Радионуклидные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ), разработанные в России для использования в космосе.

Первые запуски РИТЭГ на полонии-210 в космическое пространство были осуществлены в СССР в сентябре 1965 г. в составе спутников «Космос-84» и «Космос-90», выведенных на околоземную орбиту. Они получили условное наименование «Орион-1» и «Орион-2». Выбор полония-210 (удельная мощность 141 Вт/г, период полураспада 138 дней) позволил создать компактный РИТЭГ на базе кремний-германиевых термоэлектрических преобразователей с выходной электрической мощностью ~ 20 ВтЭЛ. Срок службы зависел, главным образом, от периода полураспада полония-210 и составлял около 3000 ч.

В середине 70-х годов по программе длительных исследований планеты Марс были проведены НИОКР по созданию комплексной радионуклидной энергетической установки (РЭУ) на плутонии-238, получившей условное наименование «ВИЗИТ». В состав такой установки входил РИТЭГ электрической мощностью около 40 ВтЭЛ, отработанное тепло от которого передавалось на теплообменник с помощью тепловых труб.

К сожалению, решение о запуске космического аппарата (КА) к Марсу с РЭУ на борту не было принято, и разработка РЭУ «ВИЗИТ» закончилась наземной отработкой ее конструкции, изготовлением полноразмерных макетов, тепловых и электрических прототипов.

Тем не менее, за этот период в СССР был решен основной ряд технических проблем, связанных с созданием РИТЭГ космического назначения:

· создана производственная и технологическая база промышленной наработки плутония-238;

· разработана и апробирована технология получения таблеток керметного топлива на основе диоксида плутония;

· определены конструкционные материалы, требующиеся для изготовления радионуклидного источника тепла – РИТ (капсулы с радионуклидом) и определена их совместимость с топливной композицией в широком температурном диапазоне;

· отработана конструкция и технология изготовления отдельных элементов РИТ;

· создана стендовая база для проведения испытаний РИТ.

В 1992 г. по заказу НПО им. С.А. Лавочкина был изготовлен и прошел успешные испытания термоэлектрический макет (с электронагревателем вместо радионуклида) с выходной электрической мощностью 3.75 ВтЭЛ в конце ресурса [1]. Тепловая мощность составляла ~100 Вт. В термоэлектрической батарее (ТЭБ) использовались среднетемпературные преобразователи из сплавов на основе теллура, свинца и германия (температура горячего спая 723 К). Сброс непреобразованного тепла – за счет теплового излучения корпуса, оснащенного ребрами. Для радионуклидного источника тепла этого РИТЭГ был проведен комплекс экспериментальных и расчетных работ по имитации аварийных ситуаций, в которых испытаны отдельные элементы РИТ, макеты и модели (см. рис.1). Получены положительные результаты. Этот РИТЭГ предлагался для применения в качестве источника энергии для стационарной станции «Lander» в лунной программе «Leda» [2] Европейского Космического Агентства (ESA).

В конце 90-х годов прошлого столетия актуальность использования РИТЭГ в космосе в России возникла вновь, с появлением проблемы обеспечения электрической энергией с помощью малых автономных станций (МАС) и пенетраторов многолетнего функционирования десантируемых на поверхность планеты Марс исследовательских зондов, разрабатываемых в рамках Международного проекта «Марс-96». При этом за счет отработанного тепла РИТЭГ требовалось обеспечить штатный температурный режим работы аппаратуры, а электрическая мощность РИТЭГ (около 200 мВтЭЛ) была необходима для поддержания работы аппаратуры в дежурном режиме и подзарядки аккумуляторной батареи (АБ) после прохождения сеансов связи с орбитальным кораблем.

Для МАС КА «Марс-96» были разработаны радионуклидные тепловые блоки (ТБ) на плутонии-238 (в американской терминологии – RHU (Radionuclide Heat Unit)), тепловой мощностью 8.5 Вт на плутонии-238 и РИТЭГ с электрической мощностью около 200 мВт, получившие название ТБ и РИТЭГ «Ангел» [3].

Рис.1. Конструктивная схема теплового макета РИТЭГ для программы «Leda»: 1 – электронагреватель; 2 – преобразователь (ТЭБ); 3 – теплоизоляция; 4 – корпус; 5 – ребро

Радионуклидные тепловые блоки «Ангел» являются унифицированными изделиями и предназначаются либо для обогрева аппаратуры, либо в составе РИТЭГ в качестве источника тепла для термоэлектрического преобразователя. В составе МАС использовались по два ТБ и РИТЭГ (см. рис.2). Для пенетраторов была разработана комплексная радионуклидная энергоустановка электрической мощностью около 400 мВтЭЛ в виде моноблочной конструкции, в состав которой, помимо двух ТБ тепловой мощностью 8.5 Вт каждый и термоэлектрического преобразователя, входил блок АБ.

Рис.2. Внешний вид МАС в проекте «Марс-96»

Одной из главных задач при разработке ТБ на плутонии-238 космического назначения является обеспечение его радиационной безопасности (РБ) при штатной эксплуатации и в случае возникновения аварийных ситуаций на стартовой позиции или неконтролируемом спуске с круговой орбиты (взрыв ракеты-носителя на стартовой позиции, пожар, аэродинамический нагрев, удар о скальные породы Земли и пр.). За критерий обеспечения РБ при разработке тепловых блоков для КА «Марс-96» был принят принцип сохранения герметичности капсулы с плутонием-238 при всех видах внешних воздействий. Разработка и проектирование ТБ «Ангел» осуществлялись в строгом соответствии с Принципами, касающимися использования ядерных источников энергии в Космосе, одобренными Генеральной Ассамблеей ООН в 1992 г. (N47/68 от 12.14.1992г.), национальными директивными документами, регламентирующими обращение и работы с радиоактивными веществами и действующими Государственными стандартами РФ.

Тепловой блок «Ангел» (геометрическая форма – цилиндр диаметром 40 мм и высотой 60 мм) содержит теплозащитный корпус и тепловую изоляцию из углерод-углеродных материалов, окружающих ампулу с диоксидом плутония-238. В ампуле содержится около 17 г диоксида плутония-238 с активностью 260 Кюри. Ампула имеет двухкапсульную конструкцию. В качестве материала корпуса внутренней ампулы, содержащей две керамические таблетки из диоксида плутония-238, плакированные иридием, используются платинородиевые сплавы, обладающие высокой коррозионной стойкостью. Внутренняя ампула герметизируется сваркой и имеет устройство для сброса радиогенного гелия, образующего при α – распаде плутония-238. Наружная оболочка - силовая. Она изготавливается из высокопрочных танталвольфрамовых сплавов. После герметизации с помощью сварки на ее поверхность наносится многослойное защитное покрытие из тугоплавких материалов. Таким образом, конструкция радионуклидного источника тепла имеет надежную двойную герметизацию каждой из капсул, а сама ампула от внешних термических и ударных воздействий дополнительно защищена термостойкими композиционными углерод-углеродными материалами, которые в течение многих лет успешно используются в российской ракетной технике.

Большой объем проведенных наземных испытаний ТБ подтвердил надежность конструкции ТБ с точки зрения обеспечения РБ при штатной эксплуатации и аварийных воздействиях, что позволило Центру Сертификации Ракетно-космической Техники при Российском Космическом Агентстве (РКА) сертифицировать ТБ «Ангел» в соответствии с Международными требованиям на безопасность использования его в составе КА «Марс-96».

РИТЭГ «Ангел» разработан на базе ТБ «Ангел». В термоэлектрическом преобразователе использовались полупроводниковые материалы на основе висмут-теллуридового сплава. РИТЭГ «Ангел» при комнатной температуре вырабатывал электрическую мощность около 200 мВтЭЛ при рабочем напряжении 15 В. Питание аппаратуры МАС осуществлялось от РИТЭГ через аккумуляторную батарею с никель-кадмиевыми аккумуляторами.

РИТЭГ милливаттной мощности космического назначения, такие как РИТЭГ «Ангел» или его модификации, надежны в эксплуатации, имеют небольшие массогабаритные характеристики, что позволяет легко вписать их в конструкцию спускаемых зондов, а отработанного тепла от РИТЭГ вполне достаточно, чтобы создать требуемый температурный режим для термостатирования и, соответственно, надежного функционирования аппаратуры при низких температурах в условиях глубокого космоса.

РИТ применялся также в качестве источников тепла для газа, обогревающего приборный отсек, на станциях «Луноход-1» и «Луноход-2» [4,5]. Тепловая мощность источников составляла около 900 Вт.

В России ведутся также работы по применению термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) совместно с радионуклидными источниками тепла на основе Pu-238 [6]. Полученные экспериментальные данные по ТЭП позволяют создавать РИТЭП для космических объектов с электрической мощностью в диапазоне 30…150 ВтЭЛ при к.п.д. 8…10%. При использовании двухкаскадной системы преобразования тепла в электричество (ТЭП +ТЭБ) к.п.д. увеличивается до 10…14% для указанного диапазона электрической мощности. Генераторы с ТЭП электрической мощностью 75…150 ВтЭЛ предлагались в качестве источника электроэнергии для движущейся тележки «Rover» в программе «Leda» [2].