Техника - молодёжи 2000-04, страница 26

СМЕЛЫЕ ПРОЕКТЫ

Юрий ЕСЬКОВ, инженер

шршз ш

ЗАДАЧА. Мировой опыт показывает, что число жертв и общий ущерб крупномасштабных техногенных и природных катастроф, происходящих в ночное время, можно значительно уменьшить, если место события сразу же, в первые минуты после происшествия, будет освещено. При этом принципиально важна не интенсивность освещения (которая может быть и довольно низкой), а именно его оперативность.

Применяемые методы аварийного ночного освещения уже сегодня не соответствуют масштабности проблемы, а ведь в наступающем веке прогнозируется увеличение числа техногенных (а также природных, но инициированных техногенными факторами) катастроф. Нужно что-то более радикальное — глобальное и постоянно готовое к работе.

Этим требованиям лучше всего удовлетворяет система освещения из космоса — с автоматических космических аппаратов (КА). В ней принципиально возможно использовать собственно свет Солнца или лазеры.

Идея плоских зеркал, размещаемых на околоземных орбитах для базового ночного освещения с помощью отраженного солнечного света, была высказана еще в начале века, а в 1975 г. была теоретически хорошо обоснована К.Эрике (США).

Более серьезная проектно-конст-рукторская проработка в 1990-х гг проводилась в РКК «Энергия» — применительно к освещению наземных высокоширотных объектов (горных разработок и буровых) в течение всей полярной ночи. По одному из вариантов такая система включала до 60 6-тонных спутников на круговой, солнечно-синхронной орбите высотой примерно 1700 км с наклонением 130°. Управляемое 200-метровое зеркало каждого КА отражает солнечный свет, направляя его на наземный объект. Плоская поверхность зеркала, выполненного из тонкой полимерной металлизированной пленки, формируется под действием центробежных сил, при закрутке КА вокруг продольной оси. Для устранения сильного гироскопического эффекта, затрудняющего наведение отраженного луча, используется оппозитный малоразмерный высокооборотный маховик В подтверждение реализуемости схемы в РКК «Энергия» было проведено два летных эксперимента с модельным зеркалом диаметром 20 м («Знамя-2» и «Знамя-2,5»).

Однако при работе на относительно низких орбитах численность системы с зеркалами крайне избыточна, т.к. в

каждый момент времени активными являются не более 10—15 КА, а остальные 80% — «холостые». Далее, даже когда орбиты сравнительно низкие, при характерных дальностях отраженного луча около 2 тыс. км, размеры светового пятна на земной поверхности оказываются значительными (15—20 км), что предопределено сильной естественной расходимостью солнечного излучения (30 угл. мин), вызванной «неточечностью» Солнца. И потому для получения даже умеренной освещенности (порядка нескольких Лк) требуется значительная мощность отраженного луча (на уровне сотен МВт). В конечном счете, зеркала больших размеров и, соответственно, массы. Впрочем, для ночного освещения крупной горной выработки или мегаполиса с характерными размерами в десятки километров такая схема имеет смысл.

Однако к аварийному освещению предъявляются несколько иные требования, в первую очередь — существенно меньшие (порядка километра) размеры светового пятна. Тогда возможно существенное уменьшение мощности луча и сокращение количества спутников (не десятки, а единицы).

Каждый КА постоянно обслуживает только «свою» зону (т.е. должен быть стационарным относительно поверхности вращающейся Земли). Однако очевидно, что при этом дальность луча существенно (более чем на порядок), возрастет, а угловая расходимость луча, с учетом одновременного уменьшения диаметра освещаемой зоны (также более чем на порядок) должна резко снизиться и стать в несколько сот раз меньше, чем у солнечного излучения.

ЛАЗЕРНЫЙ ПРОЖЕКТОР. Это требование может быть реализовано только при применении монохроматического когерентного источника света — лазера с дополнительной крупногабаритной внешней фокусирующей оптической системой (ФОС). Наиболее предпочтительно освещение излучением в видимом человеческим глазом диапазоне длин волн (0,4-0,7 мкм). Это облегчит работу спасателей, исключив необходимость применения тяжелых нашлемных ИК-приборов ночного видения. В случае, если применяются УФ- или ИК-лазеры (в их создании достигнуты наибольшие успехи), должна использоваться дополнительная система преобразования излучения (удвоения частоты или удвоения длины волны).

Сегодня большая часть населения Земли и уже созданная технологическая (а значит, — потенциально аварийная) инфраструктура размещены главным образом в средних и низких широтах. Кстати, там же происходит большинство природных катастроф — землетрясения, извержения вулканов, тайфуны и т.п. Но в последние годы бурно развивается техносфера и в высоких широтах (по край

ней мере, в Северном полушарии). Особенно это связано с освоением приполярных месторождений углеводородного топлива.

В высоких широтах проблема аварийного освещения обостряется наличием полярной ночи — длительного, многомесячного темного периода.

КОСМИЧЕСКАЯ ГРУППИРОВКА.

Предлагаемая ниже система аварийного ночного освещения состоит всего из 4 КА — трех однотипных на геостационарной экваториальной орбите (ГСО) и одного, существенно отличающегося от них по схеме, типу и режиму работы лазера, расположенного на большой высоте над Северным полюсом (назовем его надполюсным КА — НКА, рис. 1—3 на центральном развороте).

Геостационарные КА по определению не требуют маршевой двигательной установки, а следовательно, и мощного электропитания (небольшие затраты электроэнергии потребуются лишь для ЭРД-коррекции положения КА, а также для питания служебных бортовых систем). На них наиболее простым техническим исполнением источника освещения будет применение непрерывного лазера с прямой солнечной накачкой. Лазеры этого типа дают ИК-излучение.

Геостационарные КА, расположенные над экватором через 120°. по долготе, обслуживают широкий наземный пояс в между 62° северной и южной широты. Хотя теоретически зона прямой видимости с геостационарного КА шире (до 82°), практически это нереализуемо, поскольку на этих широтах луч будет параллелен местному горизонту. При принятом ограничении широты реализуется достаточно приемлемое соотношение длины тени к высоте объекта (примерно 4) на границе зоны обслуживания.

Надполюсный КА размещается в точке над Северным полюсом, в 2 млн км от поверхности Земли, и движется по круговой околосолнечной орбите, с радиусом и периодом обращения, соответствующими земным (150 млн км и 1 год, соответственно), точнее — траектории, не являющейся кеплеровской (центр орбиты не совпадает с гравитационным центром — Солнцем). Для уравновешивания возникающей при этом вертикальной (см. рисунок на центральном развороте) составляющей силы солнечного притяжения, а также притяжения Земли, требуется приложение к НКА непрерывной тяги, направленной вверх. Таким образом, аппарат находится над Землей в режиме «висения».

Несмотря на малую величину требуемого реактивного ускорения (около 0,2% д), суммарные энергозатраты на поддержание НКА в течение длительного времени будут значительными. При продолжительности функционирования 10 лет (а меньше сегодня «неприлично») энергозатраты (т.н. «характеристическая скорость») составят более 60 км/с; это