27 февраля 2016г.
Технология передачи энергии с помощью лазера имеет ряд преимуществ и является перспективным направлением при разработке проекта демонстрационной солнечной космической электростанции. В статье представлен вариант построения канала лазерной передачи энергии в системе «Космический аппарат - Наземный пункт». Предлагаемая система лазерной передачи энергии позволит передавать энергию на Землю и осуществлять энергопитание платформы.
Ключевые слова: космическая электростанция, лазер, передача энергии. Abstract.
The Technology of energy transmission by the laser has many advantages and is a promising direction in the development of the project of demonstration space solar power station. The article presents a way of developing the channel laser power transmission in the "Spacecraft - ground" system. The proposed system of laser power transmission will allow to transfer energy to Earth and to realize a platform power supply.
Keywords: space power station, laser, energy transmission.
Для успешной реализации демонстрационной солнечной космической электростанции на основе существующей ракетно-космической техники и оптико-электронной технологии необходимы детальные исследования и тщательная проработка вопроса по определению облика канала преобразования электрической энергии в лазерную и передачи еѐ на Землю.
Канал лазерной передачи энергии в системе «Космический аппарат - Наземный пункт» - это, прежде всего три главных элемента в этой системе (Рисунок 1):
1. Лазерное излучение - позволяющее генерировать высокие мощности и с высокой эффективностью;
2. Оптическая система – формирующая узкий лазерный пучок, производит высокоточное наведение и стабилизацию;
3. Высокоэффективные фотопреобразователи – преобразуют как солнечное, так и лазерное излучение в электроэнергию.
Все эти три основных элемента лазерного канала дистанционной передачи энергии должны иметь высокую эффективность, тогда это позволит использовать эту систему для космического применения.
Эффективность данной системы будет определяться двумя факторами:
– эффективность каждого элемента системы (источник питания, лазеры, блок управления, фотопреобразователи и т.д.);
– эффективность передачи (функциональная эффективность точности наведения, точность стабилизации лазерного луча, и т.д.).
При этом эффективность должна сохраняться при высоких уровнях мощности (плотность мощности излучения), что позволит масштабировать эту систему.
Рассмотрим построения структуры канала передачи энергии по-блочно.
Блок лазерных излучателей, содержит следующие элементы и узлы, обеспечивающие высокую эффективность работы (Рисунок 2):
1. Система излучателей (волоконные лазеры);
2. Блоки светодиодной накачки;
3. Системы терморегулирования блоков светодиодов;
4. Вторичные источники питания;
5. Оптико-электронная система наведения;
6. Система лазерной передачи данных;
7. Блок контроля и управления.
Оптический тракт. Излучения волоконных лазеров суммируются в специальном устройстве (сумматоре излучений), которое контролируется блоком контроля, суммируемое лазерное излучение попадает в зеркальную систему. Данная зеркальная система имеет двух координатную систему приводов с секундной точностью. Для высокоточного наведения используется дополнительная лазерная система. Схема оптического тракта представлена на Рисунке 3.
Фотоприемная система на наземном приемнике. Данная система должна обладать высокой эффективностью как по отношению к солнечному излучению, так и по отношению к лазерному излучению. При этом необходимо для достижения высокой эффективности использовать концентраторы излучения, что в свою очередь приводит к необходимости использования системы терморегулирования (Рисунок 4).
Лазерное излучение проходя систему концентраторов поступает на фотопреобразователи, далее преобразуется, и электрический ток поступает в блок автоматики, параллельно лазерное излучение контролируется оптико- электронной системой, для управления тепловым режимом фотопреобразователей применяются электрохромные покрытия и тепловые трубы.
Эффективность системы лазерного канала передачи энергии зависит от точности наведения и управления всем комплексом систем, поэтому в него должны входить дополнительные
системы. Это –
прежде
всего системы определения орбитальных параметров космических аппаратов, радио система обмена данными как между космическим аппаратом, так и с лазерным спутником управления (Рисунок 5).
Необходимо учесть важность идеологии построения лазерного передатчика для дистанционной передачи энергии. Это создание передатчика из отдельных лазерных излучателей (рисунок 6), запитываемых отдельной системой питания, что позволяет решить две задачи:
– Повысить надежность системы (выход из строя одного из излучателей не скажется существенно на уровне передаваемой мощности в целом);
– Уменьшит удельную тепловую нагрузку на систему терморегулирования;
– Позволит наращивать мощности лазерного канала передачи энергии за счет ввода в систему дополнительных волоконных лазеров.
Заключение.
Предлагаемый вариант построения лазерного канала передачи энергии в космосе позволит наращивать мощность излучения за счет
возможного увеличения мощности единичных
излучателей, так и за счет увеличения числа излучателей в кольце – решетке излучателя.
Данный проект предполагает многофункциональное использование данной системы помимо непосредственной задачи передач энергии, использовать ее также для измерительно-информационных функций.
Благодаря ее конструктивным особенностям могут осуществляться следующие функции: данная система позволяет передавать энергию более 1000 Вт на расстояние нескольких километров, а также: скоростная передача данных (более 1 Гит/с); высокоточное измерение геометрических параметров.
Для этого могут использоваться один или несколько излучателей из набора полупроводниковых лазеров или работы системы в целом.
Реализация демонстрационного проекта в условиях космического пространства будет служить первым шагом для создания более сложных систем энергопитания космических систем.
Список литературы
1.
Exarhos G., Ristau D., Soileau
M, Stolz C. Laser-Induced Damage in Optical Materials.Proc. SPIE, 2008, v.7132.
2.
Massimiliano Vasile.
Fractionated solar power satellite for regional coverage.63rd International Astronautical Congress, Naples, Italy.Copyright 2012.
3.
Rubenchik A.M., Fedoruk M.P., Turitsyn S.K., Laser Beam Self-Focusing in the Atmosphere. Physical Review Letters, 102, 233902, 2009.
4.
Summerer L., Purcell O. Concepts for Wireless Energy Transmission via Laser. IEEE ICSOS, 2009.
5. И. Граф, М. Шахт. Оптика мощных лазеров: улучшение свойств диэлектрических покрытий.«Фотоника».2010, № 4.
6.
Силовая оптика и еѐ новые проявления. Журнал «Экспертный союз», № 3 (24), 2012.
7. Сысоев В.К. Анализ архитектуры лазерного информационно-измерительного канала дистанционной передачи энергии в космосе. Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ». http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2007/076.pdf.
8.
Сысоев В.К., Пичхадзе К.М., Верлан
А.А., Насыров
А.Ф. Анализ структуры
демонстрационной космической электростанции// Вестник ФГУП НПО им. С.А. Лавочкина. 2012. No3, С. 28-34.
