Stirling radioisotope generator

Кіріспе

Стирлинг радиоизотоп генераторы (SRG) - үлкен радиоизотопты қыздыру агрегатымен жұмыс істейтін Стирлинг қозғалтқышына негізделген радиоизотоп генераторының түрі. Стирлинг конвертердің ыстық бөлігі жоғары температураға жетеді және қыздырылған гелий поршеньді қозғалтады, ал жылу қозғалтқыштың суық бөлігінде шығарылады. Генератор немесе генератор қозғалысты электр энергиясына айналдырады. Плутонийдің өте шектеулі жеткізілімін ескере отырып, Стирлинг конвертері радиоизотоптық термоэлектр генераторына (РТГ) қарағанда плутоний отыннан шамамен төрт есе көп электр қуатын өндіреді. Стирлинг генераторлары NASA-ның жер бетінде сынақтан өтті, бірақ олардың дамуы 2013 жылы нақты ғарыш кемелері миссиясына орналастырылмас бұрын тоқтатылды. НАСА-ның әлі де әзірленіп жатқан ұқсас жобасы, Килопауэр деп аталады, сонымен қатар Стирлинг қозғалтқыштарын пайдаланады, бірақ жылу көзі ретінде кішкентай уранның бөліну реакторын пайдаланады.

Тарих

Стирлинг және Брейтон циклінің технологиясын әзірлеу 1970 жылдардың басынан бері NASA Glenn Research Center (бұрынғы NASA Lewis) -де жүргізіліп келеді. Space Demonstrator Engine (SPDE) - бұл ең алғашқы 12,5 кВт/цилиндрлік қозғалтқыш, ол жобаланып, жасалып, сынақтан өткізілді. Осы өлшемдегі кейінгі қозғалтқыш, Компоненттік сынақ қуат конвертері (CTPC), SPDE қолданған сорғылы циклдің орнына "Жұлдызша" жылу құбырлары жылытқыш басын қолданды. 1992-93 жылдары бұл жұмыс SP 100 ядролық энергетикалық жүйесінің жұмысының тоқтатылуына және НАСА-ның "жақсы, жылдам, арзан" жүйелер мен миссияларға жаңа басымдылығына байланысты тоқтатылды. 2020 жылы NASA Glenn-дегі Стирлинг зерттеу зертханасында еркін поршеньді Стирлинг қуат конвертері 15 жыл бойы техникалық қызмет көрсетусіз және бүлінусіз жұмыс істеді. Бұл ұзақтылық MMRTG-нің операциялық жобалау мерзіміне тең және сыртқы планеталарды немесе одан да алыстағы Койпер белдеуі объектілерін зерттеуге арналған типтік миссия тұжырымдамаларының өкілі болып табылады. Технологияны көрсету конвертері (TDC) No13 деп аталатын бұл құрылғы - нашарлау белгілері жоқ бірнеше конвертерлердің ішіндегі ең көнесі. 2017 жылдан бастап NASA Glenn-дегі NASA Radioisotope Power Systems бағдарламасы ғарышқа ұшатын алғашқы динамикалық RPS үшін бірнеше үміткер технологияларды әзірлеуді жалғастырды, соның ішінде рекордтық TDC # 13 орнату және ASRG-де пайдаланылған газды төсегі бар Стирлинг конвертері негізінде жобалар. Сондай-ақ, шағын турбо Брейтон жүйесі технологияны әзірлеуде. Динамикалық түрлендіру технологиясын әзірлеу бойынша жүргізіліп жатқан жұмыстар нәтижесінде 100-500 Вт диапазонындағы бірнеше тиімді генератор жобалары пайда болды. Жақын арада НАСА-ның Артемида бағдарламасының бөлігі ретінде динамикалық RPS-ті қолданатын айлық демонстрациялық миссия DRPS-ті ғарышқа ұшуда пайдаланудың алғашқы мүмкіндігі болуы мүмкін. Айға қонған жүкке DRPS-ті қолдану айдың суық, екі апталық ай түндері немесе ай полюстерінің маңында тұрақты көлеңкелі кратерлерде аман қалуға және өнімді жұмыс істеуге мүмкіндік береді. XXI ғасырдың басында осы ұғымды пайдаланатын ірі жоба қолға алынды: 55 ватт электр конвертері негізінде қуат көзі - Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG). Бұл жүйе үшін жылу энергиясы көзі жалпы мақсаттағы жылу көзі (GPHS) болды. Әрбір GPHS құрамында 5 см биіктігі мен 10 см шаршы және салмағы 1,44 кг болатын төрт иридиймен қапталған Pu 238 отын гранулеті болды. Стирлинг конвертердің ыстық жағы 650 °C-қа жетіп, қыздырылған гелий желілік генераторда еркін поршеньді кері айналдырады, жылу қозғалтқыштың суық жағында шығарылады. Алтернатордан шыққан ауыспалы ток (АҚ) 55 Вт тұрақты токқа (БТ) айналдырылды. Әрбір АСРГ қондырғысы екі ГПХС қондырғысы беретін 500 Вт жылу қуаты бар екі Стирлинг конвертер қондырғысын пайдаланады және 100-120 Вт электр қуатын береді. ASRG NASA Glenn-де болашақ NASA миссиясы үшін қуат көзі ретінде біліктілік сынағынан өтті. ASRG осы дәуірде көптеген миссия ұсыныстарына енгізілген, бірақ 2013 жылы NASA бюджетінің шектеулеріне байланысты тоқтатылды.

Stirling and Brayton cycle technology development has been conducted at NASA Glenn Research Center (formerly NASA Lewis) since the early 1970s. The Space Demonstrator Engine (SPDE) was the earliest 12.5 kWe per cylinder engine that was designed, built and tested. A later engine of this size, the Component Test Power Converter (CTPC), used a "Starfish" heat pipe heater head, instead of the pumped loop used by the SPDE. In the 1992 93 time period, this work was stopped due to the termination of the related SP 100 nuclear power system work and NASA's new emphasis on "better, faster, cheaper" systems and missions. In 2020, a free piston Stirling power converter reached 15 years of maintenance free and degradation free cumulative operation in the Stirling Research Laboratory at NASA Glenn. This duration equals the operational design life of the MMRTG, and is representative of typical mission concepts designed to explore the outer planets or even more distant Kuiper Belt Objects. This unit, called the Technology Demonstration Converter (TDC) #13, is the oldest of several converters that have shown no signs of degradation. Since 2017, the NASA Radioisotope Power Systems Program at NASA Glenn has continued developing several candidate technologies for the first dynamic RPS to fly in space, including designs based on the record setting TDC #13 and the gas bearing based Stirling converter that was used in the ASRG. A small turbo Brayton system is also under technology development. Several viable generator designs in the range of 100 500 Watts have emerged from the ongoing dynamic conversion technology development effort. In the near term, a lunar demonstration mission using a dynamic RPS as part of NASA's Artemis Program could be the first opportunity for a DRPS to be used in spaceflight. The use of DRPS in a lunar landed payload would enable it to survive and operate productively during the frigidly cold, two week lunar nights, or in permanently shadowed craters near the moon's poles. In the early 21st century, a major project using this concept was undertaken: the Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG), a power source based on a 55 watt electric converter. The thermal power source for this system was the General Purpose Heat Source (GPHS). Each GPHS contained four iridium clad Pu 238 fuel pellets, stood 5 cm tall and 10 cm square, and weighed 1.44 kg. The hot end of the Stirling converter reached 650 °C and heated helium drove a free piston reciprocating in a linear alternator, heat being rejected at the cold end of the engine. The alternating current (AC) generated by the alternator was then converted to 55 watts direct current (DC). Each ASRG unit would use two Stirling converter units with about 500 watts of thermal power supplied by two GPHS units and would deliver 100 120 watts of electric power. The ASRG underwent qualification testing at NASA Glenn as a power supply for a future NASA mission. The ASRG was designed into many mission proposals in this era, but was cancelled in 2013, due to NASA budget constraints.