Техника - молодёжи 2000-04, страница 27

например, почти вдвое больше, чем нужно для полета к Марсу.

Надполюсный КА обслуживает практически половину всей поверхности Северного полушария (севернее 15°) при выполнении того же условия, что и для спутников на ГСО — наклон луча к горизонту на южной границе зоны не менее 15°.

Таким образом, важнейшее требование к системе аварийного освещения — непрерывное наблюдение за всей земной поверхностью — выполняется гарантированно и с запасом (за исключением южной полярной шапки). На широтах от 90 до 62° с.ш. работает НКА, на широтах от 62 до 15° с.ш. — все 4 аппарата: НКА и геостационарные, в диапазоне от 15° с.ш. до 62°. ю.ш. работают только геостационарные КА. В каждой точке пояса широт от 15 до 62° с.ш. (наиболее важного, с точки зрения распределения населения и катастроф) в каждый момент времени работают всегда 2 аппарата, что дает дополнительную гарантию надежности.

10 лет на малой тяге. Учитывая нетрадиционность схемы и размещения НКА, более подробно рассмотрим его параметры.

Надполюсный КА (НКА) состоит из эксимерного лазера с электрической накачкой, преобразователя длины волны УФ-излучения в видимый свет, внешней крупногабаритной ФОС, сужающей луч до нужной расходимости, электроракетных двигателей (ЭРД), обеспечивающих непрерывное «висение», запаса рабочего тела ЭРД (аргона) и солнечных батарей (СБ), обеспечивающих питание как ЭРД, так и лазера. Количественные оценки по основным элементам НКА сделаны в предположении, что дальность луча — 2 млн км_г а диаметр освещаемого пятна — 1 км. Начальная масса НКА в точке висения — 2,5 т. Важнейшие элементы НКА — лазер, ФОС и энергодвигательный комплекс (СБ, ЭРД и рабочее тело).

Для получения лазера с умеренными параметрами па средней мощности (а значит, и по массе солнечных батарейу целесообразен импульсно-периодический режим освещения. В нем эффективно сочетаются оба уникальных свойства человеческого глаза как оптического прибора — исключительно высокая чувствительность единичного элемента глазной сетчатки (четко фиксирующего единичный квант света) и способность глаза сохранять (запоминать) изображение в течение примерно 0,1 с (на этом основана работа кино и телевидения). При длине волны падающего излучения 0,5 мкм (зеленый свет) энергия кванта составляет 4-10¹⁹ Дж.

Эксимерный лазер на KrF, генерирующий УФ-излучение с длиной волны 0,248 мкм, выполнен по замкнутой схеме и работает в импульсно-перио-дическом режиме с энергией единичного импульса в свету 50 Дж, при длительности импульса 1 мкс и частоте следования импульсов 20 Гц. Это со

7 Техника-молодежи № 4

ответствует средней мощности излучения примерно 1 кВт в свету. С учетом КПД накачки 5% и КПД преобразователя излучения (удвоителя длины волны) 30%-ная мощность солнечных батарей лазера составит 60 кВт.

Диаметр главного зеркала двухзер-кальной кассегреновской ФОС с учетом двукратного запаса на неидеальность исходного лазерного пучка по расходимости — 5 м, дйаметр малого центрального зеркала — 1 м. При удельной массе главного зеркала, выполненного, например, по фацет-ной схеме с использованием композитных материалов, 30 кг/м² (для проектирующегося солнечного концентратора газотурбинной установки — примерно 10 кг/м², стеклянного моноблочного зеркала космического телескопа «Хаббл» — 200 кг/м²), масса ФОС составит 600 кг.

Мощность электроракетного двигателя (скорее всего ионного, работающего на аргоне) определяется из условия длительности непрерывного висения 10 лет и массы всего НКА 2,5 т в 75 кВт. ЭРД выполнен по пяти-модульной схеме с ресурсом каждого модуля 2 года. Суммарная масса модулей — 200 кг. Тяга ЭРД — 50 г, что обеспечивает при массе НКА 2,5 т необходимую для режима висения тяго-вооруженность 0,00002. Удельный импульс тяги ЭРД — 22000 с, что соответствует скорости истечения струи 220 км/с. Запас рабочего тела 600 кг учитывает КПД ЭРД 70% и гарантирует время «висения» примерно 10 лет.

В процессе 10-летнего дежурства НКА лазер не работает. При этом нормаль к плоскости солнечных батарей ориентирована на Солнце. Солнечная батарея использует примерно 60% своей мощности для непрерывной работы ЭРД. За год НКА вместе с СБ совершают полный оборот вокруг собственной вертикальной оси, что отрабатывается силовыми гироскопами — гиродинами. В дежурном режиме ось ФОС лазера направлена по оси вращения Земли. После получения информации о координатах катастрофы включается лазер., а ФОС с помощью гиродинов разворачивается для грубого наведения луча, имеющего расходимость 0, Г\ на 20' в случае обслуживания низкоширотных потребителей. Прецизионное наведение луча (с точностью до 0,01") осуществляется с помощью сегнетоэлектрических силовых элементов, корректирующих положение легкого малого (центрального) зеркала ФОС при линейных перемещениях до 0,02 мкм.

почти традиционно. Вернемся к геостационарному КА, он существенно проще. При непрерывном режиме работы с освещенностью 3 J1 к, что рекомендовано нормами для горных работ в открытых карьерах, требуемая мощность в свету 40 кВт. Это требует мощности солнечной накачки (при прогнозируемом КПД лазера 10% ) 400 кВт. Такая мощность обеспечивается солнечным концентратором диаметром

ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 42000

25

20 м с массой 3,2 т (при удельной массе конструкции зеркала 10 кг/м²) и общем коэффициенте полезного действия (с учетом потерь на отражение и потерь в приемнике) 90%.

В состав КА входят: собственно непрерывный ИК-лазер на иттриевом гранате с прямой солнечной накачкой, генерирующий излучение с длиной волны 1,06 мкм; солнечный концентратор; холодильник-излучатель для сброса почти 90% тепла с лазерного рабочего тела; насосы прокачки охлаждающей жидкости; гиродины; системы управления и связи; СБ мощностью 5 кВт; а также ФОС. Общая масса геостационарного КА — 5 т, из которых более 60% приходится на солнечный концентратор.

Для обеспечения быстрого включения лазера, так же, как и в НКА, не работающего в режиме дежурства, гиродины непрерывно обеспечивают наведение оси солнечного концентратора на Солнце с точностью до 0,5°. После включения рабочего режима ось его наводится на освещаемое место. Максимальное отклонение оси лазера от направления на подспутниковую точку примерно 7°.

Из-за значительно меньшей дальности (менее 40000 км) при том же размере освещаемого пятна, что и в НКА, расходимость луча будет почти в 5 раз больше, а диаметр основного зеркала — в 5 раз меньше (1 м).

Вследствие существенного изменения углового положения КА относительно линии Солнце—Земля в пределах суток, должна быть предусмотрена система отклонения луча, выходящего из ФОС на большие углы по отношению к оси солнечного концентратора (этот аспект требует специального рассмотрения, и здесь опущен).

шаг за шагом. Техническая реализация предлагаемой системы космического аварийного освещения базируется на значительном заделе по основным элементам. Так, уже освоено производство пленочных кремниевых СБ на стальной подложке толщиной 50 мкм при КПД до 10%. В эксимер-ных лазерах для программы инерционного управляемого термоядерного синтеза достигнута (в единичных импульсах) энергия свыше 10 кДж в свету при КПД накачки до 10%. В им-пульсно-периодических режимах освоена частота следования импульсов свыше 100 Гц. Уже эксплуатируются штатные бортовые самолетные системы лазерного целеуказания и наведения, а также лазерные системы наведения противотанковых PC Точность наведения оси космического телескопа «Хаббл» в режиме слежения за звездой доведена до 0,01 угловой секунды. Имеются стендовые эксперименты по инфракрасному твердотельному лазеру с прямой солнечной накачкой и длиной волны 1,06 мкм (пригодного для описанного спутника на ГСО). Параболическое зеркало этого лазера имеет диаметр 10 м. По программе СОИ в США создано