Система дистанционного энергоснабжения

В перспективе наиболее пред почтительным, не требующим топлива и экологически чистым способом энергоснабжения представляется преобразование солнечной энергии. Сохранение среды обитания, включая околоземное космическое пространство, также должно явиться одной из важнейших целей космической деятельности. Весьма актуальны разработка и реализация ряда целевых программ, ориентированных на ослабление и ликвидацию негативных последствий антропогенного влияния на окружающую среду с помощью ракетно-космических средств и систем. К задачам таких программ следует отнести:

сохранение и восстановление озонового слоя;
удаление особо опасных отходов промышленности и энергетики в космическое пространство;
очистку околоземного космоса от осколков и фрагментов техногенного происхождения.

Для выполнения энергетических и экологических программ потребуется существенное качественное повышение технико-экономической эффективности применения средств РКТ, что будет сопряжено с необходимостью решения большого круга сложных научно-технических, технологических и организационных проблем. Согласно разрабатываемой в настоящее время концепции энергоснабжения Земли из космоса, основанной на преобразовании солнечной энергии и передаче ее на Землю в виде излучения микроволнового или оптического диапазона длин волн и предусматривающей постепенный перенос значительной части получения электроэнергии в космос, средства РКТ будут играть определяющую роль в производстве электроэнергии.

Разработка и внедрение технологии бесконтактной передачи энергии с помощью электромагнитного излучения уже длительное время входят в число наиболее актуальных проблем, определяющих перспективы развития многих отраслей народного хозяйства. Применительно к потребностям космической деятельности необходимость решения этих проблем связана с тенденцией увеличения уровней энергопотребления создаваемых КА и сроков их активного существования. Система дистанционного энергоснабжения (СДЭ) является эффективной альтернативой автономным бортовым энергоустановкам, так как позволит улучшить массогабаритные характеристики КА, уменьшить парусность объектов, снизить частоту коррекции орбиты и, как следствие, величину необходимого импульса корректирующих двигательных установок. Возможными потребителями системы дистанционного энергоснабжения могут быть:

орбитальные группировки КА различного назначения;
единичные КА с высоким уровнем энергопотребления (в перспективе и пилотируемые КА типа МКС);
планетные (лунные, марсианские) базы и самоходные роботы;
разгонные ДУ КА на участке перевода с низких на высокие рабочие орбиты и маршевые ДУ КА для исследования дальнего космоса на участке разгона в околоземном пространстве.

Кроме того, энерголуч может использоваться для восстановления озонового слоя земной атмосферы, ликвидации метеоритов и фрагментов снятых с эксплуатации КА, а также для других целей. В ЦНИИМаш проработан проектный облик универсальной (пригодной для любого типа потребителя) и многоцелевой (способной работать одновременно с несколькими потребителями) космической электростанции СДЭ. При использовании СВЧ-излучения для передачи энергии масса станции достигнет 20 т, что позволит осуществить ее выведение одним пуском перспективной тяжелой РН "Ангара". Электростанция будет иметь в развернутом положении максимальный размер по оси силовой рамы 52 м и максимальный размах крыльев солнечных батарей (СБ) 517 м. Перспективная солнечная батарея показана на рис.

Перспективная солнечная батарея

Габариты каждого из двух крыльев СБ 16x256 м. Мощность собираемого ими солнечного излучения равна 11,206 МВт, а электрическая мощность на выходе СБ при КПД 12...28 % составит 1,344...3,138 МВт. Мощность передаваемого с электростанции СВЧ-излучения при использовании современных СБ будет равна 1,1 МВт, а для перспективных 2,7 МВт. Удельная масса солнечной космической электростанции мощностью более 1 МВт, включая комбинированные пленочные солнечные батареи со сверхвысокочастотными излучателями, по оценкам специалистов,будет составлять около 5 кг/кВт.

Основные технические характеристики электростанции

Мощность СВЧ-излучения на передающей антенне, кВт	1162...2712
КПД трансформации солнечного излучения в СВЧ-излучение,%	10...20
Суммарная площадь передающей антенны, м²	10,4...24,4
Число каналов энергопередачи	1...6

Массовые характеристики электростанции приведены в табл. ниже.

Массовые характеристики основных элементов космической электростанции

Электростанция рассчитана на однократное использование и после выработки своего ресурса подлежит уводу с рабочей орбиты и ликвидации. Ее обслуживание заключается в периодической дозаправке топливными компонентами комплексной двигательной установки системы управления, ориентации и стабилизации (КДУ СУОС). Однако в случае выхода из строя в течение срока эксплуатации электростанции определенных элементов, например агрегатов системы трансформации солнечной энергии в СВЧ-излучение, или блоков передающей антенны, ремонтные операции с которыми доступны автоматическим сервисным аппаратам, они могут заменяться новыми. Замена СБ в случае их повреждения представляется нерентабельной, так как их масса составляет до 70 % от общей массы электростанции и их доставка на станцию практически равносильна выведению новой станции.

Конструктивно-компоновочная схема электростанции построена на базе контейнера полезной нагрузки РН "Протон-М" с диаметром обтекателя 5 м и высотой до 20 м. Основная идея заключается в использовании элементов конструкции контейнера в качестве несущих конструкций электростанции. Боковая обечайка используется как несущая основа передающей антенны - активной фазированной антенной решетки для СВЧ-луча. В объеме головного обтекателя размещаются КДУ СУ ОС и служебные системы электростанции.

Компоновочная схема включает в себя:

силовую раму;
систему сбора солнечной энергии;
систему преобразования и передачи электроэнергии от СБ к передающей антенне;
систему формирования и передачи энерголуча;
систему управления ориентацией и стабилизацией;
систему слежения за положением КА-потребителей и связи с ними по пилот-сигналу;
систему связи электростанции с наземными (напланетными) службами.

Расчеты, выполненные для электростанции с лазерной системой передачи, показал и, что она не может быть выведена одним пуском РН "Протон-М", так как ее минимальная общая масса (при излучаемой мощности всего в 185 кВт) практически на 30 % превышает массу полезной нагрузки носителя, причем свыше 50 % массы электростанции составляют лазерные генераторы луча, система их охлаждения и излучающая антенна.

Конструкция электростанции СДЭ может рассматриваться и как основа для создания энергетического модуля контактного снабжения перспективных энергоемких космических систем типа МКС, суммарная мощность энергосистемы которой составляет 400 кВт. Реализация такого модуля достаточно проста и дешева. Он отличается от электростанции СДЭ в основном отсутствием системы генерации СВЧ-излучения и передающей антенны и наличием системы развертывания контактного кабель-троса. Создание энергомодуля, с одной стороны, позволит более обоснованно подойти к проектированию и доводке конструкции электростанции СДЭ. С другой стороны, с его применением значительно уменьшатся парусность МКС и связанные с ней вибрационные нагрузки. Улучшатся в целом прочностные и динамические характеристики конструкции МКС. Энергомодуль и МКС - крупногабаритные, тяжелые объекты,скрепляемые между собой нежестко, образующие тросовую орбитальную сборку. Расстояние между ними определяется исходя из соображений безопасности и возможностей кабель-троса, автоматически подсоединяемого к МКС (с помощью малого сервисного КА). Учитывая, что в США разрабатывался проект энергомодуля для жесткой стыковки с Shuttle, а перспективная пилотируемая станция создается в рамках международной кооперации,такой энергомодуль может представлять интерес для всех стран-партнеров и работы по нему могут быть начаты уже в ближайшее время. В дальнейшем, по мере практической отработки конструкции электростанции и технологии лучевой передачи энергии, пилотируемые станции, в том числе и МКС, могут стать потребителями СДЭ.

Одна из проблем, непосредственно связанная с энергодвигательным обеспечением, состоит в организации больших, на порядок и более превышающих современный уровень, грузопотоков с земной поверхности на орбиты искусственных спутников Земли, а в дальнейшем - при полномасштабном развертывании системы энергоснабжения Земли из космоса - на окололунные орбиты и на поверхность Луны. Очевидно, что для решения этой проблемы также потребуется значительное повышение технико-экономической эффективности средств выведения объектов в космос, их межорбитальной транспортировки и транспортно-технического обслуживания при соблюдении условий охраны окружающей среды. Это, в свою очередь, определяет необходимость разработки высоконадежных, экономичных и экологически безопасных ракет-носителей, разгонных блоков, межорбитальных буксиров и других средств РКТ, а также соответствующих ДУ и ЭУ.