ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР С СОЛНЕЧНОЙ НАКАЧКОЙ НА ОКОЛОЗЕМНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ОРБИТАХ

АННОТАЦИЯ

В работе рассматриваются перспективные конструкции волоконного лазера с солнечной накачкой, предназначенного для работ на околоземных космических орбитах. Предложенная перспективная схема волоконного лазера с солнечной накачкой, свободна от недостатков приведенных схем других авторов. В конструкции гелиоконцентратора используется концепция солнечного паруса, прошедшая экспериментальную апробацию на отечественных космических аппаратах, с положительными оценками и суперсовременный материал КАПТОН. Такие перспективные лазеры могут быть использованы, как базовые, при реализации Солнечных Космических Электростанций.

ABSTRACT

The paper considers promising designs of a solar-pumped fiber laser designed for operations in near-Earth space orbits. The proposed promising scheme of a solar-pumped fiber laser is free from the disadvantages of the above schemes of other authors. The design of the solar concentrator uses the concept of a solar sail, which has been experimentally tested on domestic spacecraft, with positive ratings and the ultra-modern KAPTON material. Such promising lasers can be used as basic ones in the implementation of Solar Space Power Plants.

Ключевые слова: волоконный лазер, солнечная накачка, космические орбиты, гелиоконцентратор, солнечный парус, материал КАПТОН, Солнечные Космические Электростанции.

Keywords: fiber laser, solar pumping, space orbits, solar concentrator, solar sail, KAPTON material, Solar Space Power Plants.

В действительности, библиография во волоконным лазерам (ВЛ) с солнечной накачкой (СН) весьма обширна [1-4]. Схема волоконного лазера с солнечной накачкой по варианту №1, приведена на рисунке 1. В этом варианте,

волновод - с одной сердцевиной и для энергоснабжения лазерных диодов накачки (позиция 5 *) ВЛ, применяются солнечные батареи (СБ), позиция 5.

Рисунок 1. Схема волоконного лазера с солнечной накачкой, вариант № 1:

1- легированная сердцевина, 2 – кварцевое волокно, 3 – полимерная оболочка,   4 – защитное покрытие, 5 - солнечные батареи, 5* - лазерные диоды накачки,  6 – оптическая схема накачки, 7 – волокно, 8 – оптический элемент коллиматора, 9 – модулятор, 10 – фокусирующая оптическая система

Этими вопросами занимались и занимаются как профессионалы, так и начинающие, молодые специалисты. Например, в работе [5], рассматривается конструкция ВЛ-СН с использованием всех необходимых элементов, включая фильтр солнечного излучения для выделения длин волн накачки в диапазоне 0,9 мкм. Однако он выполнен в виде компактного элемента и расположен в схеме накачки, в области, где циркулирует уже сфокусированное излучение. Так как, его плотность мощности весьма высока, введена специальная система охлаждения с жидкостными хладогентами. Это, в свою очередь усложняет всю конструкцию и приводит к росту массогабаритных параметров. Пример использования СБ на отечественных КА, приведен на рисунке 2. Как известно,

Рисунок 2. Солнечные Батареи (темные прямоугольники) на КА

Наиболее совершенные СБ [6] используются на МКС, общая площадь которых превышает 2500 м². При этом, они хорошо исследованы. Пример изменений эффективности СБ на разных витках полета МКС, показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Изменение эффективности СБ на разных витках полета МКС

Анализ приведенных данных показывает, что колебания эффективности СБ на разных траекториях КА (витках), периодически проходящих над материками и океанами, весьма существенны [7] и превышают 12% в максимумах. При этом, прямое питание диодов накачки ВЛ (схема № 1) от СБ - затруднено. Для устойчивого энергоснабжения ВЛ, по этой схеме, необходим промежуточный выравнивающий накопитель, соответствующей мощности. Нужно заметить, что аккумуляторы применяются практически во всех системах энергоснабжения КА. Однако, это приводит к дополнительному росту массогабаритных параметров всего устройства. Кроме того, в условиях космического пространства, происходит интенсивное термоциклирование всей аппаратуры в широком диапазоне температур. Перечисленные факторы обуславливают сложность и жёсткость требований на применение СБ для питания ВЛ по схеме №1.

В схеме волоконного лазера с прямой солнечной накачкой, вариант № 2, СБ не применяются, что позволяет существенно облегчить требования к установке.

Рисунок 4. Схема волоконного лазера с прямой солнечной накачкой, вариант № 2, слева показан фрагмент гелиоконцентратора

Для повышения эффективности солнечной накачки в ВЛ-СН, предлагается использовать многосердцевинную структуру волконного световода, состоящую из нескольких активных сердцевин и нескольких световодов накачки.

В конструкции гелиоконцентратора, на всей отражающей поверхности, нанесен пленочный фильтр для выделения солнечных волн накачки.

При этом, на фильтр большой площади, воздействует солнечной излучение обычной интенсивности. В конструкции гелиоконцентратора используется концепция солнечного паруса (рисунок 5), прошедшая экспериментальную апробацию на отечественных космических аппаратах и получившую положительную оценку. Ещё 04.02.1993 г. на транспортно-грузовом корабле «Прогресс» в непосредственной близости к орбитальной станции «МИР» была развернута центробежная пленочная конструкция [8-10] диаметром 20 м для исследования динамики раскрытия из уложенного состояния и переориентации в пространстве. Кроме того, в предлагаемом солнечном концентраторе используется суперсовременный материал КАПТОН, хорошо выдерживающий

Рисунок 5. Солнечный парус в космосе, в раскрытом состоянии термоциклирование на околоземных орбитах

Такие перспективные волоконные лазеры могут быть использованы, как базовые, при реализации Космических Солнечных Электростанций (КСЭС). Создание КСЭС стимулируется ростом цен на традиционные энергоносители, ущербом от природных катаклизмов (более 1/3 триллиона долларов по данным ООН в 2011 г.), связанных с техногенным воздействием традиционной энергетики на окружающую среду и рядом других важных применений.

В США и Японии ведутся интенсивные разработки КСЭС, они базируются на СВЧ-концепции и использовании крупногабаритных (рисунок 6) каркасных

Рисунок 6. Вариант СКЭС, Американский проект конструкций (до 5 км)

В Японском проекте КСЭС используется Модуль СБ - 95 х 100 м. В КНР планируют построить КСЭС в скором времени. Испытания новой технологии [11] начнутся уже в 2022 г. В РФ пользуются приоритетом две концепции создания КСЭС с лазерными каналами. Вторая – на базе только центробежных волоконных лазеров с солнечной накачкой. Отечественные концепции [12] позволяют значительно превзойти зарубежные проекты.

Краткие выводы

1. В работе предложена перспективная схема волоконного лазера с солнечной накачкой (ВЛ-СН) свободная от недостатков приведенных схем других авторов.
2. Используется концепция солнечного паруса (СП), прошедшая экспериментальную апробацию на отечественных космических аппаратах (КА), с положительными оценками. В качестве основы солнечного концентратора (СК) предлагается использовать суперсовременный материал КАПТОН.
3. ВЛ-СН по варианту № 2 могут быть использованы в качестве базовых, при реализации Космических Солнечных Электростанций (КСЭС).

Список литературы:

1. Сигов А.С., Матюхин В.Ф. Лазерные системы для беспроводной передачи энергии. - Альтернативный киловатт, 2012, №6, с. 21-27.
2. Райкунов Г.Г., Комков В.А., Мельников В.М. и др. Центробежные бескаркасные крупногакбаритные космические конструкции. М.: Физматлит, 2009, 447 с.
3. Sasaki S. and JAXA Advanced Mission Research Group/ SSPS Developedment Road Map. – IAC-09.C3.1.4, 2009.
4. Райкунов Г.Г., Верлан А.А., Мельников В.М. и др. Преимущества космических солнечных электростанций с лазерным каналом передачи энергии. – Известия РАН, Энергетика, 2012, № 5, с. 38-47.
5. Макаренко К.И. Волоконный лазер с солнечной накачкой. Всесоюзная НТК студентов. Студенческая научная весна 2017: Машиностроительные технологии, с. 12-18; http://studvesna.ru.
6. Андреев В.М. Высокоэффективные фотоэлектрические преобразователи лазерного и концентрированного солнечного излучения. - Альтернативный киловатт, 2012, № 6, с. 14-20.
7. Зернов А.С., Николаев В.Д. Опыт эксплуатации солнечных батарей служебного модуля международной космичекой станции. Космическая техника и технологии. №1 (12), 2016,
8. Семенов Ю.П., Бранец В.Н., Григорьев Ю.И. и др. Космический эксперимент по развертыванию пленочного бескаркасного отражателя D = 20 м («Знамя-2»). – Космические исследования, 1994, т. 32, № 4, 5, с. 186-193.
9. . Сысоев В.К., Пичхадзе К.М., Грешилов П.А. и др. Солнечные космические электростанции: пути реализации. М.: МАИ-ПРИНТ, 2013, 160 с.
10. Мельников В., Сысоев В., Верпан А. и др. Лидерство России в создании промышленных лазерных космических электростанций для трансляции электроэнергии на Землю. Информационные ресурсы России. № 1, 2013,
11. Лун Лехао. КНР намерена возвести электростанцию над Землей. Портал SpaceNews; www.MetroNews.ru, 29.07.2021.
12. Бруевич В.В., Мельников В.М., Паращук Д.Ю. и др. Волоконные лазеры с солнечной накачкой, формируемые центробежными силами, как и новое направление в создании космических информационно-энергетических систем. Космонавтика и ракетостроение, т. 6. № 79, 2014, с. 104-111.