Stirling radioisotope generator

Введение

Генератор радиоизотопов на основе двигателя Стирлинга, работающий на большом радиоизотопном нагревателе Генератор радиоизотопов Стирлинга (SRG) - это тип генератора радиоизотопов на основе двигателя Стирлинга, работающий на большом радиоизотоповом нагревателе. Горячий конец преобразователя Стирлинга достигает высокой температуры, и нагретый гелий приводит в движение поршень, а тепло отклоняется на холодном конце двигателя. Генератор или генератор преобразует движение в электричество. Учитывая очень ограниченные запасы плутония, преобразователь Стирлинга производит примерно в четыре раза больше электрической энергии из плутониевого топлива по сравнению с радиоизотопным термоэлектрическим генератором (РЭГ). Генераторы Стирлинга были тщательно протестированы на Земле НАСА, но их разработка была отменена в 2013 году, прежде чем они могли быть развернуты на реальных космических кораблях. Аналогичный проект НАСА, который все еще находится в разработке, называется Kilopower, также использует двигатели Стирлинга, но использует небольшой реактор деления урана в качестве источника тепла.

История

Разработка технологии цикла Стирлинга и Брейтона проводится в НАСА Гленн Исследовательский Центр (ранее НАСА Льюис) с начала 1970-х годов. Космический демонстратор двигателя (SPDE) был самым ранним 12,5 кВт на цилиндр двигателя, который был разработан, построен и испытан. Позднее двигатель такого размера, Компонентный тестовый преобразователь мощности (CTPC), использовал головку нагревателя теплопровода "Starfish" вместо насосной петли, используемой SPDE. В 1992-93 годах эта работа была остановлена из-за прекращения работы по связанной с ней системе ядерной энергии SP 100 и нового акцента НАСА на "лучших, быстрее, дешевле" системах и миссиях. В 2020 году свободный поршневый преобразователь мощности Stirling достиг 15-летней безотказной работы в исследовательской лаборатории Stirling в NASA Glenn. Эта продолжительность равна оперативному сроку жизни MMRTG и является типичной концепцией миссии, предназначенной для исследования внешних планет или даже более отдаленных объектов пояса Койпера. Этот агрегат, называемый Технологическим демонстрационным конвертером (TDC) No 13, является старейшим из нескольких конвертеров, которые не показали никаких признаков деградации. С 2017 года программа NASA Radioisotope Power Systems в NASA Glenn продолжает разрабатывать несколько технологий-кандидатов для первого динамического RPS, который будет летать в космосе, включая проекты, основанные на рекордном установке TDC # 13 и газовом подшипнике на основе конвертера Стирлинга, который использовался в ASRG. Небольшая турбосистема Брейтона также находится в стадии разработки. В результате продолжающихся разработок технологии динамического преобразования появилось несколько жизнеспособных конструкций генераторов в диапазоне 100-500 Вт. В ближайшей перспективе демонстрационная миссия на Луне с использованием динамического RPS в рамках программы NASA Artemis может стать первой возможностью использования DRPS в космических полетах. Использование DRPS в полезной нагрузке, приземленной на Луне, позволит ей выжить и продуктивно работать во время холодной лунной ночи, или в постоянно затененных кратерах возле полюсов Луны. В начале 21 века был предпринят крупный проект, использующий эту концепцию: генератор радиоизотопов Advanced Stirling (ASRG), источник энергии на основе 55-ваттного электрического преобразователя. Источником тепловой энергии для этой системы был источник общего назначения тепла (GPHS). Каждая GPHS содержала четыре иридиевые топливные гранулы Pu 238, высотой 5 см и площадью 10 см, и весом 1,44 кг. Горячий конец преобразователя Стирлинга достигал 650 °C, а нагретый гелий приводил в движение свободный поршень, перемещающийся в линейном генераторе, тепло отклонялось на холодном конце двигателя. Переменный ток (AC), генерируемый генератором, затем преобразовывался в постоянный ток (DC) мощностью 55 Вт. Каждый блок ASRG будет использовать два преобразователя Стирлинга с около 500 ватт тепловой мощности, поставляемой двумя блоками GPHS, и будет поставлять 100-120 ватт электрической мощности. ASRG прошел квалификационные испытания в NASA Glenn в качестве источника питания для будущей миссии NASA. ASRG был разработан во многих предложениях миссий в эту эпоху, но был отменен в 2013 году из-за бюджетных ограничений NASA.

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.