Техника-молодежи №4 2000 г
 
 
ГЛАВНАЯ
СОДЕРЖАНИЕ
ВПЕРЕД
НАЗАД

ЛАЗЕРНАЯ ЛУНА

ЗАДАЧА

Мировой опыт показывает, что число жертв и общий ущерб крупномасштабных техногенных и природных катастроф, происходящих в ночное время, можно значительно уменьшить, если место события сразу же, в первые минуты после происшествия, будет освещено. При этом принципиально важна не интенсивность освещения (которая может быть и довольно низкой), а именно его оперативность. Применяемые методы аварийного ночного освещения уже сегодня не соответствуют масштабности проблемы, а ведь в наступающем веке прогнозируется увеличение числа техногенных (а также природных, но инициированных техногенными факторами) катастроф. Нужно что-то более радикальное - глобальное и постоянно готовое к работе.

Этим требованиям лучше всего удовлетворяет система освещения из космоса - с автоматических космических аппаратов (КА). В ней принципиально возможно использовать собственно свет Солнца или лазеры. Идея плоских зеркал, размещаемых на околоземных орбитах для базового ночного освещения с помощью отраженного солнечного света, была высказана еще в начале века, а в 1975 г. была теоретически хорошо обоснована К.Эрике (США).

Более серьезная проектно-конструкторская проработка в 1990-х гг. проводилась в РКК «Энергия» - применительно к освещению наземных высокоширотных объектов (горных разработок и буровых) в течение всей полярной ночи. По одному из вариантов такая система включала до 60 6-тонных спутников на круговой, солнечно-синхронной орбите высотой примерно 1700 км с наклонением 130". Управляемое 200-метровое зеркало каждого КА отражает солнечный свет, направляя его на наземный объект. Плоская поверхность зеркала, выполненного из тонкой полимерной металлизированной пленки, формируется под действием центробежных сил, при закрутке КА вокруг продольной оси. Для устранения сильного гироскопического эффекта, затрудняющего наведение отраженного луча, используется оппозитный малоразмерный высокооборотный маховик. В подтверждение реализуемости схемы в РКК «Энергия» было проведено два летных эксперимента с модельным зеркалом диаметром 20 м («Знамя-2» и «Знамя-2,5»). Однако при работе на относительно низких орбитах численность системы с зеркалами крайне избыточна, т.к. в каждый момент времени активными являются не более 10-15 КА, а остальные 80% - «холостые». Далее, даже когда орбиты сравнительно низкие, при характерных дальностях отраженного луча около 2 тыс. км, размеры светового пятна на земной поверхности оказываются значительными (15-20 км), что предопределено сильной естественной расходимостью солнечного излучения (30 угл. мин), вызванной «неточечностью» Солнца. И потому для получения даже умеренной освещенности (порядка нескольких Лк) требуется значительная мощность отраженного луча (на уровне сотен МВт). В конечном счете, зеркала больших размеров и, соответственно, массы. Впрочем, для ночного освещений крупной горной выработки или мегаполиса с характерными размерами в десятки километров такая схема имеет смысл.

Однако к аварийному освещению предъявляются несколько иные требования, в первую очередь - существенно меньшие (порядка километра) размеры светового пятна. Тогда возможно существенное уменьшение мощности луча и сокращение количества спутников (не десятки, а единицы). Каждый КА постоянно обслуживает только «свою» зону (т.е. должен быть стационарным относительно поверхности вращающейся Земли). Однако очевидно, что при этом дальность луча существенно (более чем на порядок), возрастет, а угловая расходимость луча, с учетом одновременного уменьшения диаметра освещаемой зоны (также более чем на порядок) должна резко снизиться и стать в несколько сот раз меньше, чем у солнечного излучения.

ЛАЗЕРНЫЙ ПРОЖЕКТОР

Это требование может быть реализовано только при применении монохроматического когерентного источника света - лазера с дополнительной крупногабаритной внешней фокусирующей оптической системой (ФОС). Наиболее предпочтительно освещение излучением в видимом человеческим глазом диапазоне длин волн (0,4-0,7 мкм). Это облегчит работу спасателей, исключив необходимость применения тяжелых нашлемных ИК-приборов ночного видения. В случае, если применяются УФ- или ИК-лазеры (в их создании достигнуты наибольшие успехи), должна использоваться дополнительная система преобразования излучения (удвоения частоты или удвоения длины волны). Сегодня большая часть населения Земли и уже созданная технологическая (а значит, - потенциально аварийная) инфраструктура размещены главным образом в средних и низких широтах. Кстати, там же происходит большинство природных катастроф - землетрясения, извержения вулканов, тайфуны и т.п. Но в последние годы бурно развивается техносфера и в высоких широтах (по крайней мере, в Северном полушарии). Особенно это связано с освоением приполярных месторождений углеводородного топлива. В высоких широтах проблема аварийного освещения обостряется наличием полярной ночи - длительного, многомесячного темного периода.

КОСМИЧЕСКАЯ ГРУППИРОВКА

Предлагаемая ниже система аварийного ночного освещения состоит всего из 4 КА - трех однотипных на геостационарной экваториальной орбите (ГСО) и одного, существенно отличающегося от них по схеме, типу и режиму работы лазера, расположенного на большой высоте над Северным полюсом (назовем его надполюсным КА - НКА, рис. 1-3). Геостационарные КА по определению не требуют маршевой двигательной установки, а следовательно, и мощного электропитания (небольшие затраты электроэнергии потребуются лишь для ЭРД-коррекции положения КА, а также для питания служебных бортовых систем). На ниx наиболее простым техническим исполнением источника освещения будет применение непрерывного лазера с прямой солнечной накачкой. Лазеры этого типа дают ИК-излучение.
1. Надполюсный космический аппарат: 1- солнечные батареи; 2- лазер; 3- радиаторы; 4- ФОС; 5- гиродины; 6- электроракетные двигатели "висения"
НКА движется вокруг Солнца, парллельно Земле по некеплеровской орбите.
Структура космической группировки систем аварийного лазерного освещения: 1- надполюсный аппарат; 2- геостационарный космический аппарат; 3- зоны освещаемые (а) НКА, (б) ГКА и (в) совместно

Геостационарные КА, расположенные над экватором через 120°. по долготе, обслуживают широкий наземный пояс в между 62° северной и южной широты. Хотя теоретически зона прямой видимости с геостационарного КА шире (до 82°), практически это нереализуемо, поскольку на этих широтах луч будет параллелен местному горизонту. При принятом ограничении широты реализуется достаточно приемлемое соотношение длины тени к высоте объекта (примерно 4) на границе зоны обслуживания. Надполюсный КА размещается в точке над Северным полюсом, в 2 млн км от поверхности Земли, и движется по круговой околосолнечной орбите, с радиусом и периодом обращения, соответствующими земным (150 млн км и 1 год, соответственно), точнее - траектории, не являющейся кеплеровской (центр орбиты не совпадает с гравитационным центром - Солнцем). Для уравновешивания возникающей при этом вертикальной (см. рисунок на центральном развороте) составляющей силы солнечного притяжения, а также притяжения Земли, требуется приложение к НКА непрерывной тяги, направленной вверх. Таким образом, аппарат находится над Землей в режиме «висения».

Несмотря на малую величину требуемого реактивного ускорения (около 0,2% д), суммарные энергозатраты на поддержание НКА в течение длительного времени будут значительными. При продолжительности функционирования 10 лет (а меньше сегодня «неприлично») энергозатраты (т.н. «характеристическая скорость») составят более 60 км/с; это например, почти вдвое больше, чем нужно для полета к Марсу. Надполюсный КА обслуживает практически половину всей поверхности Северного полушария (севернее 15") при выполнении того же условия, что и для спутников на ГСО - наклон луча к горизонту на южной границе зоны не менее 15°.

Таким образом, важнейшее требование к системе аварийного освещения - непрерывное наблюдение за всей земной поверхностью - выполняется гарантированно и с запасом (за исключением южной полярной шапки). На широтах от 90 до 62° с.ш. работает НКА, на широтах от 62 до 15° с.ш. - все 4 аппарата: НКА и геостационарные, в диапазоне от 15" с.ш. до 62". ю.ш. работают только геостационарные КА. В каждой точке пояса широт от 15 до 62° с.ш. (наиболее важного, с точки зрения распределения населения и катастроф) в каждый момент времени работают всегда 2 аппарата, что дает дополнительную гарантию надежности. 10 ЛЕТ НА МАЛОЙ ТЯГЕ. Учитывая нетрадиционность схемы и размещения НКА, более подробно рассмотрим его параметры. Надполюсный КА (НКА) состоит из эксимерного лазера с электрической накачкой, преобразователя длины волны УФ-излучения в видимый свет, внешней крупногабаритной ФОС, сужающей луч до нужной расходимости, электроракетных двигателей (ЭРД), обеспечивающих непрерывное «висение», запаса рабочего тела ЭРД (аргона) и солнечных батарей (СБ), обеспечивающих питание как ЭРД, так и лазера. Количественные оценки по основным элементам НКА сделаны в предположении, что дальность луча - 2 млн км, а диаметр освещаемого пятна - 1 км. Начальная масса НКА в точке висения - 2,5 т. Важнейшие элементы НКА - лазер, ФОС и энергодвигательный комплекс (СБ, ЭРД и рабочее тело).

Для получения лазера с умеренными параметрами по средней мощности (а значит, и по массе солнечных батарей) целесообразен импульснопериодический режим освещения. В нем эффективно сочетаются оба уникальных свойства человеческого глаза как оптического прибора - исключительно высокая чувствительность единичного элемента глазной сетчатки (четко фиксирующего единичный квант света) и способность глаза сохранять (запоминать) изображение в течение примерно 0,1 с (на этом основана работа кино и телевидения). При длине волны падающего излучения 0,5 мкм (зеленый свет) энергия кванта составляет 4-10 19 Дж. Эксимерный лазер на KrF, генерирующий УФ-излучение с длиной волны 0,248 мкм, выполнен по замкнутой схеме и работает в импульсно-перио-дическом режиме с энергией единичного импульса в свету 50 Дж, при длительности импульса 1 мкс и частоте следования импульсов 20 Гц. Это соответствует средней мощности излучения примерно 1 кВт в свету. С учетом КПД накачки 5% и КПД преобразователя излучения (удвоителя длины волны) 30%-ная мощность солнечных батарей лазера составит 60 кВт.

Диаметр главного зеркала двухзеркальной кассегреновской ФОС с учетом двукратного запаса на неидеальность исходного лазерного пучка по расходимости - 5м, диаметр малого центрального зеркала - 1м. При удельной массе главного зеркала, выполненного, например, по фацетной схеме с использованием композитных материалов, 30 кг/м2 (для проектирующегося солнечного концентратора газотурбинной установки - примерно 10 кг/м2, стеклянного моноблочного зеркала космического телескопа «Хаббл» - 200 кг/м2), масса ФОС составит 600 кг. Мощность электроракетного двигателя (скорее всего ионного, работающего на аргоне) определяется из условия длительности непрерывного висения 10 лет и массы всего НКА 2,5 т в 75 кВт. ЭРД выполнен по пятимодульной схеме с ресурсом каждого модуля 2 года. Суммарная масса модулей - 200 кг. Тяга ЭРД - 50 г, что обеспечивает при массе НКА 2,5 т необходимую для режима висения тяговооруженность 0,00002. Удельный импульс тяги ЭРД - 22000 с, что соответствует скорости истечения струи 220 км/с. Запас рабочего тела 600 кг учитывает КПД ЭРД 70% и гарантирует время «висения» примерно 10 лет.

В процессе 10-летнего дежурства НКА лазер не работает. При этом нормаль к плоскости солнечных батарей ориентирована на Солнце. Солнечная батарея использует примерно 60% своей мощности для непрерывной работы ЭРД. За год НКА вместе с СБ совершают полный оборот вокруг собственной вертикальной оси, что отрабатывается силовыми гироскопами - гиродинами. В дежурном режиме ось ФОС лазера направлена по оси вращения Земли. После получения информации о координатах катастрофы включается лазер, а ФОС с помощью гиродинов разворачивается для грубого наведения луча, имеющего расходимость
0,1", на 20' в случае обслуживания низкоширотных потребителей. Прецизионное наведение луча (с точностью до 0,01") осуществляется с помощью сегнетоэлектрических силовых элементов, корректирующих положение легкого малого (центрального) зеркала ФОС при линейных перемещениях до 0,02 мкм.

ПОЧТИ ТРАДИЦИОННО

Вернемся к геостационарному КА, он существенно проще. При непрерывном режиме работы с освещенностью 3 Лк, что рекомендовано нормами для горных работ в открытых карьерах, требуемая мощность в свету 40 кВт. Это требует мощности солнечной накачки (при прогнозируемом КПД лазера 10% ) 400 кВт. Такая мощность обеспечивается солнечным концентратором диаметром 20 м с массой 3,2 т (при удельной массе конструкции зеркала 10 кг/м2) и общем коэффициенте полезного действия (с учетом потерь на отражение и потерь в приемнике) 90%. В состав КА входят: собственно непрерывный ИК-лазер на иттриевом гранате с прямой солнечной накачкой, генерирующий излучение с длиной волны 1,06 мкм; солнечный концентратор; холодильник-излучатель для сброса почти 90% тепла с лазерного рабочего тела; насосы прокачки охлаждающей жидкости; гиродины; системы управления и связи; СБ мощностью 5 кВт; а также ФОС. Общая масса геостационарного КА - 5 т, из которых более 60% приходится на солнечный концентратор.

Для обеспечения быстрого включения лазера, так же, как и в НКА, не работающего в режиме дежурства, гиродины непрерывно обеспечивают наведение оси солнечного концентратора на Солнце с точностью до 0,5°. После включения рабочего режима ось его наводится на освещаемое место. Максимальное отклонение оси лазера от направления на подспутниковую точку примерно 7°. Из-за значительно меньшей дальности (менее 40000 км) при том же размере освещаемого пятна, что и в НКА, расходимость луча будет почти в 5 раз больше, а диаметр основного зеркала - в 5 раз меньше (1 м). Вследствие существенного изменения углового положения КА относительно линии Солнце-Земля в пределах суток, должна быть предусмотрена система отклонения луча, выходящего из ФОС на большие углы по отношению к оси солнечного концентратора (этот аспект требует специального рассмотрения, и здесь опущен).

ШАГ ЗА ШАГОМ

Техническая реализация предлагаемой системы космического аварийного освещения базируется на значительном заделе по основным элементам. Так, уже освоено производство пленочных кремниевых СБ на стальной подложке толщиной 50 мкм при КПД до 10%. В эксимерных лазерах для программы инерционного управляемого термоядерного синтеза достигнута (в единичных импульсах) энергия свыше 10 кДж в свету при КПД накачки до 10%. В импульсно-периодических режимах освоена частота следования импульсов свыше 100 Гц. Уже эксплуатируются штатные бортовые самолетные системы лазерного целеуказания и наведения, а также лазерные системы наведения противотанковых PC. Точность наведения оси космического телескопа «Хаббл» в режиме слежения за звездой доведена до 0,01 угловой секунды. Имеются стендовые эксперименты по инфракрасному твердотельному лазеру с прямой солнечной накачкой и длиной волны 1,06 мкм (пригодного для описанного спутника на ГСО). Параболическое зеркало этого лазера имеет диаметр 10 м. По программе СОИ в США создано параболическое зеркало диаметром 4 м с управляемыми фацетами для ФОС химического лазера мощностью 2 МВт в свету. Имеется также существенный задел по ЭРД. Выведение обоих типов КА с низких орбит в точки стояния требует умеренных энергозатрат и возможно на уже существующих ракетах-носителях.

Естественно, существуют и нерешенные проблемы: обеспечение длительного ресурса лазера и ЭРД, уточнение потерь излучения при прохождении облачности, а также ряд проблем целеуказания и наведения, которые, однако, явно не являются непреодолимыми. Количественная оценка эффективности предлагаемой системы здесь не делалась. Однако априори она представляется достаточно высокой, даже если учитывать только снижение ущерба от всех «обслуженных» ночных катастроф, количество которых за означенные 10 лет будет, безусловно, значительным. Кроме того, следует учитывать также заведомое снижение числа жертв, что крайне важно, но трудно поддается экономической оценке.

Наконец, опыт создания лазерной системы на такую большую дальность (2 млн км), что почти в пять раз превышает расстояние до Луны, безусловно, может быть использован в будущих перспективных системах экологически чистого энергоснабжения Земли с лунных энергостанций (см. «ТМ»№9 за 1999г). И последнее. Более близким этапом может стать снабжение по лазерному лучу одного КА с другого, а в более далекой перспективе - использование лазера наземного базирования при мощностях в сотни мегаватт для экономичного выведения на низкую околоземную орбиту спутников, а возможно, и пилотируемых КА.

Юрий ЕСЬКОВ,
инженер
,


на предыдущую страницу к началу этой страницына следующую страницу