К 30-летию космического эксперимента «Знамя-2» по раскрытию центробежной конструкции на ТГК «Прогресс». Проектный облик космических солнечных электростанций

Язык труда и переводы:
УДК:
629.786
Дата публикации:
10 декабря 2022, 19:59
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Аннотация:
В докладе рассмотрен потенциал применения результатов космического эксперимента «Знамя 2» к проектированию космических солнечных электростанций (КСЭС). Также представлен краткий обзор текущих разработок в области проектирования КСЭС, в частности, состояние разработки проекта КСЭС OMEGA (Китай). Показано, что текущий путь проектирования КСЭС приводит к высоким затратам на вывод станции на орбиту. Сделаны выводы о состоянии текущих разработок КСЭС, их экономической целесообразности, а также предложен альтернативный путь развития концепции КСЭС, основанный на использовании разворачивающихся конструкций, космических тросовых систем.
Ключевые слова:
космическая солнечная электростанция, космическая энергетика, Знамя-2, крупногабаритные космические конструкции
Основной текст труда

Исследования возможностей создания и использования крупногабаритных космических конструкций проводились в РКК «Энергия» им. С.П. Королёва с начала 1980-х годов. Исследовались каркасные, электростатические, надувные, отверждаемые и центробежные конструкции. Наиболее перспективными были признаны центробежные конструкции, отличающиеся от аналогов рядом существенных преимуществ:

  • значительно меньшая масса конструкции из-за отсутствия жесткого каркаса, меньшая стоимость изготовления;
  • простота конструкции, ее высокая надежность;
  • возможность наземной модельной и поэлементной отработки;
  • возможность автоматического раскрытия и обратного свёртывания на орбите без колебаний и запутывания, возможность управления  ориентацией в пространстве на гироскопическом принципе без расхода рабочего тела, поскольку система сама является тяжелым гироскопом;
  • практическая нечувствительность к метеоритному пробою;
  • возможность создания параболического концентратора.

В рамках темы «Знамя» 04.02.1993 был осуществлен уникальный космический эксперимент на транспортно-грузовом корабле (ТГК) «Прогресс» вблизи с орбитальной станцией (ОС) «Мир». Центробежная конструкция из металлизированной  плёнки майлар была диаметром 20 м и весила 4 кг. В космическом эксперименте (КЭ), носившем название «Знамя-2», было осуществлено раскрытие конструкции из уложенного состояния и переориентация раскрытой конструкции в пространстве с демпфированием возникающих при этом колебаний. Была проведена  подсветка района Земли отражённым с орбиты солнечным светом. Солнечный «зайчик» пересек территорию заснеженной Белоруссии. Эксперимент подтвердил перспективность направления разработки центробежных бескаркасных конструкций для решения перспективных задач космической техники.

Подготовка эксперимента «Знамя-2» длилась 6 лет. К ней было привлечено 36 отделов РКК «Энергия» и большое число смежных предприятий. Идеологами темы «Знамя» являлись заместитель начальника отдела 051 РКК «Энергия» Кошелев Владимир Алексеевич, д-р техн. наук Гвамичава Алексей Сергеевич. В процессе подготовки эксперимента был проведен цикл работ по обоснованию проектно-конструкторского облика системы, математическому моделированию динамики развёртывания из уложенного состояния и переориентации раскрытой конструкции в пространстве, экспериментальная отработка основных этапов развертывания и переориентации в вакуумных камерах РКК «Энергия» и ЦНИИМАШ. Мельников В.М., являвшийся ответственным исполнителем темы «Знамя», предложил ключевое проектное решение по использованию падающей моментной характеристики двигателя постоянного тока для обеспечения устойчивости динамики раскрытия центробежной конструкции из уложенного состояния, по аналогии с устойчивостью газового разряда.

Преимущества центробежных конструкций могут быть определяющими для перспективных разработок космической техники. Это солнечные паруса, отражатели солнечного света с орбиты для подсветки регионов Земли, различного рода экраны, тросовые антенны для исследования ионосферы. Центробежные конструкции оптимальны для использования при разработке проектно-конструкторского облика космических солнечных электростанций (КСЭС). Китай планирует создать КСЭС к 2035 г., однако по некоторым данным сроки окончания программы смещены.

Важным вопросом является воздействие космического мусора и метеоритных потоков на КСЭС с течение длительного времени (более 15 лет). Все варианты зарубежных конструкций этому условию не отвечают. Например, Японская система из площадки 100×95 м с прикреплёнными для гравитационной стабилизации по углам тросами длиной 10...15 км критична к космическому мусору. Есть проблемы и с проектом КСЭС OMEGA. И только центробежные конструкции к космическому мусору слабо чувствительны. Трансляция энергии с орбиты на Землю в последнее десятилетие рассматривается преимущественно лазерным лучём от лазеров с солнечной накачкой в окнах прозрачности атмосферы.

Разработка таких масштабных космических систем, какой  является КСЭС, многоэтапная и крайне дорогостоящая. У КСЭС, имеется ряд абсолютно новых систем, таких, как лазерная система генерирования электроэнергии на орбите и передачи на Землю энергии, системы наведения лазерного луча с высочайшей точностью в процессе передачи в течении длительного времени, системы наведения на Солнце в годовом цикле вращения Земли, принципиально новых конструктивно-компоновочных решений. На разработку таких систем на уровне промышленного внедрения могут уйти десятилетия и значительное финансирование. По этой причине необходимо всемерно использовать уже накопленный космической отраслью опыт.

Космический эксперимент «Знамя-2», открывший новое направление создания крупногабаритных бескаркасных центробежных конструкций в космической технике, может стать эффективной базой для формирования проектно-конструкторского облика космических солнечных электростанций, активно создаваемых в Китае, Японии, США и других странах в связи с энергетическим кризисом.

Литература
  1. Space-based solar power as an opportunity for strategic security. Phase of Architecture Feasibility Study. Report to the Director. National Security Space Office. 10 October 2007. 3. S. Sasaki and JAXA Advanced Mission Research Group. SSPS development road map / IAC- 09.C3.1.4. October 2009. Available at: https://space.nss.org/space-based-solar-power-as-an-opportunity-for-strategic-security/ (accessed November 14, 2022).
  2. Райкунов Г.Г., Комков В.А., Мельников В.М., Харлов Б.Н. Центробежные бескаркасные крупногабаритные космические конструкции. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2009, 447 с.
  3. Райкунов Г.Г., Комков В.А., Сысоев В.К., Мельников В.М. Космические солнечные электростанции – проблемы и перспективы. Москва, Изд-во РУДН, 2017, 283 с.
  4. China promises to build space solar power plants by 2035 / RCT N49, 2019, P.25-26. Available at: http.//www.xinhuanet.com/english/2019-12/02/c_138599015.htm (accessed November 23, 2022).
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.