Резервное питание для космического зонда НАСА «Вояджер» и тонкости энергосистем на основе РИТЭГов

Зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2» были запущены в 1977 году и работают без остановок уже более 45 лет, прокладывая путь от Земли к внешним планетам нашей Солнечной системы и дальше. Благодаря радиоизотопным термоэлектрическим генераторам (РТГ), которые при запуске давали 470 Вт, они могут работать в темноте глубокого космоса, как и в пределах нашей освещенной Солнечной системы. Однако, поскольку ничто во Вселенной не бесконечно, эти РИТЭГи также изнашиваются со временем, будь то из-за естественного распада их источника излучения или из-за деградации термопар.

Несмотря на это постепенное снижение силы, НАСА Недавно объявлено У «Вояджера-2» есть пока неизвестный источник резервного питания, который отсрочит отключение большего количества научных инструментов еще на несколько лет. Это изменение, по сути, обходит схему регулятора напряжения и связанную с ней систему резервного питания, высвобождая энергию, которую она потребляет для научных приборов, которые начали бы отключаться несколько лет назад.

Хотя это хорошая новость сама по себе, она также заслуживает внимания, потому что 45-летний «Вояджер» Multi Hundred Watt (MHW) является прародителем РИТЭГов, которые все еще питают зонд New Horizons 17 лет спустя, и Марсианскую научную лабораторию (Curiosity). Уже более 10 лет ценность РИТЭГов подтверждается долгосрочными исследовательскими миссиями.

Хотя основной принцип РИТЭГ довольно прост, его конструкция сильно изменилась с тех пор, как на вооружение был поставлен американский РИТЭГ SNAP-3. Пересечение Спутник 4B в 1961 году.

Потребность во власти

Даже на Земле может быть трудно найти надежный источник энергии, которого хватит на годы или даже десятилетия, поэтому Вспомогательные ядерно-энергетические системы НАСА (НАСА)попВ рамках программы разработки были созданы РИТЭГи, предназначенные для наземного и космического использования, причем СНАП-3 первым достиг космоса. Данный РИТЭГ производил всего 2,5 Вт, а на спутниках также были солнечные батареи и никель-кадмиевые батареи. Но в качестве испытательного стенда космического РИТЭГа SNAP-3 заложил основу для последующих миссий НАСА.

SNAP-19 обеспечивал питание (около 30 Вт на РИТЭГ) для спускаемых аппаратов Viking 1 и 2, а также Pioneer 10 и 11. Пять модулей SNAP-27 обеспечивали питание для пакетов Apollo Lunar Surface Experiments (АЛСЕП), которые были оставлены на поверхности Луны астронавтами Аполлона 12, 14, 15, 16 и 17. Каждый SNAP-27 обеспечивал мощность около 75 Вт при напряжении 30 В постоянного тока от 3,8-килограммового топливного стержня с плутонием-238, рассчитанного на 1250 Вт. Десять лет спустя SNAP-27 все еще производит более 90% своей номинальной электроэнергии, позволяя каждому ALSEP передавать данные о лунных землетрясениях и другую информацию, зарегистрированную его приборами, до тех пор, пока позволяет бюджет мощности.

К тому времени, когда в 1977 году прекратились операции по поддержке проекта «Аполлон», у ALSEP остались только работающие передатчики. Модуль SNAP-27 Аполлона-13 (прикрепленный к внешней стороне лунного модуля) вернулся на Землю, где он остается неповрежденным на дне желоба Тонга в Тихом океане.

Относительная неэффективность РИТЭГов была очевидна уже в то время, хотя Снапка-10А Эксперимент, демонстрирующий встроенный 500-ваттный реактор деления в спутнике с ионным двигателем, который легко превзошел РИТЭГи SNAP. Несмотря на большую мощность на единицу объема и ядерное топливо, РИТЭГи на основе термопар имеют то преимущество, что в них нет движущихся частей и требуется только пассивное охлаждение. Это позволяет им буквально застрять на космическом зонде, спутнике или транспортном средстве с тепловым излучением и/или конвекцией, обеспечивающей прохладную сторону для тепловой.

Эти термопары используются Эффект Зеебека, обратный эффект Пельтье, чтобы преобразовать температурный градиент между двумя разнородными электропроводящими материалами, по сути, в генератор. Большая часть проблемы для РИТЭГов на основе термопар заключается в поиске наиболее эффективного и надежного крепления. Хотя РИТЭГи с циклом Ренкина, Брайтона и Стирлинга также были опробованы, у них есть очевидный недостаток движущихся механических частей, которые требуют уплотнений и смазки.

Принимая во внимание предполагаемую 45-летнюю продолжительность жизни «Вояджера». MHW-РТЭГи При использовании относительно старых кремниево-германиевых (SiGe) термопар недостатки добавления механических компонентов должны быть очевидны. Особенно, если учесть два поколения преемников MHW RTG на сегодняшний день.

Не ваш РИТЭГ 1970-х

В то время как MHW-RTG Вояджера был разработан специально для миссии НАСА, его преемник, творчески названный Источник тепла общего назначения (GPHSРИТЭГ был разработан космическим подразделением General Electric и впоследствии использовался в миссиях Ulysses (1990-2009), Galileo (1989-2003), Cassini-Huygens (1997-2017) и New Horizons (2006-). Каждый GPHS-RTG производит примерно 300 Вт электроэнергии от термопары мощностью 4400 Вт с использованием аналогичных кремниевых и германиевых термопар.

Интересен здесь тот факт, что даже марсоходы на солнечных батареях включают в себя радиоизотопный модуль, правда, в виде радиоизотопного нагревательного модуля (РУ), с Соджорнер Ровер Наличие трех таких RHU, f Дух и возможности По восемь RHU в каждом. Эти RHU обеспечивают постоянный источник тепла, который позволяет использовать скудную электроэнергию от солнечных панелей и батарей для других задач, помимо работы нагревателей.

Между тем, действующий в настоящее время марсоход, любопытство И его двойной резистор, он получает электрическую энергию и тепло от одного устройства. Многофункциональный радиоизотопный термоэлектрический генератор (ммртг) одиночество. В этих комплектах RTG используются ферроэлектрические пары PbTe/TAGS, то есть сплав свинец/теллур для одной стороны и теллур (Te), серебро (Ag), германий (Ge) и сурьма (Sb) для другой стороны пары. MMRTG рассчитан на срок до 17 жизней, но, вероятно, значительно превзойдет проектные характеристики по сравнению с MHW-RTG и другими. Топливо плутоний-238 с ММРТГ содержится в блоках источников тепла общего назначения (ГИТ), которые служат для защиты топлива от повреждений.

Основной режим отказа Из термопар SiGe германий со временем мигрировал, вызывая сублимацию. В более поздних конструкциях это было предотвращено путем покрытия термопар SiGe нитридом кремния. Термопары PbTe/TAGS должны обеспечить дополнительную стабильность в этом отношении, а MMRTG в Curiosity и Persistence послужили реальными тестами продолжительности.

проблема с топливом

Зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2» совершенно не подходят для серьезного обслуживания и обслуживания, поэтому НАСА пришлось проявить творческий подход, чтобы оптимизировать использование энергии. Хотя резервная цепь питания могла считаться необходимой в 1970-х годах на случай колебаний мощности любого из трех РИТЭГов на каждом космическом зонде, данных реальных наблюдений достаточно, чтобы подтвердить предположение, что в этом нет необходимости. за исключением экзотических эффектов.

Имея данные примерно за 46 лет, полученные с РИТЭГов «Вояджер», мы теперь можем видеть, что стабильность термопар необходима для поддержания постоянной выходной мощности, так как распад плутоний-238 Источник топлива гораздо легче смоделировать и предсказать. Теперь, когда с помощью MMRTG мы можем решить многие проблемы, из-за которых термопары со временем изнашиваются. Единственный недостающий компонент — это топливо плутоний-238.

Большая часть плутония-238, который был у Соединенных Штатов, поступила с объекта в Саванна-Ривер (СРС) до закрытия этого объекта и собственных реакторов в 1988 году. Затем Соединенные Штаты импортировали плутоний Pu-238 из России до того, как запасы последней также начали истощаться, что привело к неловкому положению Соединенных Штатов. из лучших радиоактивных изотопов для использования в РИТЭГах для длительных миссий. С коротким периодом полураспада 87,7 лет и только альфа-распадом плутоний-238 довольно безвреден для окружающего материала, обеспечивая при этом большое количество тепловой энергии.

Поскольку плутония-238 осталось только на две MMRTG на нынешних марсоходах и еще на две последующие, Соединенные Штаты Перезагрузить сейчас Производство плутония-238. Хотя плутоний-238 может быть получен с помощью нескольких различных методов, предпочтительным методом, по-видимому, является использование запаса нептуния-237 и его облучение нейтронами в реакторах деления или аналогичных источниках нейтронов для получения плутония-238 путем захват нейтронов. По данным НАСА, около 1,5 кг плутония-238 в год должно быть достаточно для удовлетворения потребности будущих космических миссий.

Маленький космический корабль в темноте

Вояджер 1 в настоящее время находится на расстоянии 159,14 а.е. (23,807 млрд км) от Земли, и Вояджер 2 Он лишь незначительно ближе на 133,03 а.е., чем Земля. Как проект, уходящий своими корнями в космическую гонку и в конечном итоге живший не только после многих своих создателей, но и после геополитики того времени, это, возможно, одна из немногих рукотворных констант, с которыми мы все можем в некотором роде идентифицироваться. мода.

Как носители золотых дисков, содержащих сущность человечества, продление жизни этих космических кораблей выходит за рамки простой науки, которой они могут заниматься во тьме глубокого космоса. С каждым дополнительным годом мы можем узнавать немного больше и видеть больше того, что ждет человечество за пределами досягаемости этой более или менее обычной солнечной системы.