Научная статья на тему 'Принципы построения лазерных комплексов дистанционного энергоснабжения низкоорбитальных космических аппаратов'

Принципы построения лазерных комплексов дистанционного энергоснабжения низкоорбитальных космических аппаратов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
739
314
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ДИСТАНЦИОННОЕ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ / НАПРАВЛЕННАЯ ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ / ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ / НИЗКООРБИТАЛЬНЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ / POWER BEAMING / DIRECTED ENERGY / LASER TECHNOLOGY / LOW-ORBIT SPACECRAFT

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Ивакин Станислав Витальевич

Научно обоснованы принципы и предложена концепция рационального построения современных лазерных комплексов дистанционного энергоснабжения низкоорбитальных космических аппаратов. Аргументированно обоснована востребованность лазерных технологий дистанционного энергоснабжения в аэрокосмическом пространстве.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Ивакин Станислав Витальевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

LOW-ORBIT SPACECRAFT LASER POWER BEAMING COMPLEX DESIGN PRINCIPLES

Design principles and concept of low-orbit spacecraft laser power beaming complex were presented and substantiated as well as actuality of laser power beaming in global aerospace domain.

Текст научной работы на тему «Принципы построения лазерных комплексов дистанционного энергоснабжения низкоорбитальных космических аппаратов»

УДК 621.3.038

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЛАЗЕРНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ НИЗКООРБИТАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Станислав Витальевич Ивакин

Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, 190005, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, 1, инженер кафедры И1 «Лазерная техника»; ООО «Научно-производственное предприятие "Лазерные системы"», 198515, Россия, г. Санкт-Петербург, п. Стрельна, ул. Связи, 34, лит. А, заместитель главного конструктора по НИОКР, тел. (812)612-02-88, e-mail: stanislav.ivakin@gmail.com

Научно обоснованы принципы и предложена концепция рационального построения современных лазерных комплексов дистанционного энергоснабжения низкоорбитальных космических аппаратов. Аргументированно обоснована востребованность лазерных технологий дистанционного энергоснабжения в аэрокосмическом пространстве.

Ключевые слова: дистанционное энергоснабжение, направленная передача энергии, лазерные технологии, низкоорбитальный космический аппарат.

LOW-ORBIT SPACECRAFT LASER POWER BEAMING COMPLEX DESIGN PRINCIPLES

Stanislav V. Ivakin

Baltic state technical university «VOENMEH» named after D. F. Ustinov, 190005, Russia, St. Petersburg, 1, 1st Krasnoarmeyskaya Str., Engineer of Laser technology Department; Laser Systems Ltd., 198515, Russia, St. Petersburg, Strelna, 34А, Svyazi Str., Deputy R&D Chief Designer, tel. (812)612-02-88, e-mail: stanislav.ivakin@gmail.com

Design principles and concept of low-orbit spacecraft laser power beaming complex were presented and substantiated as well as actuality of laser power beaming in global aerospace domain.

Key words: power beaming, directed energy, laser technology, low-orbit spacecraft.

Современные подходы и тенденции развития космической и авиационной техники заключаются в создании автономных, распределённых и реконфигури-руемых систем, открытая архитектура и модульность компонентов которых позволяет оперативно их модернизировать и адаптировать (перестраивать) адекватно изменяющимся задачам [1].

Энергетика аэрокосмических систем продолжает оставаться главным критическим фактором выполнения поставленных задач. Возрастающая мощность автономных авиационных и космических систем требует внедрения новейших высокоэффективных энергетических технологий: двигателей, генераторов, преобразователей и накопителей, в комплексе приводящих к революционным изменениям в аэрокосмической деятельности.

Высокую актуальность в настоящее время приобретают технологии направленной передачи энергии, наиболее сложной и востребованной задачей применения которых является дистанционное энергоснабжение космических и

летательных аппаратов (КА и ЛА) [2]. Востребованность технологий дистанционной передачи энергии в аэрокосмическом пространстве обоснована спецификой построения и применения ряда перспективных КА и ЛА, энергообеспечение которых традиционными методами не обеспечивает достижение ожидаемых тактико-технических характеристик. В частности, актуальной является задача дистанционного энергоснабжения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) [3], подзарядка аккумуляторов которых по лазерному лучу продемонстрирована американской компанией LaserMotive в рамках натурного эксперимента [4].

В космическом пространстве востребованным уже в ближнесрочной перспективе приложением технологий направленной передачи энергии является дистанционное энергоснабжение низкоорбитальных космических аппаратов. Торможение последних в разреженной атмосфере снижает срок их активного существования и ограничивает возможность использования классических пла-нарных солнечных батарей.

Дистанционное энергоснабжение КА рационально осуществлять с помощью лазерных технологий, обеспечивающих подзарядку аккумуляторов спутников во многом схожим образом с технологиями энергопитания путём преобразования солнечного излучения. Отличием является то, что луч лазера намного интенсивнее, чем поток солнечного излучения, а значит, для передачи значительного количества энергии не требуется больших площадей фотоприёмных элементов. Используя лазер, можно осуществлять энергоснабжение КА кратковременными сеансами по мере необходимости.

В настоящее время интенсивно развиваются относительно недорогие и ма-ложивущие микро- и нанокосмические аппараты, рассматриваемые в качестве потенциальной альтернативы крупным высокоэффективным спутникам [1]. Кроме того, перспективным направлением является развитие низкоорбитальных кластерных космических систем, которое в ближайшее время может стать одним из наиболее приоритетных. Наиболее близкие к практической реализации разработки низкоорбитальных кластерных космических систем, использующих лазерные технологии дистанционного энергоснабжения, в настоящее время имеются в США в агентстве DARPA [5].

В России идея дистанционной передачи электрической энергии с помощью направленного электромагнитного излучения активно прорабатывается с 70...80 годов прошлого века, однако подавляющее количество полученных научных результатов относится к проблемам создания больших космических солнечных электростанций (КСЭС), преобразующих солнечную энергию в электрическую с последующей её передачей при помощи СВЧ-излучения на Землю [6].

Известные, схожие по тематике, решения, например реализуемые РКК «Энергия» имени С.П. Королёва в рамках космического эксперимента (КЭ) «Пеликан» [7] по беспроводной передаче электрической энергии с российского сегмента международной космической станции на грузовой корабль «Прогресс» не обеспечивают технологические потребности задачи дистанционного

энергоснабжения низкоорбитальных КА. Главным образом, это связано с малой (до 1... 2 км) дальностью передачи энергии, связанной с базированием КЭ «Пеликан» на технологиях полупроводниковых лазеров, характерная расходимость излучения которых составляет единицы градусов при использовании коллими-рующей оптики. В то время как на значительных дистанциях, характерных для космического пространства, необходимо стремиться к достижению минимально возможной расходимости лазерного излучения, определяемой дифракционным пределом.

Таким образом, высоко актуальной является задача научного обоснования на современном научно-техническом уровне принципов рационального построения лазерного комплекса дистанционного энергоснабжения низкоорбитальных КА, а практическое развитие данной технологии имеет существенное значение для создания нового перспективного класса космических систем: кластерных группировок микрокосмических аппаратов.

Целью настоящей работы является научная разработка принципов рационального построения комплексов дистанционного энергоснабжения низкоорбитальных космических аппаратов (КДЭ-НКА).

Исходными данными для разработки являются особенности применения низкоорбитальных КА, сложность энергообеспечения которых вызвана рядом причин, среди которых следует выделить наиболее значительные:

значительное относительное время нахождения КА в тени на низких орбитах;

высокое аэродинамическое сопротивление выносных панелей солнечных батарей;

• малые размеры панелей солнечных батарей, отсутствие или низкая точность системы ориентации панелей солнечных батарей на Солнце, связанные с экономией массы и энергии.

Важным принципом разработки лазерных комплексов дистанционного энергоснабжения является системность, что означает комплексное рассмотрение и решение всех аспектов применения и развития данной технологии. То есть рассмотрению подлежит не только связка «лазер - фотоэлектрический преобразователь», а полная энергетическая цепь, от источника питания лазера до потребителей доставленной электроэнергии.

Следует отметить, что задача направленной передачи энергии в условиях космического пространства изначально носит комплексный характер и требует системного решения множества проблем, в т. ч. обеспечение температурных режимов космических аппаратов, как донора (источника питания), так и акцептора (потребителя энергии). Не менее важные проблемы, также требующие решения, относятся к специфике операционной деятельности в околоземном космическом пространстве, это задачи поиска удалённого малоразмерного объекта, точного наведения и удержания на нём лазерного луча, а также информационного обеспечения процесса дистанционного энергоснабжения КА.

Проведённый анализ показал, что возможность создания в ближайшей перспективе действующих опытных образцов космических лазерных комплексов для дистанционной передачи энергии (рис. 1) обеспечивается разработкой к настоящему времени (и дальнейшим их развитием) следующих составных частей комплексов:

• твердотельных (в т. ч. волоконных) лазеров с коэффициентом полезного действия до 20%, обеспечивающих одновременное сочетание высокой мощности и высокого оптического качества (минимальной расходимости) излучения;

гетероструктурных фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии с коэффициентом полезного действия более 29% и фотоэлектрических преобразователей лазерного излучения - с КПД более 40 %, позволяющих эффективно преобразовать потоки энергии с плотностью мощности до 200 Вт/см [8];

•литий-ионных аккумуляторных батарей с удельной энергией до 800 кДж/кг (222 Вт-ч/кг), а в ближайшей перспективе до 1 МДж/кг (277 Вт-ч/кг), и суперконденсаторов;

• современных оптико-электронных систем наведения, обеспечивающих точность наведения не хуже 1".

Рис. 1. Принципиальная схема лазерного комплекса дистанционного энергоснабжения космических аппаратов

Одновременное сочетание высокой мощности и высокого оптического качества излучения, а также надёжность и удобство эксплуатации в космическом пространстве демонстрируют волоконные и твердотельные лазерные системы. Среди последних особый интерес вызывают твердотельные лазеры, реализую-

щие эффект обращения волнового фронта (ОВФ) для компенсации искажений волнового фронта при усилении излучения [9], а в перспективе - для когерентного сложения нескольких лазерных каналов.

Таким образом, в ряде случаев особенности построения и применения новейших перспективных КА и ЛА формируют комплекс критических ограничений, обуславливающих с технико-экономической точки зрения использование лазерных систем дистанционного энергоснабжения.

Дистанционное энергоснабжение осуществляется на базе твердотельных (волоконных) лазеров и полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей как в непрерывном, так и в импульсном режимах [10]. Рациональный состав и параметры комплекса дистанционного энергоснабжения определяются для каждого случая в зависимости от уровня передаваемой мощности, дальности передачи и циклограммы работы.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке ПЧ ГЗ № 9.1354.2014/К Минобрнауки России.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Глобальные горизонты. Итоговый доклад. Военно-воздушные силы США. Развитие глобальной науки и технологий. AF/ST TR 13-01. Перевод с английского: НПП «Лазерные системы» ©2013 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.lsystems.ru/upload/Globalnie_gorizonti_RUS.pdf

2. Leopold Summerer, Oisin Purcell. Concepts for wireless energy transmission via laser. Space Agency (ESA)-Advanced Concepts Team, 2009, [Electronic resource] - Англ. - Режим доступа: http://www.esa.int/gsp/ACT/doc/POW/ACT-RPR-NRG-2009-SPS-ICSOS-concepts-for-laser-WPT.pdf

3. Richard Mason. Feasibility of Laser Power Transmission to a High-Altitude Unmanned Aerial Vehicle. RAND Corporation, 2011. [Electronic resource] - Англ. - Режим доступа: http://www.rand.org/content/dam/rand/pubs/technical_reports/2011/RAND_TR898.pdf

4. Thomas Nugent Jr., Jordin Kare, David Bashford, Carsten Erickson, Jeff Alexander. 12hour hover: flight demonstration of a laser powered quadrocopter . USNA11-NUGENT. LaserMotive Ltd., 2010. [Electronic resource] - Англ. - Режим доступа: http://lasermotive.com/wp-content/uploads/2010/04/AUVSI-white-paper-8- 11.pdf

5. Naresh Shah, Owen C. Brown. Fractionated Satellites: Changing the Future of Risk and Opportunity for Space Systems. High Frontier / The Journal for Space & Missile Professionals.-Nov. 2008.- Vol. 5.- № 1.- p. 29-36

6. Ю.С.Мануйлов, Е.Н.Алешин. Формирование облика космической солнечной энергоустановки с учётом особенностей углового движения объекта. Труды Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского, 2014, Вып. 642, стр. 140-148

7. Исследование передачи электрической энергии лазерным излучением между КА (шифр «Пеликан») / Научно-техническое обоснование проведения космического эксперимента на Российском сегменте МКС. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://knts.tsniimash.ru/ru/src/notice/Пеликан%20-%20НТО.doc

8. Viacheslav Andreev, Vladimir Khvostikov, Vitali Kalinovsky, Vladimir Lantratov, Vladimir Grilikhes, Valery Rumyantsev, Maxim Shvarts, Valery Fokanov, Aleksandr Pavlov. High current density GaAs and GaSb photovoltaic cells for laser power beaming. / Photovoltaic Energy Conversion, 2003. Proceedings of 3rd World Conference on.- Volume:1.- p. 761 - 764

9. Pogoda A. P., Lebedev V. F., Makarchuk P. S., Smetanin S. N., Boreysho A. S. All-solidstate Nd:YAG lasers with self-pumped multiwave-mixing phase conjugate cavities // Optical Memory, 10/2013; 22(4) - P. 267-271.

10. Lowe R. A.; Landis G. A.; Jenkins P. The efficiency of photovoltaic cells exposed to pulsed laser light / NASA Technical document №94-11395 .- May 1, 1993. [Electronic resource] -Англ. - Режим доступа:

https://ia600609.us.archive.org/3/items/nasa_techdoc_19940006923/19940006923.pdf

© С. В. Ивакин, 2015

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.