История создания термоэлектрического генератора тока
В 2020 году на страницах «Военного обозрения» появилась статья об истории создания малогабаритной солнечной батареи БСП-1, которую разрабатывали по заказу Минобороны для определенных нужд службы спецрадиосвязи ГРУ ГШ.
В тексте статьи было указано:
Во время обсуждения появилась информация о том, как сложилась судьба второй НИОКР, в ходе которой было создано еще одно редкое изделие, о судьбе которого практически ничего неизвестно до сих пор.
Но в серийное производство изделие не пошло по ряду причин, о которых будет рассказано ниже.
Максимальный зарядный ток разработанного термоэлектрического генератора, как и ток для питания РЭА, составлял 2 А при напряжении от 12,6 до 13,8 В, как описано в ТТЗ. А минимальный –100 мА, для герметичного аккумулятора 10НКГЦ-1д, чтобы не произошёл его взрыв во время зарядки.
Чтобы понимать, откуда появилась идея создания такого источника тока, надо обратиться к истории появления в СССР первых термоэлектрических генераторов (ТЭГ), которые создавались в интересах разведывательных органов Красной Армии.
Первое практическое применение полупроводниковых термоэлементов было осуществлено в СССР в период Великой Отечественной войны под непосредственным руководством А.Ф. Иоффе.
Когда началась Великая Отечественная война, физики Ленинградского физико-технического института разработали специально для партизан и диверсионных групп, забрасываемых в тыл противника, термоэлектрогенератор ТГ-1, известный под названием «партизанский котелок».
Работами по его созданию руководил один из коллег Иоффе – Юрий Маслаковец, заинтересовавшийся термоэлектрическими явлениями в полупроводниках еще до войны.
ТГ-1 действительно был похож на котелок, наполнялся водой и устанавливался на костер.
В качестве полупроводниковых материалов использовались соединение сурьмы с цинком и константан – сплав на основе меди с добавлением никеля и марганца.
Разница температур пламени костра и воды доходила до 300° и оказывалась достаточной для возникновения в термоэлектрогенераторе тока. В результате партизаны заряжали батареи своей радиостанции. Мощность ТГ-1 достигала 10 ватт.
Выпуск генератора был налажен в марте 1943 года на НИИ 627 с опытным заводом № 1. Принцип работы этого «котелка» хорошо понятен из приведенного рисунка:
Источник: armystandard.ru
В послевоенное время работы над подобной техникой проводились в интересах народного хозяйства с целью обеспечить электропитанием труднодоступные районы и малонаселённые пункты. И были созданы несколько типов термоэлектрических генераторов разной конструкции для маломощных потребителей.
Серийно выпускались, к примеру, приборы под названием ТГК-3 и ТЭГК-2-2, оформленные в виде насадки на стекло стандартной керосиновой лампы:
Источник pbs.twimg.com
Некоторые были оформлены в виде керогазов (фитильных керосиновых горелок для приготовления пищи) модели ТГК-9, ТГК-10 и ТГУ-1. Более мощные, но без сопутствующего эффекта освещения.
Источник: tvzvezda.ru
Правда, стоит отметить, что широкого применения термоэлектрические генераторы в стране не получили, так как обладали малой мощностью. И их производство было сокращено в последующем.
В Вооруженных силах их разработку не проводили вплоть до восьмидесятых годов, когда острая нужда заставила вернуться к созданию малогабаритных источников питания.
О причинах было подробно рассказано в статье о солнечной батареи БСП-1, где объяснялось, почему были созданы эти изделия.
Получив в Академии наук СССР информацию о научных разработках в этой области, было принято решение о проведении двух НИР в разных организациях с целью выявления возможности создания подобной техники с заданными масса-габаритными характеристиками и выходной мощностью порядка 25–30 вт.
Одна НИР проводилась в Специализированном конструкторско-технологическом бюро при Черновицком госуниверситете. А другая – в Ленинградском отделении ВНИИ источников тока. В Черновицком СКТБ «Фонон» исследовалась возможность создания трех разных ТЭГ с разными параметрами для некоторых ситуаций.
В частности, первый вариант предусматривал получение зарядного тока от жилета, находящегося на человеке. И использовалась разница температур между телом и окружающей средой. Попутно он мог выполнять и функции бронежилета в определенных случаях, но не высокого уровня защиты.
Этот вариант не получил развитие, так как слишком малый перепад температур давал небольшой ток.
Второй вариант предусматривал получение напряжение 12,6 В от термического заряда или термитной шашки, которые в течение времени горения могли дать ток ТЭГ, необходимый для передачи короткого сообщения или сигнала в определенных ситуациях через КВ радиостанцию.
Третий вариант предусматривал создание ТЭГ для длительной работы, по типу того, что использовалось в годы войны.
К сожалению, в этой организации дальше НИР дело не пошло. Так как возможности СКТБ «Фонон» не позволяли организовать что-то серьезное даже на уровне малой серии. Поэтому дальнейшее сотрудничество было прекращено. Несмотря на то, что работы была выполнена в полном объёме, и комиссия её приняла, от проведения ОКР в этой организации отказались.
Более серьёзную научную работу под шифром «Сувенир» провели в Ленинградском отделении ВНИИИТ, которым в то время руководил Е.К. Иорданишвили, доктор технических наук, заслуженный деятель науки России, академик и вице-президент Международной термоэлектрической Академии, ученик академика А.Ф. Иоффе.
Исполнителям было предложено на выбор разработать несколько вариантов ТЭГ, которые имели разные виды охлаждения и разные типы горелок, для повышения КПД всего изделия. Но со стороны службы эксплуатации было выставлено жесткое требование к ОКР – в изделии не должна использоваться жидкость для испарения. Нельзя было использовать вентиляторное охлаждение. А также исключалось применение любых каталитических горелок или еще каких-то решений, поднимающих цену изделия и снижающих его надежность.
Поэтому в конечном варианте разработчиками было предложено использовать обычный примус «Шмель 2» как нагревательный элемент.
Ичточник: littlehobby.livejournal.com
Со специально разработанной аппаратурой, приблизительный эскиз которой представлен на рисунке.
Изделие «Сувенир», где 1- электронный блок, 2 - радиатор воздушного охлаждения, 3 - термоэлектрические преобразователи.
Выходная мощность разработанного ТЭГ «Сувенир» давала требуемые параметры. А сама конструкция отвечала требованиям ГОСТа по группе 1.14. Иными словами, допускала десантирование в ГК-30 и предусматривала температурный диапазон эксплуатации от –50 до +50 °С.
Емкости бензинового «Шмеля» хватало на 5–6 часов непрерывной работы, что вполне хватало для полной зарядки аккумулятора 10НКП-6c «Пояс» в полевых условиях. Не говоря о том, что одновременно с этим могла готовиться пища в любом котелке, кастрюле или на сковородке, которые ставились сверху самого изделия.
Общий вес всего изделия в сборе был около 5 кг, что не выходило из пределов требований заказчика по масса-габаритным ограничениям.
Для того чтобы окончательно определиться с выбором портативного источника тока, было принято решение отправить в одну из бригад СпН изготовленные на заводе опытные образцы ТЭГ «Сувенир» для войсковых испытаний.
Через полгода был получен отчет о проведенных испытаниях, которые подтвердили все характеристики этих изделий. Но, к сожалению, было указано, что использовать их в разведгруппах нецелесообразно. Потому что проще и удобнее брать еще один заряженный «Пояс».
Возможно, если бы это изделие отправили в 40 Армию (Афганистан), то заключение было бы другим. Но такие испытания запрещалось проводить за рубежами нашей страны. Поэтому ограничились заключением, утвержденным должностным лицом бригады СпН.
На основании этого заключения на совместном совещании заказчика и исполнителей было принято решение в серию изделие не запускать. А документацию сохранить в архивах ГРУ ГШ и Минэлектротехпрома для возможного возобновления выпуска этих изделий в военное время или еще в каких-либо критических ситуациях.
Вспомнить об этом изделии меня заставила информация в сети, где была размещена реклама современного ТЭГ, производимого в Перми и имеющего следующие характеристики:
Невольно сравнивая то, что было разработано 35 лет назад для нужд ГРУ ГШ, приходишь к выводу, что современный ТЭГ уступает по весу изделию «Сувенир». И, мало того, наличие двух кулеров резко снижает надежность работы в полевых условиях. Не говоря о том, что проблематично на таком изделии готовить пищу.
Так получилось, что изделие «Сувенир» обогнало на много лет вперед нынешние разработки в этом сегменте ТЭГ, что, конечно, вызывает уважение к работе тех, кто его создавал.
В заключении хотелось бы отметить, что в восьмидесятые годы ничего аналогичного изделию «Сувенир» в мире не было создано. А ближайший портативный ТЭГ, производимый в Японии, весил около 18 кг, предназначался для помещений и питался от сжиженного газа.
Более мощные установки выпускались. Но они исключали их мобильное применение небольшими группами военнослужащих. И поэтому на вооружении армии не состояли.
В настоящее время в связи с освоением районов Крайнего Севера и размещением там наших частей, возможно, к идеи обеспечения портативными ТЭГ вернутся вновь. Но на новом уровне.
И тогда опыт разработки изделия «Сувенир» будет востребован.
К этому подталкивают и некоторые миротворческие миссии наших вооруженных сил, когда на небольших наблюдательных постах используют мощные генераторы электрической энергии, требующие большого расхода топлива для двигателя внутреннего сгорания. Это затратно и иногда связано с невозможностью своевременного подвоза больших объемов топлива из-за погодных условий, особенно в горах или в отдаленных районах.
Надеюсь, что эта статья откроет еще одну малоизвестную страницу советских военных разработок. И подскажет кому-то, как можно решить проблему обеспечения электроэнергией небольших по мощности потребителей, если возникнет такая необходимость.
Думаю, это поможет нашим Вооруженным силам и нашему народу не только сейчас, но и в будущем.
Потому что идея использования ТЭГ до сих пор актуальна для некоторых ситуаций в труднодоступных районах или в аварийных случаях.
В тексте статьи было указано:
«Исходя из сложившейся обстановки руководство ГРУ ГШ поставило задачу оперативно-техническому управлению провести НИОКР по созданию портативных источников тока для подобных ситуаций.
Конкретно этим вопросом стал заниматься отдел под руководством к. т. н. полковника Евсеенкова П.Т.
Практически одновременно начали проводить две малобюджетные НИОКР, причем в одном случае использовали принцип преобразования солнечной энергии в электрическую, а в другом использовали полупроводниковые термоэлектрические преобразователи для получения нужного зарядного тока».
Конкретно этим вопросом стал заниматься отдел под руководством к. т. н. полковника Евсеенкова П.Т.
Практически одновременно начали проводить две малобюджетные НИОКР, причем в одном случае использовали принцип преобразования солнечной энергии в электрическую, а в другом использовали полупроводниковые термоэлектрические преобразователи для получения нужного зарядного тока».
Партизанский котелок
Во время обсуждения появилась информация о том, как сложилась судьба второй НИОКР, в ходе которой было создано еще одно редкое изделие, о судьбе которого практически ничего неизвестно до сих пор.
«Для северных регионов разрабатывался генератор на основе полупроводниковых термоэлектрических преобразователей с теми же характеристиками на выходе.
Была проведена НИОКР и созданы опытные образцы, которые прошли Госиспытания».
Была проведена НИОКР и созданы опытные образцы, которые прошли Госиспытания».
Но в серийное производство изделие не пошло по ряду причин, о которых будет рассказано ниже.
Максимальный зарядный ток разработанного термоэлектрического генератора, как и ток для питания РЭА, составлял 2 А при напряжении от 12,6 до 13,8 В, как описано в ТТЗ. А минимальный –100 мА, для герметичного аккумулятора 10НКГЦ-1д, чтобы не произошёл его взрыв во время зарядки.
Чтобы понимать, откуда появилась идея создания такого источника тока, надо обратиться к истории появления в СССР первых термоэлектрических генераторов (ТЭГ), которые создавались в интересах разведывательных органов Красной Армии.
Первое практическое применение полупроводниковых термоэлементов было осуществлено в СССР в период Великой Отечественной войны под непосредственным руководством А.Ф. Иоффе.
Когда началась Великая Отечественная война, физики Ленинградского физико-технического института разработали специально для партизан и диверсионных групп, забрасываемых в тыл противника, термоэлектрогенератор ТГ-1, известный под названием «партизанский котелок».
Работами по его созданию руководил один из коллег Иоффе – Юрий Маслаковец, заинтересовавшийся термоэлектрическими явлениями в полупроводниках еще до войны.
ТГ-1 действительно был похож на котелок, наполнялся водой и устанавливался на костер.
В качестве полупроводниковых материалов использовались соединение сурьмы с цинком и константан – сплав на основе меди с добавлением никеля и марганца.
Разница температур пламени костра и воды доходила до 300° и оказывалась достаточной для возникновения в термоэлектрогенераторе тока. В результате партизаны заряжали батареи своей радиостанции. Мощность ТГ-1 достигала 10 ватт.
Выпуск генератора был налажен в марте 1943 года на НИИ 627 с опытным заводом № 1. Принцип работы этого «котелка» хорошо понятен из приведенного рисунка:
Источник: armystandard.ru
В послевоенное время работы над подобной техникой проводились в интересах народного хозяйства с целью обеспечить электропитанием труднодоступные районы и малонаселённые пункты. И были созданы несколько типов термоэлектрических генераторов разной конструкции для маломощных потребителей.
Серийно выпускались, к примеру, приборы под названием ТГК-3 и ТЭГК-2-2, оформленные в виде насадки на стекло стандартной керосиновой лампы:
Источник pbs.twimg.com
Некоторые были оформлены в виде керогазов (фитильных керосиновых горелок для приготовления пищи) модели ТГК-9, ТГК-10 и ТГУ-1. Более мощные, но без сопутствующего эффекта освещения.
Источник: tvzvezda.ru
Правда, стоит отметить, что широкого применения термоэлектрические генераторы в стране не получили, так как обладали малой мощностью. И их производство было сокращено в последующем.
В Вооруженных силах их разработку не проводили вплоть до восьмидесятых годов, когда острая нужда заставила вернуться к созданию малогабаритных источников питания.
О причинах было подробно рассказано в статье о солнечной батареи БСП-1, где объяснялось, почему были созданы эти изделия.
Получив в Академии наук СССР информацию о научных разработках в этой области, было принято решение о проведении двух НИР в разных организациях с целью выявления возможности создания подобной техники с заданными масса-габаритными характеристиками и выходной мощностью порядка 25–30 вт.
Одна НИР проводилась в Специализированном конструкторско-технологическом бюро при Черновицком госуниверситете. А другая – в Ленинградском отделении ВНИИ источников тока. В Черновицком СКТБ «Фонон» исследовалась возможность создания трех разных ТЭГ с разными параметрами для некоторых ситуаций.
В частности, первый вариант предусматривал получение зарядного тока от жилета, находящегося на человеке. И использовалась разница температур между телом и окружающей средой. Попутно он мог выполнять и функции бронежилета в определенных случаях, но не высокого уровня защиты.
Этот вариант не получил развитие, так как слишком малый перепад температур давал небольшой ток.
Второй вариант предусматривал получение напряжение 12,6 В от термического заряда или термитной шашки, которые в течение времени горения могли дать ток ТЭГ, необходимый для передачи короткого сообщения или сигнала в определенных ситуациях через КВ радиостанцию.
Третий вариант предусматривал создание ТЭГ для длительной работы, по типу того, что использовалось в годы войны.
К сожалению, в этой организации дальше НИР дело не пошло. Так как возможности СКТБ «Фонон» не позволяли организовать что-то серьезное даже на уровне малой серии. Поэтому дальнейшее сотрудничество было прекращено. Несмотря на то, что работы была выполнена в полном объёме, и комиссия её приняла, от проведения ОКР в этой организации отказались.
Сувенир
Более серьёзную научную работу под шифром «Сувенир» провели в Ленинградском отделении ВНИИИТ, которым в то время руководил Е.К. Иорданишвили, доктор технических наук, заслуженный деятель науки России, академик и вице-президент Международной термоэлектрической Академии, ученик академика А.Ф. Иоффе.
Исполнителям было предложено на выбор разработать несколько вариантов ТЭГ, которые имели разные виды охлаждения и разные типы горелок, для повышения КПД всего изделия. Но со стороны службы эксплуатации было выставлено жесткое требование к ОКР – в изделии не должна использоваться жидкость для испарения. Нельзя было использовать вентиляторное охлаждение. А также исключалось применение любых каталитических горелок или еще каких-то решений, поднимающих цену изделия и снижающих его надежность.
Поэтому в конечном варианте разработчиками было предложено использовать обычный примус «Шмель 2» как нагревательный элемент.
Ичточник: littlehobby.livejournal.com
Со специально разработанной аппаратурой, приблизительный эскиз которой представлен на рисунке.
Изделие «Сувенир», где 1- электронный блок, 2 - радиатор воздушного охлаждения, 3 - термоэлектрические преобразователи.
Выходная мощность разработанного ТЭГ «Сувенир» давала требуемые параметры. А сама конструкция отвечала требованиям ГОСТа по группе 1.14. Иными словами, допускала десантирование в ГК-30 и предусматривала температурный диапазон эксплуатации от –50 до +50 °С.
Емкости бензинового «Шмеля» хватало на 5–6 часов непрерывной работы, что вполне хватало для полной зарядки аккумулятора 10НКП-6c «Пояс» в полевых условиях. Не говоря о том, что одновременно с этим могла готовиться пища в любом котелке, кастрюле или на сковородке, которые ставились сверху самого изделия.
Общий вес всего изделия в сборе был около 5 кг, что не выходило из пределов требований заказчика по масса-габаритным ограничениям.
Для того чтобы окончательно определиться с выбором портативного источника тока, было принято решение отправить в одну из бригад СпН изготовленные на заводе опытные образцы ТЭГ «Сувенир» для войсковых испытаний.
Через полгода был получен отчет о проведенных испытаниях, которые подтвердили все характеристики этих изделий. Но, к сожалению, было указано, что использовать их в разведгруппах нецелесообразно. Потому что проще и удобнее брать еще один заряженный «Пояс».
Возможно, если бы это изделие отправили в 40 Армию (Афганистан), то заключение было бы другим. Но такие испытания запрещалось проводить за рубежами нашей страны. Поэтому ограничились заключением, утвержденным должностным лицом бригады СпН.
На основании этого заключения на совместном совещании заказчика и исполнителей было принято решение в серию изделие не запускать. А документацию сохранить в архивах ГРУ ГШ и Минэлектротехпрома для возможного возобновления выпуска этих изделий в военное время или еще в каких-либо критических ситуациях.
Вспомнить об этом изделии меня заставила информация в сети, где была размещена реклама современного ТЭГ, производимого в Перми и имеющего следующие характеристики:
«Генератор термоэлектрический универсальный B25-12.
Преобразует тепловую энергию в электрическую.
Средний срок службы – не менее 10 лет.
Выходное напряжение – 12 В. Выходная мощность – не менее 25 Вт. Температура установочной поверхности – не более 400 °C.
Габариты, мм: 252х252х170. Вес – не более 8,5 кг.
Продавец ООО Системы СТК Пермь».
Ссылка Преобразует тепловую энергию в электрическую.
Средний срок службы – не менее 10 лет.
Выходное напряжение – 12 В. Выходная мощность – не менее 25 Вт. Температура установочной поверхности – не более 400 °C.
Габариты, мм: 252х252х170. Вес – не более 8,5 кг.
Продавец ООО Системы СТК Пермь».
Невольно сравнивая то, что было разработано 35 лет назад для нужд ГРУ ГШ, приходишь к выводу, что современный ТЭГ уступает по весу изделию «Сувенир». И, мало того, наличие двух кулеров резко снижает надежность работы в полевых условиях. Не говоря о том, что проблематично на таком изделии готовить пищу.
Так получилось, что изделие «Сувенир» обогнало на много лет вперед нынешние разработки в этом сегменте ТЭГ, что, конечно, вызывает уважение к работе тех, кто его создавал.
Итог
В заключении хотелось бы отметить, что в восьмидесятые годы ничего аналогичного изделию «Сувенир» в мире не было создано. А ближайший портативный ТЭГ, производимый в Японии, весил около 18 кг, предназначался для помещений и питался от сжиженного газа.
Более мощные установки выпускались. Но они исключали их мобильное применение небольшими группами военнослужащих. И поэтому на вооружении армии не состояли.
В настоящее время в связи с освоением районов Крайнего Севера и размещением там наших частей, возможно, к идеи обеспечения портативными ТЭГ вернутся вновь. Но на новом уровне.
И тогда опыт разработки изделия «Сувенир» будет востребован.
К этому подталкивают и некоторые миротворческие миссии наших вооруженных сил, когда на небольших наблюдательных постах используют мощные генераторы электрической энергии, требующие большого расхода топлива для двигателя внутреннего сгорания. Это затратно и иногда связано с невозможностью своевременного подвоза больших объемов топлива из-за погодных условий, особенно в горах или в отдаленных районах.
Надеюсь, что эта статья откроет еще одну малоизвестную страницу советских военных разработок. И подскажет кому-то, как можно решить проблему обеспечения электроэнергией небольших по мощности потребителей, если возникнет такая необходимость.
Думаю, это поможет нашим Вооруженным силам и нашему народу не только сейчас, но и в будущем.
Потому что идея использования ТЭГ до сих пор актуальна для некоторых ситуаций в труднодоступных районах или в аварийных случаях.
Информация