Валерий Родиков - Приключения радиолуча

Есть в околоземном космосе замечательная орбита. Называют ее стационарной или геостационарной. Находится она на расстоянии примерно 36 тысяч километров от Земли. Спутник на этой орбите будет перемещаться с такой же угловой скоростью, с какой вращается наша Земля вокруг своей оси, и потому для земного наблюдателя он будет казаться неподвижным. Свойство это, кстати, очень полезно для целей связи. С помощью трех спутников, размещенных на стационарной орбите, можно, в принципе, организовать глобальную всемирную связь. Советские связные спутники «Радуга», «Экран», «Горизонт» уже несут на ней рабочую вахту. Правда, выводить космические аппараты на такую орбиту непросто. Например, чтобы вывести связной спутник на стационарную орбиту с территории нашей страны, нужна ракета такая же мощная, как для полета к Луне. Поэтому стационарные спутники запускаются ракетой-носителем «Протон», которая используется и для запуска почти двадцатитонных «Салютов».

Для солнечных электростанций, размещенных на стационарной орбите, Солнце будет сиять все 24 часа в сутки на протяжении почти всего года. Исключение составят небольшие периоды времени вблизи моментов весеннего и осеннего равноденствий, когда солнечная электростанция окажется в тени Земли примерно на 72 минуты в сутки. В среднем за год такие затемнения приведут к снижению солнечной энергии, получаемой станцией, всего на один процент. К тому же в районе наземного приемного пункта во время затенения будет полночь, следовательно, и потребность в энергии минимальная.

Если на стационарной орбите разместятся несколько электростанций, они будут тоже затенять друг друга некоторое время. Но оно невелико: около 15 минут в 6 и 18 часов по местному времени. Такие перерывы в получении энергии точно предсказуемы, их можно учесть при распределении нагрузки электросети, что позволит обойтись без создания резервных запасов энергии.

Солнечные электростанции можно размещать и на других орбитах, но геостационарная по уже упоминавшейся причине подходит больше всего. Кроме того, эта орбита довольно емкая: на ней можно поместить множество станций, не опасаясь, что они столкнутся. Например, если на стационарной орбите равномерно расположить 300 станций, то на каждую придется средний объем примерно в миллиард кубических километров. Так что вероятность их столкновения ничтожна. В космических проектах гелиостанций, так же, как и в наземных, конкурируют в основном два типа преобразователей солнечной энергии в электрическую — фотоэлектрические и теплоэлектрические.

Нельзя сказать, что окончательный выбор относительно варианта преобразователя солнечной энергии в электрическую уже сделан. Но все-таки некоторое предпочтение отдается фотоэлектрическому методу: ведь солнечные батареи в космосе надежно зарекомендовали себя. Например, солнечное «сердце» «Салюта-6» снабжало станцию энергией на протяжении всего времени ее существования на орбите (4 года 10 месяцев). Три крыла батареи «Салюта-6», автоматически поворачивающиеся за Солнцем, обеспечивали максимальную мощность энергопитания — 4,5 киловатта. На теневой стороне Земли работала аккумуляторная батарея, которая на свету подзаряжалась от солнечной электростанции.

В отличие от «Салюта-6» для солнечных электростанций на геосинхронной орбите, где Солнце практически никогда не заходит, аккумуляторные батареи не нужны. Какой представляется ученым космическая солнечная электростанция? По одному из проектов, это две прямоугольные решетки длиной шесть и шириной пять километров каждая. Они соединены между собой несущей конструкцией из непроводящего материала. На решетках помещаются зеркала концентраторов (расположенных в форме желоба), а между ними — кремниевые солнечные батареи. Зеркала-концентраторы направляют падающие на них солнечные лучи на кремниевые элементы и тем самым повышают интенсивность солнечного потока. Использование зеркал удешевляет станцию, поскольку они дешевле солнечных элементов. С течением времени под воздействием радиации солнечные батареи деградируют, их коэффициент полезного действия падает. Согласно оценкам, суммарная степень деградации на 30 лет работы составит 20 процентов. Чтобы компенсировать уменьшение мощности, прямоугольные решетки можно наращивать новыми секциями со «свежими» кремниевыми элементами или производить постепенную замену сильно «постаревших» элементов. С такой солнечной «плантации» можно «снять» 8,6 миллиона киловатт мощности. Для сравнения: мощность Братской ГЭС около 4,1 миллиона киловатт.

Но получить в космосе электроэнергию — можно сказать, еще полдела. Вот как передать ее на Землю? Пока не создан материал, пригодный для провода, который можно было бы протянуть на высоту 36 тысяч километров. Если опускать с орбитальной станции самый прочный стальной трос, то он оборвется уже через 48 километров под действием собственного веса. Ученые считают, что лучше всего для передачи электроэнергии с орбиты использовать радиоволны: как в линиях радиосвязи. Только передавать радиоволны будут не информацию, а энергию. Идея передачи энергии с помощью радиоволн сверхвысоких частот разрабатывается довольно бурно. Во многом большой прогресс, достигнутый в этом вопросе за последние годы, объясняется тем, что почти все компоненты для создания такой системы передачи энергии уже имелись в наличии. Их заранее подготовила радиоэлектроника. В настоящее время существуют линии электропередачи с помощью радиоволн, КПД которых превышает 50 процентов. Ожидается, что при использовании более совершенных приборов КПД достигнет 70 процентов.

Как же устроена радиолиния для передачи электроэнергии? Солнечные батареи преобразуют энергию солнечного света в постоянный ток, который подводится к генераторам колебаний сверхвысоких частот, то есть служит для них источником электропитания. Генераторы преобразуют постоянный ток в колебания сверхвысоких частот.

Техника генерирования и усиления колебаний этого диапазона частот хорошо освоена промышленностью и интенсивно развивается и совершенствуется. Например, в США ежегодно производится более миллиона сверхвысокочастотных приборов на общую сумму полмиллиарда долларов. На сегодняшний день известны свыше тысячи типов приборов для генерации радиоволн, мощность каждого из которых превышает несколько киловатт, но пока наиболее подходит амплитрон — прямой «родственник» прибора, с которого, можно сказать, и началось широкое использование радиолокации…

Во время второй мировой войны американская фирма «Белл» не раз помещала на страницах журналов один и тот же рекламный снимок: часовой с винтовкой охраняет ящичек с большими сургучными печатями. Внизу подпись: «Тут хранится самая большая тайна этой войны». В 1946 году фирма опубликовала снимок с содержанием ящичка. В нем лежал магнетрон — прибор, который имел действительно большое военное значение. Без него не могли бы эффективно работать радары тех лет. Однако тайной магнетрона владели не только Англия и США. Его изобрели и впервые использовали в нашей стране. В 1924 году в Харьковском университете под руководством и по предложению профессора Д. А. Рожанского его учениками начались работы, которые привели к созданию магнетрона. Об этих исследованиях и их результатах сообщил журнал Русского физико-технического общества в 1925 году. Впоследствии харьковские ученые создали экспериментальный радиообнаружитель «Зенит», который был первой радиолокационной станцией, определявшей три координаты цели, что очень важно для управления стрельбой зенитной артиллерии. Испытывался «Зенит» в боевых условиях в 1941 году, защищая небо столицы. Своей трехкоординатностью «Зенит» обязан магнетрону. Он генерировал короткие, дециметровые волны, и при сравнительно небольших размерах антенны можно было определять не только азимут, но и высоту цели (а точнее, связанный с нею угол места цели). В других радиолокаторах, созданных в то время в нашей стране и за рубежом, в качестве передатчиков использовались триодные лампы, которые генерировали более длинные — метровые волны. Поэтому локаторы не могли определять третью координату — высоту цели. Слишком велик должен был быть вертикальный размер антенны.