Схемы коммутации и распределения ЭГК в активных зонах

Введение

Анализ проблемных вопросов обеспечения надежности перспективных КА с ЯЭУ и создаваемых на их основе космических систем показал, что срок активного существования КА и уровень готовности КС будет в значительной степени определяться энергетическими характеристиками термоэмиссионных ЯЭУ.

Важным достоинством термоэмиссионных ЯЭУ является возможность комплексного решения двух задач: форсирования уровня выходной электрической мощности ЯЭУ в 2-2.5 раза на участке выведения КА на рабочую орбиту и обеспечения их бесперебойного электропитания в течении 7-10-летнего срока активного существования КА.

Требуемый уровень электрической мощности, генерируемой ЯЭУ в номинальном режиме, определяется решаемыми целевыми задачами КА. Что касается уровня электрической мощности ЯЭУ в форсированном режиме, то его выбор оказывает существенное влияние на время выведения КА на орбиту. Так, при увеличении электрической мощности ЯЭУ на форсированном режиме уменьшается время выведения КА на орбиту. Это позволяет сократить время развертывания орбитальной системы и ее восполнения при отказах отдельных КА, что, при фиксированном уровне долговечности объектов, приводит к повышению готовности орбитальной космической системы в целом. Однако повышение уровня выходной электрической мощности ЯЭУ на форсированном режиме кроме положительных результатов приводит к отрицательным последствиям. В частности, ускоряются процессы деградации характеристик ЯЭУ и ее элементов, процессы деформации оболочек электрогенерирующих элементов (ЭГК), закупорки их газоотводных устройств, что приводит к замыканию ЭГЭ и, в итоге, к уменьшению запаса ресурса энергоустановки.

Структура и состав ЯЭУ

ядерный энергетический надежность установка

Структурная схема ЯЭУ второго поколения представлена на рисунке 1.

К числу унифицированных решений и элементов ЯЭУ-25 и ЯЭУ-50 можно отнести:

ЭГК;

цезиевую систему (отдельные узлы ЦС отличаются лишь размерами креплений);

преобразователи тока и напряжения САУ;

приводы ОР и СБ;

замедлитель;

холодильник-излучатель.

Большинство элементов и узлов ЯЭУ-25 и ЯЭУ-50 не имеют существенных различий, разработаны по одинаковой принципиальной схеме. Их параметры, по существу, лишь переносятся на заданные значения выходных характеристик.

К числу основных отличий ЯЭУ-25 и ЯЭУ-50 относятся:

различные уровни тепловой мощности в форсированном и номинальном режимах работы и продолжительность (ресурс) работы ЯЭУ-25 и ЯЭУ-50 в данных режимах;

различное количество ЭГК в активных зонах РП-25 и РП-50 и схемы их коммутации, количество и рабочие токи в ветвях ЭГК;

различные свободные объемы сердечников ЭГК;

различная загрузка активных зон РП-25 и РП-50 по топливу;

наличие выгорающего поглотителя в РП-50 (3 вставки).

Схемы коммутации и распределения ЭГК в активных зонах

В составе ЯЭУ-25 и ЯЭУ-50 используются унифицированные девятиэлементные ЭГК. Схемы коммутации ЭГК в активных зонах РП -25 и РП-50 представлены на рисунках.

Схема коммутации ЭГК в активной зоне РП-25

Схема коммутации ЭГК в активной зоне РП-50

Как видно из рисунков, в активной зоне РП-25 электрогенерирующие каналы скоммутированы в две ветви, а в активной зоне РП-50 - в четыре ветви.

Количественное распределение ЭГК по рядам и ветвям РП-25 приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Количественное распределение ЭГК по рядам и ветвям РП-25

Значения коэффициентов неравномерности тепловыделения в рядах и свободных объемов сердечников ЭГК в активной зоне РП-25 приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Коэффициенты неравномерности тепловыделения по рядам ЭГК РП-25

Требования надежности

Под надежностью ЯЭУ понимается свойство данного объекта сохранять исправное состояние при наземной эксплуатации и работоспособность на всех режимах его функционирования в заданных условиях применения по назначению в течение назначенного ресурса (в данном случае равного 7 годам работы).

Обобщенным показателем надежности ЯЭУ является вероятность безотказной работы ЯЭУ в течение назначенного ресурса (с учётом пятилетнего хранения), значение которой должно быть не менее 0,98.

Устанавливаются следующие требования к показателям надежности ЯЭУ на всех периодах (режимах) ее эксплуатации:

вероятность безотказной работы ЯЭУ в форсированном режиме в течение назначенного ресурса, не превышающего 6 месяцев, Р_фр > 0,995;

вероятность безотказной работы ЯЭУ в номинальном режиме в течение назначенного ресурса, не превышающего 6,5 лет, Р_нр > 0,985.

При проектировании ЯЭУ должны быть реализованы принципы и механизмы обеспечения отказоустойчивости. Должен быть обеспечен временной резерв и программно-аппаратные средства для парирования последствий ошибочно выполненных операций, команд, единичных сбоев и отказов элементов ЯЭУ.

Выход из строя одного элемента не должен приводить к отказу аппаратуры САУ данного изделия.