Потребности производства энергии в космосе

Прежде чем переходить к обсуждению вопросов развития космической энергетики, следует оценить, сколько энергии и для чего нужно будет вырабатывать в космосе в ближайшие годы и десятилетия. С этой целью необходимо кратко проанализировать тенденции развития различных космических систем и попытаться определить, как должны изменяться энергозатраты, связанные с их размещением в космосе и использованием по назначению.

При классификации космических систем будем исходить из общесистемных принципов, согласно которым в больших системах любой сложности всегда циркулируют три вида потоков — информации, массы (вещественной продукции) и энергии.

Информационные космические системы

Все автоматические космические аппараты, которые были созданы до настоящего времени и существуют сейчас в космосе, можно отнести к классу информационных космических , аппаратов (ИКА), поскольку их целевое назначение сводится в конечном итоге к получению, накоплению, обработке и передаче различной информации.

Такие аппараты могут функционировать на околоземных орбитах, совершать полеты к Луне, Солнцу и планетам солнечной системы. Однако наиболее весомый вклад в решение земных проблем дают орбитальные ИКА — искусственные спутники Земли (ИСЗ), которые благодаря рвоей глобальности значительно расширяют возможности получения и передачи информации.

ИСЗ народнохозяйственного назначения сегодня успешно решают задачи связи и навигации, геодезического и метеорологического обеспечения, наблюдения за поверхностью Земли и др. Их применение имеет широкие перспективы дальнейшего развития, так как существенно повышает эффективность многих направлений человеческой деятельности, и становится все более рентабельным,Развитие орбитальных ИКА идет по пути совершенствования их специального бортового оборудования, его комплексирования, повышения надежности и ресурса. Удлиняются сроки активного функционирования ИКА, растет высота их рабочих орбит. Все это влечет за собой увеличение энергозатрат, связанных с размещением ИКА в космическом пространстве и их эксплуатацией, приводит к возрастанию потребляемой на борту аппаратов электрической мощности.

Для решения различных задач с помощью ИКА обычно используется группа аппаратов, образующая информационную космическую систему (ИКС).

В соответствии с целевым назначением все ИКС подразделяют на три вида [2]:

Для всех этих систем характерны различные уровни потребления энергии спецаппаратурой ИКА, различные энергозатраты на их развертывание и обслуживание.

В табл. 1.1 обобщены параметры перспективных ИКС, на основании которых можно оценить основные энергозатраты, связанные с их созданием и эксплуатацией [20, 34, 69]. Как следует из таблицы, потребление энергии на борту большей части ИКА сравнительно невелико и в будущем, вероятно, не превысит единиц—десятков киловатт электрической мощности. Исключение составляют лишь ИКА системы?ИПР()С с радиолокационной аппа-ратурой зондирования и спутники связи систем непосредственного радиовещания и телевидения. Потребляемая электрическая мощность на борту таких ИКА достигнет десятков—сотен киловатт, их антенны будут иметь диаметр десятки, а затем, вероятно, и сотни метров, масса составит единицы и десятки тонн.

В связи с необходимостью размещения большей части ИКС на высоких орбитах, включая геостационарные орбиты (ГСО), весьма значительными будут энергозатраты, связанные с выводом ИКА в космос и их межорбитальной транспортировкой. При увеличении массы и габаритов ИКА возрастут также затраты анергии на управление их положением в пространстве, включая коррекцию орбиты.

Промышленные космические системы

Использование космических систем ведет к коренным преобразованиям не только информационной деятельности человечества, но и создает принципиально новые возможности и для его производственной деятельности.

Целесообразность развития космического производства определяется следующими основными факторами:

Соответственно можно выделить и три направления производственной деятельности в космосе [12, 27, 28]:

Создание и эксплуатация промышленных космических систем (ПКС) любого профиля потребуют значительных затрат энергии, величина которых будет определяться технологией и масштабами производственных процессов.

Первым этапом любого технологического процесса производства материалов в космосе является нагрев, плавление или испарение исходного сырья. После этого происходит охлаждение, затвердевание или конденсация материала.

Поэтому основным видом технологического оборудования ПКА будут нагревательные установки различных типов, главным образом электронагревные, индукционные и оптические печи. В рабочей зоне этих печей должна поддерживаться температура от 1000 до 2500 К. Обрабатываемые материалы помещаются, в специальные контейнеры, либо используется их бесконтейнерное удержание в так называемых левитаторах за счет действия ультразвуковых полей, аэродинамических сил или переменного электромагнитного поля.

Удельный расход энергии на производство материалов в космосе зависит от их свойств, в частности теплоемкости, температур плавления и испарения, от сцособа организации и длительности технологического процесса, КПД печи и других факторов. При опытном производстве материалов на борту орбитальных станций электрическая мощность, потребляемая технологическими установками, составляла сотни-ватт, а масса установок — десятки килограмм. Если для удержания и обработки образцов используются электромагнитные поля, потребляемая мощность возрастает до 10—20 кВт [49].

При необходимости доставки исходного сырья с Земли и транспортировке готовой продукции обратно на Землю стоимость получаемых в космосе материалов будет очень высокой, а годовой объем их производства — небольшим. Предполагается, что в 90-х годах грузопоток космической продукции будет составлять единицы—десятки тонн. Пр этом электрические мощности, требуемые для осуществления технологических процессов на борту ПКА, вероятно, не превысят десятков—сотен киловатт.

В дальнейшем по мере снижения стоимости космических транспортных операций и разработок сырьевых ресурсов космоса произойдет постепенный переход от опытного к полупромышленному, а затем и к промышленному производству материалов в космическом пространстве с соответствующим возрастанием требуемой для этого мощности до единиц—десятков мегаватт.

Наряду с наращиванием производства в космосе улучшенных и новых материалов туда в будущем придется вынести некоторые отрасли земной промышленности, развитие которых может привести к серьезному нарушению экологического равновесия на планете. Это прежде всего отрасли, связанные с выработкой ядерных материалов, химической и металлургической продукции, а также с производством энергии. При этом продукты, образующиеоя при сжигании органического топлива на тепловых электростанциях и промышленных предприятиях, радиоактивные отходы атомных энергостанций и, наконец, ннзкопотен- циальное тепло, отводимое в процессах преобразования энергии на любых предприятиях и электростанциях, в том числе и будущих термоядерных, в совокупности представляют, вероятно, наибольшую опасность для биосферы, создают реальную угрозу ее «теплового загрязнения» в связи с нарастающим потреблением энергии во всем мире.

Частичный вынос названных видов производства в космическое пространство позволит улучшить экологическую обстановку на Земле и облегчить решение энергетических проблем в космосе. Именно этим, кстати, и будет в первую очередь определяться целесообразность создания крупных космических энергостанций.

Потребление энергии на космических промышленных предприятиях земного масштаба будет характеризоваться мегаваттными уровнями мощности. Для строительства и эксплуатации таких предприятий потребуется не только энергия, но и сырье, доставлять которое с Земли будет невыгодно. Поэтому следующим закономерным этапом в развитии промышленных космических систем должно быть создание производств по добыче и переработке сырья. Источниками этого сырья могут стать астероиды и недра Луны. Энергопотребление на лунных горнодобывающих комплексах по мере их развития, по предварительным оценкам, должно изменяться от единиц до сотен мегаватт.

Таким образом, для ПКС в перспективе будут характерны весьма высокие уровни потребляемых мощностей, в среднем на два-три порядка и более превосходящие уровни мощности, требуемые для работы ИКС.

Транспортные космические системы

Развитие информационных и промышленных космических систем существенно зависит от эффективности их транспортного обеспечения. Значительная часть энергозатрат на создание и эксплуатацию ИКС и ПКС будет связана с транспортировкой/ грузов с Земли в космос и обратно и межорбитальными транспортными операциями.

Увеличение высоты орбит ИКС с целью повышения эффективности их функционирования и расширение круга возлагаемых на них задач влечет за собой рост габаритов и массы спецоборудования ИКА — антенн радиолокационной и связной аппаратуры, объективов фотоаппаратов и пр. В результате общая масса ИКА также возрастает и в будущем достигнет единиц—десятков тонн. Увеличится и количество ИКА, размещаемых на высоких орбитах, в первз^о очередь на ГСО. По предварительным оценкам, уже в 90-х годах их должно быть там несколько сотен. Соответственно величина ожидаемого грузопотока на ГСО только в связи с созданием и эксплуатацией ИКС в дальнейшем будет исчисляться сотнями и тысячами тонн в год. При этом транспортировка грузов должна проводиться в два этапа: вначале на низкую околоземную орбиту с помощью мощных носителей, а затем уже на стационарную орбиту с помощью межорбитальных транспортных средств. Предполагается также, что часть ИКА целесообразно будет возвращать обратно на Землкьс целью их ремонта и восстановления для повторного использования.

Развертывание ПКС будет связано с еще более напряженными транспортными операциями, особенно на этапах выноса в космос опасных для биосферы земных производств и создания предприятий по добыче и переработке смрьевых ресурсов космоса. Но основное отличие ПКС от ИКС с точки зрения транспортного обеспечения заключается в необходимости непрерывной доставки исходного сырья на ПКА, а готовой продукции — на Землю или на другие космические объекты. Эти грузопотоки должны непрерывно возрастать по мере развития космического производства, хотя последнее, как уже отмечалось, будет сдерживаться именно возможностями транспортных систем.

В перспективе среднегодовые масштабы транспортных перевозок, необходимых для создания и эксплуатации ИКС и ПКС, будут характеризоваться десятками и сотнями тысяч тонн грузов, значительная часть из которых должна доставляться на высокие орбиты, вплоть до орбиты Луны и обратно. Решить такую проблему с помощью существующих транспортных космических систем (ТКС) практически невозможно.

Объясняется это прежде всего тем, что энергетические возможности химических ракетных двигателей, которые являются сейчас основными двигателями одноразовых и многоразовых ТКС, весьма ограничены, в то время как затраты энергии на вывод единичной массы на околоземную орбиту очень велики.

Обычно затраты энергии, связанные с выполнением тех или иных космических транспортных операций, принято оценивать величиной приращения характеристической скорости AFX, которое при ускорении КА в пустоте и отсутствии гравитационных сил совпадает с приращением его собственной скорости. В соответствии с известной формулой Циолковского, эта величина может быть выражена в виде

Из последнего выражения следует, что затраты рабочего тела (топлива) на выполнение тех или иных транспортных операций обратно пропорциональны скорости истечения. Для ЖРД предельное значение этой скорости не превышает 5 км/с, а потому при выводе КА на низкую. околоземную орбиту (AFX я» 10 км/с) на долю топлива приходится более 85 % стартовой массы ракеты. С учетом того, что в «сухой» массе ракеты значительную часть составляет масса ее собственной конструкции, это и дает в лучшем случае 10—20 кг топлива на 1 кг полезной нагрузки.

Такая массовая отдача является совершенно неприемлемой при грузопотоках, составляющих десятки и сотни тысяч тонн грузов в год. И не только потому, что приведет к расходу миллионов тонн топлива и очень высокой удельной стоимости транспортировки. При таких масштабах транспортных операций исключительно большое значение приобретают экологические проблемы, связанные с опасностью разрушения озонного слоя атмосферы продуктами сгорания, с необходимостью отчуждения больших территорий в качестве зон падения отработавших нижних ступеней ракет-носителей, наконец, с нежелательностью засорения околоземного космического пространства отработавшими верхними ступенями ракет- носителей и разгонными блоками.

Выход из положения заключается в использовании двигательных установок с разделенными рабочим телом и источником энергии — тепловых и электроракетных. При этом могут быть достигнуты значительно более высокие скорости истечения рабочего тела w3ф, что позволяет повысить массовую отдачу по полезной нагрузке в 2—3 и более раз и соответственно снизить стоимость транспортировки. Кроме того, существенно расширяются возможности выбора рабочих тел, наилучшим образом отвечающих и экономическим, и экологическим требованиям, таких, например, как водород, воздух, вода.

Источник энергии может размещаться как на борту транспортного космического аппарата (ТКА), так и за его пределами — на Земле или в космосе. Передача энергии от внешнего источника к ТКА должна осуществляться с помощью направленного потока электромагнитного излучения — естественного (солнечного) или искусственного (лазерного или СВЧ).

Межорбитальные ТКА с электроракетными двигателями (ЭРД), предназначенные для транспортировки грузов с низких, так называемых опорных орбит на ГСО, при массе полезной нагрузки 10—100 т будут потреблять электрическую мощность порядка сотен киловатт—единиц мегаватт. При этом их массовая отдача по полезной нагрузке может достигать 70 % против 25 % у ТКА с ШРД, выполняющих ту же транспортную операцию. Время перелета ТКА с ЭРД будет занчительно больше, чем при использовании ШРД (150—200 и 5—10 суток соответственно), однако при транспортировке крупногабаритных конструкций, не допускающей больших перегрузок, необходим именно такой темп доставки грузов на ГСО.

Для ТКС, которые должны транспортировать грузы с Земли на низкие орбиты, определенный интерес представляют двигательные установки, использующие ресурсы земной атмосферы, в частности так называемые электромагнитные двигатели. Об их энергетической эффективности можно судить, сравнивая проектные параметры космолета с электромагнитным двигателем и американского многоразового ТКА «Спейс Шаттл». Если для последнего отношение затрачиваемой мощности к создаваемой тяге равно 4500 Вт/Н, то электромагнитный двигатель позволяет снизить эту величину до 300 Вт/Н [28].

Наконец, весьма перспективными устройствами для транспортировки большого количества грузов в космосе являются электромагнитные масс-ускорители (ЭМУ), работа которых основана на нереактивном способе движения и подобна работе магнитного движителя. В ЭМУ осуществляется разгон контейнера с грузом вдоль неподвижного проводникового путепровода за счет взаимодействия электромагнитных полей контейнера и путепровода. Основным достоинством такого способа транспортировки является отсутствие расхода массы, но к ЭМУ должна подводиться большая электрическая мощность.

Использование на ТКА перспективных типов двигательных установок должно привести к снижению стоимости транспортировок грузов и, что особенно существенно, не будет связано с опасными нарушениями экологического равновесия и загрязнением окружающей среды. Однако потребности энергии для осуществления тех или иных транспортных операций при этом не уменьшаются (AFX остается неизменным!) и должны будут удовлетворяться за счет источников энергии с мегаватт- ными и гигаваттными уровнями мощности.

Строительно-монтажные космические системы

По мере усложнения объектов, входящих в состав ИКС и ПКС, увеличения их габаритов и массы доставлять эти объекты в космос в полностью собранном и готовом к применению состоянии будет экономически нецелесообразным либо технически невозможным даже при значительном усовершенствовании транспортных космических систем. Это приведет к необходимости перехода вначале к модульному принципу построения таких объектов, т. е. к сборке их из отдельных доставляемых с Земли готовых модулей, а затем к строительству из узлов и деталей, которые будут транспортироваться с Земли либо производиться в космосе.

В связи с увеличением продолжительности функционирования космических объектов должны также предусматриваться работы по их техническому обслуживанию и восстановительному ремонту в процессе эксплуатации.

Для осуществления перечисленных технологических процессов на околоземных орбитах предполагается создавать сборочные и строительно-монтажные космические системы (СМКС), состоящие из отдельных баз-станций, называемых иногда «космическими верфями», «космическими доками» и т. п. [12, 18].

Основными видами технологических операций при проведении сборочно-монтажных, ремонтных и строительных работ в космосе являются операции развертывания трансформирующихся (раздвижных, раскладных) конструкций, разного рода соединительные операции (сварка, склеивание, клепка), механическая обработка металлов (прокат, вытяжка, гибка), а также различные демонтажные операции (резка, вырубка, сверление и т. п.).

Для проведения всех указанных операций требуется энергия, затраты которой определяются характером, масштабами и длительностью соответствующих технологических работ.

В космосе, так же как и на Земле, при проведении сборочно-монтажных работ широкое применение должны найти различные виды сварки: электронно-лучевая, дуговая, диффузионная, контактная, с использованием лазеров и концентраторов солнечного излучения, а также ультразвуковая и магнитно-импульсная [12]. В зависимости от объема сварочных операций требуемая для их осуществления мощность будет возрастать от единиц— десятков до сотен и тысяч киловатт.

Значительный расход энергии потребуется для осуществления механической обработки материалов, формообразования разнообразных элементов сборных'конструкций.

Для проведения сборочно-монтажных, ремонтных и строительных работ при создании крупногабаритных космических объектов предполагается широко использовать робототехнические системы различной степени сложности. Для управления ими и главным образом для непосредственного выполнения роботами-манипуляторами тех или иных операций в перспективе нужны будут электрические мощности порядка десятков—сотев киловатт. Такие же

уровни энергопотребления характерны для космических сборочно-монтажных баз, которые предполагается создавать на низких околоземных орбитах в конце 80-х—начале 90-х годов [18, 25].

Таким образом, создание и эксплуатация СМКС потребуют немалых энергозатрат, но их применение позволит значительно сократить расход энергии на транспортировку крупногабаритных космических объектов, т. е. в конечном итоге должно обеспечить экономию энергоресурсов в процессе освоения космического пространства.

Здесь уместно заметить, что все рассмотренные выше космические системы теснейшим образом взаимосвязаны. Так, например, транспортные и строительно-монтажные системы создаются для развертывания и обслуживания информационных и промышленных космических систем, но последние неизбежно будут использоваться для управления ТКС и СМКС, а также для снабжения их энергетическими и сырьевыми ресурсами. Такие же тесные связи существуют между ИКС и ПКС. В целом же развитие ИКС и создание ПКС как целевых систем, позволяющих интенсифицировать все виды деятельности людей на Земле в интересах более полного удовлетворения их разнообразных запросов, совершенствование ТКС и создание СМКС как систем, обеспечивающих возможность строительства и эксплуатации ИКС и ПКС, — все это и есть индустриализация космического пространства.

Иными словами, индустриализация — это не просто создание космических фабрик и заводов, как иногда думают, а широкое и многостороннее освоение человечеством околоземного космоса с целью преодоления пространственно-временных, экологических, энергетических и сырьевых ограничений, которые затрудняют дальнейшее развитие земной цивилизации.

Важнейшее значение здесь, по всей вероятности, будет иметь экологический фактор, так как предполагается, что биосфера Земли не сможет выдержать нагрузку, связанную с необходимостью подъема мирового производства и потребления даже до современного уровня высокоразвитых стран [66]. В этой связи следует еще раз подчеркнуть существенное значение правильного учета экологических ограничений при выборе оптимальных путей развития рассмотренных космических систем

Индустриализация космического пространства предполагает его использование в интересах решения проблем человечества, живущего на Земле, но не расселение людей в космосе. Вопрос о создании космических поселений, впервые поднятый К. Э. Циолковским, тоже широко обсуждается в последние годы, но это представляется делом значительно более отдаленного будущего человечества.

В то же время индустриализация космоса не может осуществляться без непосредственного участия людей в космических полетах. Об этом убедительно свидетельствует весь ход развития практической космонавтики, двадцатипятилетний опыт практической деятельности советских и зарубежных космонавтов на борту космических кораблей и долговременных орбитальных станций (ДОС).

По мнению специалистов, многоцелевые долговременные орбитальные станции — это прекрасная экспериментальная база для испытания нового оборудования КА, отработки технологических процессов. Результаты таких испытаний необходимы для создания будущих автоматических космических систем различного целевого назначения [60, 66].

Потребление энергии на борту ДОС до настоящего времени не превышало единиц киловатт и составляло в среднем 1—2 кВт на одного космонавта. В дальнейшем, при создании многомодульных ДОС с экипажем 6—8, а затем 12—28 человек и более, энергопотребление должно возрасти приблизительно до 10 кВт/чел. и достигнет десятков—сотен киловатт электрической мощности [81].

В целом анализ тенденций комплексного развития различных космических систем показывает, что производство энергии в космосе в период его индустриализации должно непрерывно возрастать в соответствии с общей закономерностью, характерной для любого вида человеческой деятельности. С определенной условностью можно выделить четыре этапа индустриализации околоземного пространства, различающихся уровнями энергопотребления (табл. 1.2). Не вызывает сомнений, что потребности в энергии на всех этапах должны быть и будут удовлетворены, однако пока остается открытым вопрос о том, как лучше решить эту проблему и в первую очередь за счет каких источников энергии, каких средств и способов ее преобразования и передачи.

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