Энергетические установки в космосе

Проблема
Обеспечение энергией космонавта вдали от базы

Цель проекта
Разработка универсальной мобильной энергетической установки
Написание научной статьи (следующий шаг)

Задачи проекта
Накопление теоретической базы
Математические вычисления:
Расчет потери энергии при передаче со спутника
Расчет размеров источников энергии
Расчет ёмкости аккумуляторов
Расчет вырабатываемой энергии от используемых источников
Создание 3-D модели
Написание научной статьи по результатам работы

Энергия человека

Элемент Пельтье

Пьезоэлектричество
- Пьезоэлемент - прибор, в котором происходит пьезоэффект.
- Пьезоэффект - явление поляризации на диэлектрике под действием деформации.
- Диэлектрик - вещество, плохо проводящее электрический ток.
- Поляризация - явление, связанное со смещением электрических зарядов и диполей под действием внешнего электрического поля, внешних сил или спонтанно.
- Диполь - явление, описывающее идею поля.

Формулы

Аккумуляторы
В скафандре
На ровере
На спутнике

Сравнительная таблица аккумуляторов

Способ передачи энергии

Плюсы:
Сравнительно высокий КПД
Минусы:
Малые мощности => огромные приёмники
Небольшая перегрузка – выход из строя (лавинообразный)
Переизлучение => потеря энергии
СВЧ
Расчёты:
КПД передачи СВЧ волн = 75%
КПД ректенны-приёмника = 80%
1) 3333 Вт * 0,75 = 2500 Вт
2)2500 ВТ * 0,8 = 2000 Вт
Суммарный КПД = 60%

Лазеры
Стабильная и продолжитеьная работа лазера может быть достижима при условии того, что лазер будет выдавать 1 кВт мощности.
Приведём пример на лазере иттрий-алюминиевый гранат с КПД=30%.
Значит, чтобы лазер мог выдать 1 кВт (1000Вт), нам нужно подать на него 3333Вт.
КПД лазера=30%
КПД приёмника=60%
1) 3333 Вт* 0,3=1000 Вт - Максимальная оптимальная энергия для передачи лазером
2) 1000*0,6=600 Вт - Мощность энергии, получаемая приемником с учетом КПД лазера и приемника.
Суммарный КПД системы=18%
Расчёт рассеивания лазера(на примере иттрий-алюминиевый гранат):
α = 1,22 λ/d,
где α - угол расхождения (радиан),
λ - длина волны света;
d - исходный диаметр луча;
1,22 - коэффициент, зависящий от формы апертуры (выходного) отверстия.
К=1,22 - для круглого сечения.
α = 1,22 λ/d*S
Где S – расстояние от передатчика до приёмника
α = 1,22 λ/d*S=1,22* 1064*10-9м*0,05м*120* 103м=3,115=3,1м (Диаметр пятна на поверхности луны при длине волны 1064 нм и исходном диаметре пучка в 5 см)

Лазер

Кинематика спутника

Спутник
Сутки на Луне=29 земных суток.
Ночь на луне=14,5 земных суток.
В это время использование солнечных батарей становится невозможным. Для этого и нужен спутник, который будет накапливать солнечную энергию на орбите Луны.
Параметры спутника:
Высота полёта:
h=120 км
Длина орбиты спутника:
C=2П(Rл+h)= 2*3,14...*(1737,1км+120км)=11667,875км= 11668км
Скорость полёта спутника на орбите луны:
=1,7 км/с
Где G-гравитационная постоянная; M-масса небесного тела; R-радиус небесного тела.
Время 1 полного оборота спутника:
t = C/360°*360°/ v1 = 11668км / 360° * 360° / 1,7км/с =6863,5c =114,4мин
Где C-длина орбиты спутника;
Время полёта спутника над нашим участком:
t = C/360°*40°/ v1 = 11668км / 360° * 40° / 1,7км/с=763с=12,7мин

Выводы
Передача энергии: Лазер
Рассеивание лазера на высоте 120 км: α =3,1м
600 Вт - Мощность энергии, получаемая приемником с учетом КПД лазера и приемника.
Суммарный КПД системы (лазер + приемник)=18%
Время передачи сигнала t < Время полёта спутника над нашим участком: t =12,7мин
Pсистемы
Сила давления (Пьзоэлементы)
Аккумуляторы: LiS
Ёмкость аккумуляторов составляет 50.4А*ч, масса – 2кг. Этих аккумуляторов хватит на сутки беспрерывной работы скафандра
Энергия Солнца
Мощность излучения Солнца составляет 1367 Вт/м2 (при КПД 8-13%).
Площадь батарей скафандра = 1,04 м2, мощность 1421, 68 Вт

Планирование работ