khimie.ru

К космическим достижениям все уже привыкли. Вызвать сенсацию стало делом довольно трудным. Вот если бы космонавты улетели на Марс, отправились обследовать кольца Сатурна или спутники Юпитера, махнули к созвездию Большой Медведицы − это бы нас снова поразило.

Однако удивления достоин каждый даже самый «рядовой» полет в космос. Широкой публике просто неизвестно, какие технические преграды пришлось преодолеть, чтобы «заасфальтировать» дорогу в космическое пространство.

Косвенным мерилом этих технологических усилий может служить стоимость полетов. Любители статистики уже подсчитали, что каждая секунда пребывания на Луне экипажа «Аполлон-12» обошлась в 30 тысяч долларов (астронавты пробыли на Луне 2 часа 40 минут − 9600 секунд!).

Почему так дорого? На что ушли эти деньги? В основном на борьбу с T-, P— и g-нулями. Эту схватку человеческого гения с суровостью космоса мы проиллюстрируем на примере топливных элементов.

Космос отгородился от землян высочайшими барьерами. Из них главные три: температура, приближающаяся к абсолютному нулю, глубокий вакуум и невесомость. Эти барьеры специалисты называют T-, P— и g-нулями. Они означают, что человек в космосе должен научиться жить и работать при нулевой температуре, нулевом давлении и нулевой гравитации.

Для конструкторов и технологов, снаряжавших топливные элементы в космический полет, наибольшие неприятности доставил g-нуль.

Особенно строптиво в невесомости ведут себя жидкости. Они покидают предназначенные для них емкости, нарушая нормальное функционирование различных систем. В них не наблюдается обычная в земных условиях конвекция, что сильно затрудняет удаление пузырьков газа, случайно попавших в электролит. Ввиду всего этого в первом варианте топливных элементов, побывавших в космосе, было решено вовсе отказаться от жидкого электролита, заменить его на… твердый.

Такой чудо-электролит представляет собой пленку (мембрану) из твердого полимера, обладающего ионо­обменными свойствами. Получают такой полимер, например, полимеризацией стирола с дивинилбензолом и последующей обработкой серной кислотой образующегося продукта.

Проводниками тока в этом необычном электролите являются ионы водорода: они отщепляются от сульфогрупп SО₃Н при пропитке полимера водой. Сульфогруппы заряжаются отрицательно, но они жестко привязаны к каркасу полимера, перемещаться не могут, а потому и не участвуют в переносе тока. Ток проводят только положительно заряженные ионы водорода, они движутся в воде, заполняющей пустоты в полимере.

Конечно, достоинство твердого электролита частично подрывается тем, что сопротивление полимера превосходит сопротивление жидкого раствора электролита. Поэтому разделяющую водородный и кислородный электроды полимерную мембрану старались сделать как можно тоньше, чтобы уменьшить омические потери в каждом отдельном элементе.

Следующей проблемой, где невесомость вновь заявила о себе, стала проблема отвода образующейся в топливном элементе воды. Если ее не удалять, она покроет электрод пленкой и затруднит к нему доступ для газа.

Растворимость (с₀ ~ 10^-6 моль/см³) и коэффициент диффузии D ~ 10^-5 см²/с) газа в воде ничтожны, поэтому характеристики элемента при его «затоплении» могут резко снизиться. Но в то же время вода необходима мембране, которая хотя и слабо впитывает ее, однако сухой быть не должна.

Требовалась тонкая балансировка между крайностями. Ее решили так. Вода удалялась путем испарения с кислородного электрода за счет тепла, выделяющегося при работе топливного элемента, и конденсировалась на токоотводе, который охлаждался специальным теплоно­сителем, циркулирующим по трубкам, прикрепленным к токоотводу.

Но и здесь опять пришлось бороться с невесомостью. В космосе конденсирующаяся вода не может стекать. Вот и пришлось ее удалять с помощью системы фитилей, буквально высасывающих воду.

Если невесомость проявляет свои коварства явно, то влияние T- и Р-нулей сказывалось косвенно. Возьмем, к примеру, проблему отвода образующегося в топливных элементах тепла. Ведь кабину космического корабля − этот искусственно созданный островок жизни в мертвящем космическом океане − нельзя перегревать.

Система охлаждения энергетической установки, естественно, была включена в общую систему терморегулирования кабины. Теплоноситель (циркулировать его заставлял особый насос) отводил выделяющееся в топливных элементах тепло к холодильнику-излучателю, который и сбрасывал это тепло в окружающее пространство.

Во время пиковых нагрузок, когда разогрев был особенно силен, в дополнение к холодильнику-излучателю включается еще и теплообменник с водяным испарителем. Когда температура превышала допустимую, температурный датчик открывал клапан теплообменника. Давление резко падало, вода в теплообменнике мгновенно вскипала, и избыток тепла отводился испарением.

Мы не в состоянии перечислить все технические тонкости и детали. Ведь энергоустановка современного космического корабля представляет собой очень сложную систему, к тому же еще и связанную с остальными системами корабля. Ее основные узлы таковы: батарея топливных элементов, система хранения и подачи водорода и кислорода, система удаления продуктов реакции (в данном случае воды), система охлаждения − сложное хозяйство!

Потребление энергии на космическом корабле резко колеблется, что создает дополнительные трудности для стабильного отвода воды и тепла, образующихся в топливных элементах. Справиться со всем этим помогла автоматика.

Еще одна забота для конструкторов − обеспечение надежности работы энергетической установки. Батарея была изготовлена в виде двух отдельных секций, каждая из которых могла работать независимо одна от другой. В свою очередь каждая секция была составлена из трех блоков, включенных параллельно, что также повышало надежность работы секции в случае отказа одного из блоков.

Принцип дублирования проявлял себя и в других узлах энергетической установки. Так, циркуляцию теплоносителя обеспечивали два насоса − основной и резервный.

Проблема надежности заставила американскую фирму «Дженерал электрик» (она создала первые батареи топливных элементов для космоса) запустить в 1964 году поточную линию для сборки топливных элементов. Из многих образцов отбирались лучшие. Но и они проходили в многочисленных испытаниях строжайшую проверку. Первые испытания топливных элементов в космическом полете проведены были на корабле «Джемини-2», на котором в январе 1965 года выполнялся кратковременный суборбитальный полет без экипажа. А в условиях длительного орбитального полета топливные элементы проверялись (космонавтами Гордоном Купером и Чарльзом Конрадом) на корабле «Джемини-5» в августе 1965 года.

В основном топливные элементы справились с задачей. Однако вследствие недоработок в системе подогрева топлива в баках и в системе отвода воды космонавты вынуждены были − первенец доставил массу волнений и хлопот! − несколько раз резко ограничивать расход электроэнергии.

Еще более длительной была работа топливных элементов во время полета корабля «Джемпни-7» в декабре 1965 года. 14 суток питали они электроэнергией все системы корабля, хотя и тут были отмечены некоторые неполадки.