9.1. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КОНСТРУКЦИИ ЭХГ - .

Как уже отмечалось, ЭХГ являются сложными мно­гокомпонентными устройствами со сложной структурой. В них одновременно протекают разнообразные процес­сы, ход которых должен быть согласован с весьма высо­кой точностью.

Требования, предъявляемые к конструированию ЭХГ, весьма разнообразны и определяются широким спектром параметров. Тем не менее их можно разделить на две основные группы.

К первой относятся требования, предъявляемые к ЭХГ как изделию. Эти требования являются достаточ - 25* 3 .

но универсальными и практически не зависят от назна­чения.

Ко второй группе относятся требования, определяе­мые спецификой и условиями эксплуатации того объек­та, на котором будет использоваться ЭУ с ЭХГ.

Ниже кратко рассмотрим основные требования пер­вой группы и их взаимосвязь.

Наиболее общими являются требования по массе и габаритам. Ими определяются характеристики ЭУ: мощ­ность на единицу массы или объема (Вт/кг или Вт/м3). Жесткость этого требования зависит от области приме­нения ЭХГ. Так, этот параметр критичен для космиче­ских аппаратов, в химических источниках тока для авто­номных средств связи и т. д. Для стационарных и не­обслуживаемых установок этот параметр не имеет столь важного значения. Практика конструирования показы­вает, что на массу и габариты влияют практически все параметры ЭУ.

Вторым столь же общим требованием является проч­ность, в том числе ударопрочность и вибропрочность. Энергоустановка содержит среды, находящиеся под дав­лением (рабочие газы, теплоноситель, электролит), и, кроме того, во многих случаях вместе с объектом, на котором она установлена, во время эксплуатации под­вержена воздействию вибраций, ударов,, толчков и пере­грузок. Естественно, что чем установка прочнее, тем выше ее масса, габариты, стоимость, надежность, ресурс.

Важнейшим требованием является требование обес­печения ресурса ЭХГ. В ЭУ различного назначения он колеблется от нескольких минут до десятков тысяч ча­сов. Это требование существенно влияет на все парамет­ры ЭУ. Чем больше ресурс, тем выше должны быть на­дежность, прочность, тем больше стоимость, масса и га­бариты изделия. В зависимости от ресурса выбираются и схемные’ решения ЭУ. Например, при малых ресурсах для Н2—02 ЭХГ могут быть использованы схемы с раз­бавлением электролита водой реакции, при больших же ресурсах, как правило, разрабатываются специальные системы удаления воды того или иного типа (см. гл. 5).

Следующим параметром, определяющим конструкцию ЭХГ, является надежность. Она существенно влияет на прочность, массу, габариты и стоимость, так как из со­ображений надежности выбираются повышенные коэф­фициенты запаса, вводятся дублирование и утроение 388

отдельных наиболее ответственных конструктивных эл6* ментов, проводится большой объем различных мероприя­тий по отработке и повышению надежности. Определен­ное влияние требование по надежности оказывает и на выбор схемных и конструктивных решений. Известно, например, что чем конструкция проще, тем она на­дежнее.

Существенное влияние на ресурс оказывает ремонто­пригодность— возможность замены вышедших из строя или быстроизнашивающихся узлов и деталей. Для осу­ществления ремонтных работ необходимо соответствую­щим образом компоновать изделие, обеспечивая доступ к заменяемым узлам, возможность замены их новыми и регулировку перед возобновлением эксплуатации. Это обычно ведет к увеличению габаритов. Габариты, а так­же масса и стоимость увеличиваются еще и потому, что для выполнения требования по ремонтопригодности не­обходимо предусмотреть наличие различных комплектов запасных деталей, инструмента, тары и места для их размещения.

Одним из определяющих применение любого устрой­ства требований является требование оптимальной (как правило, минимальной) стоимости.

Широкое применение ЭХГ связывается с существен­ным снижением их стоимости, для чего необходимо ис­пользование более дешевых катализаторов, дешевых сортов топлива и окислителя, недорогих конструкцион­ных материалов. Ограничения по стоимости существенно влияют на все параметры ЭХГ и его конструкцию.

Одно из решающих требований, определяющих воз­можную конкурентоспособность ЭХГ в сравнении с дру­гими ЭУ, — пожаровзрывобезопасность. Относительно высокие напряжения, большие токи, активные виды топ­лива и окислителя, наличие высокоактивных катализато­ров, температур, близких к точке воспламенения обра­зующихся газовых смесей, коррозионных процессов кон­структивных материалов делают вероятным возникнове­ние пожаровзрывоопасных ситуаций [пример тому взрыв и пожар опытной подводной лодки шведской фирмы АСЕА (ASEA), взрыв кислородного бака на «Апол­ло-13»] .

Это требование существенно влияет на массу, габа­риты, стоимость ЭУ, конструктивные решения и выбор материалов: все элементы ЭУ должны удовлетворять

специальным правилам изготовленкя взрывозащшценнб - го оборудования.

Оборудование ЭУ должно быть надежно защищено от воздействия климатических факторов, должна быть предусмотрена защита. обслуживающего персонала от соприкосновения с токоведущими и нагретыми элемен­тами установки. Эти требования в определенной мере удорожают и усложняют конструкцию ЭУ, увеличивают ее габариты и массу.

Для ряда задач ЭУ с ЭХГ не должны являться источ­никами шума, магнитных полей и радиопомех. Сам ЭХГ является источником электрического и магнитного поля. Специальные конструктивные меры, выражаю­щиеся в определенном порядке силовой коммутации или введении компенсационных цепей, позволяют снизить практически до нуля внешнее магнитное поле, однако это, естественно, приводит к удорожанию ЭУ, увеличе­нию ее массы и габаритов.

Общими для всех ЭУ, эксплуатируемых длительное время в закрытых обитаемых помещениях, являются са­нитарно-химические нормы, что особенно важно при ис­пользовании полимерных материалов и пластмасс. Это требование существенно усложняет процесс разработки, так как материалов, отвечающих этим требованиям, от­носительно мало. Удлиняются и сроки разработки из-за необходимости проведения длительных испытаний, повы­шается стоимость разработки.

Нельзя забывать и о возросших за последние годы требованиях по защите окружающей среды от загрязне­ния продуктами электрохимической и различных хими­ческих реакций, происходящих как в батарее ТЭ, так и в системах топлива и окислителя, а также самими реагентами, такими как гидразин, метанол, аммиак, гид­риды щелочных металлов, перекиси щелочных металлов и др. Для решения этой задачи в установку вводятся специальные системы дожигания и очистки или исполь­зующие другие способы утилизации вредных агентов, что, разумеется, усложняет и утяжеляет установку, уве­личивает ее габариты и стоимость.

Наконец, последняя группа требований, влияющих на массу, габариты и конструкцию ЭУ, связана с усло­виями эксплуатации. Для успешного запуска, стацио­нарного режима и выключения ЭУ необходимо иметь определенную информацию о происходящих в ней про - 390

цессах и соответствующие устройства, позволяющие управлять этими процессами. Оценка информации и от­ветные действия могут производиться как автоматически, так и вручную, а также дистанционно. Например, на космических кораблях «Аполло» имели место все три способа управления работой ЭХГ: очистка реагентов, подача энергии на шину и подача реагентов осуществля­лись ручными переключателями; приборы в кабине по­казывали напряжение, ток, температуру, давление, ско­рость потока реагентов, pH выработанной воды; имелась также телеметрическая система, связанная с Землей.

С другой стороны, автономные источники питания, например ретрансляторов, в периоды между перезаправ­ками работают полностью в автоматическом режиме.

Рассмотрим теперь некоторые специфические для ЭХГ требования.

Условия работы ЭХГ на космических аппаратах вы­двинули требование надежного функционирования си­стемы отвода воды в невесомости [9.1], для подводных аппаратов специфическим требованием является усло­вие надежной работы при кренах и дифферентах [9.2], а также в условиях повышенной влажности. Специфиче­ская особенность ЭХГ, работающих в качестве резерв­ных источников энергии,— быстрая взводимость; ЭХГ, применяемые для питания ретрансляторов, должны быть работоспособны при отрицательных температурах и требовать минимума обслуживания; ТЭ, которые на­мереваются встроить в организм человека для стимуля­ции сердца, должны быть биологически совместимы с живыми тканями и т. д. Естественно, каждое из пере­численных требований определенным образом влияет на конструкцию, устройство, массу, габариты и стои­мость ЭУ.