Ниже рассматривается орбитальный заправочный комплекс, оснащённый
оборудованием, предназначенным для получения из воды основных компонентов
топлива - жидкого водорода и жидкого кислорода. ОЗК предназначен для
обеспечения годового грузопотока на ГСО 22.5 т при работе в составе системы средств выведения КА
на ГСО, хотя ничто не мешает его многоцелевому использованию.
Наклонение орбиты базирования ОЗК составляет 51.6°.
Процесс электролиза воды давно освоен на Земле, а также не одно десятилетие
используется на орбитальных станциях с целью получения кислорода для СЖО.
Затраты электричества на разложение воды оцениваются следующим образом.
Напряжение разложения воды составляет 1.7 В. Количество выделившегося на
электроде вещества определяется законами Фарадея и составит P=eIt, где
e - электрохимический эквивалент, I - сила тока, t - время электролиза. Для иона водорода e=1.04.10-8 кг,
следовательно, при правильной организации процесса затраты электроэнергии на
разложение воды составят около 18.2 МДж/кг. Это означает 23.4 МДж на 1 кг
компонентов топлива при их соотношении 1:6. Мощность электролизной установки
составит 23400×0.0036=84.2 кВт.
Для ожижения газов используются криогенные установки, работающие по методу Клода, использующие детандеры или основанные на эффекте Джоуля-Томпсона, при
этом в земных условиях определяющим фактором работы является защита от
теплового излучения окружающей среды. Успешному решению проблемы термоизоляции
способствует вакуумирование холодной части рабочей зоны и накопительных
ёмкостей, что требует ощутимых затрат. Производство ЖК (температура 90-100 °К)
в земных условиях не требует чрезмерных энергозатрат - его стоимость в ценах
1998 года составляла $50-90/т. Значительно сложнее и энергозатратнее ожижение
водорода. Для ЖВ стандартная энтальпия образования J=4440 кДж/кг
(по другим данным -3828 кДж/кг), энтальпия испарения ∆H=453
кДж/кг, температура 20-22 °К.
Условия орбитального полёта существенно облегчают задачу
термоизоляции и сброса тепла. Ничто не мешает наращиванию многослойной лёгкой
экранно-вакуумной термоизоляции до любой практически необходимой толщины.
Вполне реально организовать затенение различных элементов криогенной установки
не только от Солнца, но и от Земли, а также друг от друга - известно, что на
теневой поверхности КА температура опускается ниже 100 °К.
Эффективность холодильной установки характеризуется холодильным к-том kхол=A/Q, где A - работа, затрачиваемая на
отъём у охлаждаемого тела теплоты Q. kхол= Тн/(Тн-Тхол)-1, где Тн и Тхол
соответственно, температуры нагревателя и холодильника.
Используя орбитальные условия и пневморесурс охлаждаемых газов, можно осуществить следующую схему криогенного производства. Газообразные кислород и
водород при давлении 200 атм из электролизной установки подаются в первичный
теплообменник-излучатель (радиатор) площадью 9 м2, где охлаждаются до 180 °К. Такая площадь радиатора получится, если
степень черноты его поверхности будет близка к 100%, и если он будет затенён от
Солнца и Земли так, что будет периодически работоспособен в среднем 65%
полётного времени. При правильном расположении отражателей найденная площадь
будет относиться к излучаемой поверхности, а сам радиатор может быть плоским
двухсторонним.
Далее водород поступает в холодильную машину, где охлаждается до 80 °К. Охлаждение осуществляется внешним рабочим телом, при этом температура
нагревателя составляет 240 °К, холодильный коэффициент kхол=0.5, площадь радиатора 9.5 м2, идеальная потребляемая мощность - 1.5 кВт. Из холодильной машины
водород поступает в детандер, где в несколько ступеней проходит адиабатическое
расширение. Конденсация водорода начинается, когда его давление падает в ~30
раз, т. е. при 6-7 атм. Всего давление сбрасывается до 1 атм, при этом
значительная часть водорода переходит в жидкое состояние. Оставшийся
газообразный водород в состоянии насыщенного пара подаётся в криогенный
ожижитель, где полностью конденсируется. Так как выделяющаяся теплота через
несколько ступеней попадёт в радиатор с предполагаемой температурой 240 °К, то
общий холодильный к-т процесса ожижения составит kхол=0.09, потребляемая мощность не более 2.3 кВт,
потребуется дополнительно 14.5 м2
теплоизлучающей поверхности.
Реальная производительность установки по сжижению водорода будет отличаться от классической из-за специфического квантового эффекта. Существуют две модификации водорода: ортоводород и
параводород. Они различаются взаимной ориентацией ядерных спинов. У
ортоводорода они имеют одинаковое направление, у параводорода -
противоположное. При нормальной температуре водород представляет собой смесь
75% ортоводорода и 25% параводорода. С понижением температуры в условиях
равновесия доля параводорода увеличивается, достигая в жидком водороде при Т =
20,4 °К 98,8%, т.е. равновесный жидкий водород практически является
параводородом. Процесс превращения ортоводорода в параводород называется
орто-параконверсией. При сжижении водорода без применения специальных методов
орто-параконверсия не происходит, состав смеси сохраняется. Конверсия
происходит самопроизвольно уже в неравновесном жидком водороде: через 100 часов
образуется 59,5% параводорода, через 1000 часов - 92%. При полной конверсии
выделяется тепло - 525 кДж на 1 кг изначальной смеси орто-параводорода, следовательно,
водород должен весь выкипеть. Для уменьшения потерь жидкого водорода при
хранении проводится ускоренная конверсия водорода в присутствии катализаторов
на этапе ожижения. Для процесса ожижения водорода теплота конверсии является
балластной, поскольку она отводится непосредственно в поток водорода, и в
результате производительность ожижителя существенно снижается, обычно - на
30…40%. Приняв для расчёта максимальное значение, получим суммарное
энергопотребление криогенной водородной установки 6,3 кВт, а площадь радиатора
– 55 м2.
Кислород из
первичного радиатора поступает в кислородный детандер, где в несколько ступеней
проходит адиабатическое расширение. Конденсация кислорода начинается, когда его
давление падает в ~4 раза, т. е. при ~25 атм. Всего давление сбрасывается до 1
атм, при этом бòльшая часть кислорода переходит в жидкое состояние.
Оставшаяся незначительная часть газообразного кислорода в состоянии насыщенного
пара подаётся в холодильную машину, где полностью сжижается. Это потребует
энергозатрат не более 0.3 кВт, а прирост площади радиатора составит не более 2
м2.
Суммарно получается идеальная требуемая мощность 4.1 кВт, а площадь поверхности
радиаторов 57 м2.
Полученные результаты не учитывают все возможные потери при
производстве топлива, но говорят о том, что реальные энергозатраты на ожижение
компонентов составят малую долю от энергозатрат на их получение из воды. При
расчёте суммарного энергопотребления следует учесть, что электролиз при
повышенном давлении будет сопровождаться и повышенными энергозатратами,
несколько бòльшими, чем работа по изотермическому сжатию газа (1.1 МДж
на килограмм продуктов разложения). Тогда в энергетику электролизного блока
следует внести поправки:
- затраты электроэнергии на разложение воды - 20 МДж/кг;
- затраты электроэнергии на получение 1 кг газообразных компонентов топлива при
соотношении 1:6 - 25.7 МДж/кг;
- мощность электролизной установки - 92.5 кВт;
- суммарное энергопотребление топливного производства - около 100 кВт.
Площадь солнечных батарей для нужд топливного производства, при их эффективности 150 Вт/м2, составит 670 м2. На орбите с наклонением 51° их средняя площадь миделя при солнечной ориентации составит около 450 м2, вместе с радиатором ~ 510 м2. Для компенсации аэродинамического сопротивления на высоте 400 км при использовании ДУ, работающей на сжатых кислороде и водороде, потребуется около 1 т топлива в год. Каждая тонна ПГ, ежегодно выводимого на ГСО должна быть обеспечена 30 м2 солнечных батарей. Их общая масса составит 3350 кг при удельной массе 5 кг/м2, а стоимость - $20.1 млн. при удельной стоимости $30000/м2. Учитывая, что начальная эффективность современных СБ составляет 250 Вт/м2 и более, а средняя деградация - не более 5-7% в год, реально ожидать от них 10-летнего гарантированного срока службы, т. е. для поддержания требуемой мощности можно планировать ежегодную замену 67 м2. Тогда стоимость выведения одного килограмма груза на ГСО должна включать $100 затрат на производство СБ. Кроме того, сама доставка СБ (15 кг/т выводимого на ГСО груза) так же потребует расходов $75 при стоимости доставки на ОС $5000/кг. С учётом работ на развёртывание суммарные ежегодные затраты на замену СБ можно оценить в $200 на кг выводимого на ГСО груза, что соответствует ~1% стоимости выведения.