Загрузка...Тепловой химический источник тока патент
Тарасов Вадим Петрович
д.т.н., профессор, заведующий кафедрой цветных металлов и золота, директор Центра инжиниринга промышленных технологий (ЦИПТ)
- E-mail: vptar@misis.ru
- Телефон:
Направление
22.06.01 Технологии материалов.
Профиль
Металлургия цветных, редких и благородных металлов.
Область научных интересов (научная тематика):
- Автономная энергетики, химические источники тока;
- Определение направлений развития номенклатуры химических источников тока и перспектив их применения в образцах вооружения и военной техники.
Основные исследовательские проекты:
- Механизм «омоложения» металлических стекол в результате неаффинной (неколлинеарной) тепловой деформации во время циклической криогенной обработки.
- Исследование натуральных оксидов на поверхности объемных металлических стекол: их атомной структуры, темпов роста и электрических свойств.
- Разработка нового класса материалов: наноструктурированных металлических стекол на основе золота, палладия, титана и циркония для химических и биологических приложений.
- Анализ и совершенствование стеклообразующей способности металлических стекол. Разделение внутренних и внешних факторов, влияющих на способность стеклообразующую сплавов.
- Установление механизмов кристаллизации металлических стекол.
- Установление связи между атомной структурой металлической стеклообразующей жидкости и ее «хрупкости» (температурная зависимость вязкости) в процессе охлаждения с применением синхротронного излучения. Структурные основы хрупкости переохлажденной жидкости установлены методом синхротронного излучения и компьютерного моделирования.
Научное признание
- 30, зарегистрированных патентов и ноу-хау, особо значимые:
- Патент № 2449034 от 27.04.2012 г. «Способ вакуум-термического получения лития» Тарасов В.П., Криволапова О.Н., Дубынина Л.В.;
- Патент № JP 615863 от 21.06.2017 г., Япония «Датчик измерения механических напряжений (Mechanical Stress Sensor)» Гудошников С.А., Любимов Б.Я., Усов Н.А., Игнатов А.С., Тарасов В.П., Криволапова О.Н.;
- Патент № PCT/RU2016/000195 от 06.04.2016 г., Международное Бюро ВОИС «Термостойкая ткань из полимерных волокон и изделие, выполненное из этой ткани (Heat Resistant Polymer Fiber Fabric and Product)» Тарасов В.П., Криволапова О.Н., Козлов И.Г., Иванюсь Н.В., Бородин С.В.
- 22 статьи в журналах первого квартиля, особо значимые:
- Magnetic vortices as efficient nano heaters in magnetic nanoparticle hyperthermia // Usov N., Nesmeyanov M., Tarasov V. (2018);
- Study of homogenization effect on the phase composition of Sm2(Fe, Co)17 alloys // Tarasov V., Ignatov A. (2016);
- Investigations on the strength of soldered joints of materials based on REM — Fe (Co) alloys // Tarasov V., Gorelikov E., Kutepov A., et al. (2017);
- Optimization of Nitriding Regimes for Sm2Fe17 Alloy Powder // Kutepov A., Tarasov V., Ignatov A. (2017);
- Development of Methods to Improve Corrosion Resistance of Hard-Magnetic Sm2Fe17N3 Materials // Tarasov V., Ignatov A., Kutepov D. (2017);
- Investigation of dependence of density of hard magnetic material intermediates based on alloy Pr15Fe77,8B7,2 on pressing force with wet compacting method // Tarasov V., Kutepov A., Kutepov D., et al. (2017);
- Influence of pr and tb oxides on magnetic parameters of hard magnetic materials based on the alloy Pr — Fe — B // Tarasov V., Kutepov A., Khokhlova O. (2017);
- Magnetoelastic properties of Co-based amorphous ferromagnetic microwires // Gudoshnikov S, Ignatov A, Tarasov V, et al. (2016);
- Functional properties of fabric magnetic materials with strontium ferrite particle based fillers // Tarasov V., Ignatov A. (2015);
- Кулифеев В.К., Тарасов В.П. Криволапова О.Н. Утилизация литиевых химических источников тока. Монография. Москва, Издательский дом МИСиС, 2010, с.262.
- Индекс Хирша — 4
Тарасов В.П. является членом диссертационного Совета — Д-212.132.05 при НИТУ «МИСиС», членом секции № 1 научно-технического Совета 46 ЦНИИИ Минобороны России, научно-технического Совета по проблемам развития электроэнергетики для образцов и комплексов вооружения и военной техники ГУНВ ВС РФ, а также членом экспертного совета ВАК.
Лауреат премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники (Распоряжение Правительства Российской Федерации от 25.02.2011г. № «О присуждении премий Правительства Российской Федерации2010 года в области науки и техники»).
Научное руководство аспирантами
Тарасов Вадим Петрович/
Гудошников Сергей Александрович
Подготовил 5 аспирантов:
- Масков Сергей Викторович
- «Контроль качества первичных источников питания устройств вычислительной техники объектов вооружения на основе импедансного метода»
- Афанасьев Алексей Сергеевич
- «Система управления утилизацией электронной компонентной базы нового поколения для вооружения и военной техники»
- Криволапова Ольга Николаевна
- «Разработка технологии утилизации литиевых аккумуляторов специального назначения»
- Фалин Владимир Викторович
- «Исследование и разработка способа получения металлического кальция комплексным восстановителем на основе алюминия и железа»
- Игнатов Андрей Сергеевич
- «Исследование и разработка способа получения гибких магнитных материалов на основе сплава неодим-железо-бор».
Нашли опечатку?
Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter. Спасибо за участие!
Сервис предназначен только для отправки сообщений об орфографических и пунктуационных ошибках.
Коронавирус:
Горячая линия НИТУ «МИСиС»
доб. 50539
«Горячая линия» Ситуационного центра Минобрнауки России
+7 495 198-00-00
Приемная комиссия:
+7 499 649-44-80
Электрический генератор
Электри́ческий генера́тор — устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию.
Содержание
- 1 История
- 1.1 Динамо-машина Йедлика
- 1.2 Диск Фарадея
- 1.3 Динамо-машина
- 1.4 Другие электрические генераторы, использующие вращение
- 1.5 МГД генератор
- 2 Классификация
- 3 Электромеханические индукционные генераторы
- 3.1 Классификация электромеханических генераторов
- 4 См. также
- 5 Примечания
- 6 Ссылки
История [ править | править код ]
Динамо-машина Йедлика [ править | править код ]
В 1827 венгерский физик Аньош Иштван Йедлик начал экспериментировать с электромагнитными вращающимися устройствами, которые он называл электромагнитные самовращающиеся роторы. В прототипе его униполярного электродвигателя (был завершён между 1853 и 1856 годами) и стационарная, и вращающаяся части были электромагнитные. Он сформулировал концепцию динамо-машины по меньшей мере за 6 лет до Сименса и Уитстона, но не запатентовал изобретение, потому что думал, что он не первый, кто это сделал. Суть его идеи состояла в использовании вместо постоянных магнитов двух противоположно расположенных электромагнитов, которые создавали магнитное поле вокруг ротора. Изобретение Йедлика на десятилетия опередило его время.
Диск Фарадея [ править | править код ]
В 1831 году Майкл Фарадей открыл принцип работы электромагнитных генераторов. Принцип, позднее названный законом Фарадея, заключался в том, что разница потенциалов образовывалась между концами проводника, который двигался перпендикулярно магнитному полю. Он также построил первый электромагнитный генератор, названный «диском Фарадея», который являлся униполярным генератором, использовавшим медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита. Он вырабатывал небольшое постоянное напряжение и сильный ток.
Конструкция была несовершенна, потому что ток самозамыкался через участки диска, не находившиеся в магнитном поле. Паразитный ток ограничивал мощность, снимаемую с контактных проводов и вызывал бесполезный нагрев медного диска. Позднее в униполярных генераторах удалось решить эту проблему, расположив вокруг диска множество маленьких магнитов, распределённых по всему периметру диска, чтобы создать равномерное поле и ток только в одном направлении.
Другой недостаток состоял в том, что выходное напряжение было очень маленьким, потому что образовывался только один виток вокруг магнитного потока. Эксперименты показали, что используя много витков провода в катушке можно получить часто требовавшееся более высокое напряжение. Обмотки из проводов стали основной характерной чертой всех последующих разработок генераторов.
Однако, последние достижения (редкоземельные магниты), сделали возможными униполярные двигатели с магнитом на роторе, и должны внести много усовершенствований в старые конструкции.
Динамо-машина [ править | править код ]
Динамо-машина стала первым электрическим генератором, способным вырабатывать мощность для промышленности. Её работа основана на законах электромагнетизма для преобразования механической энергии в пульсирующий постоянный ток. Постоянный ток вырабатывался благодаря использованию механического коммутатора. Первую динамо-машину построил Ипполит Пикси в 1832 году.
Пройдя ряд менее значимых открытий, динамо-машина стала прообразом, из которого появились дальнейшие изобретения, такие как двигатель постоянного тока, генератор переменного тока, синхронный двигатель, роторный преобразователь.
Динамо-машина состоит из статора, который создаёт постоянное магнитное поле, и набора обмоток, вращающихся в этом поле. На маленьких машинах постоянное магнитное поле могло создаваться с помощью постоянных магнитов, у крупных машин постоянное магнитное поле создаётся одним или несколькими электромагнитами, обмотки которых обычно называют обмотками возбуждения.
Большие мощные динамо-машины сейчас можно редко где увидеть, из-за большей универсальности использования переменного тока в сетях электропитания и электронных твердотельных преобразователей постоянного тока в переменный. Однако до того, как был открыт переменный ток, огромные динамо-машины, вырабатывающие постоянный ток, были единственной возможностью для выработки электроэнергии. Сейчас динамо-машины являются редкостью.
Обратимость электрических машин
Русский учёный Э. Х. Ленц ещё 1833 году указал на обратимость электрических машин: одна и та же машина может работать как электродвигатель, если её питать током, и может служить генератором электрического тока, если её ротор привести во вращение каким-либо двигателем, например паровой машиной. В 1838 году Ленц, один из членов комиссии по испытанию действия электрического мотора Якоби, на опыте доказал обратимость электрической машины.
Первый генератор электрического тока, основанный на явлении электромагнитной индукции, был построен в 1832 году парижскими техниками братьями Пиксин. Этим генератором трудно было пользоваться, так как приходилось вращать тяжёлый постоянный магнит, чтобы в двух проволочных катушках, укреплённых неподвижно вблизи его полюсов, возникал переменный электрический ток. Генератор был снабжён устройством для выпрямления тока. Стремясь повысить мощность электрических машин, изобретатели увеличивали число магнитов и катушек. Одной из таких машин, построенной в 1843 году, был генератор Эмиля Штерера. У этой машины было три сильных подвижных магнита и шесть катушек, вращавшихся от рук вокруг вертикальной оси. Таким образом, на первом этапе развития электромагнитных генераторов тока (до 1851 года) для получения магнитного поля применяли постоянные магниты. На втором этапе (1851—1867) создавались генераторы, у которых для увеличения мощности постоянные магниты были заменены электромагнитами. Их обмотка питалась током от самостоятельного небольшого генератора тока с постоянными магнитами. Подобная машина была создана англичанином Генри Уальдом в 1863 году.
При эксплуатации этой машины выяснилось, что генераторы, снабжая электроэнергией потребителя, могут одновременно питать током и собственные магниты. Оказалось, что сердечники электромагнитов сохраняют остаточный магнетизм после выключения тока. Благодаря этому генератор с самовозбуждением даёт ток и тогда, когда его запускают из состояния покоя. В 1866—1867 годах ряд изобретателей получили патенты на машины с самовозбуждением.
В 1870 году бельгиец Зеноб Грамм, работавший во Франции, создал генератор, получивший широкое применение в промышленности. В своей динамо-машине он использовал принцип самовозбуждения и усовершенствовал кольцевой якорь, изобретённый ещё в 1860 году А. Пачинотти.
В одной из первых машин Грамма кольцевой якорь, укреплённый на горизонтальном валу, вращался между полюсными наконечниками двух электромагнитов. Якорь приводился во вращение через приводной шкив, обмотки электромагнитов были включены последовательно с обмоткой якоря. Генератор Грамма давал постоянный ток, который отводился с помощью металлических щёток, скользивших по поверхности коллектора. На Венской международной выставке в 1873 году демонстрировались две одинаковые машины Грамма, соединённые проводами длиной 1 километр. Одна из машин приводилась в движение от двигателя внутреннего сгорания и служила генератором электрической энергии. Вторая машина получала электрическую энергию по проводам от первой и, работая как двигатель, приводила в движение насос. Это была эффектная демонстрация обратимости электрических машин, открытой Ленцем, и демонстрация принципа передачи энергии на расстояние.
До того, как была открыта связь между электричеством и магнетизмом, использовались электростатические генераторы, которые работали на основе принципов электростатики. Они могли вырабатывать высокое напряжение, но имели маленький ток. Их работа была основана на использовании наэлектризованных ремней, пластин и дисков для переноса электрических зарядов с одного электрода на другой. Заряды вырабатывались, используя один из двух принципов:
- электростатическую индукцию
- трибоэлектрический эффект, при котором электрический заряд возникал из-за механического контакта двух диэлектриков
По причине низкой эффективности и сложностей с изоляцией машин, вырабатывающих высокие напряжения, электростатические генераторы имели низкую мощность и никогда не использовались для выработки электроэнергии в значимых для промышленности масштабах. Примерами доживших до наших дней машин подобного рода являются электрофорная машина и генератор Ван де Граафа.
Другие электрические генераторы, использующие вращение [ править | править код ]
Без коммутатора динамо-машина является примером генератора переменного тока. С электромеханическим коммутатором динамо-машина — классический генератор постоянного тока. Генератор переменного тока должен всегда иметь постоянную частоту вращения ротора и быть синхронизирован с другими генераторами в сети распределения электропитания. Генератор постоянного тока может работать при любой частоте ротора в допустимых для него пределах, но вырабатывает постоянный ток.
МГД генератор [ править | править код ]
Магнитогидродинамический генератор напрямую вырабатывает электроэнергию из энергии движущейся через магнитное поле плазмы или другой подобной проводящей среды (например, жидкого электролита) без использования вращающихся частей. Разработка генераторов этого типа началась потому, что на его выходе получаются высокотемпературные продукты сгорания, которые можно использовать для нагрева пара в парогазовых электростанциях и таким образом повысить общий КПД. МГД генератор является обратимым устройством, то есть может быть использован и как двигатель.
Классификация [ править | править код ]
- Электромеханические
- Индукционные
- Электрофорная машина
- Термоэлектрические
- Термопары
- Термоэмиссионные преобразователи
- Фотоэлементы
- Магнитогидро (газо)динамические генераторы
- Химические источники тока
- Гальванические элементы
- Топливные элементы
- Биогенераторы
Электромеханические индукционные генераторы [ править | править код ]
Электромеханический генера́тор — это электрическая машина, в которой механическая работа преобразуется в электрическую энергию.
E = − d Φ d t
— устанавливает связь между ЭДС и скоростью изменения магнитного потока Φ пронизывающего обмотку генератора.ТЕПЛОВОЙ ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА Российский патент 2010 года по МПК H01M6/36
Описание патента на изобретение RU2393591C1
Настоящее изобретение относится к электротехнической промышленности, может быть использовано в производстве тепловых химических источников тока.
Известен тепловой химический источник тока (см. например, патент Японии №3054965 В2 кл. H01M 6/36, заявл. 08.11.1991 г., опубл. 19.06.2000 г.), содержащий помещенный в корпус и герметизированный крышкой блок, набранный из последовательно расположенных электрохимических элементов и пиротехнических нагревателей; в торце блока у внутренней поверхности крышки расположено запальное устройство, сообщающееся с воспламенительным каналом блока и контактирующее с диаметрально проложенной пиротехнической полосой, которая находится в контакте с такими же полосами, смонтированными по наружной поверхности блока.
Для уменьшения потерь тепла по торцам блока и по его боковой поверхности установлены теплоизоляционные прокладки.
При активации источника тока форс пламени от запального устройства устремляется по воспламенительному каналу, поджигая изнутри нагреватели блока элементов. Одновременно воспламеняется диаметрально проложенная пиротехническая полоса, передающая огневой импульс на боковые инициирующие пиротехнические полосы. Последние поджигают нагреватели с наружной стороны блока.
Такая конструкция обеспечивает достаточно высокую скорость выхода на рабочий режим, однако, источник тока обладает низкой надежностью в работе и низкими удельными электрическими характеристиками. Низкая надежность в работе объясняется тем, что раскаленные частицы запального устройства, попадая в воспламенительный канал, могут привести к коротким замыканиям электрохимического элемента.
Наличие воспламенительного канала уменьшает активную площадь электрохимического элемента и, тем самым, снижает удельные электрические характеристики источника тока.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является тепловой химический источник тока (см. например, патент Японии №2808652, заявл. 24.04.89 г., опубл. 08.10.98 г.), содержащий помещенный в корпус и герметизированный крышкой блок, набранный из последовательно расположенных электрохимических элементов и пиротехнических нагревателей; теплоизоляционные прокладки, установленные по периферии и торцам блока; по боковой поверхности блока диаметрально установлены инициирующие пиротехнические полосы, соприкасающиеся в торцевой части с такой же пиротехнической полосой, проложенной по диаметру между теплоизоляционными прокладками и, находящейся в непосредственной близости к запальному устройству. Расположенная по диаметру пиротехническая полоса служит для передачи огневого импульса от запального устройства к боковым инициирующим полосам.
Для обеспечения механической прочности, а также теплового и электрического контакта между электрохимическими элементами и пиронагревателями все детали внутри корпуса опрессовываются.
Недостатком такого источника тока является большое время выхода на рабочий режим и низкая надежность в работе.
Это объясняется тем, что в опрессованном блоке пиротехническая полоса, установленная в торце блока, находится в сжатом состоянии, что приводит к увеличению отвода тепла во фронте горения и, как следствие, к снижению скорости горения и увеличению времени передачи огневого импульса от инициирующего устройства к полосам, расположенным на периметре блока. В результате происходит задержка воспламенения пиротехнических нагревателей внутри блока элементов. В отдельных случаях после воспламенения полосы возможно даже ее затухание из-за повышения токоотвода. Это особенно характерно для используемых в химических источниках пиротехнических составов, горящих в режиме безгазового горения.
Целью настоящего изобретения является уменьшение времени выхода источника тока на рабочий режим и повышение надежности работы источника тока.
С этой целью предлагается тепловой химический источник тока, содержащий помещенный в корпус и герметизированный крышкой блок, набранный из последовательно расположенных электрохимических элементов и пиротехнических нагревателей; теплоизоляционные прокладки, установленные по периферии и торцам блока; по боковой поверхности блока диаметрально установлены инициирующие быстрогорящие пиротехнические полосы, соприкасающиеся в торцевой части с такой же пиротехнической полосой, проложенной по диаметру блока между теплоизоляционными прокладками и находящейся в непосредственной близости к запальному устройству, отличающийся тем, что с целью уменьшения времени выхода источника тока на рабочий режим и повышения надежности работы пиротехническая полоса выполнена Z-образной формы и проложена в пазах, соприкасающихся между собой теплоизоляционных прокладок, причем пазы развернуты относительно друг друга на 180°, а их длина составляет 0,54·0,65 диаметра прокладки.
Выполнение торцевых прокладок с пазами, развернутыми относительно друг друга на 180° для укладки Z-образной пиротехнической полосы позволяет исключить передачу усилия опрессовки блока элементов на пиротехническую полосу. В недеформируемом свободном состоянии пиротехническая полоса позволяет уменьшить время и увеличить надежность передачи огневого импульса от запального устройства к инициирующим пиротехническим полосам, обеспечивающим поджог пиронагревателей блока элементов.
Минимальная длина паза, равная 0,54 диаметра прокладки, определяется необходимостью надежного поджога пиротехнической полосы запальным устройством; максимальная, равная 0,65 диаметра прокладки, — необходимостью обеспечения механической прочности прокладки и надежной фиксации ее торцевых частей. Ширина пазов определяется шириной пиротехнической полосы.
Тепловой химический источник тока (чертеж) состоит из помещенного в корпус 1 блока 2, состоящего из электрохимических элементов 3 и проложенных между ними пиротехнических нагревателей 4. С торцевых концов и по периметру блока установлена теплоизоляция 5. В торце блока располагается запальное устройство (электровоспламенитель, пьезоэлемент и т.д.) 6. В пазах торцевых теплоизоляционных прокладок 7 установлена Z-образная пиротехническая полоса 8, соприкасающаяся в месте перегиба с запальным устройством 6. Концы этой полосы находятся в контакте с пиротехническими инициирующими полосами 9, расположенными по внешнему периметру блока 2.
При активации источника тока запальное устройство 6 воспламеняет Z-образную пиротехническую полосу 8, которая, находясь в неподжатом состоянии, передает огневой импульс на боковые инициирующие пиротехнические полосы 9. Последние поджигают пиротехнические нагреватели 4 в блоке электрохимических элементов по периметру с двух диаметрально противоположных сторон.
Тепло последних расплавляет электролит электрохимического элемента. Между анодом и катодом возникает электрохимическая реакция. Источник тока выдает рабочее напряжение на внешнюю нагрузку.
Время выхода на рабочий режим может быть уменьшено при установке в торцевой части нескольких расположенных под углом друг к другу Z-образных пиротехнических полос, контактирующих с соответствующим количеством боковых инициирующих полос.
В таком случае поджог пиротехнических нагревателей происходит одновременно в нескольких периферических точках, что позволяет увеличить скорость их сгорания.
Существенно уменьшается время выхода на рабочий режим в случае выполнения боковых инициирующих полос в виде лент и установки их по периметру блока. Установлено, что эффект снижения времени сгорания пиротехнических нагревателей достигается при охвате такими лентами не менее 70% длины периметра. При таком техническом решении поджог пиротехнических нагревателей осуществляется одновременно по всей боковой поверхности блока электрохимических элементов.
Установка таких лент будет вносить в общий тепловой баланс источника тока дополнительное количество тепла, которое должно учитываться при проектировании источника тока.
Похожие патенты RU2393591C1
Реферат патента 2010 года ТЕПЛОВОЙ ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА
Изобретение относится к электротехнической промышленности, может быть использовано в производстве тепловых химических источников тока. Согласно изобретению тепловой химический источник тока активируется от запального устройства, расположенного в торце блока. В непосредственной близости к запальному устройству в пазах теплоизоляционных прокладок по диаметру проложена Z-образная пиротехническая полоса, передающая огневой импульс от запального устройства к диаметрально установленным по боковой поверхности блока инициирующим полосам, поджигающим пиротехнические нагреватели блока элементов. Свободное состояние пиротехнической полосы, необходимое для быстрой и надежной передачи огневого импульса от запального устройства к боковым инициирующим полосам, обеспечивается путем ее укладки в пазах теплоизоляционных прокладок, развернутых друг относительно друга под углом 180°, длина пазов составляет 0,54÷0,65 диаметра прокладок. Эффект может быть усилен установкой в торцах блока под углом друг к другу несколько Z-образных пиротехнических полос, контактирующих с соответствующим количеством боковых инициирующих полос. Если вместо последних по периметру блока установить тонкую пиротехническую ленту, охватывающую не менее 70% длины периметра блока, эффект снижения времени выхода источника тока на рабочий режим будет наибольшим. Техническим результатом является уменьшение времени выхода источника тока на рабочий режим и повышение надежности работы источника тока. 2 з.п. ф-лы, 1 ил. 
Формула изобретения RU 2 393 591 C1
1. Тепловой химический источник тока, содержащий помещенный в корпус и герметизированный крышкой блок, набранный из последовательно расположенных электрохимических элементов и пиротехнических нагревателей, теплоизоляционных прокладок, установленных по периферии и торцам блока; по боковой поверхности блока диаметрально установлены инициирующие быстрогорящие полосы, соприкасающиеся в торцевой части с пиротехнической полосой, проложенной по диаметру блока между теплоизоляционными прокладками и находящейся в непосредственной близости с запальным устройством, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени выхода источника тока на рабочий режим и повышения надежности работы, пиротехническая полоса выполнена Z-образной формы и проложена в пазах, соприкасающихся между собой теплоизоляционных прокладок, причем пазы развернуты относительно друг друга на 180°, а их длина составляет 0,54÷0,65 диаметра прокладки.
2. Тепловой химический источник тока по п.1, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени выхода источника тока на рабочий режим, в торцевой части блока электрохимических элементов установлено несколько диаметрально расположенных под углом друг к другу Z-образных пиротехнических полос, контактирующих с соответствующим количеством боковых инициирующих пиротехнических полос.
3. Тепловой химический источник тока по п.1 или 2, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени выхода источника тока на рабочий режим, боковая инициирующая пиротехническая полоса выполнена в виде сплошной тонкой ленты, охватывающей боковую поверхность блока электрохимических элементов не менее, чем на 70% длины периметра.
Термоэмиссионный метод тепловой защиты элементов конструкции гиперзвуковых летательных аппаратов от аэродинамического нагрева с одновременным получением на этой основе значительных количеств электрической энергии на борту
Цели исследования: Разработка концепции активной термоэмиссионной тепловой защиты (АТТЗ) элементов конструкции ГЛА при их аэродинамическом нагреве. Предлагаемая АТТЗ основана на явлении испускания электронов нагретым металлом – термоэлектронной эмиссии.
Описание проблемы, на решение которой направлено исследование:
Летательные аппараты (ЛА), летящие в атмосфере с высокими (гиперзвуковыми) скоростями, очень сильно нагреваются, особенно выступающие вперед поверхности (крылья, носы и др.). Такой нагрев может привести к разрушению ЛА, частичной или полной потери технических характеристик, чего допускать нельзя. Проблема носит название «тепловой барьер». Преодолев «тепловой барьер» появиться возможность создавать принципиально типы ЛА, которые смогут решать задачи освоения верхних слоев атмосферы и околоземного пространства. Например, станет реальным создание Воздушно-Космического Самолета (ВКС) – одноступенчатой системы выведения полезного груза на орбиту или трансконтинентального пассажирского и грузового самолета, что углубит социально-экономические связи между странами и народами.
Существует множество способов борьбы с «тепловым барьером» — тепловой защиты, которые условно можно разделить на активные и пассивные. Однако, о создании однозначно эффективного, надежного и относительно недорого способа тепловой защиты пока не сообщается.
В рамках данного проекта предлагается принципиально новое решения проблемы «теплового барьера». Суть решения заключается в том, что тепловая энергия аэродинамического нагрева напрямую передается электронам, находящимся в защищаемом элементе конструкции ГЛА, выполняемом из соответствующего металла. Реализуется явление термоэлектронной эмиссии. Получая энергию, электроны выходят из металла, в результате чего металл охлаждается. Происходит электронное охлаждение. В дальнейшем, получив энергию и являясь носителями заряда, электроны могут совершить работу в электрической нагрузке.
Краткая аннотация исследования:
В данной работе в качестве средства преодоления «теплового барьера» предлагается комплекс систем электронного охлаждения на основе прямого преобразования тепловой энергии в электричество. Основой данного комплекса должна явиться система активной термоэмиссионной тепловой защиты (АТТЗ).
Таким образом, предлагается концепция, основной особенностью которой является система тепловой защиты на базе явления термоэмиссионного охлаждения с одновременным прямым преобразованием тепловой энергии аэродинамического нагрева в электрическую энергию. При реализации данной концепции носовые части, передние кромки крыла, стабилизаторов и др., то есть наиболее теплонапряженные участки корпуса, испытывающие интенсивный аэродинамический нагрев представляют собой устройства, реализующие способ АТТЗ. Перечисленные выше элементы конструкции в общем случае реализации способа АТТЗ состоят из внутренней и внешней оболочки. При движении в атмосфере с гиперзвуковыми скоростями внешняя оболочка нагревается до температур, при которых за счет тепловой энергии, приобретенной при аэродинамическом нагреве с ее внутренней поверхности, начинают вылетать горячие электроны, осаждаемые затем на внутренней оболочке. То есть на данном этапе электроны есть носители тепла или «охладители» внешней оболочки, которая является катодом. Таким образом, происходит электронное охлаждение внешней оболочки и реализуется принцип АТТЗ. Далее электроны, проходя некоторое расстояние, осаждаются на внутренней оболочке из электропроводящего металла – аноде. Часть энергии, унесенной электронами с катода, идет на нагревание анода, а остальная — позволяет электронам, проходя в некоторой цепи, соединяющей анод и катод, совершать полезную работу под нагрузкой, обеспечивая функционирование различных видов бортовых потребителей электрической энергии. Таким образом, происходящее электронное охлаждение внешней оболочки сопровождается появлением электрического тока в указанной выше цепи. То есть, часть тепловой энергии аэродинамического нагрева преобразуется в электричество, снижая тепловое воздействие на элементы конструкции ГЛА с АТТЗ. Полученная таким способом электрическая энергия направляется на работу различных видов бортовых систем, что расширяет возможности по части формирования концепций и облика ГЛА на ее основе.
Из сказанного выше следует, что оснащение элементов конструкции ГЛА АТТЗ дает следующие преимуществами:
• Если температура материала нагреваемой части корпуса с АТТЗ при полете ГЛА достигает значений от 1500oК до 2000oК, то это означает, что температура материала нагреваемой части корпуса ГЛА без использования АТТЗ была бы выше на 400-900oК. Это означает, что материалы элементов конструкции ГЛА работают в менее жестких условиях при пониженных температурах, поэтому можно говорить о повышении надежности ГЛА по сравнению с различными другими типами теплозащиты.
• Существенно снижается тепловое воздействие на части корпуса ЛА, поскольку часть аэродинамического тепла преобразуется в электричество. КПД такого преобразования в настоящее время находиться на уровне 10-25% и выше. Средняя удельная электрическая мощность достигает значений в 10-25Вт/см 2 площади эмиссии. При этом, как источник электрической энергии для АТТЗ значения в 2-4 кг/кВт вполне достижимы на сегодняшнем уровне науки и техники. Следовательно, кроме функции теплозащиты АТТЗ может успешно выполнять роль высокоэнергетического бортового источника электрической энергии, который по своим характеристикам превосходит на порядок существующие аналоги, в том числе химические источники тока.
• Весь процесс термоэмиссионного преобразования осуществляться внутри элементов корпуса ЛА, под обшивкой, что приводит к возможности получения или сохранения высоких аэродинамических характеристик любого типа ЛА, оснащенных данной тепловой защитой.
• Повышается энергетическая эффективность ГЛА, так как получаемая электрическая энергия является частью возвращаемой энергии, затрачиваемой на полет ГЛА.
• Расширяется перечень потребителей электрической энергии, что в свою очередь приводит к разнообразию в деле формирования облика ГЛА и его бортовых систем.
• Отсутствуют движущиеся части, что обеспечивает простоту и надежность устройства АТТЗ и ГЛА в целом.
• АТТЗ содержит в себе функции диагностики теплового нагрева нагреваемых поверхностей, поскольку снимаемые электрические характеристики термоэмиссионного преобразования в высокой степени зависят от состояния катодной оболочки.
Научная новизна: В ходе исследования опубликовано 28 научный труд и в соавторстве получены патенты на изобретение №2404087 «Термоэмиссионный способ тепловой защиты частей летательных аппаратов при их аэродинамическом нагреве» и №2430857 «Крыло гиперзвукового летательного аппарата в условиях его аэродинамического нагрева», а также патенты на полезную модель № 95637 «Крыло гиперзвукового летательного аппарата в условиях его аэродинамического нагрева» и №80118 «Огнепреградитель», что свидетельствует о Мировой новизне и высоком научно-техническом уровне проводимых исследований.
На данный момент исследования продолжаются. Полученные результаты обладают высокой степенью новизны. Полученные методики обладаю высокой степенью оригинальности.
