Таким образом, общей задачей повышения эффективности как тепловых, так и электрических двигателей является создание высокотемпературного реактора. Потребности в космической энергетике вызвали интенсивные исследования в области высокотемпературного прямого преобразования тепла в электричество.
Наиболее перспективными системами преобразования для космических установок оказались термоэлектронные преобразователи (ТЭП). Принцип работы ТЭП иллюстрируется на рис. 5, где ТЭП представляет собой диод, межэлектродный зазор которого заполнен парами цезия. При высокой температуре катод испускает электроны, которые конденсируются на аноде, заряжая его до отрицательного потенциала относительно катода. В результате между катодом и анодом возникает разность потенциалов, и при замыкании их на нагрузку в цепи идет электрический ток.
Охлаждение катода, вызванное «испарением» электронов и потерями на излучение, компенсируется подводом тепла от ядерного реактора. Тепло, выделяющееся на аноде в результате конденсации электронов и лучистого подогрева со стороны катода, отводится теплоносителем или непосредственно излучением в космическое пространство.
Рис. 5. Принципиальная схема термоэмиссионного преобразователя тепловой энергии в электрическую: 1 — катод, 2 — межэлектродный зазор, заполненный парами цезия, 3 — анод, 4 — нагрузка
Термоэлектронный преобразователь с вольфрамовым катодом может работать при температуре катода до 2500 К и температуре анода 1000–1400 К с удельной мощностью от 5 до 40 Вт/см2 при КПД до 25 %. Недостатком ТЭП является его малое рабочее напряжение (около 0,5 В), и поэтому используется последовательное соединение элементов.
Теоретически температура теплосброса, оптимальная с точки зрения размеров холодильника, должна составлять 75 % от температуры источника тепла. При температурных ограничениях, накладываемых твердотельным реактором, холодильник-излучатель всегда будет если не самой тяжелой, то самой громоздкой частью космической энергоустановки. Для эффективной работы холодильника его поверхность должна иметь температуру, близкую к нижней температуре теплового цикла.
Добиться этого за счет естественной теплопроводности материалов нельзя, необходим принудительный перенос тепла путем циркуляции жидкого или газообразного теплоносителя. При этом появляются дополнительные потери энергии на прокачку теплоносителя, и установка оказывается весьма уязвимой к метеоритному пробою. При больших поверхностях холодильника резко возрастает вероятность попадания метеорита размером, достаточным для разрушения стенки канала с теплоносителем, что приведет к разгерметизации и выходу установки из строя.
Наиболее удачным конструктивным решением, позволяющим обойти эти проблемы (потеря мощности и метеоритный пробой), является использование тепловых труб. Тепловая труба представляет собой канал с циркулирующим теплоносителем, на внутренних стенках которого с зазором располагается так называемый фитиль (в простейшем случае это мелкоячеистая сетка). Предварительно откачанная труба заполняется жидкостью в количестве, достаточном для заполнения зазора между фитилем и стенкой трубы, где она удерживается затем капиллярными силами.
В тепловой трубе различают зоны нагрева, переноса тепла и охлаждения. В холодильнике-излучателе две последние зоны, как правило, совмещены. Тепло, подводимое к зоне нагрева, испаряет жидкость, пары которой проходят через отверстия фитиля во внутреннее пространство трубы и устремляются к зоне охлаждения. Там происходит конденсация жидкости с передачей тепла конденсации стенкам трубы, от которых оно отводится излучением. Жидкость, образовавшаяся в результате конденсации, возвращается капиллярными силами, создающимися в фитиле и в зазоре между фитилем и стенкой трубы, назад в зону нагрева.
Такой процесс теплопередачи настолько эффективен, что, например, сейчас испытаны трубы, передающие тепловой поток 10 кВт на каждый 1 см2 поперечного сечения трубы на расстояние в несколько метров при перепаде температур между концами трубы менее 0,01 К. Это эквивалентно теплопередаче сплошного стержня с коэффициентом теплопроводности, в несколько тысяч раз превышающим соответствующее значение для меди. С тепловыми трубами по возможностям транспортировки тепла могут конкурировать лишь системы с жидкометаллическим теплоносителем, но в них требуются затраты работы на прокачку.
Рис. 6. Схема пылевого холодильника-излучателя: 1 — насос, 2 — теплообменник, 3 — ферромагнитная пыль, 4 — обмотка соленоида, 5 — силовые линии магнитного поля
Из тепловых труб собирается поверхность холодильника-излучателя. Зона подвода тепла может либо непосредственно контактировать с охлаждаемым узлом, либо омываться промежуточным теплоносителем. Поскольку для создания излучающей поверхности нужно использовать много тепловых труб, а их каналы могут быть между собой несвязанными, то повреждение одной или нескольких труб метеоритом лишь несущественно скажется на работе всей установки.
Возможны схемы теплосброса, когда теплоносителем является ферромагнитная пыль (рис. 6), которая прокачивается насосом через теплообменник, снимая отработанное тепло энергоустановки, и выбрасывается во внешнее пространство. Там они захватываются и возвращаются снова на вход насоса. В магнитном поле ферромагнитные частицы, сцепляясь друг с другом, выстраиваются вдоль силовых линий, создавая излучающую оболочку. При достаточной магнитной проницаемости вещества пыли все внешнее магнитное поле оказывается сосредоточенным в этой оболочке и не происходит его бесполезного рассеяния.
Преимуществом такого типа холодильника-излучателя является его полная неуязвимость к поражению метеоритами, а также малые размеры при транспортировке энергоустановки с поверхности Земли на орбиту спутника, так как при этом пыль может находиться в малогабаритном контейнере. В настоящее время эта схема находится еще в стадии теоретических проработок. Ее реализация сдерживается отсутствием легких и экономичных источников магнитного поля.
Импульсные двигатели на микровзрывах и фотонный двигатель. Принцип действия импульсных ядерных ракетных двигателей (ИЯРД), схемы которых приведены на рис. 7, а и б, заключаются в том, что над поверхностью массивного отражателя производятся периодические ядерные или термоядерные взрывы. Существенными элементами ИЯРД являются источник магнитного поля, которое препятствует попаданию заряженных продуктов реакции на поверхность отражателя, и демпфер, служащий для сглаживания импульсной нагрузки, передаваемой ракете.
Обычно в таких двигателях в результате воздействия взрыва испаряется либо материал отражателя, либо рабочее тело, подаваемое на поверхность отражателя. Кроме того, для улучшения условий протекания ядерной реакции, увеличения доли прореагировавших атомов и уменьшения температуры взрыва ядерный заряд заключают в достаточно толстую оболочку пассивного вещества. В результате отбрасываемая масса будет состоять в основном из веществ, не принимающих участие в реакции (водород, литий и др.), и скорость истечения в таких двигателях ограничена 100 км/с.
Если будут найдены удовлетворительные технические решения для охлаждения отражателя без испарения его материала и удастся осуществить ядерную реакцию без образования оболочки, окружающей заряд, то скорости истечения в таких двигателях могут приблизиться к теоретически возможным величинам — 105 км/с. При этом ИЯРД будут иметь меньшую удельную массу, чем электрические двигатели, ибо доля отводимого тепла у них будет существенно меньше (для электрических двигателей она составляет 75–90 % от мощности ядерной установки), а теплообмен можно осуществлять при более высокой температуре. В результате площадь и соответственно масса холодильника-излучателя будут существенно меньше.