Радиоизотопный генератор Стирлинга

Радиоизотопный генератор Стирлинга ( SRG ) — это тип радиоизотопного генератора, основанный на двигателе Стирлинга, питаемом большим блоком радиоизотопного нагревателя . Горячий конец конвертера Стирлинга достигает высокой температуры, и нагретый гелий приводит в движение поршень, при этом тепло отводится на холодный конец двигателя. Генератор или генератор переменного тока преобразует движение в электричество. Учитывая очень ограниченные запасы плутония , конвертер Стирлинга примечателен тем, что производит примерно в четыре раза больше электроэнергии из плутониевого топлива по сравнению с радиоизотопным термоэлектрическим генератором (РТГ).

Генераторы Стирлинга были тщательно протестированы на Земле НАСА , но их разработка была отменена в 2013 году, прежде чем их можно было использовать в реальных миссиях космических кораблей. Аналогичный проект НАСА под названием Kilopower использует небольшой урана реактор деления , который все еще находится в стадии разработки, также использует двигатели Стирлинга, но в качестве источника тепла .

История

Разработка технологий циклов Стирлинга и Брайтона ведется в Исследовательском центре НАСА имени Гленна (ранее НАСА Льюиса) с начала 1970-х годов. Космический демонстрационный двигатель (SPDE) был первым двигателем мощностью 12,5 кВт на цилиндр, который был спроектирован, изготовлен и испытан. В более позднем двигателе такого размера, Component Test Power Converter (CTPC), использовалась нагревательная головка с тепловой трубкой «Морская звезда» вместо контура накачки, используемого в SPDE. В период 1992-93 годов эта работа была остановлена из-за прекращения работы над соответствующей ядерной энергетической системой SP-100 и нового акцента НАСА на «лучших, быстрых и дешевых» системах и миссиях.

В 2020 году в Исследовательской лаборатории Стирлинга в НАСА в Гленне свободнопоршневой преобразователь энергии Стирлинга проработал 15 лет без обслуживания и без деградации. ^[1]^[2] Эта продолжительность равна расчетному сроку эксплуатации MMRTG и соответствует типичным концепциям миссий, предназначенных для исследования внешних планет или даже более отдаленных объектов пояса Койпера . Этот блок, получивший название «Демонстрационный преобразователь технологии» (TDC) №13, является старейшим из нескольких преобразователей, не обнаруживших никаких признаков ухудшения качества. С 2017 года программа НАСА по радиоизотопным энергетическим системам в НАСА в Гленне продолжила разработку нескольких технологий-кандидатов для первой динамической ракеты-носителя для полетов в космос, включая конструкции, основанные на рекордном TDC № 13 и газосодержащем преобразователе Стирлинга, который был используется в АСРГ. Небольшая система турбо-Брайтон также находится в стадии технологической разработки. В результате продолжающихся усилий по разработке технологии динамического преобразования появилось несколько жизнеспособных конструкций генераторов в диапазоне 100–500 Вт. В краткосрочной перспективе демонстрационная миссия на Луну с использованием динамической RPS в рамках программы НАСА «Артемида» может стать первой возможностью использования DRPS в космических полетах. Использование DRPS в полезной нагрузке, приземлившейся на Луну, позволит ей выжить и продуктивно работать во время леденящих холода двухнедельных лунных ночей или в постоянно затененных кратерах вблизи полюсов Луны.

В начале 21 века был реализован крупный проект, использующий эту концепцию: усовершенствованный радиоизотопный генератор Стирлинга (ASRG), источник энергии на основе электрического преобразователя мощностью 55 Вт. ^[3]^[4]^[5] Источником тепловой энергии для этой системы был источник тепла общего назначения (GPHS). Каждый GPHS содержал четыре с иридиевой оболочкой топливные таблетки Pu-238 , имел высоту 5 см, площадь 10 см и весил 1,44 кг. Горячая часть преобразователя Стирлинга достигла температуры 650 °C, и нагретый гелий приводил в движение свободный поршень, совершающий возвратно-поступательное движение в линейном генераторе переменного тока, при этом тепло отводилось на холодном конце двигателя. Переменный ток (AC), генерируемый генератором переменного тока, затем преобразулся в постоянный ток (DC) мощностью 55 Вт. Каждый блок ASRG будет использовать два преобразователя Стирлинга с тепловой мощностью около 500 Вт, подаваемой двумя блоками GPHS, и будет выдавать 100–120 Вт электрической мощности. ASRG прошел квалификационные испытания в NASA Glenn в качестве источника питания для будущей миссии NASA.

ASRG была включена во многие предложения миссий того времени. ^[6] но был отменен в 2013 году, ^[7] из-за бюджетных ограничений НАСА. ^[8]

См. также

Ссылки

^ «Конвертер Стирлинга устанавливает рубеж в 14 лет непрерывной работы» . НАСА RPS: Радиоизотопные энергетические системы . Проверено 25 октября 2021 г.
^ «Это продолжается и продолжается: испытания двигателя Стирлинга устанавливают длительный рекорд в НАСА в Гленне» . Инсайдер SpaceFlight . 30 июля 2018 г. Проверено 25 октября 2021 г.
^ Технический паспорт ASRG (PDF) (Отчет). НАСА Гленн. Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2008 г. Проверено 9 мая 2023 г.
^ Усовершенствованный радиоизотопный генератор Стирлинга Space Radioisotope Power Systems (PDF) (Отчет). Архивировано из оригинала (PDF) 27 сентября 2011 г.
^ Технический меморандум НАСА TM-2007-214806 (PDF) (Отчет). Май 2007 г. Архивировано из оригинала (PDF) 5 июня 2009 г. Проверено 3 мая 2011 г.
^ Б. Бергер - Финалистам миссии Discovery может быть дан второй шанс (2014)
^ Отмена ASRG в контексте будущих планетарных исследований
^ «Будущие планетарные исследования: отмена ASRG в контексте» . Будущие планетарные исследования . 08.12.2013 . Проверено 25 октября 2021 г.

Внешние ссылки

Новости программы НАСА по радиоизотопным энергетическим системам
Радиоизотопные энергетические системы для новых рубежей
Зачем разрабатывать генератор радиоизотопов Стирлинга?
Свободнопоршневой конвертер Стирлинга установил рекорд в Исследовательском центре Гленна НАСА
Вулвертон, Марк (март 2008 г.). «Стирлинг в глубоком космосе» . Научный американец . 298 (3): 14. Бибкод : 2008SciAm.298c..22W . doi : 10.1038/scientificamerican0308-22 . ПМИД 18357812 . Проверено 9 мая 2023 г.
Атомная электростанция НАСА на базе двигателя Стирлинга для использования на Луне на YouTube

[1] «Конвертер Стирлинга устанавливает рубеж в 14 лет непрерывной работы» . НАСА RPS: Радиоизотопные энергетические системы . Проверено 25 октября 2021 г.

[2] «Это продолжается и продолжается: испытания двигателя Стирлинга устанавливают длительный рекорд в НАСА в Гленне» . Инсайдер SpaceFlight . 30 июля 2018 г. Проверено 25 октября 2021 г.

[3] Технический паспорт ASRG (PDF) (Отчет). НАСА Гленн. Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2008 г. Проверено 9 мая 2023 г.

[4] Усовершенствованный радиоизотопный генератор Стирлинга Space Radioisotope Power Systems (PDF) (Отчет). Архивировано из оригинала (PDF) 27 сентября 2011 г.

[5] Технический меморандум НАСА TM-2007-214806 (PDF) (Отчет). Май 2007 г. Архивировано из оригинала (PDF) 5 июня 2009 г. Проверено 3 мая 2011 г.

[6] Б. Бергер - Финалистам миссии Discovery может быть дан второй шанс (2014)

[7] Отмена ASRG в контексте будущих планетарных исследований

[8] «Будущие планетарные исследования: отмена ASRG в контексте» . Будущие планетарные исследования . 08.12.2013 . Проверено 25 октября 2021 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]