Научно-техническое обоснование

Научно-техническое обоснование

1 Сущность исследуемой проблемы

Технология беспроводной передачи электрической энергии (БПЭЭ) между космическими аппаратами открывает широкие перспективы дистанционного энергоснабжения множества потребителей в космосе от мощных энергетических станций (ЭС) на базе солнечных либо ядерных энергоустановок: автономных технологических модулей, объектов околоземной инфраструктуры, включая перспективные орбитальные пилотируемые комплексы, межорбитальных буксиров и т. д.

Перспектива практической реализации дистанционного энергоснабжения космических объектов посредством БПЭЭ во многом зависит от результатов летных экспериментов в космических условиях. Можно полагать, что принципиально неразрешимых инженерных проблем на этом пути нет, о чем свидетельствует богатый опыт использования СВЧ и лазерного излучения в условиях реальных космических полетов. Однако пока все задачи, основанные на использовании СВЧ и лазерного излучения в космосе, ограничивались областью передачи и приема информации и не требовали для своего решения ни относительно больших величин передаваемой мощности, ни высоких значений эффективности ее передачи. С этой точки зрения концепция централизованного энергоснабжения в космосе на базе беспроводных способов передачи энергии отличается от упомянутых выше информационных задач и, следовательно, предъявляет более жесткие требования к параметрам как отдельных подсистем, так и системы в целом.

В настоящее время объем экспериментальных данных в области беспроводной передачи энергии и, особенно, в космических условиях крайне мал, что препятствует переходу от расчетно-теоретических исследований к проектным работам по созданию экспериментальных космических систем на основе принципиально новой энергетической концепции.

В предлагаемом космическом эксперименте планируется проведение комплексных исследований рабочих характеристик лазерной передачи энергии между двумя космическими аппаратами.

Предлагается разместить передающую аппаратуру (блок лазерного излучателя с лазерной головкой и системами управления и питания, отвода тепла, формирования пучка и наведения) на борту РС МКС, а приемник излучения – на борту ТГК «Прогресс» и/или ATV, находящегося в автономном полете.

Представляется целесообразным проведение космического эксперимента в 5 этапов. На первом этапе исследуется относительное движение МКС (точки размещения излучающей системы) и ТГК «Прогресс» (точки размещения приемника) в интересах отработки системы наведения. На данном этапе не требуется использования специализированной лазерной системы и фотоэлектрического приемника-преобразователя.

Второй этап должен быть посвящен квалификации лазерных диодов большой единичной мощности, созданных специально для космических применений, в реальных условиях, на борту РС МКС, а также испытаниям элементов системы формирования и наведения пучка лазерного излучения.

Целью экспериментов третьего и четвертого этапов является демонстрация эффекта передачи электрической энергии в космосе с помощью сфокусированного электромагнитного излучения в ИК - диапазоне частот при использовании относительно невысокого уровня передаваемой электрической мощности (в пределах 100 – 300 Вт) при штатных величинах удельной электрической мощности на приемнике-преобразователе энергии (порядка Вт/м2) и относительно небольших расстояниях (до 1,5 км). Результаты, полученные в ходе проведения этих этапов космического эксперимента, позволят уточнить схему и параметры проведения эксперимента на пятом этапе. На пятом этапе проводится эксперимент при штатной величине передаваемой электрической мощности (до 1кВт), характерной для первых стадий практического использования технологии БПЭЭ, включая энергообеспечение автономных технологических модулей. Определяются основные рабочие характеристики системы при увеличении дальности до 5 км.

2 Краткая история и состояние исследований в настоящее время

Первые идеи об использовании беспроводной передачи энергии в космическом пространстве высказывались в начале ХХ столетия (передача солнечного излучения зеркалами с орбиты на Землю [1]) и (подвод энергии к космическому летательному аппарату сфокусированным электромагнитным излучением [2]). В 1948 г. обосновал способ передачи энергии на борт летательных аппаратов с помощью сфокусированного пучка СВЧ излучения [4].

Новый импульс проблема использования сфокусированных пучков электромагнитного излучения для решения различных энергетических задач как в космосе, так и на Земле получила в конце 1960-х гг. после опубликования П. Глэзером работы с описанием проекта сооружения космической электростанции [5].

Возможность использования беспроводной передачи энергии для энергоснабжения свободно летающих спутников с борта орбитальной станции рассматривалась в NASA, в начале 1970-х гг., когда обсуждались планы создания орбитальной станции [6-8]. Позднее к этой концепции возвратились в 90-е годы в связи с проектом международной космической станции (МКС). Эта идея прорабатывалась в ESA [9] и NASA [10]. В марте 1999 г. в CNES (Франция) была проведена Международная стратегическая обзорная встреча специалистов Канады, США, Франции, Японии по ключевым проблемам космической солнечной энергии и ее беспроводной передаче [11].

В настоящее время уровень понимания обсуждаемой проблемы в целом и технический уровень разработок отдельных подсистем достаточно высоки для практической реализации проектов систем БПЭЭ в ближайшем будущем при относительно небольших финансовых затратах.

Интерес к проектам беспроводной передачи энергии достаточно высок, о чем свидетельствуют энергетическая Программа ЮНЕСКО на г. г., программы неправительственной образовательной организации под эгидой ООН SUNSAT Counsel, космических агентств США, Франции и Японии.

Перспектива использования беспроводной энергетики в космосе заключается, прежде всего, в возможности передачи энергии от одного космического аппарата к другому или к группировке космических аппаратов. Значительным преимуществом данного варианта является экологическая безопасность использования беспроводной передачи энергии – отсутствие проблемы обеспечения безопасного взаимодействия электромагнитного излучения с биосферой и атмосферой Земли, включая ее ионосферу.

Использование беспроводной передачи энергии позволяет обеспечить централизованное энергоснабжение в космосе, основанное на использовании одной или нескольких мощных энергетических станций для более эффективного и гибкого энергоснабжения космических аппаратов в сравнении с существующими автономными бортовыми энергетическими установками. При этом может быть увеличена энерговооруженность космического аппарата, обеспечена стабильность уровня энергопотребления, а также возможность глубокого регулирования циклограммы энергопотребления при существенном снижении габаритов и массы космического аппарата.

В Японии разрабатывается проект комбинированной передачи энергии с геостационарной орбиты на поверхность Земли с использованием отражателя солнечного света с ГСО на низкую орбиту, где в качестве приемника солнечной энергии располагается так называемый «сэндвич», т. е. совмещенные солнечные батареи и полупроводниковые СВЧ преобразователи энергии с частотой 2,45 ГГц. За счет такой схемы решается проблема транспортировки энергии с ГСО на Землю при относительно небольшой расходимости СВЧ луча.

Также в Японии разработан проект SPS 2000, в рамках которого предполагается запуск на круговую орбиту в экваториальной плоскости Земли на высоту 1100 км космической электростанции мощностью 0,7 МВт. Планируется нарастить мощность экспериментальной солнечной орбитальной электростанции за 16 запусков до величины 10 МВт [12].

Динамика исследований в США в области создания солнечных орбитальных электростанций с 1970 гг. по настоящее время отражена в Report to the Director, National Security Space Office Interim Assessment (10 October 2007).

К настоящему времени известно достаточно ограниченное количество экспериментальных работ в области беспроводной энергетики, причем в основном в области СВЧ энергетики.

Известны успешные эксперименты по передаче энергии с помощью сфокусированного пучка СВЧ излучения на частотах 2,4 – 2,5 ГГц на Земле и в космосе, проведенные в США и Японии. Выбор указанного диапазона частот обусловлен наличием мощных и высокоэффективных СВЧ излучателей этого диапазона частот.

Первые эксперименты носили модельный характер. В частности, известны эксперименты по снабжению энергией моделей вертолетов и самолетов по СВЧ лучу на частоте 2,45 ГГц. Мощность, передаваемая по СВЧ лучу, была порядка 20 Вт, дистанция передачи энергии в этих экспериментах масштаба десятков метров [12].

В 1975 г. Dichinson R. M. осуществил передачу 30 кВт на расстояние 1,6 км с помощью СВЧ излучения на частоте 2,388 ГГц [2.12].

В 1983 г. в Японии был проведен космический эксперимент Microwave Ionosphere Nonlinear Interaction Experiment (MINIX) по передаче 800 Вт по СВЧ лучу на частоте 2,45 ГГц с баллистической ракеты, находящейся на высоте 250 км, на приемную антенну, расположенную на отделяемой головной части ракеты [13]. В 1993 г. В Японии был проведен второй космический эксперимент по передаче энергии в космосе по СВЧ лучу International Space Year Microwave Energy Transmission in Space (ISY-METS) [13].

Известно, что в начале 2000 годов в Японии планировался эксперимент по передаче энергии в Тихом океане между двумя островами по СВЧ лучу на частоте порядка 35-37 ГГц.

Во Франции на острове Reunion создается первая наземная промышленная установка по беспроводной передаче энергии в СВЧ диапазоне (проект Grand Bassin [14]).

Известные эксперименты по передаче энергии с помощью сфокусированного лазерного излучения в основном носят лабораторный характер и отличаются небольшой передаваемой мощностью (в пределах десятков Вт) и относительно небольшим расстоянием передачи энергии (от десятков до сотен метров).

Наибольший интерес представляет инициатива компании Astrium по разработке геостационарной космической электростанции, в рамках которой планируется проведение эксперимента по передаче электроэнергии на наземный приемник по лазерному каналу с геостационарного КА, оснащенного солнечными батареями мощностью около 15 кВт. До настоящего времени исследовательская группа Astrium проводила демонстрационные эксперименты с лазером Nd:YaG оптической мощностью около 5 Вт по передаче энергии на расстояние до нескольких десятков метров на подвижную мишень (модель ровера).

3 Обоснование необходимости проведения КЭ в условиях космического пространства

Целесообразность использования систем БПЭЭ в составе различных космических комплексов будет определяться, в первую очередь, значениями таких характеристик как полный КПД тракта БПЭЭ, угол расходимости пучка излучения, точность наведения на приемник, удельная масса и габариты оборудования, ресурс, а также совместимостью с другими системами КА. Соответственно, переход от расчетно-теоретических работ и модельных наземных экспериментов к проектированию штатных систем БПЭЭ в составе КА различного назначения невозможен до тех пор, пока не будут подтверждены заявленные значения характеристик основных элементов и системы БПЭЭ в целом в реальных условиях эксплуатации.

Другой особенностью при отработке передачи энергии в лазерном канале на расстояния до нескольких километров и более является влияние атмосферы: поглощение и рассеяние, в том числе на аэрозолях, и рефракция на неоднородностях, обусловленных конвекцией в приземном слое. Как показали наземные эксперименты, энергетические потери в пучке за счет поглощения и рассеяния становятся заметными уже при толщине воздушного слоя в несколько сотен метров. Следовательно, корректные данные о характеристиках тракта БПЭЭ в штатных условиях работы не могут быть получены в наземных экспериментах.

Таким образом, созданию штатных систем БПЭЭ должны предшествовать, помимо наземных экспериментов по отработке отдельных элементов, демонстрационные космические эксперименты, целью которых является подтверждение основных характеристик системы в целом в условиях космического полета.

4 Краткое описание КЭ

На первом этапе КЭ используется фотоспектральная система космического эксперимента «Ураган». Цель эксперимента состоит в измерении относительного положения ТГК «Прогресс» и РС МКС для формирования требований к системе наведения пучка лазерного излучения на следующих этапах КЭ.

Эксперимент проводится следующим образом. После расстыковки «Прогресса» с МКС и его отхода на расстояние, определяемое требованиями безопасности, ТГК переходит в режим ориентации, необходимый для проведения КЭ. Далее космонавтами с помощью камеры КЭ «Ураган» осуществляется съемка корабля на фоне координатного шаблона в течение длительного времени с целью фиксации перемещений ТГК.

На втором этапе должна быть проведена серия экспериментов по измерению характеристик излучения лазерных диодов (ЛД) большой мощности (не менее 20 Вт), специально созданных для космических применений. Должно быть изучено поведение параметров (КПД, диаграмма направленности, модовая структрура и т. п.) во времени с целью подтверждения ресурсных характеристик. Работы должны проводиться на борту РС МКС, без передачи энергии на КА вне станции. Излучение ЛД должно вводиться в специальный блок системы контроля и анализа (СКА). Этот блок должен включать в свой состав измерительное оборудование, в том числе сменные фотоэлектрические преобразователи и фотодиоды.

На данном этапе должны также отрабатываться элементы системы наведения пучка излучения.

На третьем и четвертом этапах проводятся эксперименты собственно по передаче энергии с борта РС МКС на ТГК «Прогресс» (или ATV) по лазерному каналу.

Оборудование на РС МКС включает:

- монтируемый на иллюминаторе кронштейн, на котором устанавливается система формирования пучка излучения и наведения, к ней посредством оптоволоконного оптического интерфейса подключается блок излучателей (лазерная головка);

- блок обеспечения условий функционирования;

- блоки питания и управления.

На ТГК «Прогресс» или ATV, находящихся в автономном полете, устанавливается специализированный под монохроматическое ИК-излучение с большой плотностью энергии фотоэлектрический приемник-преобразователь (ФПП).

Экипаж РС МКС монтирует кронштейн с блоком системы формирования пучка на иллюминаторе одного из модулей РС МКС, подключает блоки питания и управления мощностью. Данные операции выполняются перед отстыковкой от РС МКС грузового корабля с приемником-преобразователем. После ухода корабля на безопасное расстояние выполняется режим ориентации, требуемый условиями эксперимента. Далее проводится сеанс эксперимента, длительностью до 10 ч (продолжительность непрерывной передачи энергии может быть меньше и определяется доступной энергетикой). Может быть также рассмотрен вариант размещения излучающего оборудования на внешней поверхности РС МКС.

В ходе эксперимента ведется запись телеметрической информации – параметров тока, генерируемого приемником-преобразователем, температуры его поверхности, тока накачки лазерных диодов излучателя и полной потребляемой им мощности и др. Обработка указанной информации позволит уточнить условия эксплуатации системы, а также определить основные ее характеристики, включая полный КПД тракта излучения.

После выполнения сеанса эксперимента оборудование, за исключением фотоэлектрического приемника-преобразователя, сохраняется на РС МКС и может быть использовано для выполнения повторных сеансов.

Возможно также проведение упрощенного варианта КЭ, в котором лазерный луч освещает не специализированный фотоэлектрический приемник-преобразователь, а штатную солнечную батарею ТГК «Прогресс», либо ATV. При этом должно фиксироваться изменение параметров тока, снимаемого с солнечных батарей.

Общий вид эксперимента и структурная схема научного оборудования для проведения экспериментов представлены на рис. 1 и рис.2.

На пятом этапе, в интересах отработки технологии БПЭЭ между двумя автоматическими КА, выполняется эксперимент по передаче электрической энергии с борта ТГК «Прогресс», находящегося в автономном полете, на другой КА (либо с внешней поверхности РС МКС в автоматическом режиме работы системы наведения на другой автоматический КА). В этом случае установка на КА, принимающего энергию, специализированного приемника лазерного излучения обязательна, поскольку мощность излучателя будет увеличена до одного киловатта при непрерывном режиме передачи в течение длительного времени. Расстояние до приемника в сеансе будет увеличено вплоть до 5 км.

Рис.1 Общая схема эксперимента по БПЭЭ между КА

Рис.2. Структурная схема научного оборудования для КЭ

5 Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями

Из обзора работ по экспериментам в области беспроводной энергетики (см., например, [5-14]) следует, что экспериментов по передаче энергии с помощью сфокусированного лазерного излучения относительно немного, и они носят лабораторный характер. Космических экспериментов, по имеющимся данным, в мире не проводилось. Известные эксперименты по лазерному зондированию поверхности Луны с целью уточнения расстояния между Землей и Луной нельзя рассматривать как энергетический эксперимент в силу незначительной средней мощности используемого лазера и отсутствия в данном эксперименте приемника-преобразователя энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию.

Таким образом, эксперимент по беспроводной передаче электрической энергии с помощью сфокусированного лазерного излучения в космическом пространстве между двумя КА будет проведен впервые в мире.

6 Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование

Проведение космического эксперимента по БПЭЭ в лазерном канале подтвердит теоретическую возможность такого способа энергоснабжения потребителей, что позволит перейти к практическому решению таких задач как, например, дистанционное энергоснабжение малых технологических модулей, автономных технологических модулей типа «ОКА-Т», а также (в более отдаленной перспективе) – централизованному энергоснабжению околоземной космической инфраструктуры от орбитальных электростанций на основе ядерных и солнечных источников энергии.

7 Обоснование технической возможности создания экспериментального оборудования с заданными характеристиками

На первом этапе КЭ не предусматривается использования оборудования, возможность создания которого нуждается в специальном обосновании.

Основные требования к системе БПЭЭ для второго этапа КЭ:

- передаваемая электрическая мощность – до 25 Вт;

- продолжительность сеанса КЭ– 4 часа.

Основные требования к системе БПЭЭ для третьего этапа КЭ:

- передаваемая электрическая мощность – 100 Вт;

- максимальное расстояние между КА– до 3000 м;

- продолжительность сеанса КЭ (полная) – до 10 ч.

Основные требования к системе БПЭЭ для четвертого этапа КЭ:

- передаваемая электрическая мощность – до 300 Вт;

- максимальное расстояние между КА– до 5000 м;

- продолжительность сеанса КЭ (полная) – до 10 ч.

Основные требования к системе БПЭЭ пятого этапа:

- передаваемая электрическая мощность – до 1 кВт;

- максимальное расстояние между КА – до 5000 м;

- продолжительность сеанса КЭ (полная) – до 5 сут.

Полная продолжительность сеанса включает в себя все этапы подготовки и проведения эксперимента, продолжительность непрерывной передачи энергии по каналу БПЭЭ может быть существенно меньше, и будет определяться возможностями энергоснабжения научной аппаратуры.

Предварительный анализ задачи показал, что для удовлетворения указанных требований подходит способ беспроводной передачи с применением передающей оптической системы по типу прожектора. В этом случае, источником ИК - излучения может быть оптоволокно, по которому излучение от набора лазерных диодов передаётся в оптическую систему.

Выходной торец оптоволокна, являющийся источником излучения, помещается в фокальную плоскость оптической системы, а оптическая система проецирует изображение источника в плоскость приёмника ИК излучения, размещённого на другом КА на заданном расстоянии.

Расчеты некоторых вариантов подобного способа передачи показывают, что без учёта оптических аберраций передающей системы, характерный поперечный размер изображения находится в пределах 0,2…0,5 м. Таким образом, размер батареи ФЭП будет находиться в этих пределах.

7.1 Возможный состав, основные параметры и схема системы

Исходя из того, что использование БПЭЭ для снабжения КА энергией предполагает источник и приёмник энергии, состав оборудования системы БПЭЭ для космического эксперимента можно разделить на две подсистемы – передачи ИК - лазерного излучения и приёма ИК- лазерного излучения. Оборудование для передачи ИК излучения состоит из:

- блока лазерных излучателей (БИ);

- блока системы формирования и наведения пучка излучения (СФИН);

- блока обеспечения условий функционирования (БОУФ);

- блока питания и управления (БПУ);

Оборудование для приёма ИК излучения состоит из:

- фотоэлектрического приемника-преобразователя (ФПП);

- блока согласования ФЭП с электрической нагрузкой;

- системы измерения параметров принятого пучка;

7.2 Элементная база, проектные параметры и возможные варианты конструкции системы БПЭЭ

7.2.1 Варианты конструкции излучателя (лазерной головки)

Излучатель системы БПЭЭ должен быть построен на основе лазерных диодов (ЛД) ближнего ИК диапазона, с длиной волны 0,8…0,83 мкм. Рабочая длина волны излучения ЛД выбрана, исходя из того, чтобы удовлетворить следующим требованиям:

- Высокий КПД преобразования электроэнергии в энергию инфракрасного излучения. Промышленно производимые ЛД в настоящее время имеют КПД не менее 50% при мощности излучения 10 и более ватт с одного диода. Экспериментально изготавливаемые образцы ЛД имеют КПД до 70% при несколько меньшей мощности (~ 2 Вт).

- Высокий КПД преобразования электроэнергии монохроматического ИК излучения в электроэнергию. В настоящее время КПД преобразования для неспециализированных ФЭП на основе GaAs составляет не менее 40%. Для ФЭП специально спроектированных и изготовленных для работы с высокой плотностью падающего излучения КПД преобразования равен ~ 50%.

Другим дополнительным фактором выбора ЛД такого типа является хорошо отработанная технология изготовления, позволяющая получить малую деградацию свойств в течение всего срока службы, и достаточно большой ресурс. В настоящее время типичное значение рабочего ресурса отдельного ЛД составляет не менее 8000 часов.

Некоторую сложность составляет вопрос удобства вывода излучения из ЛД. Из-за размеров активной области ЛД, определяемых параметрами технологического процесса, излучение имеет различную расходимость в направлениях, перпендикулярных направлению распространения излучения. Вследствие этого, пучок излучения ЛД характеризуется большой величиной астигматизма, что затрудняет дальнейшую обработку его оптической системой. Однако при применении специальных цилиндрических линз можно ввести 80…90% оптической мощности ЛД в оптоволокно.

После прохождения излучения по оптоволокну, астигматизм пропадает практически полностью, и выходная поверхность оптоволокна может быть использована как источник аналогичный равномерно освещённой, диффузно-отражающей поверхности. При этом характерные поперечные размеры такого источника составляют ~0,2 мм, угловое распределение осесимметрично, а угол расходимости излучения определяется числовой апертурой оптоволокна и составляет 16…18º.

Промышленно производимые блоки ЛД с выводом излучения в оптоволокно имеют следующие основные параметры:

- мощность оптического излучения (из оптоволокна) – до 45 Вт;

- КПД преобразования электроэнергии в оптическое излучение – не менее 50%.

Исходя из приведённых характеристик, предполагается в качестве основного конструктивного варианта источника ИК излучения использовать блок из необходимого количества ЛД с выводом излучения в оптоволокно и последующим суммированием излучения. Система теплоотвода для такого блока излучателей может быть построена на основе газового или жидкостного охлаждения. Более точно конструкция системы охлаждения должна определяться на этапе проработки конструкции.

7.2.2 Корректирующая и основная оптическая системы

В состав оптической системы входят система сложения оптической мощности и система формирования оптического пучка.

Требования к системе формирования оптического пучка:

- эквивалентное фокусное расстояние оптической системы должно обеспечить (с учётом размеров источника излучения и расстояния до приёмника) относительно небольшие размеры изображения источника (не более 0,5 м в поперечнике);

- количество оптических элементов в оптической системе определяется исходя из требования минимизации потерь оптической мощности;

- аберрации, создаваемые оптической системой, не должны существенно увеличивать поперечные размеры изображения и неравномерность освещения ФЭП;

- должна обеспечиваться возможность наведения на резкость изображения и компенсация возможного изменения расстояния между КА;

- габаритные размеры оптической системы должны обеспечивать размещение её на КА;

- масса оптических элементов и конструкции при требуемых ограничениях по прочности и жёсткости должна быть минимальна.

Для указанных параметров системы БПЭЭ в качестве системы формирования оптического пучка в настоящее время рассматриваются два типа:

- однозеркальная оптическая система со сферическим зеркалом;

- двухзеркальная оптическая система.

Однозеркальная оптическая система со сферическим зеркалом и внеосевым расположением источника ИК излучения рассматривается вследствие того, что эта система является простейшей с точки зрения изготовления, эксплуатации и минимизации потерь излучения. Вместе с тем, у такой системы имеются недостатки – повышенные аберрации, особенно в случае внеосевого источника излучения. Кроме того, числовая апертура оптоволокна, через которое освещается зеркало, равна примерно 0,23. Для полного перехвата излучения от такого источника зеркало должно иметь относительный фокус ~3:1, что для сферического зеркала заметно увеличивает аберрации. Для уменьшения расходимости пучка, выходящего из оптоволоконного источника излучения возможно использование дополнительной линзы, однако это несколько увеличивает потери в системе. Некоторое снижение требований по ограничению аберраций в оптической системе возможно за счёт того, что для освещения батареи ФЭП нет необходимости иметь точно сфокусированное и резкое изображение источника, достаточно иметь освещение всех ФЭП батареи, с плотностью мощности падающего излучения, отличающееся не более чем на ~10% в пределах всей батареи ФЭП.

Поскольку однозеркальная оптическая система может потребовать дополнительного линзового оптического элемента, возможно использование двухзеркальной оптической системы вместо зеркала и линзы в первом варианте. В такой системе можно попытаться дополнительно уменьшить аберрации и улучшить равномерность освещения батареи ФЭП за счёт использования несферических зеркал. Кроме того, двухзеркальная система даёт возможность увеличения эквивалентного фокусного расстояния системы без увеличения её продольных размеров. Однако использование несферических зеркал может усложнить изготовление и контроль оптической системы.

В настоящее время проводятся оценки свойств обоих типов оптических систем с целью выбора оптимальной для целей БПЭЭ между КА в космосе.

7.2.3 Варианты конструкции системы наведения

В настоящий момент предполагается, что система наведения будет оптико-механической – управление пучком будет осуществляться за счет поворотов в двух плоскостях одного из зеркал СФИН. Учитывая жесткие требования по точности наведения, система должна включать обратную связь с ФПП.

7.2.4 Варианты конструкции приёмника излучения

В настоящий момент принимается, что электрооборудование экспериментального фотоэлектрического приемника-преобразователя будет рассчитано на номинальное напряжение 28,0 В. С учётом вероятного КПД блока согласования ФЭП с электрической нагрузкой 90%, можно определить (с учётом некоторого запаса) величину номинального напряжения, создаваемого батареей ФЭП при полной равномерной засветке 32…36В. Исходя из передаваемой электрической мощности 100…300 Вт в третьем и четвертом этапах КЭ, ток, отдаваемый батареей ФЭП, составит 3…10 А.

В качестве основного варианта предполагается батарея, собранная из однопереходных GaAs ФЭП. Такой вариант выбран, исходя из возможности уменьшения стоимости, поскольку для монохроматического ИК излучения КПД имеющихся в производстве однопереходных GaAs ФЭП не менее 40%. В качестве дополнительных вариантов рассматривается использование ФЭП на основе кремния и GaAs ФЭП с несколькими переходами.

Применение кремниевых ФЭП возможно в целях снижения стоимости. Однако их КПД существенно ниже, чем КПД ФЭП на основе GaAs, и, в случае монохромного ИК излучения в диапазоне 0,8 мкм, составляет 20…22%. Несмотря на то, что это превышает КПД кремниевых ФЭП для солнечного излучения, их использование ухудшает эксплуатационные параметры системы БПЭЭ в целом. Целесообразность использования кремниевых ФЭП должна быть определена при более подробной проработке системы в целом.

Использование многопереходных ФЭП возможно, исходя из того, что для монохромного излучения многопереходные ФЭП могут давать несколько большее напряжение, чем однопереходные. Однако стоимость многопереходных ФЭП больше, и целесообразность их использования в системе требует дополнительного анализа.

В отличие от обычных солнечных батарей геометрия батареи ФЭП для работы в системе БПЭЭ должна учитывать ограниченность поперечного сечения пучка излучения. По предварительным оценкам, диаметр пучка излучения в плоскости батареи ФЭП составит 250…300 мм, с учётом неравномерности распределения мощности по сечению пучка, освещённость ближайших к границам пучка ФЭПов будет неравномерной. Кроме того, возможны нерегулярные смещения пучка по поверхности ФЭП, которые система наведения отработает за конечный интервал времени. Все эти явления усложняют работу батареи ФЭП и требуют обязательного учёта возможности работы при неравномерной освещённости.

Для облегчения условий работы, в первую очередь требуется построение батареи с реализацией круговой симметрии в расположении отдельных ФЭП. Кроме, того необходимо исключать из работы неосвещённые ФЭП, которые будут располагаться в основном на периферии пучка излучения. Возможно, целесообразной окажется построение коммутации отдельных ФЭП не по прямоугольной сетке, а по треугольной.

В настоящее время, некоторым идеальным способом построения батареи ФЭП, представляется возможность произвольной коммутации каждого ФЭП в зависимости от его освещённости и требований нагрузки. Вопрос оптимальной геометрии и топологии соединений в батарее ФЭП для пучка ограниченного поперечного сечения, требует отдельного дальнейшего исследования.

Необходимость специализированной системы охлаждения батареи ФЭП определяется её максимально допустимой рабочей температурой. В свою очередь температура определяется плотностью мощности излучения, падающего на батарею, КПД преобразования батареи и условиями теплоотвода.

Предварительные расчёты показывают, что для уровня передаваемой мощности 100…300 Вт возможно охлаждение батареи собственным тепловым излучением. В случае увеличения передаваемой мощности до величины более 1 кВт необходимо увеличение площади излучающей поверхности, например с помощью специальных тепловых труб.

8 Характеристики рисков и дискомфорта, связанных с воздействием на экипаж экспериментальных процедур

Блоки оборудования для КЭ будут разрабатываться и изготавливаться таким образом, чтобы работа с ними не представляла трудности и опасности для экипажа и оборудования РС МКС на всех этапах их использования – транспортировки, разгрузки, хранения и выполнения сеансов КЭ.

Блоки не будут содержать токсичные, пожароопасные и радиоактивные вещества. Лазеры, входящие в состав оборудования, будут удовлетворять всем требованиям по безопасности, обозначенным в SSP50094.

Не потребуется подключения оборудования к БИТС МКС.

Рассматривается возможность использования автономных источников питания для проведения эксперимента. В этом случае не потребуется также подключение к СЭП станции. Безопасность эксплуатации автономных источников питания будет обеспечена в соответствии с требованиями к их применению на МКС.

9 Литература

1. Пионеры ракетной техники. Кибальчич, Циолковский, Цандер, Кондратюк Избранные труды. – М.: Наука, 1961. – 671 с.

2. Циолковский мировых пространств реактивными приборами. – М.: Машиностроение, 1967. – 375 с.

3. Глушко в ракетной технике // Машиностроение, 1977. С.12-49.

4. Бабат работает // М.-Л.: Энергия, 1964. С. 575-576.

5. P. E.Glaser. Power from the Sun: its Future, Science, 162, 1968, pp. 857-866

6. P. E.Glaser. Power Without Pollution. The Journal of Microwave Power, Vol. 5, No. 4, Dec. 1970, pp. 211-222

7. , , Савин солнечных космических электростанций. УФН, том 123, выпуск 4, 1977, стр. 633-655

8. , , Лукьянов энергосистемы, М.: Машиностроение, 1990

9. PowerSat Study, Executive Study (Eurospace, Paris, France) // ESA Contract No. 9390/91/F, March 1992.

10. International Space Station Free-Flyer Workshop // University of Maryland University College (Maryland, May 14-15, 1996). Proceedings and Addendum to Proceedings.

11. International Strategic Review Meeting on Space Solar Power (SSP) and Wireless Power Transmission (WPT), CNES, Paris, 23 March 1999 // Minutes (with Appendixes 1-7).

12. Solar Power Satellites, A Space Energy System for Earth. Glaser P. E., Davidson F. P., Katinka Csigi, John Wiley & Sons, 1997, pp. 654.

13. , Ванке Института космических исследований Японии в области космической энергетики, УФН, том 164, выпуск 6, 1994, стр. 632-641.

14. Proceedings of 4th International Seminar on Wireless Power Transportation, Reunion, France, 2001.