ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ КА МИКРО- И НАНО-КЛАССОВ Буряк А.К.,Иванов М.Ю.,Новиков Н.Д.,Реш Г.Ф.,Широков П.А.

ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН


Номер: 10-1
Год: 2016
Страницы: 55-63
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

миниатюризация, микроэлектромеханическая система (МЭМС), космический аппарат, энергетическая система, асимптотическое моделирование, miniaturization, microelectromechanical system (MEMS), spacecraft, energy system, asymptotic modeling

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Миниатюризация систем и их комплектующих является одним из важнейших компонентов развития современных космических аппаратов. В статье рассматриваются вопросы создания систем энергопитания, агрегатов накопления (поглощения) механической энергии на основе гетерогенных материалов, микрокатализатора для микродвигателей, разрабатываемых на основе микроэлектромеханических технологий, программно-математического обеспечения для моделирования физико-химических процессов в микроструктурах катализатора на основе асимптотических методов. Результаты могут найти применение при разработке управляемых микро- и наноспутников.

Текст научной статьи

Введение. Оперативное наблюдение за наземными и космическими объектами, прогнозирование изменения их текущего состояния становится все более актуальным. Одним из наиболее эффективных способов такого наблюдения является использование корпоративной сети космических аппаратов (КА), состоящей из группы специализированных спутников микро- и нано-классов. Многие задачи, свойственные многотонным КА могут быть решены с меньшими затратами при совместном применении указанных аппаратов. Вместе с тем, появляется возможность постановки и решения новых специфических задач, например, таких как создание маневрирующих наноспутников-наблюдателей для осмотра космических объектов, диагностики собственного состояния КА-носителя, выполнения некоторых функций современных КА дистанционного зондирования Земли и др. Одним из необходимых условий совершенствования КА нано-класса является миниатюризация основных систем. Миниатюризация в сочетании с комплексированием функций комплектующих систем позволяют существенно сократить объём и массу аппарата, расход топлива, расширить возможности в функционировании, обеспечении надежности и безопасности полетов. В этом направлении, как известно, значительные успехи достигнуты в микросистемах контроля параметров (датчики) и управления (гироскопы) КА [1; 2], а в последнее время - в системах энергопитания (СЭП) и двигательных установках (ДУ). Прецизионное позиционирование является одним из основных требований, предъявляемых к наноспутникам. Обеспечение этого требования связано с созданием ДУ с микродвигателями, имеющими тяги на уровне миллиньютонов. Для их изготовления используются принципиально новые (нано-) технологии, которые получили значительное развитие за рубежом [3; 4]. Целью настоящей статьи является представление некоторых направлений экспериментальных исследований, проводимых АО «ВПК «НПО машиностроения» по миниатюризации энергетических систем. Объектами исследования являются СЭП и ДУ (рис. 1). Экспериментальные исследования в области миниатюризации СЭП. Как известно, в структуру СЭП входят следующие основные подсистемы: солнечные батареи (СБ) с фотоэлектрическими преобразователями энергии (ФЭП); химические источники тока (ХИТ); коммутирующая электроника, связывающая СБ и ХИТ с нагрузкой. Успешное решение проблем миниатюризации предполагается получить путем внедрения в конструкцию СЭП пленочного материала на основе наноструктурированного углерода (НСУ) отечественного производства. Он обладает уникальными электрофизическими свойствами, благодаря которым может успешно использоваться как материал для электродов в ХИТ, так и для создания гетероструктур в ФЭП. Принципиально важно, что при синтезе НСУ применяются, в отличие от используемых сегодня химических, экологически чистые вакуумные технологии. Разработчиком и изготовителем такого нанопленочного материала является АО «Специальное конструкторско-технологическое бюро по электрохимии с опытным заводом». Технология синтеза НСУ запатентована в России [5; 6] и в нескольких зарубежных странах [7]. Рис. 1. Направления экспериментальных исследований по миниатюризации энергетических систем КА Исследования по созданию ХИТ. В этом направлении ведутся работы по созданию на основе НСУ электродов для литий-ионных аккумуляторов и поисковые исследования по созданию твердых полимерных электролитов. Экспериментально установлено, что удельная емкость анода, изготовленного на основе НСУ, существенно превышает емкость используемых в настоящее время электродов, и он с большой вероятностью может быть адаптирован к известным промышленным технологиям изготовления литий-ионных аккумуляторов. Создание ФЭП. Первые результаты исследований показали, что использование НСУ как материала, обладающего квантовыми свойствами, делает его конкурентоспособным с германием и арсенидом галлия при создании гетероструктур ФЭП при значительно меньшей стоимости (рис. 2). Рис. 2. Экспериментальные образцы ФЭП Коммутирующая электроника. Опыт работ свидетельствует о технической возможности осуществить идею, согласно которой создание СЭП и её подсистем реализуются в рамках единой экологически чистой технологии. Разрабатываемые технологии находятся на мировом уровне и промежуточные результаты исследований (например, обнаруженное увеличение КПД и снимаемой мощности в однокаскадной гетероструктуре, состоящей из кремния p-проводимости и НСУ n-проводимости с просветляющим покрытием из НСУ) представляют интерес для внедрения в системы альтернативной энергетики. Предварительные оценки показывают экономическую целесообразность такого внедрения [8]. Экспериментальные исследования по миниатюризации систем топливоподачи ДУ. При решении некоторых задач миниатюризации ДУ используется теоретический и экспериментальный задел по нанотехнологиям ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» и АО «ВПК «НПО машиностроения» в области разработки систем накопления (поглощения) механической энергии при взаимодействии пористого тела с лиофобной жидкостью. Этот задел предполагается применить для разработки миниатюрных систем аккумулирования энергии жидкости и демпферов в системах топливоподачи ДУ [9]. В таких системах будет использован обнаруженный экспериментально эффект аккумулирования (поглощения) энергии при взаимодействии пористого тела с лиофобной (несмачивающей) жидкостью. Существо вопроса кратко сводится к нижеследующему. В настоящее время достигнут практический предел по накоплению и преобразованию энергии с помощью традиционных рабочих тел в части КПД, энергоемкости и др. В связи с этим ведутся работы по изучению процессов заполнения и истечения в гетерогенных системах (ГС), состоящих из пористого тела (силохромов СХ-2, С-80 и др.) и лиофобной жидкости. В результате исследований были обнаружены новые эффекты, не имевшие ранее теоретического обоснования: гистерезис функции изменения объема жидкости, транспортируемой в пористое тело под воздействием перепада давления и не истечение жидкости из пор после снижения перепада давления. На рис. 3 представлена экспериментальная зависимость изменения объема жидкости от перепада давления на ГС, из которой видно, что изменения объема жидкости при увеличении и уменьшении перепада различны. Это явление получило название гистерезиса. Площадь А, ограниченная кривой II и горизонтальной прямой а, характеризующей полное заполнение пор, есть работа, которую может совершить жидкость при выходе из пор после снятия силы, создающей перепад давления на ГС. Если же условия в ГС таковы, что жидкость не может истекать из пор, то энергия вытекания может быть аккумулирована. Аккумулированная энергия вытекания жидкости зависит от параметров пористого тела и лиофобной жидкости, варьируя которыми можно изменять аккумулированную энергию вытекания. Выбор пары пористое тело - несмачивающая жидкость оптимизируется по максимальной удельной аккумулированной энергии и характерному давлению вытекания жидкости из пор. I - увеличение давления, II - уменьшение давления Рис. 3. Зависимость изменения объема от перепада давления для ГС В силу обратимости процессов заполнения и вытекания ГС может быть использована как демпфирующее устройство. На рис. 4 представлен макет такого демпфирующего устройства и результаты его динамических испытаний. При испытаниях ГС состояла из пористого тела (силохрома) с диаметром пор от 20 до 360 нм и несмачивающей жидкости - сплава Вуда (50% висмута, 25% свинца, 12,4% олова, 12,5% кадмия). Результаты исследований докладывались на XXXVIII Академических чтениях по космонавтике (Москва, 28-31 января 2014 г.) и изложены в работе «Экспериментальное исследование гетерогенных энергетических систем на базе лиофобных жидкостей и пористых тел», опубликованной в электронном научно-техническом издании «Наука и образование» [10]. Рис. 4. Макет демпфирующего устройства Микродвигатели и ДУ на основе МЭМС-технологий. Исследования по созданию микродвигателей ведутся в направлении разработки однокомпонентного микро-ЖРД на гидразине, ориентированного на МЭМС-технологии. Основная задача при этом - разработка камеры нагрева с катализатором. Размеры каталитической камеры и элементов системы топливоподачи должны быть уменьшены на порядок по сравнению с аналогичными элементами ДУ макромасштаба. Однако это порождает следующие проблемы: традиционный гранулированный катализатор невозможно использовать в камере для каталитического разложения гидразина, диаметр которой меньше 1 мм; снижение среднего размера катализатора до величины порядка 50 мкм приводит к значительному повышению перепада давления; необходимо учитывать эффекты микрофлюидики. Катализ - один из разделов химии, где миниатюризация всегда рассматривается как важное направление развития, хотя и сопряжено с серьезными трудностями. Один из путей решения этой проблемы - использование наночастиц (НЧ) каталитически активных материалов. Известно [11; 12], что палладий каталитически активен в реакциях разложения производных гидразина. Для получения катализатора синтез НЧ палладия проводили в обратных мицеллах, что позволяло в дальнейшем проводить их фракционирование и очистку хроматографическими методами. В работах [13; 14] на силикагеле были исследованы адсорбционные свойства НЧ палладия, полученных радиационно-химическим восстановлением в обратных мицеллах. Авторы [15] проводили исследование кинетики сорбции НЧ палладия из обратно-мицеллярных растворов на силохроме С-120 методом спектрофотометрии и изучили полученные нанокомпозиты методом атомно-силовой микроскопии. Показано полное осаждение НЧ из раствора. Авторами работы [14] был получен нанокомпозитный материал путём адсорбции радиационно-химических НЧ на поверхности высокопористого ячеистого керамического материала и были изучены его каталитические свойства и стабильность. Показано, что после регенерации катализатора прокаливанием на воздухе при 550оС и последующим восстановлением водородом (регенерация проводилась не менее 15 раз) заметного снижения его каталитической активности не происходило. Можно утверждать, что хроматографические методы позволяют получать каталитически активные НЧ на поверхностях разного типа. При разработке катализатора принципиальное значение имеют средства контроля, позволяющие увидеть каталитически-активные НЧ и кластеры, оценить их активность и стабильность. Особое значение имеет исследование химии поверхности каталитически активных НЧ. Для этого использовался метод поверхностно активированной лазерной десорбции/ионизации (ПАЛДИ), который позволяет исследовать объекты, размеры которых сопоставимы с камерой нагрева микродвигателя. На рис. 5а приведен спектр ПАЛДИ каталитически активных НЧ никеля на золотой подложке, а на рис. 5б - этих же НЧ, но на никелевой подложке. Из сравнения рисунков видно, что НЧ на золотой подложке загрязнены органическими примесями, а на никелевой присутствуют, в основном, в окисленной форме. Учитывая быстродействие метода ПАЛДИ можно утверждать, что такой метод контроля поверхности позволит эффективно контролировать качество каталитической системы. а) на золотой подложке б) на никелевой подложке Рис. 5. Масс-спектры ПАЛДИ для никелевых НЧ Вопросы создания микродвигателей решались также в рамках международного проекта PRECISE [16; 17]. В результате исследований разработана экспериментальная модель ДУ с комплексированной системой управления на основе микро-ЖРД с тягой 10 мН [18; 19] (прототип такой ДУ показан на рис. 6), при отработке которого определена необходимость создания методов асимптотического моделирования физико-химических процессов в микрокатализаторе и соответствующих вычислительных программных кодов механики многофазных сред с фазовыми превращениями [20; 21]. Рис. 6. Прототип МЭМС-ДУ В качестве примера возможностей предлагаемого подхода приводятся результаты математического моделирования кратковременного теплового нагрева периодической пористой системы (ПС), имеющей одноканальные осесимметричные поры, заполненные однокомпонентным газом [22]. Геометрия микроструктуры ПС и ее характерный повторяющийся элемент (ячейка периодичности - ЯП) показаны на рис. 7. Рис. 7. Микроструктура ПС и разрез ЯП плоскостью симметрии, условно показаны линии тока газа (s - твердая фаза, g - газовая фаза) Свободная поверхность такой двухфазной среды находится под воздействием импульсной тепловой нагрузки. Рассмотрен случай фазовых превращений твердого тела в газ. С помощью разработанного программного комплекса HDynSystems 1.0 получены результаты, отражающие поведение так называемых газодинамических микропараметров нулевого приближения в отдельной поре (пульсации компонент скорости, пульсации плотности, пульсации температуры газовой фазы нулевого приближения относительно соответствующих макроскопических параметров, компоненты тензора вязких напряжений нулевого приближения и т.д.) [22] и макропараметров всей гетерогенной системы в глобальной системе координат, определенной внутри области, которую занимает ПС в пространстве (рис. 8). а) макроскопические напряжения в каркасе б) макроскопическое давление газа в порах Рис. 8. Графики некоторых макропараметров плоской ПС с фазовыми превращениями для различных значений времени в микросекундах Выводы. Представленные исследования и их результаты позволили обосновать выбор направлений для решения задач миниатюризации при проектировании и математическом моделировании перспективных энергетических систем для микро- и наноспутников, определить пути их реализации и дальнейшего совершенства.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.