически же можно
рассчитывать на достижение КПД преобразователя (наполненного
цезием) при этих же температурах около 40%.
Характерная особенность термоэлектронных
преобразователей заключается в том, что они позволяют получать очень
высокие плотности тока — до десятков и даже сотен ампер с
1 см2.
В разных странах мира теоретическому и
экспериментальному исследованию подвергаются и другие безмашинные
методы преобразования тепловой энергии ядерного реактора в
электрическую и, в частности, с использованием
низкотемпературной (порядка 2000°) плазмы, образующейся в магнито-
гидродинамических (МГД) генераторах.
По магнитогидродинамическому преобразованию в
последние годы издано много работ. Сущность его заключается в
следующем.
Электропроводящий ионизованный газ (плазма)
получается при нагревании его до высокой температуры. Если плазму
пропускать через магнитное поле (напряженностью около
10 000 гаусс), то согласно законам электродинамики
возникает электрический ток. В отличие от обычного
электрического генератора ток будет протекать не ло медной обмотке, а
через электропроводную плазму и может быть отведен путем
установки электродов,
26

Для воплощения этой идеи в жизнь необходимо решить
сложные физические и технические задачи. К ним относятся;
создание ядерного реактора, обладающего температурой,
достаточной для термической ионизации газа; разработка
сверхпроводящих магнитных систем, создание новых
материалов и другое. Вследствие этого постройка бортовых МГД-ге-
нераторов для космической электроэнергетики — дело
будущего.
Изучение природы физических явлений, развивающихся в
сильно нагретом веществе, открывает и другие возможности.
Так, фирма S'andia (США) сообщила недавно о возможности
преобразования тепловой энергии, возникающей при входе в
атмосферу летательного аппарата, в электрическую энергию.
Для этого необходимо переднюю часть конусообразного
аппарата электрически изолировать от задней, а внутри
соединить эти части проводящим стержнем через
нагрузочное сопротивление. В результате получится плазменный
диод.
При входе в атмосферу электроны, образующиеся у
передней части конуса, попадут на заднюю часть, заряжая ее
отрицательно.
Во время наземных испытаний конусов в плазменной
установке были получены плотности тока до 4,9 а с 1 см2
излучающей площади.
В реальных условиях входа в атмосферу полученная
таким образом электрическая энергия может использоваться
для питания системы управления аппарата и бортового
радиооборудования, для сжигания ампулы с радиоактивным
веществом ядерных энергетических установок.
Как видно из приведенного обзора бортовых
энергетических установок, основанных на использовании тепловой
энергии, общая тенденция их развития направлена на
значительное увеличение мощностей и повышение удельных
характеристик.
Практическое осуществление мощных и сверхмощных
энергетических установок для космических объектов позволит
создать необходимые условия для дальнейшего
проникновения человека в космос, сначала к дальним планетам
солнечной системы, а затем и за ее пределы.
Области применения
Для электрических установок всех типов, используемых на
космических объектах, наиболее важным и в большинстве
случаев определяющим является требование высоких
удельных характеристик.
27

Достижение первой и, особенно, второй космических
скоростей, необходимых для создания искусственных спутников
Земли и межпланетных кораблей, сопряжено с затратой
огромных мощностей. Каждый лишний килограмм, посланный,
например, к Луне, эквивалентен увеличению начального веса
ракетно-космического комплекса на сотни килограммов, что
в свою очередь ведет к необходимости соответствующего
увеличения мощностей двигательных установок. Вот почему
борьба за килограммы и литры для космических объектов имеет
первостепенное значение и по своей остроте во много раз
превосходит эту же проблему для авиации»
Вместе с тем при выборе типа энергетической установки
для конкретных космических объектов решающее значение
преобретают и такие характеристики, как максимальная
мощность и продолжительность работы.
Для наглядности области применения тех или иных
энергетических установок удобно изображать в виде диаграмм в
системе координат «мощность — продолжительность работы».
Эти диаграммы обычно характеризуют области применения
различных типов энергетических установок с учетом их
удельных характеристик.
Для каждого типа энергетических установок характерны
вполне определенные параметры, по которым удобнее вести
сравнение энергетичских установок. Например, сравнение по
удельной энергии чаще всего производится для тех типов
энергетических установок, для которых имеет место существенная
зависимость веса энергетических установок от запасов энергии
(аккумуляторы, топливные элементы и др.). Для этих
установок такой параметр, как удельный вес, не показателен и
служит лишь для сравнительной оценки энергетических установок
при заданном времени работы.
Оценка других типов энергетических установок, вес
которых мало зависит от времени работы, например, солнечных
батарей или ядерных энергетических установок, производится
по удельному весу (отношение веса установки к
вырабатываемой мощности, т. е. мощность с единицы веса).
Хотя КПД энергетических установок, определяющий
эффективность преобразования исходной энергии в
электрическую, является важным параметром, в космической
электроэнергетике при выборе типа установки им иногда
пренебрегают в пользу, например, малого удельного веса или высокой
удельной мощности.
Ни один из возможных критериев оценки сам по себе, вне
связи с другими критериями, не определяет пригодность
данного типа источника электрической энергии для
использования на конкретном типе космического объекта. Только
комплексное рассмотрение всех параметров и критериев может
решить проблему.
2%

Возвращаясь к областям применения, изображаемых в
системе координат «мощность — продолжительность работы»
диаграммами, укажем, что существуют зоны, где выгодно
применять различные типы энергетических установок. Можно
заметить наложение, например, области применения топливных
элементов на области применения химических источников тока
и солнечных батарей, а также наложение областей применения
радиоизотопных и солнечных термоионных генераторов,
ядерных и солнечных турбогенераторных энергетических установок
и др.
Рассмотрим некоторые области применения конкретных
типов энергетических установок.
Для химических источников тока типа СЦ батарей
наиболее оптимальная область применения по продолжительности
работы лежит в пределах нескольких дней и по мощности до
1 —1,5 кет. В этой области применение других типов
источников электроэнергии возможно, но не будет оптимальным.
Примерно для тех же мощностей, но при более длительной
работе до 6—12 месяцев и более, оптимальным следует
считать применение фотоэлектрических преобразователей (СБ),
работающих вместе с химическими аккумуляторами в
качестве буферных батарей (прежде всего с кадмий-никелевыми
аккумуляторами). Энергетические установки с системами «ХБ—
СБ» занимают основное и преимущественное положение в
космической энергетике. Ими оснащается большинство
автоматических спутников и межпланетных станций как в нашей
стране, так и за границей.
Для мощностей порядка десятков и сотен ватт при
продолжительности работы от двух-трех месяцев до года и более
в ряде случаев оказываются оптимальными
термоэлектрические изотопные генераторы.
Электрохимические генераторы (ТЭ) при их развитии
могут рассчитывать на весьма ответственную и важную
область— от нескольких дней до 1—2 месяцев при мощностях
1—2 кет, а в дальнейшем и до 10 кет.
Для создания больших мощностей в десятки и сотни
киловатт и обеспечения продолжительности работы от нескольких
дней и особенно в течение нескольких месяцев оказывается
оптимальным, несмотря на значительные веса, применение
энергетических систем с ядерными реакторами и
термоэмиссионными, магнитогидродинамическими или
термодинамическими преобразователями.
Приведенным рассуждениям соответствует диаграмма
областей применения на рис. 9. Она, конечно, не отражает в
полной мере всех особенностей, связанных с выбором типа
энергетической установки для конкретного образца
космического объекта.
Диаграммы областей применения могут рассматриваться
29

На сеюдня
10мин. 1т 1день 1 неделя 1мее 6 т под
Продолжительность задания
Рис. 9. Диаграммы областей применения, иллюстрирующие изменение со*
««•ношения различных видов источников тока энергетических установок
космических объектов с 1965 по 1972 г.:
1—твердое топливо; 2—химическая динамическая подсистема; 3 — обычные
химические источники тока; 4 — реакторные термодинамические или солнечные
термодинамические установки; 5— фотоиреобразователи; б— фотопреобразователи или
изотопные генераторы
как отправной, исходный материал для первоначальной
оценки направления, в котором следует искать действительно
оптимальный вариант энергетической установки.
Следует заметить, что по мере совершенствования
генераторов электрической энергии с появлением новых типов и
разновидностей источников тока и вспомогательных,
обеспечивающих систем, оптимальные области применения энерге*
30

тических установок существенно изменяются по сравнению с
современными представлениями. Именно поэтому на рис. 9,
заимствованном из журнала «Mechanical Engeneering»,
приведена диаграмма областей применения с учетом возможных
перспектив на 1972 год.
Развитие космических энергетических установок имеет
такой мощный, постоянно действующий стимул, как непрерывное
совершенствование космических кораблей, как необходимость
решения все увеличивающихся по объему и сложности задач
в освоении космическим пространством, прежде всего в
интересах и на благо человека.
В связи с этим есть все основания рассчитывать на
дальнейшее совершенствование космической электроэнергетики на
основе новейших достижений науки и техники.

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие 3
Электрохимические источники тока 5
Ртутно-цинковые (окисно-ртутные)
элементы 6
Серебряно-цинковые батареи 7
Никель-кадмиевые герметизированные
(КНГ) аккумуляторы 8
Серебряно-кадмиевые аккумуляторы 10
Топливные элементы Ш
Преобразователи свеювой энергии, или фотопре-.
образователи 14
Преобразователи тепловой энергии ,20
О0лдети применения 27
Евгений Иванович ПАНЧЕНКО,
Александр Сергеевич КОРОВКИН
КОСМИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
Редактор И. Б. Файнбойм
Худож. редактор Е. Е. Соколов
Техн. редактор Л. А. Дороднова
Корректор Н. Д. Мелешкина
Обложка К. А. Павлинова
А02042. Сдано в набор и печать 31/Ш 1967 г.
Формат бум. 60x90/i6. Бумага типографская № 3<
Бум. л. 1,0. Печ. л. 2,0. Уч.-изд. л. 1,79. Тираж 59 400 экз.
Издательство «Знание». Москва, Центр, Новая пл., д. 3/4«
Заказ 1245. Типография изд-ва «Знание». Москва,
Центр, Новая пл., д, 3/4,
Цена б коп..

6 коп. Индекс
70072
К ЧИТАТЕЛЯМ СЕРИИ
«РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И СВЯЗЬ»
В январе исполнился год, как выходят в свет
брошюры серии «Радиоэлектроника и
с в я з ь». За это время, судя по отзывам
читателей и возросшему тиражу, серия приобрела
известную популярность, вызвала к себе
несомненный интерес. Есть письма, свидетельствующие о
том, что некоторые читатели узнают о той или
иной брошюре слишком поздно, когда она уже
разошлась; издательство в этом случае не может
удовлетворить их спрос.
ДОРОГИЕ ТОВАРИЩИ!
Напоминаем, что в 1967 году издательство выпустит в серии
«Радиоэлектроника и связь» 12 работ. Среди них:
Сифоров В. И., чл.-корр. АН СССР. Радиоэлектроника сегодня и
завтра (о достижениях и основных тенденциях развития радиоэлектроники
в нашей стране и за рубежом).
Логгииов Г. И., доктор хим. наук, Сафонов О. А., инженер. От
счета—к познанию. (Об электронных счетчиках частиц).
Кромский Г. И., С о л у я и С. И., канд. техн. наук. Лазерная
локация и связь (о новых направлениях лазерной техники).
Кононов В. Г., канд. техн. наук. Вероятностные методы в
радиотехнике и связи (о теории вероятностей и математической статистике иа
службе надежности работы линий связи и радиоэлектронной аппаратуры).
Курбаков К. И., канд. техн. наук. Электроника в стандартизации.
Чтобы получать брошюры регулярно, а к концу года собрать полную
библиотечку, лучше всего подписаться на серию «Радиоэлектроника и связь»,
как подписываются на газеты и журналы. Ее индекс 70077. Подписная
плата за полугодие 54 коп.
Заказы на отдельные работы принимаются в книжных магазинах по
тематическому плану издательства «Знание» иа 1967 год. В тематическом
плане названия брошюр серии «Радиоэлектроника и связь» помещены на
страницах 70—73.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ»