История развития орбитальных отражателей

Введение.

В настоящее время мировой энергетический кризис только углубился. В мире ведутся интенсивные разработки альтернативных углеводородной энергетике методов получения энергии. Несомненно, самые большие надежды возлагаются на главный естественный источник энергии – Солнце. Также не вызывает сомнения тот факт, что благодаря передовым позициям в практической космонавтике, у России есть все возможности обрести лидерство в солнечной космической энергетике. Идея использовать плоские космические отражатели для передачи энергии Солнца на Землю разрабатывалась задолго до начала космической эры [1]. Осуществление этой задачи было начато советскими учеными в начале 1980-х годах в рамках государственной комплексной программы АН СССР «Изыскание новых путей использования солнечной энергии». По мнению одного из руководителей научного совета данной программы Ж. Алферова [2], затраты на высококачественное бестеневое освещение пяти таких городов, как Москва за 5 лет могут окупить создание целой системы космических отражателей. Экспериментальные образцы планировалось создать к началу 90-х годов. В настоящее время в условиях мирового энергетического кризиса эта лидирующая российская технология становится особо актуальной.

Целью работы является разработка геосинхронных орбитальных отражателей нового поколения с системой стабилизации светового пятна для задач альтернативной энергетики;

Задачи работы:

• разработать систему стабилизации пятна вторичного солнечного света для задач круглосуточной альтернативной энергетики;

• разработать действующую модель стабилизации работы отражателя с обратной связью, управляемой специальной программой;

• определить область возможного применения геосинхронного отражателя солнечного света для задач всесезонного растениеводства;

• произвести расчёт уровня освещённости отражённого с помощью отражателя света в подспутниковой точке;

Актуальность

Результаты работы могут быть полезны при разработке промышленных установок солнечных электростанций, которые смогут работать в круглосуточном режиме. Прямое применение вторичного солнечного света для освещения городов позволит существенно сэкономить электрическую энергию. Очень пригодился бы вторичный солнечный свет и в тех случаях, когда необходимо освещение невысокой интенсивности отдельного участка земной поверхности – во время проведения военных, антитеррористических или спасательных операций.

История развития орбитальных отражателей

1.1 Проект «Знамя-2»

Демонстрационный космический эксперимент «Знамя-2»,осуществленный 4 февраля 1993 года, стал первым по развертыванию модели солнечного паруса. Большая 20-метровая тонкопленочная конструкция была успешно развернута на борту грузового космического корабля «Прогресс М-15» и ОС «Мир». Основной задачей проекта являлосьпроведение эксперимента «Новый свет» по освещению ночной стороны Земли. Освещение из космоса,выполненное впервые в мировой практике, осуществили в предрассветные часы над Западной Европой. Световое пятно размером около 5 километров, отраженное рефлектором, скользило по Земле со скоростью около 8 км/с от районов южной Франции через Чехословакию, Германию, Польшу и растворилось в лучах восходящего солнца над Белоруссией. В целом эксперимент «Знамя-2» оказался очень успешным, он продемонстрировал реальность и возможности новой космической техники.

1.2 Проект «Орбитальное зеркало»

Недостатком проекта «Знамя-2» являлся тот факт, что при работе на относительно низких орбитах численность орбитальной группировки КА с зеркалами крайне избыточна, так как в каждый момент времени активными являются не более 10-15 КА, а остальные 80% не задействованы. Далее, даже когда орбиты сравнительно низкие, при характерных дальностях отраженного луча около 4 тыс. км, размеры светового пятна на земной поверхности оказываются значительными (15-20 км). И потому для получения даже умеренной освещенности (порядка нескольких Лк.) требуется значительная мощность отраженного луча (на уровне сотен МВт), что в свою очередь приводит к увеличению размеров и массы зеркал.

Для преодоления указанных недостатков на базе РЦ НТТУ был предложен проект «Орбитальное зеркало» по прямой утилизации солнечной энергии с помощью космического аппарата (КА), оснащенного зеркалом жесткой конструкции с заданной кривизной сравнительно небольшого размера (до 5 м). КА располагается на геостационарной орбите и направляет отраженный солнечный свет на ночную сторону Земли для освещения и дальнейшей утилизации в другие виды энергии [3].

Предполагалось использование зеркал жесткой конструкции с заданной кривизной, выполненных по фацетной схеме с использованием композитных материалов (10 кг/м²). Применение фацетной схемы позволит удобно доставить на орбиту фрагменты зеркала и легко заменять поврежденные участки. Предполагаемый размер фрагментов (фацетов) определяется габаритами грузовых отсеков, используемых КА (до 3м). Отражающее покрытие отражателя может быть выполнено из алюминиезированной пленки ПЭТФ-ОА толщиной 7 мкм.

2. Модификации геосинхронной системы обеспечения освещённостью ночной стороны Земли

2.1 Расчёт освещённости потока отражённого орбитальным зеркалом света в подспутниковой точке

Для расчёта освещённости в подспутниковой точке орбитального отражателя используют формулу (1)

(1)

где Н - высота орбиты;

d - диаметр рефлектора;

К_о - коэффициент отражения (К_о плёнки ПЭТФ – ОА - 0.9);

К_п - коэффициент поглощения атмосферой (для ясной сухой атмосферы-0.8);

Ec=1.37∙10⁵ лк - освещенность, создаваемая прямым солнечным светом;

- угол падения светового луча на рефлектор.

Данное соотношение (1) позволяет оценить освещённость, получаемую в пятне вторичного света для случая плоского отражателя. Диаметр пятна при этом можно оценить из соотношения [4] dc.п.~0.01∙H, что для геостационарной орбиты (36000 км) соответствует d_с.п.~360 км. Для орбитального отражателя с кривизной менее 1º диаметр светового пятна можно ограничить 5 км, что позволяет достичь освещённости порядка 3-5Лк. Данная освещённость соответствует освещённости в белую ночь на широте Санкт-Петербурга.

Расчет показывает, что, уменьшив диаметр пятна до 5 км, можно достигнуть освещенности порядка 5-10 Лк. Нужный размер светового пятна можно подобрать, задавая определенную кривизну зеркала. Сделав оценочные расчеты, было получено, что кривизна зеркала должна составлять менее 1 ^°.