киловатт. Но обычно приборы, проектируемые специально для использования в космосе, потребляют относительно небольшие мощности. Так, например, устанавливаемый на некоторых американских спутниках Земли детектор космического излучения потребляет 2 вт, магнетометр — 5 вт, счетчик микрометеоров — 2,5 вт, масс-спектрограф — 17 вт, аппаратура активного ретранслятора радиосигналов — 10 вт и т. д.
По-разному оценивается мощность, необходимая для поддержания условий жизнедеятельности экипажа на борту ОКС. Иностранные специалисты чаще всего здесь называют цифры 100–500 вт, иногда 1000 вт на человека [31].
Значительную долю мощности источника электропитания будут потреблять радиоаппаратура связи с Землей при передаче на Землю и обратно различной научной информации, а также системы радиосвязи с космическими кораблями-путешественниками, системы навигации и др. Мощность отдельных элементов электронной аппаратуры может составить лишь несколько десятков ватт. Но телевизионная связь с Землей потребует нескольких сот ватт, активная же многоканальная ретрансляция — нескольких киловатт, а может быть, и десятков киловатт.
Двигатели коррекции орбиты, управления станцией на орбите или изменения параметров орбиты также потребуют нескольких киловатт мощности.
Суммарная мощность бортовых электростанций на большинстве искусственных спутников США колеблется от 0,3 до 150 вт. Однако здесь нужно заметить, что оборудование большинства американских спутников довольно невелико по объему ввиду малого веса полезной нагрузки их ракет-носителей. Значительно выше мощность энергоустановки на обитаемых космических кораблях. Например, средняя мощность, потребная для орбитального полета американской пилотируемой капсулы «Меркурий», составляет около 260 вт, максимальная потребляемая мощность — не более 1 квт.
Для ОКС потребная мощность источника энергии будет еще выше: от 0,8–1 квт для небольшой станции с экипажем из одного — двух человек и до 50-100 квт для крупной орбитальной лаборатории.
Одной из трудностей в проектировании космической энергоустановки является необходимость периодически обеспечивать мощности, значительно большие, чем обычные средние потребляемые нагрузки, — так называемые пиковые нагрузки, которые могут превосходить номинальные в два — три раза. Если на борту ОКС иметь установку с постоянным потреблением энергии, которая может обеспечить пиковые нагрузки, то, очевидно, большую часть времени она будет работать с существенной недогрузкой. А это лишний вес, так как вес энергетической установки пропорционален ее мощности.
В связи с этим некоторые авторы предлагают иметь в системе энергоснабжения ОКС две энергоустановки: главную — для длительной непрерывной эксплуатации, обеспечивающую среднюю потребляемую нагрузку, и дополнительную — для кратковременной работы при пиковых нагрузках. Источник питания, рассчитанный на редкое и кратковременное применение, может быть, например, аккумулятором энергии, который подзаряжается от главного источника при невысокой загруженности последнего. Дополнительная энергоустановка имеет небольшой вес, а в целом наличие ее при оптимальном соотношении мощностей обоих источников даст возможность получить выигрыш в весе всей энергоустановки.
Кроме того, дополнительный источник энергии будет служить резервом на случай отказа главной установки или при ее ремонте и профилактике. Возможно, что в связи с этим, кроме мощной централизованной системы энергоснабжения, на борту ОКС будут автономные источники энергии небольшой мощности.
Все это свидетельствует о том, что типы космических электростанций, применяемых для ОКС, могут быть самыми разнообразными, различных мощностей и ресурсов. Конечно, на небольшой ОКС с экипажем из двух — трех человек едва ли будет возможно иметь дополнительную энергоустановку. Это, несомненно, потребует очень высокой надежности единственного бортового источника питания.
Теперь обратимся к тем методам генерирования энергии, которые могут быть применены в космическом пространстве.
АККУМУЛЯТОРЫ И СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ
На первых спутниках Земли аппаратура потребляла относительно небольшие мощности тока и время работы ее было очень непродолжительным. Поэтому в качестве первых космических источников энергии успешно применялись обыкновенные аккумуляторы.
Как известно, на самолете или автомобиле аккумулятор является вспомогательным источником тока и работает совместно с электромашинным генератором, от которого периодически подзаряжается.
Основными достоинствами аккумуляторов являются их высокая надежность и отличные эксплуатационные качества. Существенный недостаток аккумуляторных батарей заключается в большом весе при малой энергоемкости. Например, серебряно-цинковая батарея при емкости 300 а-ч весит около 100 кг [31]. Это означает, что при мощности тока 260 вт (нормальное потребление на обитаемом спутнике «Меркурий») такая батарея будет работать менее двух суток. Удельный вес батареи, характеризующий весовое совершенство источника тока, составит около 450 кг/квт.
Поэтому аккумулятор как автономный источник тока применялся в космосе до сих пор лишь при небольших потребляемых мощностях (до 100 вт) при сроке службы несколько десятков часов.
Для больших автоматических спутников Земли, насыщенных разнообразным оборудованием, потребовались более мощные и легкие источники тока с весьма продолжительным сроком действия — до нескольких недель и даже месяцев.
Такими источниками тока явились чисто космические генераторы — полупроводниковые фотоэлектрические элементы, работающие на принципе преобразования световой энергии солнечного излучения непосредственно в электричество. Эти генераторы называют солнечными батареями.
Мы уже говорили о мощности теплового излучения Солнца. Напомним, что за пределами земной атмосферы интенсивность солнечной радиации довольно значительна: поток энергии, падающей на поверхность перпендикулярную солнечным лучам, составляет 1340 вт на 1 мг. Эту энергию, а вернее, способность солнечной радиации создавать фотоэлектрические эффекты и используют в солнечных батареях. Принцип действия кремниевой солнечной батареи показан на рис. 30.
Тонкая пластина состоит из двух слоев кремния с различными физическими свойствами. Внутренний слой представляет собой чистый монокристаллический кремний. Снаружи он покрыт очень тонким слоем «загрязненного» кремния, например с примесью фосфора. После облучения такой «вафли» солнечными лучами между слоями возникает поток электронов и образуется разность потенциалов, а во внешней цепи, соединяющей слои, появляется электрический ток.
Толщина кремниевого слоя требуется незначительная, но из-за несовершенства технологии она обычно бывает от 0,5 до 1 мм, хотя в создании тока принимает участие лишь около 2 % толщины этого слоя. Поверхность одного элемента солнечной батареи по технологическим причинам получается очень небольшой, что требует последовательного соединения в цепь большого числа элементов.
Кремниевая солнечная батарея дает ток лишь тогда, когда на ее поверхность падают лучи Солнца, причем максимальный съем тока будет при перпендикулярном расположении плоскости батареи по отношению к солнечным лучам. Это означает, что при движении космического корабля или ОКС по орбите необходима постоянная ориентация батарей на Солнце. Батареи не будут давать тока в тени, поэтому их необходимо применять в сочетании с другим источником тока, например с аккумулятором. Последний будет служить не только накопителем, но и демпфером возможных колебаний в величине потребной энергии.
