Перспективы применения и отработка технологии беспроводной передачи электрической энергии между космическими аппаратами

Язык труда и переводы:
УДК:
629.78:621.31
Дата публикации:
29 декабря 2021, 20:13
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Аннотация:
Рассмотрены состояние и перспективы применения беспроводной передачи электрической энергии между космическими аппаратами. Представлен космический эксперимент по передаче электрической энергии с борта Российского сегмента Международной космической станции на транспортный грузовой корабль «Прогресс» в лазерном канале. Предложена схема проведения эксперимента, дано описание разрабатываемой научной аппаратуры «Пеликан» для его реализации.
Ключевые слова:
беспроводная передача энергии, микроспутники, космические энергостанции, лазерное излучение, космический эксперимент
Основной текст труда

Использование беспроводной передачи электрической энергии (БПЭЭ) между космическими аппаратами (КА) позволяет обеспечить централизованное энергоснабжение в космосе, основанное на применении одной или нескольких мощных энергетических станций для более эффективного и гибкого энергоснабжения КА в сравнении с существующими автономными бортовыми энергетическими установками. При этом может быть увеличена энерговооруженность КА, обеспечена стабильность уровня энергопотребления, а также возможность глубокого регулирования циклограммы энергопотребления при существенном снижении габаритов и массы космического аппарата. В относительно близкой перспективе технология БПЭЭ между КА может быть использована в следующих областях:

  • энергоснабжение созвездий микроспутников  (в том числе для поддержания их орбит с помощью электроракетных двигателей) с борта МКС и/или Российской орбитальной служебной станции, либо специальных энергетических КА-энергостанций (ЭС) [1];
  • дистанционное энергоснабжение КА для проведения микрогравитационных экспериментов и производства в космосе (КА типа «ОКА — Т») [2];
  • энергоснабжение с борта орбитальных КА потребителей на поверхности Луны и других тел Солнечной системы (Марса, астероидов, спутников планет и т. п.), а также отделяемых от основных орбитальных КА модулей в ходе планетных исследований [3, 4].

Космический эксперимент по беспроводной передаче электрической энергии между космическими аппаратами. В долгосрочную программу научных экспериментов на Российском сегменте Международной космической станции (МКС) включен космический эксперимент (КЭ) «Пеликан» — «Исследование передачи электрической энергии лазерным излучением между КА». Цель КЭ состоит в отработке технологии БПЭЭ для космических применений в натурных условиях. Планируется поэтапное увеличение передаваемой электрической мощности с 50...100 до 300 Вт на дальности 1 км, а также демонстрация возможности передачи энергии на дальностях до 5 км. Проведение КЭ по БПЭЭ между КА планируется впервые, характеристики создаваемой научной аппаратуры (НА) «Пеликан» отражают существующий уровень развития технологии. Цель КЭ состоит не только в демонстрации осуществимости БПЭЭ в космосе. Предполагается создание элементов технологии и прототипа системы, которые могли бы использоваться для различных практических применений.

Схема проведения эксперимента и научная аппаратура.  Предложена следующая схема проведения КЭ. На внешней поверхности одного из модулей Российского сегмента МКС (основной вариант — МЛМ), на двухосевой поворотной платформе (ДПП) размещается передающая часть системы БПЭЭ — блок «Пеликан-Н». Помимо системы генерации лазерного излучения (СГЛИ) он включает: систему обнаружения, наведения и удержания приёмника излучения (СОНУ), систему формирования и наведения пучка излучения (СФИН), а также системы питания и управления (СПУ) и обеспечения условий функционирования (СОУФ). Блок фотоэлектрического приёмника-преобразователя (блок «Пеликан-ФПП»), включающий приёмник излучения и систему датчиков позиционирования пучка (СДПП),  устанавливается на транспортном грузовом корабле (ТГК) «Прогресс», на блоке мишени со специальными призматическими отражателями, обеспечивающими обратную связь для СОНУ. Эксперимент проводится после доставки ТГК «Прогресс» грузов на МКС. Перед отстыковкой на крышку люка корабля (после демонтажа стыковочного агрегата) устанавливается блок  «Пеликан-ФПП». После отхода корабля от станции на безопасное расстояние обеспечиваются его повторные сближения с МКС на расстояние до 1000 м. Продолжительность работы СГЛИ на максимальной мощности составит от 1,5 до 5 минут. Количество сеансов с одним ТГК «Прогресс» — не менее 5. Интервал между сеансами —  не менее суток для обеспечения требуемых условий сближения. В начале сеанса блок «Пеликан-Н» наводится  с помощью ДПП в область небесной сферы, где по баллистическим данным ожидается появление ТГК «Прогресс». Осуществляется поиск, захват и сопровождение блока «Пеликан-ФПП» с помощью СОНУ. Эта система сканирует лазерным лучом  малой мощности  (0,5 Вт) с длиной волны 0,665 мкм участок небесной сферы размером 50×50о. Лазерное излучение, отражённое от блока мишени, формирует в приемном канале системы изображение.  Его обработка позволяет вычислить координаты центра приемника с точностью не хуже 60 угловых секунд.  По данным СОНУ с помощью ДПП осуществляется сопровождение приемника. Точность наведения ДПП по каждой из осей не хуже 10 угловых секунд (грубое наведение). Перед включением СГЛИ на полную мощность выполняется прецизионное наведение с помощью СФИН и пучка лазерного излучения пониженной мощности. СФИН является двухзеркальной оптической системой с внеосевым оптоволоконным вводом излучения, генерируемого СГЛИ, формирующей пучок излучения диаметром не более 0,3 м  на расстоянии 1000 м. СФИН обеспечивает также прецизионное наведение пучка излучения по двум осям в диапазоне  ±5 мрад (±17,5 угловых секунд). После выполнения этапа грубого наведения, СФИН по специальному алгоритму осуществляет сканирование пучком излучения СГЛИ на минимальном уровне мощности участка небесной сферы размером ±5 мрад по двум осям. При попадании лазерного излучения на приёмник датчики СДПП позволяют определить плотность потока в местах их размещения, что дает возможность уточнить положение пучка относительно центра приёмника. Мощность, получаемая блоком «Пеликан-Н» от МКС, не может превосходить 400 Вт.  Поэтому в состав блока включена система питания и управления (СПУ) с буферными литий-ионными аккумуляторными батареями.

Литература
  1. Evdokimov R.A., Chertok В.Е., Legostaev V.P., Lopota V.A., Sokolov B.A., Tugaenko V.Yu. Remote electric power transfer between spacecrafts by infrared beamed energy // AIP conference Proceedings. Vol. 1402. Melville, New York, 2011.
  2. Евдокимов Р.А., Корнилов В.А., Лобыкин А.А., Тугаенко В.Ю. Космическая технологическая система с дистанционным энергоснабжением по лазерному каналу // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2018. № 9. С. 82–92.
  3. Евдокимов Р.А., Тугаенко В.Ю. Дистанционное энергоснабжение потребителей на поверхности Луны // Известия РАН. Сер. Энергетика. 2019. № 5. С. 3–19.
  4. Evdokimov R.A., Tugaenko V.Y., Gribkov A.S., Sinyavski V.V., Bombin A.N., Maslennikov A.A. Remote power supplying of equipment for planetary explorations // Proceeding of the First Moscow Solar System Symposium. Moscow, IKI, October 11–15, 2010.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.