Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


Этапы и прогнозы развития

Отношение к концепции СКЭС в развитых странах мира является далеко не однозначным и периодически изменяется. В исследованиях и разработках по проблемам СКЭС, ведущихся уже более 15 лет, может быть выделено несколько этапов, для которых характерна различная степень активности и участия государственных учреждений, промышленных и научных организаций в решении вопросов, связанных с оценкой целесообразности создания GK9C и практическим развитием работ по ключевым направлениям в данной области. Рассмотрим эти этапы на примере США.

На первом этапе, который начался в 1968 г., после того как П. Глейзер сформулировал концепцию фотоэлектрической СКЭС [86], анализ и оценка основных характеристик предложенного им проекта проводились силами специалистов небольшой группы частных фирм и общее отношение к идее было весьма скептическим. Основные параметры системы (электрическая мощность на выходных шинах СБ около 8.5 ГВт, общая масса 20— 30 тыс. т., размеры 50—60 км2) представлялись совершенно нереальными, перспективы казались слишком отдаленными, а риск чрезмерно большим и неоправданным. Этот период был известен как период «концептуального шока».

Второй этап начался после энергетического кризиса 1973 г. и характеризовался заметным усилением внимания к проблеме СКЭС как со стороны правительственных органов и государственных учреждений, занимающихся вопросами космической техники и энергетики, так и со стороны большого числа частных фирм, выдвинувших ряд альтернативных проектов СКЭС.

В 1974 г. в HAGA было создано Управление по разработке энергетических программ и в нем — группа по изучению развития энергетических спутниковых систем [97]. В этом же году НАСА заключило контракты с рядом фирм для изучения потенциальных возможностей создания СКЭС и выделило в бюджете 1974 финансового года 1.2 млн. долл. на финансирование исследований в данной области. Работы по изучению отдельных аспектов концепции СКЭС выполнялись также непосредственно научно-исследовательскими центрами НАСА. В результате проведенных исследований были даны рекомендации на разработку пятилетней программы развития СКЭС

В 1976 г. Управление исследований и разработок в области энергетики (ЭРДА), которое впоследствии было преобразовано в Министерство энергетики (ДОЕ), включило проблемы СКЭС в общенациональную программу поисковых работ по использованию солнечной энергии и сформировало собственную исследовательскую группу для проведения анализа результатов деятельности НАСА в этой области за 1974—1975 гг. [115]. Эта группа провела исследования по трем основным направлениям: разработка отдельных Подсистем проекта и соответствующей космической технологии; экологические проблемы; социально-экономические аспекты, включая международные вопросы. В отчетном докладе группы, представленном в мае 1977 г., наряду с положительной оценкой перспектив создания СКЭС были отражены сомнения ученых в реальности сроков выполнения технических задач, сформулированных специалистами НАСА, в связи с отсутствием опыта работы в космосе со столь гигантскими конструкциями, недостаточным уровнем развития технологии для создания некоторых подсистем СКЭС и су-щественной неопределенностью знаний по экологическим и социально-экономическим вопросам.

Одновременно было сообщено о подготовке трехлетнего плана совместных работ НАСА и ЭРДА, целью которого было либо подтверждение жизнеспособности концепции СКЭС, либо выявление на ранних стадиях исследования непреодолимых трудностей ее реализации для прекращения финансиро-вания дальнейших иссле-дований и разработок в данной области. Вскоре после этого функции ЭРДА по проблеме СКЭС были переданы вновь созданному Министерству энергетики США, но основные рекомен-дации исследовательской группы ЭРДА были учтены в плане программы, над которой НАСА и ДОЕ должны были работать на протяжении 1977—1980 гг.

С середины 1977 г. в США начался и продолжался до конца 1980 г. третий этап исследований в области СКЭС. Работы эти носили уже плановый характер и осуществлялись организованной группой государственных и частных учреждений, включающей И ведущих и 39 субподрядных организаций. Цель программы состояла в выяснении к концу 1980 г. экономической це-лесообразности и техни-ческой осуществимости проекта СКЭС, а также социальных и экологических последствий его реализации. Первоначально запланированное финансирование программы на период 1977—1980 гг. со-ставляло 15.6 млн. долл. Распределение функций и ассигнований между НАСА и ДОЕ представлено 8 табл. 5-2, в конце 1978 г. был сформирован так называемый «исходный», или базовый, проект СКЭС (см. раздел 4.2) и все дальнейшие, исследования проводились применительно именно к этому проекту. Их общее финансирование в конечном итоге составило 19.6 млн. долл.

В 1980 г. исследования были завершены и ДОЕ опубликовало итоговый доклад. Были сделаны выводы, что на пути осуществления проекта СКЭС нет непреодолимых технических трудностей, что общие затраты на создание и эксплуатацию системы на базе СКЭС сравнимы с затратами на системы, использующие другие источники энергии, а экологические и социально-политические проблемы вполне разрешимы.

К числу наиболее важных направлений дальнейших работ в области СКЭС были отнесены следующие:

— создание эффективных и экономичных систем преобразования и передачи энергии (в первую очередь снижение стоимости и увеличение объема производства ФЭП);
— разработка новых транспортных космических систем для доставки грузов на геостационарную орбиту;
— создание легких и устойчивых к воздействию внешних факторов космических конструкций и эффективных методов их строительства и эксплуатации;
— уменьшение воздействия СВЧ-излучения на окружающую среду при передаче энергии на Землю.

Параллельно с разработками по программе, выполнявшейся под эгидой Министерства энергетики и НАСА, проблемы СКЭС в 1979—1981 гг. изучались Национальной академией наук США и Управлением оценки технологий Конгресса США с целью выработки независимого мнения о концепции и критической оценки выводов программы. Обе организации пришли к заключению, что, хотя созда-ние СКЭС представляется возможным в начале следующего столетия, информация по техническим, экологическим и экономическим аспектам концепции является еще недостаточной для .принятия решения о строительстве станций. Для получения недостающей информации специалисты Управления рекомендовали финансировать дальнейшие исследования но техническим и экологическим проблемам СКЭС на уровне 5—10 и 20—30 млн. долл. в год соответственно. Обе организации признали нецелесообразным в настоящее время непосредственное финансирование работ по конкретным проектам СКЭС.

Кроме того, был сделан вывод, что для обеспечения требуемой экономической эффективности системы СКЭС ее установленная мощность должна быть не менее 300 ГВт., Это означает, что на геостационарной орбите должно находиться 60 станций, каждая из которых обеспечивает 5 ГВт электроэнергии на выходных шинах приемной ректенны. Было высказано предположение, что огромная стоимость и многочисленные технические, социальные и политические проблемы могут отодвинуть сроки создания такой системы на несколько десятилетий. Единственным жизнеспособным решением является придание программе развития СКЭС международного характера е участием в ней других стран.

Конгресс США, рассмотрев отчеты Академии наук и Управления оценки технологий, отказался субсидировать дальнейшие работы по СКЭС, и с 1981 г. их финансирование фактически было прекращено.

В таком результате развития исследований по проблеме СКЭС в США нет ничего удивительного. Ход событий, во-первых, подтвердил преждевременность разработки проекта крупномасштабной СКЭС, в создании которой на ранних этапах индустриализация космического пространства нет еще никакой необходимости. Во-вторых,- специалисты США пришли к закономерному выводу о необходимости международного сотрудничества в осуществлении крупных космических проектов, а это противоречит проводимой нынешним правительством США политике милитаризации космического пространства, которая неизбежно влечет за собой сокращение расходов на мирные космические программы.

В сложившихся условиях исключительно важное значение имеет разработка хорошо сбалансированных планов дальнейших исследований, экспериментов и практических мероприятий, направленных на развитие СКЭС. В этом отношении представляет определенный интерес программа, подготовленная фирмой «Аэроспейс корпорейшн» в связи с необходимостью определения перспектив раз-вития транспортных космических систем до 2000 г. [69].

В основу планирования работ по этой программе положены два принципа. Первый из них заключается в томт что каждый этап разработок и испытаний заканчивается созданием систем и оборудования, которые могут быть полезно использованы, независима от того, как будут развиваться дальнейшие работы (принцип исключения так

Называемых «мертвых» разработок). Второй принцип предполагает, что разработки на каждом этапе должны быть экономически|выгодными, т. е. приносить доход, чтобы на заключительной стадии не пришлось прекратить реализацию программы из-за бюджетных ограничений.

Первый этап программы связан с созданием энергетического модуля с СВ мощностью 25 кВт, который выводится и разворачивается на низкой орбите с помощью многоразовой транспортной космической системы «Спенс Шаттл» и может быть использован для энергоснабжения мощных космических радиолокационных систем, больших спутников связи и других космических объектов.

На следующем этапе предполагается объединение десяти таких модулей в энергоустановку мощностью 250 кВт. При этом проводятся испытания технологических систем сборки больших конструкций в космосе. Одновременно планируется осуществить сборку и испытания системы генерации СВЧ-излучения мощностью 100 кВт и провести эксперименты по передаче этой энергии по линиям космос—космос и космос—Земля.

Третий этап программы предусматривает создание энергомодуля с электрической мощностью 2 МВт, собираемого на низкой орбите вместе с системой генерации СВЧ-излучения мощностью 1 МВт, антенной диаметром 14 м и ультрафиолетовым лазером мощностью 70 кВт и диаметром оптики 1 м. После сборки и испытаний на низкой орбите такой энергетический спутник должен быть доставлен на ГСО для проведения первых испытаний СКЭС с целью изучения влияния солнечного давления и гравитационных сил на динамику движения станции. При установке на борту станции еще трех лазеров мощностью 70 кВт любые четыре КА, находящиеся в сфере радиусом 4000 км от СКЭС, могут в течение длительных периодов быть обеспечены электрической мощностью 25 кВт, получаемой за счет передачи и преобразования лазерного излучения.

Следующий, четвертый, этап предполагает создание энергостанции с электрической мощностью 15 МВт, системой генерации СВЧ-излучения „мощностью 12 МВт и антенной диаметром 100 м. Станция собирается и испытывается на нивкой орбите, а затем доставляется на ГСО, где подвергается повторным испытаниям. Кроме передачи энергии на Землю в СВЧ-диапазоне, станция должна обеспечивать выработку 25 кВт электрической мощности: на каждом из 20 КА, находящихся от нее на расстоянии до 4000 км, с помощью 24 ультрафиолетовых лазеров е мощностью излучения 70 кВт каждый.

Один из вероятных вариантов структуры будущей космическо-земной гелиоэнергетики можно представить в следующем виде (рис. 5.6) [1]. На СКЭС осуществляется прямое преобразование сконцентрированного солнечного излучения в СВЧ- и лазерное излучение, которое с по- мошью фазированных антенных решеток и силовых оптических систем направляется к Земле и различным космическим объектам.

На Земле СВЧ-излучение улавливается концентрирующими системами и преобразуется в электроэнергию в мощных агрегатах типа циклотронных преобразователей энергии. Часть полученной таким путем электроэнергии поступает в земную электросеть прежде всего для электроснабжения производств, участвующих в создании космической техники, а также для удовлетворения других энергетических потребностей на Земле. Другая часть полученной с помощью СКЭС энергии подводится к мощным наземным лазерным установкам, которые передают ее в виде узконаправленного излучения на борт тяжелых ракет-носителей с лазерными двигателямй, использующими в качестве рабочего тела воду, водород или атмосферный воздух.

Лазерные установки, находящиеся на борту СКЭС, обеспечивают энергией межорбитальные транспортные аппараты с лазерными или злектроракетными двигателями и различные космические аппараты, станции, базы, производственные комплексы, входящие в состав инфор-мационных, промышленных и строительно-монтажных орбитальных систем. В некоторых случаях для передачи энергии в космосе может оказаться целесообразным использование СВЧ-излучения, например для питания мощных микроволновых ракетных двигателей, осуще-ствляющих прямое преобразование лучистой энергии в кинетическую энергию ускоряемых частиц рабочего тела.

Таким образом, в обозримой перспективе с помощью систем СКЭС можно будет осуществлять эффективное централизованное энергоснабжение всех земных и космических потребителей, участвующих в процессе индустриализации космического пространства. В более отда- ленйом будущем грузопоток с Земли в космос должен сократиться й энергия СКЭС будет использоваться глав-ным образом для добычи, транспортировки и переработки сырьевых -ресурсов космического пространства и частичного удовлетворения нарастающего эцбргопотреблей'йя на Земле.

В заключение заметим, что в рассмотренной системе космическо-земной энергетики решающая роль принадлежит устройствам, в которых осуществляются процессы генерирования, преобразования и передачи мощных потоков различного излучения — солнечного, СВЧ и лазерного. В работе этих устройств имеются принципиальные отличия, но есть и очень много общего, что позволяет сегодня с уверенностью говорить о новом направлении в энергетике будущего — так называемой лучистой энергетике.

В качестве первичного источника в лучистой энергетике может рассматриваться не только Солнце, но и любой другой искусственный источник энергии — химический, ядерный или термоядерный. В целом же лучистую энергетику можно определить как область науки и техники, которая будет заниматься комплексными проблемами исследования, проектирования, создания и эксплуатации систем и устройств, предназначенных для генерирования, преобразования и передачи лучистой энергии в различ-ных спектральных диапазонах с целью энергоснабжения потребителей на Земле и в космосе. Таким образом, лучистая энергетика не является одним из направлений гелиоэнергетики, а скорее наоборот, солнечная -энергетика есть одна из составляющих лучистой наряду с лазерной и СВЧ-знергетикой.

Грилихес В. А. Солнечные космические энергостанции — Л.: Наука, 1986. — 182 с.

Экспертиза

на главную