Б.В. Сазыкин, д.т.н.
Помните на PRoАТОМе обсуждалось интервью, данное А.Б.Чубайсом
«Российской газете» с заголовком «Прикурить от солнца»? Тогда шла довольно
оживлённая дискуссия, в конце которой уважаемые коллеги переругались. Я
полагаю, что виноват в этом был сам Анатолий Борисович. Он не определился с
личностной позицией по данной проблеме.
С одной стороны, он говорил,
что «15 процентов ВИЭ - больше точно не надо. А 30 процентов для нас -
взрывоподобный рост. Он нам не нужен, потому что у нас есть относительно
недорогой газ». А с другой – утверждал обратное (в своей «непринужденной»
манере): «предположим, мы ничего не делаем. Говорим: да ну ее, эту
возобновляемую, у нас дешевого угля и газа полно. Вроде бы мы даже выигрываем
по экономике. Все прекрасно. Но проходит 3-5-7 лет, и выясняется, что уже
дешевле строить солнечные станции, чем угольные».
Цель данной статьи – обратить
внимание чиновников от энергетики, военных и учёных на отставание России от
США, Японии, Китая в области солнечных космических энергетических систем (СКЭС) приблизительно на 35 лет.
«Есть резон дойти до цели, той,
которая в прицеле…»
Мотивация написания статьи.
Проблема СКЭС не столько проблема недальновидности руководителей страны и
обслуживающих их экспертов. И даже не проблема стоимости кВт*ч «космической» электроэнергии,
она решается путем снижения стоимости вывода полезного груза на орбиту, а проблема
безопасности и развития экономики страны (инновационные технологии), социума
(интеграция), политики (смена приоритетов в целеполагании).
В последнее время появились
настораживающие сообщения в прессе. Сообщение МК RU (06.09.2020 г.): «Засекреченный
китайский многоразовый космический корабль вернулся с орбиты». В комментариях
соцсетей сравнивают этот многоразовый космический
корабль с американским космическим беспилотникомX-37B
компании Boeing. Беспилотники такого класса могут вести военную разведку, осуществлять
функции космической оборонной инспекции и функции противодействия космическим
средствам ПРО. К сожалению, экспертами не отмечена ещё одна возможная функция
многоразовых космических беспилотников – функция космического «буксира»
крупногабаритных космических конструкций (ККК) при межорбитальных перелётах с
низкой околоземной орбиты (НОО), доставляемых туда многоразовыми космическими
кораблями типа «Шаттл», «Буран», намечаемый к запуску «Орёл»(РУССКИЙ ДОЗОР,
13.09.2020 г.), а также обеспечивающих операции сборки ККК на НОО. Тем не
менее, известно [1] о применении X-37B в регулярных экспериментах США по
передаче солнечной энергии на Землю микроволновым модулем. Модуль
фотоэлектрической высокочастотной антенны (PRAM) был создан военно-морской
исследовательской лабораторией США (NRL). Ещё настораживает контекст «оргштатных
мероприятий», проводимых Дональдом Трампом. Речь идёт о создании в США
отдельного вида вооруженных сил — космических войск. Министр обороны Джеймс
Мэттис заявил: «Необходимо впредь рассматривать космическое пространство как
один из театров военных действий, и создание боевого командования — один из
шагов в этом направлении, которые сейчас можно сделать» (ИЗВЕСТИЯ, 08.09.2020
г.). Понятно, что сегодняшний театр
военных действий – это (в основном) низкие и средние орбиты спутников.
Следовательно, нужно подниматься выше – на геостационарную орбиту (ГСО, 36 тыс.
км) и там устанавливать СКЭС.
Двойное использование программ
СКЭС. В настоящее время космическое командование США имеет в своем
распоряжении порядка 350 спутников военного назначения, размещенных на НОО ина
других орбитах, вплоть до ГСО – это, в основном, спутники связи и ретрансляции.
Группировка спутников WGS на ГСО имеет пока около 10 спутников, обеспечивающих
передачу потока данных на скорости до 2,2 Гбит/с всем устройствам современного стандарта
C4ISR[2].В ближайшей перспективе оборонное ведомство США планирует вывести на
орбиту группировку космических аппаратов, которая должна обеспечить решение
информационных задач управления в интересах ПРО. В качестве потенциальных противников
рассматриваются Россия и Китай, в связи с чем основными угрозами для
группировок спутников, по утверждению военного эксперт аАлексея Леонкова, являются:
кибернетическая атака на объекты космической инфраструктуры, находящиеся как на
Земле, так и в космосе; работа комплексов РЭБ и РЭП, нарушающих связь и
управление между элементами космической инфраструктуры; вывод из строя
оптико-электронных систем космических аппаратов лазерным оружием;
электромагнитный импульс, возникший в результате высотного или космического
ядерного взрыва. Микроволновое HPM-оружие
(High Power Microwave Weapons) не
рассматривается. У России, тем более у Китая, HPM-оружия космического базирования
просто нет... И, согласитесь, появление такого оружия не только ликвидирует
«театр военных действий» в космосе, но и сделает вообще войну бессмысленной:
нельзя вести современную войну «вслепую», без системы управления войсками.
По аналогии с атомным проектом
СССР, программу создания космической солнечной электростанции (SSPS) нужно разделить на две программы: орбитальная
часть – СКЭС, включающая подсистемы солнечных батарей, подсистемы ориентации и
стабилизации солнечных батарей, подсистемы СВЧ–антенны, подсистемы ориентации и
стабилизации СВЧ–антенны и т.д.(например, для схемы конструкции СКЭС типа Sun Tower), а также наземная,«зелёная» часть
солнечной электростанции (СЭС). При таком подходе мы, во-первых, не нарушаем Договор
1967 года, который подписали США, запрещающий размещение в космическом
пространстве оружияи, во-вторых, используем технологические достижения
отечественных СЭС.
Достижения отечественных СЭС. В
России построено около 25% от запланированных в 2013–2018 годах фотоэлектрических
солнечных электростанций (СЭС).В строй введены СЭС общей мощностью приблизительно
550 МВт в 11 субъектах РФ. В табл. 1 представлены фотоэлектрические СЭС и их суммарная мощность по субъектам РФ[3].
По данным журнала СОК[3],
лидерами управления основной части проектов СЭС являются:
·
группа компаний «Хевел» — холдинг, работающий в
солнечной энергетике и являющийся на данный момент крупнейшим в России. «Хевел»
— компания, созданная группой компаний «Роснано» и холдингом «Ренова»;
·
ООО «Солар Системс» — предприятие, учреждённое
китайской компанией Amur Sirius Power Equipment Co., Ltd. В свою очередь, Amur
Sirius является специализирующимся на работе с Россией подразделением китайской
группы Harbin Electric Co., Ltd.
Таблица
1
Фотоэлектрические СЭС*и их суммарная мощность по субъектам РФ [3]
1
Научно-исследовательскими
разработками СЭС занимаются: ОАО «НПП Квант» и ВИЭСХ (ВИМ) (Москва); ФТИ им. А.Ф.Иоффе
(Санкт-Петербург); Самарский национальный исследовательский университет им. С.П.Королёва.
Проекты космических солнечных электростанций
(SSPS)
Общая
схема и проекты США. В 1968 г. П.Е. Глейзер
предложил конструкцию SSPS. Идея состояла в
развёртывании огромных солнечных батарей на основе кремниевых
фотопреобразователей (или фотопреобразователей из арсенида галлия), размещённых
на ГСО, затем преобразование электроэнергии в СВЧ излучение с помощью
передающей антенны. Выпрямляющая антенна (ректенна) на Земле должна принимать
энергию микроволнового излучения. Преобразование СВЧ энергии в постоянный ток
осуществляется в элементах, встроенных в ректенну.
За
инженерную реализацию идеи Глейзера взялись несколько крупных фирм США. Одна из
них – «Боингаэроспейс» намерена была довести «идею»
(какую из двух при двойном использовании??) до реализации, последовательно
совершенствуя проекты. Облик фрагментов конструкции из ранних проектов фирмы (1977 г) показан на рис.1[4].
Рис.1. Проект фирмы «Боинг» (1977 г.) [4].
Технологическая процедура реализации SSPS фирмы «Боинг»
(орбитальная часть) содержит следующие основные этапы.
1. С помощью тяжелых транспортных кораблей многоразового
использования (ТКМИ) на НОО создается технологическая платформа, на которой
осуществляется сборка отдельных крупногабаритных конструкций SSPS.
2. Межорбитальный транспортный многоразовый корабль (МТМК)
доставляет астронавтов – монтажников и оборудование для сборки SSPS с
технологической платформы на ГСО.
3. Электрореактивный межорбитальный транспортный корабль (ЭМТК)
доставляет крупногабаритные конструкции с НОО на ГСО для окончательной сборки SSPS.
4. Окончательная сборка SSPS, ремонт, отладка, подготовка к
эксплуатации подсистем, фокусировка и передача микроволнового пучка на
ректенну.
Из более поздних проектов SSPS следует выделить проект SPS-Alpha, предложенный компанией
Artemis Innovation Management Solutions (США). Проект был представлен на
встрече NASA Innovative Advanced Concepts 2012 руководителем проекта Дж.
Мэнкинсом [5]. По сути – это большая фазированная антенная
решётка с зеркалами, положение которых регулируется индивидуально. Структурным
элементом SSPS является гексагональная ферменная конструкция, на задней части
которой расположены фотоэлектрические панели, а с обратной
стороны размещены СВЧ-излучатели-передатчики, направленные в сторону Земли.
Следует заметить, что эта идея излагалась автором данной статьи намного раньше,
на ежегодных Гагаринских чтениях вначале 80-х годов прошлого века, а модель и
результаты оптимизация гексагональной ККК были опубликованы в журнале
«Космические исследования» в 1985
г. [6].
Проекты Японии. Япония
занимается исследованиями в данной области, начиная с 80-х годов 20 века. Для создания
SSPS объединились шестнадцать компаний, включая
Mitsubishi Heavy Industries, которые, в основном, повторяют американский опыт.Япония
рассматривает СВЧ-передачу электроэнергии по «базовому» и «прогрессивному»
методам[5]. В «базовом методе» используется большая панель (ККК) размером 2500
X 2375 м.
С одной стороны панели размещены фотоэлектрические преобразователи солнечной
энергии, с другой - СВЧ-излучатели, передающие энергию на Землю. «Прогрессивный»
метод отличается наличием двух зеркальных рефлекторов диаметром 2000 м, связанных с системой
двух генераторов солнечной электростанции и с панелью передачи СВЧ-излучения. Но
есть и оригинальный проект. На рис.2 представлен проект SunTower[5]. На рисунке «Башни» видны
круглые системы плёночных фотопреобразователей, балочные конструкции системы
ориентации солнечных фотопреобразователей и гексагональная СВЧ-антенна.
Рис.2. Японский проект Sun Tower
Но важно другое. В Японии
определена новая политика освоения космоса и утверждены планы проведения
исследований. И главное, принята и утверждена парламентом«Национальная
программа разработки и создания солнечной электростанции Японии (SSPS)» гигаваттного
класса к 2030 г.
На эти цели выделено $21 млрд из государственного бюджета Японии. Текущие планы
предусматривают поэтапное расширение исследований. Сначала будет
продемонстрирована наземная передача энергии в киловаттном диапазоне мощности. Далее
передача той же мощности из космоса. Исследования и эксперименты
предусматривают создание опытного образца космической энергетической системы в
диапазоне мощности в сотни киловатт, а к 2030 — в гигаваттном диапазоне [5, 7].
Китайская программа. Про программу
КНР известно мало из-за её «двойного» использования. Предполагаемую космическую
электростанцию (SSPS)
государственное агентство «Синьхуа» описывает как «космические супераппараты на
геостационарной орбите, оборудованные огромными солнечными батареями» [7]. Из доклада
Китайской академии космической техники следует, что китайские власти начали
финансирование этой программы еще в 2010 году. Китай планирует создать
экспериментальную орбитальную солнечную электростанцию мегаваттного уровня
мощности к 2030 году, а к 2050 году будет построена «экономически выгодная»
станция гигаваттного уровня. И ведь построят!
Отечественные разработки. Российские
ученые активно предлагали создаватьSSPS в середине 80-х годов прошедшего века.
Например, МИФИ и ЦНИИмаш неоднократно озвучивали отдельные результаты проектов
на ежегодных Гагаринских чтениях, МАИ и НПО имени
Лавочкина на Академических чтениях по космонавтике. Кроме проектов ЦНИИмаш и
НПО имени Лавочкина были предложены концептуальные проекты РКК «Энергия», ГНЦ
ФГУП «Центр Келдыша», проект МИРЭА.
Все проекты были выполнены с
разной степенью «проработки», тем не менее, решались и вполне конкретные
инженерные задачи [6 ,8]. Например, была предложена
модель оптимального проектирования [6, 9], которая применена к разработке
крупногабаритной (180 метровой) космической конструкции (ККК). На рис. 3
показан силовой каркас модели гексагональной ККК SSPS,
базовым (периодическим) элементом которой является тетраэдр, состоящий из
графитo-эпоксидных
стержней кольцевого сечения.
Рис. 3. Силовой каркас гексагональной ККК
Разработанная теория была
применена (надо сказать, довольно успешно) для решения задачи демпфирования
колебаний ККК и управления ККК на орбите. Экспериментальная проверка полученных
результатов[8], выполненная на малоразмерной модели (в наземных экспериментах,
см. рис.3), позволила установить их адекватность реальному поведению
управляемой конструкции и подтвердила эффективность системы демпфирования.
Проблемы, которые сегодня
необходимо решать. Из всего множества нерешённых проблем по
созданию SSPS ключевыми являются следующие:
·
Снижение стоимости вывода полезного груза на
орбиту. Целевой ориентир - $1000 за 1 кг полезного груза.
·
Увеличение эффективности преобразования
солнечной энергии в электроэнергию. Целевой ориентир - общий КПД (от солнечного
элемента постоянного тока к конечному съёму постоянного тока с ректенны) должен
быть более 50 %.
·
Изменение политики России в области солнечных
космических энергетических систем. Целевой ориентир – принятие государственной
программы по созданию SSPS и развитию сетевойназемной электроэнергетики,
включая СЭС.
Выводы
1.
Создание солнечных космических энергетических
систем, предназначенных для энергоснабжения орбитальных и наземных потребителей
из космоса, представляет собой реальную, технически выполнимую в настоящее
время задачу.
2.
Необходима государственная программа
поэтапного создания солнечных космических энергетических систем (СКЭС) в
России, как это сделано в Японии и Китае.
3.
Государственная программа должна реализовать
системный подход комплексного развития распределённой энергетики «двойного»
назначения (оборонной тематики и солнечнойэлектроэнергетической системы).
4.
Разработкой СКЭС заставить США сесть за стол
переговоров о подписании Международного соглашения (США, Россия, Китай) о
запрете размещения космического оружия.
Литература
1.Электронный ресурс:
https://zen.yandex.ru/media/solarnews/solnechnye-elektrostancii-v-kosmose-ispytaniia-novoi-sistemy-5ec6367a553f06318dc18b6c
2.Алексей Леонков, военный эксперт журнала
"Арсенал Отечества", 12 августа 2019/ https://zvezdaweekly.ru/news/t/2019851125-9hPL3.html
3. Развитие и реализованные проекты солнечной
энергетики в России. Обзор, опубликованный в журнале СОК №9, 2019, стр. 74-79.
https://www.c-o-k.ru/articles/razvitie-i-realizovannye-proekty-solnechnoy-energetiki-v-rossii
4. Гэтланд К., Шарп М., Скиннер Д. и др. Космическая техника.
М.: «МИР», 1986
5. О
концепции развития аэрокосмической энергетики в России на период до 2045 года.
Опубликовано в журнале СОК №10, 2016.
https://www.c-o-k.ru/articles/o-koncepcii-razvitiya-aerokosmicheskoy-energetiki-v-rossii-na-period-do-2045-goda
6. Сазыкин Б.В.
Многокритериальная оптимизация крупногабаритной космической
конструкции//Космические исследования. – 1985. – Т. 23, вып.1. – С.84-91.
7.Электронный
ресурс:
http://www.assemblingonspace.ru/2017/10/25/energeticheskie-ustanovki-na-orbite-solnechnye-elektrostancii/
8. Разработка и испытание
модели крупногабаритной конструкции: Отчет/ДНЕПРПРОЕКТСТАЛЬКОНСТРУКЦИЯ, - ОНИС
528, №86-3-380/31. – 1987.
9. Sazykin B.V. Sequential decision making in
multicriterial optimization of nonlinear systems// Philosophy of nonlinear control systems. –
Boston etc.: CRC Press,1990. – P. 370-390.