В первой, второй и третьей публикациях цикла было рассказано о потенциальном рынке сверхлегких ракет-носителей (СЛРН). В четвертой и пятой статьях были рассмотрены некоторые нетрадиционные решения, которые пытались применять в проектах СЛРН. В шестой статье рассмотрены широкодиапазонные двигатели. В настоящей статье изучается вопрос замены турбонасосного агрегата (ТНА) на электрический привод насосов (ЭН) с питанием от аккумуляторных батарей (АКБ). Статья скучноватая, картинок мало, но полезная, ссылок много.

Зачем ракете батарейки

Единственный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) с ЭН, слетавший в космос, это Резерфорд (Rutherford) ракеты RocketLab Electron (рис.1-а). Он оснащен раздельным приводом насосов горючего и окислителя, что позволяет гибко дросселировать его мощность. Но такая схема не является обязательной, привод может быть и общим (рис.1-б). Обзор ЖРД Rutherford приведен в статьях [1],[2]. Каждый ЖРД снабжен двумя гидроцилиндрами (синие на рис.1-а), которые позволяют качать его по двум осям, обеспечивая таким образом управление ракетой. Питание ЭН осуществляется от АКБ. Следует отметить, что АКБ давно и широко применяются на ракетах-носителях (РН) и космических аппаратах [3], но для питания электрических приводов насосов ЖРД они использованы на СЛРН Electron впервые.

Рисунок 1 — ЖРД Rutherford с индивидуальным электрическим приводом насоса окислителя и горючего (а) и альтернативная схема с насосами на одном валу и приводом от общего электрического двигателя

Основной причиной, почему в ракете Electron применены ЭН, является недоступность на рынке коммерческих ТНА. Лидер в области разработки и производства ТНА фирма Barber&Nichols [4] фактически является единственной, кто поставляет ТНА отдельно от ЖРД. Однако она не выпускает ТНА для ЖРД малой тяги. Насосы же и высокооборотные электрические двигатели являются серийной коммерческой продукцией, доступной на рынке, АКБ используются особые, но они тоже серийные.

Пожалуй, единственным подходящим по размерности для СЛРН является ТНА водородного воздушно-реактивного двигателя НК-88, устанавливавшегося в конце 80-х годов на экспериментальный самолёт Ту-155. Данный ТНА при частоте вращения 50 тыс. об/мин может использоваться на водородном НК-88, а при 20 тыс. об/мин – на метановом НК-89. Ценой немалых переделок этот ТНА можно приспособить для метанового ЖРД тягой 1,5 — 2,2 тс [5],[6].

АКБ — революция закончилась

Химические источники тока основаны на окислительно-восстановительной реакции между элементами.

Литий-ионные батареи – лучший выбор при времени работы до 5 мин. Литий является металлом с предельными характеристиками: самой низкой массой, самым низким электродным потенциалом (–3,05 В) и самой высокой токовой нагрузкой (3,83 А·ч/г). Литий-ионные аккумуляторы появились на рынке в начале 90-х годов, история их создания изложена в статье [7], а разновидности и перспективны развития – в статье [8]. Возможность применения литий-ионных АКБ для питания ЭН ЖРД рассмотрена в работе [9]. Показано, что необходимо учитывать одновременно два параметра: удельную емкость E/m и удельную мощность P/m (m-масса элемента). Кроме того, важен ток разрядки, т.е. то, как быстро батарея может отдать накопленную энергию (C-rate), т.к. вращение электродвигателя зависит от силы тока. Емкость по току измеряется в С=ампер·час. В настоящее время на литий-ионных серийных АКБ одновременно достигнуты E/m =220 Вт·ч/кг и P/m=2 кВт/кг, полная картина сочетания этих параметров представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 — Характеристики современных АКБ различных типов

В отдельных тестах достигнуты удельная энергоемкость литий-ионных элементов порядка 1,5 кВт·ч/кг и рекордный ток 20 кА/кг массы электродов [10]. Их гибриды с литий-оксидными Li-Ο₂ (которые сами по себе недостаточно мощные, но теоретически могут обладать рекордной емкостью до 5 кВт·ч/кг [11]) лидируют среди перспективных аналогов по обоим параметрам [12], но внедрены они могут быть не ранее, чем в течение 10 лет. Это связано с тем, что подача кислорода воздуха в ячейку, содержащую легко воспламеняющийся литий, требует сложных технологических решений, кроме того, имеются проблемы с электродами с высокой плотностью тока. С применением новых материалов анода, например, кремния, можно ожидать дальнейшего прогресса, однако этому препятствуют трудности: разрушение и разуплотнение элементов кремниевого слоя, а также рост литиевых дендритов через электролит.

На режимах высоких нагрузок литиевые батареи начинают перегреваться. Например, на токе 15С (характерный ток разрядки АКБ в ЖРД с ЭН) литий-ионные элементы выходят из строя за 600 с [13]. Также, в условиях стратосферы при нагреве может закипеть растворитель электролита, т.к. ячейки не защищены от падения давления и начинают разбухать. Безопасной считается эксплуатация АКБ при температуре элементов ниже 100°С, иначе могут инициироваться экзотермические реакции [14]. Максимум отдачи энергии наблюдается при температуре 35-41ºС. В сухих сборках без принудительного охлаждения теплоотвод осуществляется медленнее в несколько раз, поэтому высокомощные сборки элементов требуется защищать от перегрева даже для длительности пуска 150-200 с. Ожидается, что контроль температуры батарей хладагентом поможет на 20% повысить их энергоотдачу.

Литий-серные батареи имеют отличные показатели удельной энергии (до 1,6 кВт·ч/кг для малых токов разряда), поэтому их можно рассматривать при длительности работы от 10 мин. Напомним, у СЛРН Electron время работы первой ступени – 2,5 мин, второй ступени – 6,5 мин, т.е. применение литий-серных АКБ потребует изменения траектории выведения на более пологую, что попутно уменьшит гравитационные потери. В литий-серных батареях используются различные степени окисления серы в составе полисульфид-иона, что, вероятно, позволяет достигать множества стабильных промежуточных состояний серного электрода. Максимальный задокументированный ток разряда в лабораторных условиях – 3С для удельной энергии порядка 1 кВт·ч/кг [15].

Другие авторы полагают, что у потенциально реализуемых изделий ток разряда не превысит 0,2С [16]. В работе [17] для литий-серных АКБ приняты следующие параметры: 1,2 кВт/кг и 350 Вт·ч/кг, приведено их сравнение с литий-ионными и литий-ионными с полимерным электролитом АКБ (литий-полимерных). Сделан вывод, что для применения на СЛРН литий-серные АКБ хуже литий-полимерных.

Для литий-серных лабораторных тестовых микросборок, использующих структурированные наноуглеродные электроды, значение удельной мощности может достигать 10 кВт/кг, как у коммерческих суперконденсаторов, но это, как всегда с нанотехнологиями, дело отдаленного будущего.

Другие типы АКБ – серебряно-цинковые, никель-кадмиевые и никель-металлогидридные, литий-титанатные по отдельным характеристикам могут превосходить литий-полимерные элементы, но по интегральным показателям уступают им (см. рис.2).

Прекрасными разрядными характеристиками обладают АКБ на базе титаната лития: они быстро заряжаются и дают мощную отдачу по току, что делает привлекательным их применение в общественном транспорте. Но они очень тяжелые, и это закрывает им путь в космос.

К литий-ионным близки и отчасти их превосходят серебряно-цинковые элементы с емкостью до 0,22 кВт·ч/кг и током разряда до 50C (т.е. удельной мощностью до 10 кВт/кг) [18].

Ближайшими к ним серийно выпускаемыми бюджетными элементами являются никель-кадмиевые и никель-металлогидридные с мощностью разряда до 1 кВт/кг и удельной энергией в пределах до 0,11 кВт·ч/кг [19].

Гибрид суперконденсатора и элемента питания – «supercapattery» с использованием наноматериалов является перспективным направлением исследований. Сами по себе суперконденсаторы обладают максимально возможной мощностью разряда, превосходящей все известные элементы питания, но их удельная энергоемкость не превышает 10 Вт·ч/кг [20], что является крайне низким показателем (см. рисунок 3).

Полностью материалы статьи можно прочитать здесь: Бог эксперта НТИ