Краффт А. Эрике «Будущее космической индустрии»

На всем протяжении своей истории человек пользовался космическим светом: его двумя главными источниками всегда были прямой солнечный свет и отраженный свет Солнца. Среди прочих благодеяний дневного света важнейшую роль играет обеспечение производства пищи. Лунный свет также всегда был важным фактором во множестве видов ночной деятельности человека. Однако вариации света — как дневного, так и ночного — были и остаются неподвластными человеку. Для компенсации этого и чтобы вообще видеть ночью, все более изощрявшееся человечество привлекало факелы, лампы (светильники) на жидком и газообразном топливе и, наконец, электросветильники.

Сегодня космическая техника подвела человека к порогу, за которым открывается возможность установки в космосе своих собственных рефлекторов для отражения солнечного света. Таким способом можно освещать районы, хотя и небольшие сравнительно со всем Земным шаром, но по обычным нормам — огромные; при этом освещенность может произвольно изменяться от эквивалентной одной полной Луне до во много раз превосходящей интенсивность солнечного освещения.

Сегодняшнее человечество испытывает потребность в освещении, превосходящую все, что было когда-либо раньше; в целях ocвещения мы потребляем столько энергии за один лишь год, сколько ее использовано за весь предшествующий исторический период. И в обозримом будущем вряд ли можно ожидать снижения темпов роста потребности в освещении.

5.1 ОБЩЕРОДОВАЯ ПРОГРАММА «КОСМИЧЕСКИЙ СВЕТ»

Ниже мы приводим общеродовую программу «Космический свет» с учетом принятых ранее принципиальных критериев оценки. Эту общеродовую программу можно подразделить на три субродовых программы, представляющих собой три ключевых линии: низкий уровень освещенности, для ночного освещения (Лунетта); высокая освещенность (до половины яркости, даваемой Солнцем), для стимуляции фотосинтеза (Солетта); и, наконец, очень высокий уровень освещенности (равный солнечной). В последнем случае в некоторой заданной области на поверхности Земли создаются условия, которые имели бы место на планете, обращающейся вокруг центрального светила с удвоенной яркостью (это можно трактовать и так: в дайной планетной системе вместо одной звезды имеются две — поэтому такая ситуация и названа «двухзвездной экологией»). Соответственно упомянутые субпрограммы можно обозначить как А, В и С.

Рассматривая программу В (фотосинтезная Солетта), необходимо принять во внимание следующие обстоятельства.

Требуется длительное время, чтобы в большинстве развивающихся стран поднять на современный уровень их сельское хозяйство (что требует не только денег, но и энергии), т.е. образовать их фермеров, преодолеть глубоко укоренившиеся отсталые традиции и предрассудки, создать эффективную инфраструктуру (транспорт, хранилища, коммуникации, кредит и т.п.). Климат в этих странах способствует быстрому росту популяций насекомых и грызунов; таким образом, рост урожая дает толчок к размножению вредителей, которые и успевают уничтожить значительную долю урожая (подчас сводя на нет смысл его увеличения). Страны с умеренным и прохладным климатом, располагающие современными методами ведения сельского хозяйства и достаточными запасами воды, способны обеспечить менее зараженный вредителями урожай и реагировать быстрее и эффективнее на увеличение продуктивности фотосинтеза.

В случае развития тенденции к ухудшению погодных условий в важнейших сельскохозяйственных районах Земли, фотосинтезные Солетты приобрели бы жизненно важное значение для всех стран. Все современные методы увеличения производства пищи зависят от локальных условий. Так называемая «зеленая революция» в Индии быстро сошла на нет из-за одной лишь жесточайшей засухи в 1972 г. Солетта обладает возможностью перенацеливать свою радиационную энергию в данные годы именно в те регионы, где интегральные климатические условия обеспечивают максимальную эффективность. В одни годы это может быть та же Индия, а в другие — Канада и т.д.

Конечно, фотосинтезная Солетта — это довольно экзотическое решение. Но ничто не может помешать нам в исследовании ее эффективности и ее общих возможностей.

Общеродовая программа «Космический свет»

Возникают два вопроса: 1) почему наш взгляд обращается в космос, когда на Земле все еще немало природных источников энергии, в том числе ископаемого горючего, запасы которого не так уж малы — особенно в СССР? 2) Какие полезные вклады в наземную энергетическую ситуацию может дать использование космических энергоисточников?

Ответ на первый вопрос четко определяется экономическими и социальными соображениями. Нет никаких сомнений в том, что индустрия нужна в первую очередь для обеспечения роста благосостояния людей. Во-вторых, она дает возможность проявиться творческим устремлениям каждого человека.

И для того, и для другого необходим определенный энергетический базис.

Однако экономические реалии настоятельно вынуждают в первую очередь использовать наименее дорогие энергоисточники — по крайней мере, до тех пор, пока совершенствование методов добычи топлива и генерации энергии не продвинется настолько, что технически более перспективные энергоисточцики станут и экономически эффективными. Следовательно, космические эпергоисточники должны экономически не уступать наземным. Более того, стоимость их использования в космосе для различных видов космической деятельности должна быть как можно ниже, чтобы снизить общую стоимость космических операций. Однако соревнование космических знергоисточников с наземными должно включать не одни затраты, но также экологические факторы и землепользование. Последнее менее важно в больших странах с относительно невысокой плотностью населения, таких, например, как СССР или Канада, но это обстоятельство может приобрести первостепенное значение, если речь идет о Центральной Европе.

Интерес к рассмотрению космических энергоисточников вызван еще и тем, что они способны в будущем обеспечивать такие возможности, значение которых будет непрерывно возрастать.

Отвечая на второй вопрос, рассмотрим сегодняшний сценарий развития наземной энергетики (табл. 5). Он дает три широких альтернативы: а) повышение эффективности энергоиспользования; б) развитие существующих источников и методов генерации энергии, т. е. стимуляция увеличивающейся добычи ископаемого горючего и успехи в развитии атомной энергетики; в) развитие новых технологических принципов и открытие новых ресурсов.

Из табл. 5 следует, что космическая техника способна дать вклады при любой из трех альтернатив. Если будет принято первое направление, то наиболее важный вклад выливается в расширение высококачественных звуковых и видеокоммуникационных радиорелейных линий через спутники-ретрансляторы информации. При втором направлении, космос дает вклады в развитие наземных устройств (которые необходимо совершенствовать в рамках концепции по второй альтернативе). Использование ИСЗ для географического и топографического картирования позволит открыть новые месторождения горючих материалов. Производство в космосе карбида .вольфрама дает более гомогенное смешение компонентов (за счет нулевой гравитации), что повышает прочность, износостойкость и сопротивляемость коррозии сделанных из этого сплава буровых головок, клапанов, золотников и т. п. За счет этого повышаются экономичность бурения, работоспособность и надежность систем управления, перекачки жидкостей и газов и т. п. Третье направление — производство в космосе высококачественных термостойких сплавов — позволит улучшить термомеханические характеристики лопаток турбин для авиационных двигателей и стационарных наземных газовых турбин. Создается возможность повышения Функциональных температур* на 50—100° С, что, в свою очередь, повышает эффективность цикла Карно, снижая тем самым расход топлива, и выброс тепла (тепловое загрязнение атмосферы).

В рамках третьей альтернативной концепции космические вклады относятся к солнечной энергии и к энергии термоядерных реакторов. Здесь опять-таки расширение использования солнечной . энергии на поверхности Земли может стимулироваться за счет космического производства высококачественных солнечных батарей. Кроме того, солнечная энергия может «импортироваться» на Землю из космоса с помощью солнечных рефлекторов или же путем микроволнового излучения, генерируемого в космосе в результате предварительного перевода солнечной энергии в электрическую. Наконец, космическая среда весьма благоприятна для функционирования термоядерных реакторов, использующих магнитные системы удержания плазмы так же, как и для пульсирующих силовых реакторов без магнитного удержания.

Итак, действительно в сценарии развития наземной энергетики содержится широкий спектр применения космических энергоисточников — от питаемых космической энергией спутников прикладного назначения и использования солнечной энергии для производства в космосе разнообразных новых товаров до передачи солнечной или термоядерной энергии из космоса на поверхность Земли и использования термоядерной энергии в космосе — с целью уменьшения нагрузки наземной энергетики.

Солнечная энергия и ее изначальный источник — термоядерная энергия — эти два фундаментальных энергоисточника в космосе — находятся в пределах наших технологических возможностей сравнительно близкого будущего. Энергия требуется и в космосе (орбиты, Луна), и на Земле. В последнем случае наиболее важными электромагнитными режимами для ее передачи являются: видимый свет и микроволновый диапазон. В видимом участке спектра солнечная энергия отражается к Земле в целях освещения и повышения продуктивности фотосинтеза (используя растения и планктон для перевода электромагнитной энергии в химическую). Микроволновая трансляция может оказаться в ряде случаев более удобной — когда потребителю на Земле нужен в конечном счете не свет, а электроток; такая передача является многоступенчатой: сначала солнечная радиация (или термоядерная энергия) в космосе преобразуется в электричество (например, с помощью солнечных батарей); затем электроток генерирует излучение сверхвысокой частоты (в микроволновом диапазоне), которое фокусируется в тонкий силовой луч с помощью антенны — фазированной решетки; затем СВЧ-луч, достигший поверхности Земли, приемными устройствами переводится обратно в электроток.

5.3 ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Солнце — практически неисчерпаемый источник света и энергии. С его помощью можно освещать, создавать биомассу, генерировать электрическую и механическую энергию, производить жидкий водород или искусственные углеводороды (последний процесс можно было бы назвать «техническим фотосинтезом»). Солнечная энергия — один из трех корней жизни (другие два — наличие воды и и углекислого газа), следовательно, солнце — основополагающая интегральная часть окружающей среды. Средняя ежегодная инсоляция Земли почти в 18 000 раз превышает сегодняшнее энергопотребление всего человечества*. Даже для таких районов с высоким уровнем индустриального энергопотребления и низкой инсоляцией, как Центральная Европа, ежегодная солнечная иррадиация превосходит общее энергопотребление примерно в 50 раз.

Но инсоляция подвержена большим суточным и сезонным колебаниям. Солнечный свет особенно ненадежен на больших широтах (как на Севере, так и на Юге Земли), где он неустойчив и действует недолго.

Генеральная цель любой системы космического освещения—передать солнечный свет в некоторые избранные области на ночной стороне Земли. Эта концепция впервые предложена немецким пионером космонавтики, профессором Г. Обертом. Автор, будучи учеником и другом проф. Оберта, изучал новые приложения космического освещения в течение многих лет. Помимо ночного освещения, автором развиты две новых области применения: генерация энергии для достижения почти непрерывного функционирования (с постоянной нагрузочной способностью) наземных силовых станций, а также производство пищи. Рассмотрены и многие другие альтернативы. Результаты этих работ изложены ниже.

Основное внимание уделено осветительной системе, названной Лунеттой, и двум разновидностям Солетты:

В₁ — Энергосолетта — передача солнечной энергии для питания наземных солнечно-электрических силовых станций ночью, в дополнение к их функционированию от непосредственной солнечной энергии в течение дня.

В₂ — (или собственно В) — Биосолетта — передача радиационной энергии и тепла с целью повышения продуктивности фотосинтеза (увеличение производства пиши) и регулировки локальных температурных вариаций (например, для предотвращения ночных заморозков).

(«Двухзвездная экология» на сегодня мало изучена, но то, что о ней можно сказать, будет сказано в соответствующем месте).

Прежде чем детально анализировать названные частные цели и соответствующие им системы, можно рассмотреть их некоторые общие характеристики, относящиеся к любым устройствам космического света, а именно: орбиты, размеры и массы устройств, а также осветительную оптику.

Поскольку используемые дистанции отражения велики, единичный рефлектор практически может рассматриваться как точечный источник света. Солнечная радиация сходится на нем в одну точку при угле ß, равном видимому угловому диаметру Солнца (32'= 0,0093 рад), как показано на рис. 18. Отраженный луч, в свою очередь, расходится при том же самом угле, если рефлектор почти плоский (фокусное расстояние примерно равно высоте). Он должен быть чрезвычайно ровным и гладким (отклонение от идеальной отражающей способности менее 2 мрад и плоское отражение); в противном случае диаметр светового пятна будет увеличиваться из-за размывания отражения.

Рис. 18. Зависимость диаметра светового пятна от расстояния
рефлектора до поверхности Земли (Iорб = 2; 3; 4; 6; 12 и 24 ч)

Следовательно, диаметр отраженного светового пятна возрастает с увеличением расстояния между рефлектором и экраном (роль которого в данном случае играет поверхность Земли), независимо от площади рефлектора. Вертикально под рефлектором диаметр светового пятна имеет минимальный размер*. По мере отклонения от подспутниковой (или иначе, субсателлитной) точки круговое световое пятно превращается в эллиптическое (рис. 18). Наименьший радиус bо возрастает с увеличением дистанции y>yо и становится малой полуосью эллиптического пятна b = 0,0093 y/2, в то время как большая полуось растет:

где e — угол подъема рефлектора над горизонтом наблюдателя, помещающегося в центре эллипса (светового пятна).

На рис. 18 показаны соотношения между bо и yо, а также b и y и даны значения минимальной площади светового пятна Ао в подспутниковой точке для геостационарной и субсинхронной орбит. С помощью отклонения светового луча в каком-либо направлении от подспутниковой точки, так что угол подъема рефлектора над горизонтом (в центре светового пятна) изменится от 90° до текущего значения e, можно увеличить площадь пятна согласно следующему выражению:

Освещенность горизонтальной площадки определяется несколькими параметрами:

где I' — освещенность горизонтальной площадки на поверхности Земли солнечным светом (непосредственно Солнцем); r — зеркальная отражающая способность рефлектора (в дальнейшем принято: для алюминиевого покрытия r = 0,9; для натриевого покрытия, выполненного в космосе, r = 0,98);

К — общий коэффициент поглощения и отражения Солнца облаками; Ar — площадь отражающей поверхности рефлектора; Ai— площадь отраженного светового пятна; a — угол между падающим (на рефлектор от Солнца) и отраженным от рефлектора световыми лучами; e — угол подъема рефлектора над горизонтом, наблюдаемым из центра горизонтального отраженного пятна (на поверхности Земли).

где I¤ — константа солнечного освещения (I¤ = 13,67 лм/см² = 136700 лк в космосе); Ко — общий коэффициент поглощения и отражения в ясной атмосфере [Ко =f(e)].

Принимая в расчет поглощение и отражение молекулами сухого воздуха, пылью и парами воды при длине пути светового луча в атмосфере около 100 км, получим среднее значение Ко @ 0,79.

Следовательно, приведенное опорное значение величины освещенности поверхности Земли Солнцем соответствует яркости Солнца при высоком подъеме (внутри диапазона углов в 40° от зенита; e ≈ 50°).

Коэффициент К для разных районов может изменяться в широких пределах. Однако при высоком подъеме облачный покров очень резко снижает уровень освещенности от Солнца или Луны — до 10% максимального уровня. Обычно даже очень плотный облачный покров все еще пропускает от 15 до 20% от освещенности при ясном небе. Следовательно, малую облачность можно компенсировать путем увеличения размеров рефлекторной системы в семь раз, доводя уровень освещенности до того, который считается приемлемым при ясном небе. Иначе говоря, тучи являются серьезным, но вовсе не непреодолимым препятствием.

На рис. 19 показано, как меняется угол a между 90 и 0° для рефлектора на геостационарной орбите, посылающего световой луч в свою подспутниковую точку (e = 90°). Для субсинхронных орбит, на которых рефлектор восходит над местным горизонтом данной точки земной поверхности и заходит за горизонт, угол a может достигать значений, превосходящих 90°.

Поскольку количество отраженного света пропорционально cos(a/2), рефлектор на геостационарной орбите, находясь над терминатором при сумерках и рассвете, создает освещенность в подспутниковой точке порядка 71% от максимума.

По мере течения ночного времени плоскость рефлектора непрерывно поворачивается в направлении движения. В точках первой и последней четверти ночной дуги a уменьшается до 45°, а уровень освещенности повышается до 92%. В полночь рефлектор номинально обращен лицом к Солнцу, a=0 и достигается максимум освещенности (рис. 19).

Таким образом, в течение всех безоблачных ночей рефлектор на геостационарной орбите будет освещать данную область земной поверхности с 71%-ной и более высокой яркостью. Для половины безоблачной ночи яркость рефлектора составляет 92% от максимальной. Это делает рефлектор данных размеров значительно более эффективной осветительной системой, чем настоящая ночная. Луна или Солнце; рефлектор обеспечивает примерно на 23% большую иллюминацию, чем любое другое небесное тело равной светимости*. Фактически, из-за ее фаз, вариаций ее сезонного угла, подъема и удлинения пути лучей через атмосферу вблизи горизонта (при безоблачной, разумеется, погоде) минимум лунной светимости (соответствующий вышеназванным 71,%! максимальной величины для рефлектора на ГСО) составит всего лишь 2·10^-3 (0,2%) от максимальной номинальной светимости Лупы (0,107 лк); и для половины всех ночных часов в год (при условии, что все они будут безоблачными) освещение Луной даст чуть более 5% от максимальной номинальной освещенности (сравните с 92% для рефлектора). На рис. 19 внизу показаны зависимости относительной освещенности горизонтальной поверхности на Земле рефлектором на ГСО, Солнцем или рефлектором на субсинхронной орбите, а также Луной — при всегда безоблачном небе — в зависимости от процента ночных или дневных часов, в течение которых данная относительная освещенность достигается или превосходится.

Геометрическая форма светового пятна с площадью Ai определяется формой рефлектора, особенно, когда речь идет о субсин-хрошюй орбите. Если рефлекторная система состоит из множества отдельных частей равных размеров, распределенных друг за другом по орбите, и если каждая часть освещает свою собственную подспутниковую точку, то тогда световое пятно будет иметь размеры ßy·nrßy = nr(ßy)², где nr — количество рефлекторов. Если же распределенные друг за другом по орбите частные рефлекторы наклонены так, что все фокусы световых пятен от каждого рефлектора совмещены с центром пятна (подспутниковой точкой) среднего в цепочке рефлектора, то тогда суммарное световое пятно будет приблизительно круговым, даже в том случае, когда элементарные рефлекторы — квадратные. Для кругового пятна:

где r — радиальное расстояние рефлектора от центра Земли (радиус—вектор орбиты рефлектора); rоо — средний радиус Земного сфероида (rоо = Rз = 6378 км).

Отношение Ar/Ai в уравнении (2) показывает, что плотность освещенности пропорциональна площади рефлектора. В дополнение к таким единицам освещенности, как люкс, может оказаться полезным использовать как единицу освещенности «Солнце» (I'¤ = S = ПС) или «Луну», соответствующую освещенности одной полной Луной при высоком подъеме и при безоблачном небе (одна «Селена» = 1s = ПЛ)*.

При ß = 0,0093; r = 0,9; a = 0°; e = 90°; К=1 и с учетом уравнения (4), можно записать уравнение (2) в солнечных единицах ПС:

и с учетом уравнения (5) —в лунных единицах (ПЛ = s)

(7)

Для r = 0,98 коэффициенты в приведенных уравнениях нужно увеличить в 1,0889 раз; для a = 60° их следует умножить на 0,866; и для e = 60; 40 и 30° соответственно на 0,866; 0,643 и 0,5.

Интенсивность освещения в подспутниковом пятне (в единицах ПЛ и ПС) на рис. 20 представлена как функция отражающей площади для круговых орбит различного сидерического периода**. Как видно, площадь рефлектора, потребная для данного уровня освещенности, может быть существенно уменьшена (по сравнению с ГСО), если использовать субсинхронные орбиты. Фактически, площадь рефлектора на 12-ти часовой орбите уменьшается до 32% от площади, потребной при размещении рефлектора на геостационарной орбите, при равном уровне освещенности. На 3-часовой орбите достаточно всего 1,36% от площади рефлектора на ГСО. Масса рефлектора уменьшается примерно в той же пропорции. Так же снижаются и транспортные расходы на доставку грузов с околоземной орбиты на данную субсинхронную орбиту. Рис. 20 основан на показателях, учитываемых в уравнениях (6) и (7).

Рис. 20. Зависимость освещенности от площади рефлекторной системы
(1 ПС =108 000 лк; 1 ПЛ = 0,1076 лк)

Рефлектор на субсинхронной орбите находится в пределах видимости из данной области земной поверхности лишь временно: он восходит и садится. Если пренебречь вращением Земля, то местоположение всех точек горизонта для рефлектора, рассматриваемого из центра некоторой заданной «обслуживаемой области» (например, города или силовой электростанции), будет представлять собой круг с диаметром 2qо, где (см. рис. 18) qо — угол между; радиусами Земли, включающим подспутниковую точку и включающим точку земной поверхности, соответствующую отклонению угла зрения из обслуживаемой области на рефлектор (относительного местного горизонта) до e = 0

Но вблизи горизонта рефлектор не очень эффективен и, сверх того, накрывает (световым пятном) наземные области, освещение которых может быть нежелательно. Для e > 0° и Ai/Aо по уравнению (1) получим:

Диаметр круга 2q меньше, чем 2qо. Рефлектор остается внутри круга 2q (или 2qо) в течение периода (в часах):

где 2q sin (Ф/2) — длина хорды орбиты, прокладываемая поперек круга диаметром 2Q, а угол y — угол между треком орбиты и движением к востоку вращающейся поверхности Землл (0°£y£90°) (объяснение этих величин см. рис. 18). Для Ф=180° и y=0° время наблюдения рефлектора, когда он находится выше угла подъема e, становится максимальным:

Непрерывное освещение обслуживаемой области в пределах данного круга может быть организовано с помощью цепочки рефлекторов или роев (гроздей). Число рефлекторов (гроздей рефлекторов) определяется выражением:

Рефлекторы распределяются вдоль по орбите при средней дистанции в (360/nс)°. Например, для трехчасовой орбиты (r = 1,656), e = 30°, Ф=160° и y = 20° получается: (Ai/Aо)30° = 3,86; q = 28,469°, t20 =0,53 ч; nс = 5,42 при разделительной дистанции в 66,4°. Нечетное число гроздей означает, что «первый» и «последний» рои должны быть расширены в 1,21 раза и «растянуты» примерно на 3,2° по направлению друг к другу, за пределы дистанции в 60°, разделяющей «промежуточные» рои.

Таким образом, с одной стороны, на субсинхронных орбитах потребна меньшая отражающая поверхность, чем на геостационарной, но с другой стороны, на субсинхронной орбите требуется множество рефлекторов с необходимой отражающей поверхностью. Тем не менее даже при числе роев более пяти общая площадь всех рефлекторов на трехчасовой орбите составит всего 7,37% от потребной отражающей поверхности рефлектора на геостационарной орбите. Следовательно, общая масса рефлекторов на трехчасовой орбите будет значительно меньшей, чем у единственного большого рефлектора на ГСО.

Чем ниже орбита, тем чаще она проходит через тень Земли, исключая возможность использования рефлектора; «период затмения» с уменьшением высоты орбиты удлиняется. Эти «периоды» сосредоточены около точек весеннего и осеннего равноденствия, где рефлектор проходит через максимальный диаметр земной тени и поэтому там продолжительность «затмения» наибольшая На экваториальной четырехчасовой и более низких орбитах сезон «затмений» растягивается на весь год.

Период «затмений» может быть уменьшен, если орбиту наклонить относительно экватора. Кроме того, наклонение орбиты желательно, если необходимо освещать области, расположенные на высоких широтах. Это применимо и к геостационарной орбите. На рис. 21 показан пример использования трехчасовой орбиты для освещения мегалополиса — области Бостон — Вашингтон; второй пример относится к выбору трехчасовой орбиты для освещения Москвы.

Рис. 21. Траектории Энергосолетты дли Западной Европы, СССР и Северной Америки (1—5— номера трасс)

В случае освещения района Бостон — Вашингтон орбита наклонена к экватору на 50°. Область, осматриваемая с орбиты от горизонта до горизонта (e » 0°), показана большим кругом. Полезно освещаемая область может быть принята соответствующей просматриваемой поверхности при угле подъема не менее 30° (малый круг). Трехчасовая орбита проходит через полезно освещаемую область в течение пяти витков. Но только во втором и в четвертом проходах рефлектор направляется поперек* обслуживаемой области при высоком подъеме (время прохода, исходя из синодического периода в 3,43 ч, составит около 0,43 ч). Чтобы обеспечить непрерывное освещение, рефлекторы должны сменять Друг друга без пропусков: когда один отражатель (рой) покидает полезно освещаемую область, следующий должен входить в нее. При синодической угловой скорости на орбите порядка 105° в час рефлекторные рои должны быть распределены на дистанциях порядка 45° вдоль орбиты, что соответствует в целом 8 отражателям (роям). Когда «первый» рой трассы № 2 появляется снова над обслуживаемой областью, он следует по трассе № 3, а затем — по трассе № 4. На трассе №5 (так же, как и на трассе №1) качества осветительной системы ухудшаются (освещенность слабеет), и может потребоваться дополнительная орбита, чтобы выдержать требования к освещенности. Это означает, что желательно иметь рефлекторы на двух орбитах с углом между их плоскостями около 60°, чтобы рефлекторы на трассах №№ 1 и 3 проходили над обслуживаемой областью одновременно. Тогда не только рои на трассах № 1 и № 3, но и на трассах №№ 2 и 4 и 3 и 5 встречаются одновременно, обеспечивая высококачественное освещение в течение всей ночи. Для этого потребно всего 16 рефлекторов (роев).

Приведенные условия подходят для случая Москвы, если речь идет о прямой орбите*.

Однако наклоненные (при i<90°) прямые орбиты прецессируют** в западном направлении вдоль экватора. Трехчасовая орбита с наклонением в 50° прецессирует со скоростью 1° в день (точнее на 1,1° за каждые восемь сидерических витков). Другими словами, после 163 дней (180°/v; v=1,1°/сут) трасса № 1 на рис. 21 превратится в трассу № 5. Двухорбитная система в ходе прецессии выходит из полезно освещаемой области. Если освещение должно быть непрерывным, то придется включить вторую пару орбит, дающих трассы № 4 и № 2, которые спустя 136 дней превращаются в трассы № 1 и № 3. Следуя другому 136-дневному циклу, первоначальная пара орбит вернется в пределы кругозора. Таким образом, четыре орбиты, с восемью рефлекторами (роями) на каждой, требуется для гарантии непрерывного и высококачественного обслуживания полезно освещаемой области. Из этого вытекает, что западная прецессия ухудшает использование рефлекторной системы, если только она не обслуживает несколько областей. В последнем случае ряд прямых орбит, наклоненных к экватору на угол, меньший прямого, прецессирует от одной обслуживаемой области к другой — в одном или же в обоих полушариях. Такой подход может существенно повысить эффективность использования рефлекторов, снижая одновременно затраты для потребителей космического освещения, живущих в отдельных обслуживаемых областях. Для тех осветительных систем, которые предназначены для обслуживания только одной освещаемой области (или, возможно, двух — каждая в своем полушарии), потребность в дополнительных орбитах для компенсации прецессии может быть исключена с помощью двух альтернативных решений. Первое состоит в следующем: замедлить скорость прецессии настолько, чтобы орбита не выходила за пределы полезно освещаемой области в течение всей функциональной жизни системы. Другая альтернатива — сделать работу прецессии благоприятным фактором. Для этого нужно использовать орбиту с восточной прецессией.

Функциональная жизнь рассматриваемой осветительной системы с учетом всех ремонтов может продолжаться от 30 до 60 лет или несколько больше, прежде чем возникнет необходимость в ее полной замене. Диаметр полезно освещаемой области (2q) колеблется в пределах от около 40° для трехчасовой орбиты до примерно 80° для геостационарной орбиты. Следовательно, скорость прецессии должна быть менее одной сотой градуса в день, что требует наклонения орбиты почти в 50° даже при высоте орбиты, соответствующей геостационарной; для более низких орбит наклонения должны быть еще большими (более 80°). Но эти наклонения во многих случаях несовместимы с функциональными требованиями к осветительным системам.

Однако в ограниченном диапазоне высот прецессия может выполнять благоприятную работу, делая прецессионное движение орбиты свободным относительно данной обслуживаемой области. Это справедливо, например, для орбиты, движущейся против вращения Земли над Москвой (см. рис. 21).

При наклонениях, превосходящих 90° (ретроградные орбиты*), прецессия заставляет орбиту дрейфовать в восточном направлении. Если угловая скорость прецессии составляет 0,986° в день, то орбита является солнечно-синхронной (то есть солнечный день для соответственно наклоненной орбиты настает в обслуживаемой области в то же самое время в течение всего года).

С этим решением связаны два неудобства. Одно из них — высокие энергопотребности (более высокие затраты на доставку платной нагрузки) при выведении на орбиту. Этот расход невелик сравнительно с экономией благодаря возможности устанавливать только один рефлектор для данной обслуживаемой области вместо двух рефлекторных установок. Вторая неприятность заключается в том, что солнечно-синхронная прецессия неосуществима для орбит с четырехчасовым периодом и более высоких из-за ослабления гравитационных аномалий пропорционально квадрату расстояния от центра Земли, Но она (солнечно-синхронная прецессия) доступна в районе благоприятной трехчасовой орбиты.

На рис. 22 показана зависимость угловой скорости вращения в восточном направлении (—v) от наклонения для ретроградных орбит. Значение, присущее солнечно-синхронной орбите, v = —0,986° в день*, достигается только на двухчасовой и на трехчасовой орбитах. Для более высоких орбит наибольшая скорость прецессии прогрессивно снижается. Конечно, даже при величинах v = —0,85° в день или меньше, время** Тl,, потребное для прохода за счет прецессии через заданный диапазон ∆l = 20, сильно растянуто сравнительно с прямой орбитой (i<90°), проходящей над той же самой максимальной широтой bmax, поскольку прецессия, по меньшей мере, логически следует за изменениями, а не препятствует им. Если Тl можно было бы растянуть на тридцать лет и более, то рефлекторная система могла бы оставаться внутри обслуживаемой области в продолжение всей своей номинальной функциональной жизни. Однако лишь на двухчасовых и трехчасовых орбитах можно достичь этих значений (рис. 22). Поскольку на них можно достичь и бесконечного значения Тl, более короткие Тl почти не имеют практического значения, за исключением, быть может, тех случаев, когда уменьшение Тl связано с необходимостью установить определенное значение bmax. Однако, как видно на правом графике рис. 22, диапазон, в котором достижимо нужное согласование, весьма ограничен.

Рис. 22. Зависимость наклонения орбиты i и времени прецессии Тl
от угловой скорости вращения в восточном направлении (-v)

На рис. 23 показана суммарная картина режимов функционирования и орбит, подходящих для систем космического света, непрерывно освещающих обслуживаемые области. Более низкие субсинхронные орбиты преимущественно относятся к ретроградному режиму (режим С). Сравнительно наиболее привлекательная орбита имеет трехчасовой период, а ее наклонение близко к 125°. Следовательно, она проходит над максимальной широтой в 55°. Как показано граничной кривой для режима А, максимальное отклонение от вертикали (для Ai/Aо = 2) на трехчасовой орбите составляет 19°, обеспечивая диапазон широт в пределах до максимальной широты от 36 до 74°. Это дает возможность рефлектору весьма надежно к устойчиво освещать многие наиболее важные города мира или удаленные индустриальные районы в Северном полушарии (а также низкие широты в Южном полушарии).

Анализ режима А показывает, что при условии непрерывного освещения ГСО обеспечит достижение широты в 48° из экваториальной плоскости (i = 0°), и что с круговой орбиты высотой 36 000 км можно освещать обслуживаемые области и на более высоких широтах, если наклонить ее плоскость на i ≥ 49,4°, не выходя за счет прецессии из пространства обслуживаемой области в течение 30 лет и дольше. Для орбит с высотой ниже двенадцатичасовой орбиты режим В резко сужается до наклонений, близких к полярным (i = 83,7° для двенадцатичасовой орбиты; i = 87,8° для восьмичасовой орбиты).

Область вне показанных трех режимов представляется неподходящей для непрерывного обслуживания данного района в течение десятилетий с помощью единственной установки на орбите. Но в пределах этой области представляет интерес точка D. Она предоставляет периодическую возможность в разные времена года непрерывно освещать некоторые области в Северном и Южном полушариях.

Очевидно, что субсинхронные орбиты во многих случаях представляют более подходящие условия, чем геостационарная или даже двенадцатичасовая орбиты. Это в особенности справедливо для Энергосолетты и Лунетты, для которых весьма привлекательной представляется трехчасовая орбита (как ретроградная, так и прямая).

Трехчасовая орбита связана и с некоторыми эксплуатационными преимуществами. В частности, высота трехчасовой орбиты лежит внутри протонного сектора радиационных поясов Земли. Следовательно, объект на трехчасовой орбите, наклоненной к экватору, поочередно оказывается то в области с преобладанием электронов, то в области, насыщенной протонами. Это чередование поддерживает поверхность рефлектора в электрически нейтральном состоянии, чем предохраняет ее от оседания на ней космической пыли, которая уменьшила бы отражающую способность рефлектора, и создавала бы серьезные эксплуатационные проблемы. Фактически, если предпочесть высокие орбиты, такие как двенадцатичасовая или геостационарная, может статься, что придется «чистить» систему от пыли — с помощью периодического «погружения» отдельных рефлекторов в протонный пояс.

Наконец, субсинхронный рефлектор, наводимый на фиксированную точку (область) Р, должен поворачиваться с определенной «рабочей» угловой скоростью, пока он находится выше горизонта места Р. Однако, если эта вращательная скорость будет сохраняться на нерабочей («непосвященной» осветительной работе) части орбиты*, рефлектор окажется в неправильном положении в тот момент, когда он снова — на следующем витке — выйдет на рабочую дугу, восходя над горизонтом места Р.

Таким образом, когда спутник покидает рабочую дугу орбиты, его скорость вращения должна быть изменена. При выходе на рабочую дугу скорость поворота спутника еще раз изменяется — так, чтобы все время направлять лучи света локально на Р. Анализ скорости поворота показывает, что требования к ней достаточно скромны (рис. 24). Видно, что если рефлектор спроектирован так, чтобы обеспечить отражение света на обеих его сторонах, то тогда потребное изменение скорости поворота рефлектора невелико. Потребный вращающий момент (для изменения скорости вращения рефлектора в пределах одной минуты) невелик 0,1 — 3 кН·м. При сравнительно больших размерах единичного рефлектора потребные для создания такого момента силы следует признать малыми. Это позволяет большую часть изменения скорости вращения рефлектора получать без расхода массы — за счет гироскопического момента. Даже в том случае, если использовать тяговые системы управления (типа «струйников»), оказывается достаточно электроракетного двигателя малой тяги. При удельном импульсе в 3000 с ежегодное потребление топлива в этих целях окажется менее 12 кг на рефлектор, исходя из двух маневров на каждый синодический оборот.

На самом деле, нет надобности в строгой ориентации рефлектора на всем участке от горизонта до горизонта — достаточно ориентировать его только между двумя минимальными углами подъема (30°). Это сокращает рабочую дугу орбиты, а также и потребное изменение скорости поворота рефлектора.

Единичный рефлектор («отражающий элемент») состоит из отражающей (зеркальной) мембраны, удерживаемой в натянутом состоянии с помощью жесткой конструкции, оснащенной соответствующим оборудованием для навигации и управления, а также тяговыми системами для создания управляющих сил.

В качестве отражающего элемента принята каптоновая мембрана, покрытая непосредственно в космосе натрием для обеспечения максимальной отражающей способности. Толщина такой пленки около 0,015 мм. Рамная конструкция выполнена из графитовоэпоксидных лонжеронов, также покрытых в космосе натрием с целью защиты от температурных напряжений. Рис. 25 иллюстрирует типовую конфигурацию рефлектора площадью в 0,1 км². Для элементов разных размеров, вплоть до 100 км² площадью, следует применять разные конструктивные схемы, чтобы оптимизировать массу элемента и условия его сборки в космосе.

На рис. 26 показаны предварительные оценки массы единичного рефлектора. Видно, что основная составляющая — масса отражающей поверхности — по мере роста размеров рефлектора уменьшается: так при увеличении рефлектора в 1000 раз масса 1 км² снижается с 37 до 30 т. Вероятно, можно ожидать еще большего снижения массы, если будет организовано оптимальное выведение рефлектора на орбиту с помощью солнечного паруса. Однако, к рефлектору предъявляются весьма жесткие требования по выдерживанию плоской формы его поверхности; решение такой задачи будет важнейшим инженерным свершением, оно необходимо для обеспечения приведенных характеристик космических осветительных систем. Анализ рис. 26 показывает также, что для единичного рефлектора с размерами менее 1 км² оборудование представляет преобладающий весовой компонент. Отсюда вытекает очевидная зависимость: чем больше площадь рефлектора, тем большим будет вклад от использования светового давления в помощь электроракетной тяговой системе.

Выбор размеров рефлектора связан, конечно, с учетом таких факторов, как ограничения по изгибающим моментам и другим воздействиям (из-за управляющих сил, светового давления, термических напряжений в конструкции — из-за различий в позициях относительно Солнца и т.п.). При выбранных конструкционных материалах значительное дальнейшее снижение основного веса поверхности для единичного рефлектора с площадью более 100 км² представляется маловероятным.

Системы космического освещения включают простые и достаточно надежные объекты, поэтому связанный с ними технический риск невелик, по крайней мере, для Лунетты. Начальные капиталовложения тоже не очень велики. Во всех случаях, кроме Энергосолетты, не требуется никаких наземных установок, следовательно в пределах известных ограничений по орбитальной динамике — системы космического света могут обеспечить немедленное обслуживание любого района земной поверхности. «Продукт» космической осветительной системы — солнечный свет, из которого ультрафиолетовая часть спектра почти полностью удалена вследствие низкой отражающей способности рефлектора в этом спектральном диапазоне. Видимый свет, как хорошо известно, никак не воздействует на компоненты земной атмосферы и не создает какой-либо опасности ни для человечества, ни для земной жизни в целом. Направленность космического освещения может хорошо контролироваться, чтобы избегнуть подсветки тех районов, освещение которых по каким-либо причинам нежелательно. При уровне интенсивности светового потока, свойственном Лунетте и Энергосолетте, функционирующих на трехчасовой орбите, космический свет на дает каких-либо нежелательных микроклиматических эффектов. Биосолетта может дать локальные климатические эффекты, которые однако могут оставаться полностью подконтрольными и будут использоваться для организации благоприятных перемен (некоторые рекомендации в этой области сделаны ниже при подробном рассмотрении Биосолетты).

И экономика, и технические проблемы недвусмысленно требуют поэтапного развития — от меньших систем к большим. Маловероятно, например, что Энергосолетта будет создана без предварительной разработки меньших рефлекторов, первоначально функционирующих в целях освещения.

Лунетта — это космическая система, предназначенная для обеспечения ночного освещения соответствующего уровня. Потребная величина освещенности определяется родом деятельности, в целях которой выполняется освещение. На рис. 27 показан широкий диапазон различных видов деятельности на открытом воздухе (вне помещения) и желательные уровни освещенности для каждого из них. Там же для сравнения показаны минимальные площади рефлекторной системы, потребные для обеспечения нужного уровня освещенности при использовании орбит в диапазоне от восьмичасовой до геостационарной. Очевидно, что большая часть видов деятельности удовлетворяется уровнем освещенности между 100 и 1000 ПЛ (полных лун). Необходимо учитывать, что узаконенные уровни освещенности, как правило, соответствуют самому высокому стандарту. Между тем даже уменьшение уровня освещенности вдвое все еще остается приемлемым во многих случаях (исключая некоторые особые обстоятельства: спорт на открытом воздухе и работы, эквивалентные продолжительному чтению).

Лунетта представляет собой осветительную систему весьма высокой эффективности (рис. 28). В ясную ночь ее осветительная эффективность будет достигать 64% от первоначальной световой энергии, обеспечиваемой рефлектором в космосе. Средняя эффективность лежит в районе 30%, завися в некоторой мере от времени года и района. Минимальная эффективность составит около 9% — при тяжелом, непроницаемом облачном покрове. Для сравнения: термоэлектрическая (например, нефтяная) электростанция дает выход в форме света приблизительно 3% от первоначальной химической энергии топлива. ИСЗ — генератор энергии с кремниевыми фотогальваническими солнечными батареями имеет осветительную эффективность порядка 0,64%. Даже для перспективного ИСЗ — генератора энергии, базирующегося на мышьяково-галлиевых солнечных батареях так же, как и для преобразовательной системы с термоэлектрическим циклом Брайтона, или термоядерной магнитогидродинамической системы световая эффективность едва ли больше 1,4%, что легко показать, исходя из расчетной эффективности составляющих элементов каждой из этих преобразующих систем.

Одно из важных преимуществ Лунетты заключено в относительно высокой эффективности преобразования радиационной энергии Солнца в видимый свет. Эквивалентная энергия светового потока (при l = 0,556 мкм) составляет 621 лм на 1 Вт. При номинальной освещенности земной поверхности солнечным светом I¤ = 108 000 лк радиационная энергия, достигающая поверхности Земли, равна 1,07 кВт/м², что при стопроцентной эффективности преобразования радиационной энергии в свет соответствует 644 000 лк. Соответственно, эффективность преобразования солнечной энергии в свет равна около 0,168 или порядка 101 000 лм на 1 кВт. Для сравнения: высокоэффективная ртутная дуговая лампа в 1 кВт дает световой выход порядка 65 000 лм на 1 кВт.

Следовательно, 1 км² поверхности рефлектора в ясную ночь излучает к Земле 621 000 · 10⁶ · 1,07 ·0,168 = 1,116 · 10¹¹ лм.

Для того чтобы создать тот же световой поток с помощью дуговой лампы, потребуется электрическая мощность 1,72 ГВт.

Принимая, что энергопотребление с целью освещения нужно в течение чуть более половины общего времени года, получим, что 1 км² площади рефлектора для условий ясной ночи обеспечивает эквивалент по выработке электроэнергии в 0,9 ГВт · год.

А чтобы произвести столько электроэнергии, придется сжечь около 1,9 Мт нефти. Даже если принять 0,5 ГВт · год электроэнергии для средних условий облачности за год, эквивалент останется достаточно весомым. Соответственно, как средство освещения при средних условиях облачного покрова 1 км² площади рефлектора эквивалентен 50 км² принимающей площади фотогальванического ИСЗ-генератора энергии или около 23 км² — для перспективного солнечного ИСЗ-генератора.

Разумеется, Лунетта обеспечивает рассеянное наружное освещение, но не пригодна для освещения внутренних помещений или для локальной подсветки в форме светового пятна, как это имеет место в случае лампы. Интенсивность освещения внутренних объемов определяется требуемой освещенностью для выполнения соответствующих специфических работ (на улицах, на судостроительных заводах, дамбах, в доках и т. п.). Таким образом, Лунетта наиболее пригодна в тех случаях, когда требуется освещение больших площадей.

Соответственно имеются четыре широких области использования Лунетты (рис. 29): освещение городов, подсветка удаленных индустриальных объектов, освещение сельскохозяйственных районов, и, если потребуется, освещение районов, где произошли землетрясения и другие стихийные бедствия.

Рис. 29. Структурная схема использования Лунетты

Обслуживание Лунеттой больших урбанизированных районов и столичных областей обеспечивает более высокие качества освещения, снижая энергопотребление традиционных осветительных систем. Создается также возможность дублирования освещения при недостатке топлива, при авариях на электростанциях и в электросетях, при экономии электроэнергии, а также при сильных туманах. Подсветка сверху районов, покрытых туманом, за счет рассеяния света при проходе через туман увеличивает яркость освещенного грунта в затуманенной области, повышая тем самым видимость в тумане, что особенно важно в период перехода от ночи — в процессе рассвета — к дневному свету.

В городах, подобных Лос-Анджелесу, Чикаго или Нью-Йорку, электропотребление для наружного освещения составляет от 5 Д° 10 Вт год на человека. Вероятно, эта цифра справедлива для всех других аналогичных индустриальных городов. В развивающихся странах удельное энергопотребление (на одного человека в год) для освещения в городах значительно меньше.

Согласно оценкам, выполненным ООН для развивающихся стран, на начало 1975 г. жило в урбанизированных районах — при среднем населении одного города в 20 000 жителей или больше около 819 миллионов или порядка 30% всего населения. По прогнозам, к 2000 году количество городских жителей возрастет примерно до 2200 миллионов человек (порядка 42% от общей численности человечества). Таким образом, городское население только в развивающихся странах к началу третьего тысячелетия может размещаться в 230 урбанизированных районах, каждый из которых будет вмещать до 6 миллионов человек. В современном мире урбанизированные районы, как правило, имеют недостаточное освещение. Это создает большую потребность в использовании новых осветительных систем, в особенности таких высокоэффективных, как Лунетта. Если организовывать наружное (уличное) освещение всех этих новых городов с помощью традиционных электросетей, даже при полуголодном пайке в 5 Вт · год в год на человека (что соответствует среднему освещению района менее чем одной полной Лупой), потребуется ежегодное потребление электроэнергии в целях освещения порядка 7 ГВт · год. Чтобы несколько замедлить процесс урбанизации — по крайней мере, до уровня, обеспечивающего приемлемое соответствие между проникающей в города рабочей силой и городскими возможностями поглотить этот поток за счет экономической работоспособности городского хозяйства, — необходимо организовать развитие сельских районов. Ночное освещение— один из главнейших компонентов обслуживания в таких сельских местностях (недостаток ночного освещения в сельских районах развивающихся стран сегодня является печальным фактом).

Ночной свет Лунетты может ускорить реализацию больших индустриальных проектов в далеких, «глухих» районах или в высокоширотных областях, где так растянута полярная ночь. К числу таких крупномасштабных проектов принадлежат: добыча нефти, газа и минеральных руд за Северным Полярным кругом, трубопроводы большой протяженности, протяженные линии электропередачи, телеуправляемые ядерные энергокомплексы или солнечные силовые электростанции. В таких больших проектах уменьшение общих затрат на 10—20% эквивалентно сбережению десятков или даже сотен миллионов долларов.

Например, в районе Шпицбергена Солнце светит 134 дня в год, сменяясь 127 днями полной темноты, с двумя периодами в 54 и 50 дней между ними, когда имеет место обычный суточный цикл с рассветами и сумерками. Между Северным Полярным кругом и 70° северной широты разведаны богатые запасы нефти, природного газа и осадочных минералов. Под дном Баренцева моря и Северного Ледовитого океана обнаружены еще большие запасы нефти и газа между 70 и 80° северной широты.

Рис. 30а. Картограмма среднегодовой облачности днем в разных районах Земли
(зима: декабрь—февраль)

Однако высокие широты — районы с четкой тенденцией к плотному облачному покрову в течение длительных периодов времени. На рис. 30 показана обзорная картина среднегодовой облачности в дневное время для всего Земного шара (верхняя схема). Можно заметить, что на высоких широтах плотность облачного покрова над океанами превосходит ее величину над сухопутными районами. Район со средней облачностью в 50—75% простирается особенно далеко на Север над материком Евразии. Важно, что в зимние месяцы средняя облачность над Северной Америкой и Евразией, исключая области с морским климатом (Аляска, Западная Европа), имеет минимальный уровень, как это видно на рис. 30 (нижняя схема). Условия также благоприятны весной и летом и сравнительно менее благоприятны осенью — особенно в Северозападных и Северовосточных районах Северной Америки.

Рис. 30б. Картограмма сезонной облачности днем в разных районах Земли
(зима: декабрь—февраль)

Уровень освещенности порядка 100 ПЛ (полных Лун) представляется вполне достаточным для многих видов сельскохозяйственных работ. Возможность обрабатывать поля до восхода и после захода Солнца при лучшем использовании дорог в ночное время — важный компонент развития сельских районов, особенно в связи с модернизацией и интенсификацией сельского хозяйства. Существуют три линии интенсификации: лучшее обслуживание отдаленных районов, получение нескольких урожаев с межурожайным подсевом, усовершенствование методов выращивания растений и животных. Первые две линии, особенно вторая, существенно выигрывают при улучшении освещения.

В тропиках, где сезонные колебания температуры невелики, можно получать до трех урожаев в год, что привело бы к утроению ежегодного выхода продукции с каждого гектара. Полиурожайная система хозяйства требует лучшей ирригации и совершенных дренажных устройств, более интенсивного внесения удобрений, а также эффективных мер против болезней растений. Кроме того, необходимо существенно снизить по сравнению с сегодняшним уровнем время, необходимое для выращивания и сбора урожая, а также период между сбором одного урожая и окончанием обработки земли под следующий урожай. Это, в свою очередь, требует полной машинизации сельского хозяйства. Если же появится возможность использовать сельскохозяйственное оборудование за пределами нормального светлого времени суток, можно будет существенно повысить эффективность применения сельскохозяйственной техники, сегодня в большинстве случаев распыленной между множеством хозяйств, а также укоротить период между двумя урожаями.

Среди множества различных применений наиболее важно — но крайней мере, с точки зрения гуманизма, — организовать ночное освещение районов стихийных бедствий и мест, где выполняются какие-либо спасательные операции. Как правило, катастрофы происходят не в тех районах, которые хорошо освещены; а если уж происходят — в особенности, землетрясения — то они разрушают и более прочные объекты, чем осветительные сети и энергосистемы. А ночная темнота в районах бедствий порождает хаос, увеличивает число погибших и значительно затрудняет проведение спасательных операций.

При применении Лунетты для освещения урбанизированных районов необходимо принимать в расчет несколько факторов, чтобы это освещение было общеприемлемым и полезным. Прежде всего, необходимо исключить чрезмерные вариации в уровне освещенности (в яркости «светильника»). Освещение не должно создавать глубоких теней, а это представляет особую проблему там, где в изобилии имеются возвышенности или небоскребы. В третьих, необходимо исключить подсветку районов, не включенных в обслуживаемую область и где освещение нежелательно (и воспринималось бы как возмущение, как нарушение привычного цикла); эта задача стоит особенно остро в тех ситуациях, когда угол подъема рефлектора становится равным предельному (elim=30°), ниже которого рефлектор уже не может рационально использоваться, а световое пятно на поверхности Земли приобретает искаженную, эллиптически-вытянутую форму. Яркость такого «паразитного» пятна должна быть сделана как можно меньшей.

Подобные нежелательные характеристики с высокой вероятностью будут обнаруживаться в тех случаях, когда для освещения определенной обслуживаемой области применяются единственный большой рефлектор или рой тесно связанных рефлекторов, за которыми следует другой рой,— в момент покидания первым роем дуги в пределах e ≥ 30°. Чтобы создать Лунетту, чьи характеристики как осветительной системы исключают, насколько возможно, названные нежелательные черты, придется рой рефлекторов растянуть: распределить его равномерно по дуге, определяемой величиной elim (предельного угла подъема рефлектора). Таким путем исключаются бреши в системе освещения. Рои сливаются в последовательность индивидуальных отражающих единиц (или суброев). Каждая единица занимает 360°/nи. Число единиц (или суброев) в рое, если c — потребная угловая дистанция между частями роя, определяется из выражения: nи / nс = 2q / c, где nи - число суброев или единиц в рое; nс — число роев.

Так, если 2q = 60° и c = 12° имеется пять единиц на один рой или всего тридцать отражающих единиц на орбите. Общая отражающая поверхность такой системы есть произведение площади индивидуальной отражающей единицы на число таких единиц (или суброев) на орбите (nи.орб).

Учитывая приведенные соображения, можно сформулировать следующее положение: для оптимизации свойств осветительной системы, особенно в городских условиях, распределение рефлекторов целесообразно осуществлять не на одной орбите, а на двух или трех. Эти две или три орбиты — при равных высотах и наклонениях— должны быть повернуты вдоль по экватору на несколько градусов, т.е. они должны иметь различные долготы восходящих узлов. При этом источники света распределяются не только в одном измерении (вдоль орбиты), но и во втором измерении (в поперечном относительно первой орбиты направлении). Это иллюстрируется на рис. 31. Слева изображены три последовательных прохода над некоторым городом в пределах ограничений по углу подъема рефлектора (в случае одной орбиты). Правая часть показывает случай, когда единственная орбита «расщеплена» на три — общее количество рефлекторов распределено на трех близких орбитах.

Рис. 31. Схемы орбит Лунетты:
а — однотрассовый вариант (1, 2, 3 — последовательные трассы);
б — график сдвига восходящих узлов для трехтрассового варианта;
в—трехтрассовой вариант (1a, 1b, 1с, 2а, 2b, 2с, За, Зb, Зс —т рассы; а, b, с—«суборбиты»)

При условиях, показанных слева, в течение первого прохода рефлекторы освещают столичную область серией лучей (потоков света), приходящих на землю последовательно: с юго-запада, юга и востока, главным образом, с юга. В течение второго прохода, тремя часами позже, те же самые рефлекторы освещают город с запада, севера, востока. На третьем проходе освещение идет с запада, юга и юго-востока.

В трехорбитном варианте район освещен значительно равномернее: в течение первого прохода — с севера, юга, востока и запада. Это остается справедливым и для следующих проходов тех же самых рефлекторов над столичной областью тремя и шестью часами позднее.

Фактически, в течение располагаемых 6 ч, обеспечиваемых тремя проходами рефлекторов через кондиционно освещаемую область при одноорбитальной схеме размещения, трасса 1 (на рис. 31, а) постепенно переходит в трассу 2, которая так же постепенно превращается в трассу 3. Но только в двух частных случаях рефлекторы проходят через зенит центра столицы, и в эти моменты затенение от строений оказывается минимальным. В трехорбитном варианте происходят такие же постепенные изменения, но сдвиги по направлению потоков света здесь существенно уменьшены. Здесь в течение располагаемых 6 ч обслуживаемая область всегда освещена более равномерно со всех сторон.

На рис. 32 показана трехмерная картина условий в ходе второго прохода при трехорбитном варианте. Разбиение единственной орбиты на три не добавляет общей освещенности, но зато обеспечивает лучшее распределение освещения. Общая отражающая поверхность теперь распределяется между тремя орбитами, Однако в данном случае становятся более сложными ремонт и профилактика установок (из-за большего числа функциональных орбит и увеличения количества рефлекторов при уменьшении их размеров).

Рис. 32 Пространственная схема трехтрассового варианта Луиетты
(светлые кружки — работающий рефлектор, e>elim;
черные кружки — неработающий рефлектор, e<elim; e=90° - зенит).

Уменьшенные размеры единичного рефлектора вызывают некоторое увеличение общей массы системы (см. рис. 26). С другой стороны, при этом легче наладить производство нужного количества маленьких стандартизованных рефлекторов, что обеспечит снижение их общей стоимости. Отказ какого-либо одного рефлектора или его «остановка на ремонт» и профилактическое обслуживание при многоорбитной схеме меньше сказываются на общей картине освещения. Даже при большой общей отражающей поверхности такая многоорбитная схема остается хорошо совместимой с транспортными возможностями МТКС «Спейс Шаттл».

Хотя при таком подходе рои исчезают, в ряде случаев мы будем продолжать пользоваться этим понятием — для удобства рассуждений. Общая отражающая поверхность Аr, распределена ли она на одной или на нескольких синхронизованных орбитах, определяется требуемыми условиями освещения. Это положение иллюстрируется следующим примером, для которого весьма большая обслуживаемая область выбрана с учетом интернациональных соображений.

Наибольший комплексный мегалополис в США — это северовосточный коридор, который окружает столичные центры от Бостона до Вашингтона и Ричмонда, именуемый часто ленточным городом Босвашем.

Если принять среднее энергопотребление в целях уличного освещения в 7,5 Вт·год на одного человека в год, то как видно из рис. 33, средний уровень освещенности в этой области составляет всего около 1,3 ПЛ. Разумеется, это освещение не является равномерно распределенным. Общая отражающая поверхность (в км²) для соответствующей Лунетта — системы следует из выражения:

где As' — площадь обслуживаемой области (площадь района, подлежащего освещению); nс — число роев на субсинхронной орбите, потребное для обеспечения двенадцатичасового периода освещения; nо — число орбит, потребное для компенсации прецессии.

Для трехчасовой орбиты с наклонением 40° скорость прецессии v = 1,31° в день. Для освещения при ограничении по углу подъема рефлектора e » 30° требуемые характеристики системы описаны ранее при рассмотрении рис. 21. Однако с целью снижения вариации в освещении здесь следует признать необходимым организовать 7 роев, соответственно кругу для e = 40°, Ai/Aо = 2,46 и диаметра кондиционно освещаемой области 2q = 44,9°. Потребны две орбиты с наклонением в 60°, чтобы гарантировать нужные характеристики полного ночного освещения.

При названной скорости прецессии данная орбита оборачивается вдоль по экватору (т.е. восходящий узел делает один оборот) за 275 дней (прецессионный год) и проходит через кондиционно-освещаемую область за 34,3 сут.

Таким образом, для поддержания ночного освещения в течение всего прецессионного года потребуется 7 орбит (nо = (2,75/34,3) — 1 = 7). примем далее Ai/Aо » 2,5 (Aо = 1190 км²), As'/Ai » 33 (учитывая, что не вся область полностью городская). Тогда для I/Im = 200 ПЛ (s) общая площадь отражающей поверхности должна быть Аr = 1084 км², то есть 180,7 км² на одну орбиту или 25,8 км² на один рой. Такая большая площадь Аr получается в силу нескольких причин.

Наиболее существенная частная причина состоит в том, что обслуживаемая область (Бостон—Вашингтон) намного превышает размеры светового пятна, даваемого единичным рефлектором на трехчасовой орбите. Для меньшей обслуживаемой области Аr будет, естественно, меньше (например, если принять столичную область в 1500 км², потребная общая площадь рефлекторов снизится До 31 км²). Другими словами, высота орбиты должна выбираться так, чтобы световое пятно было сопоставимо с областью, подлежащей освещению. Для мегаполиса Босваш наиболее подходящей следует признать геостационарную орбиту. Принимая для экваториальной геостационарной орбиты Ai/Aо = 1,6, если освещать область около 40° широты; As'/Ai = 1, nс = 1, nо = 1, получим, что для освещенности I = 200 ПЛ потребуется Аr = 31 км².

Вторая существенная причина — прецессия. При солнечно-синхронном методе ее компенсации наклонение для трехчасовой орбиты должно быть 125,2°; следовательно, максимальная широта, перекрываемая в данном случае Лунеттой, будет равна примерно 55°. Соответственно, осветительные элементы Лунетты проходят через кондиционно освещаемую область под более крутым углом y (см. рис. 18), чем это было бы при максимальной широте в 40°. Таким образом, потребуется несколько дополнительных роев на третьей орбите, помимо тех, что требуются на двух орбитах с наклонением в 40°, чтобы гарантировать полное ночное освещение. При этом добавляется не более 2,5 компонентов роев, вместо семи прямых орбит, потребных для обеспечения As'/Ai = 33. Тем самым потребная общая площадь рефлекторов Аr снижается до 387 км² или до 36%, при той же самой освещаемой области. Это исключает надобность в рефлекторах общей площадью около 700 км² или на 50% уменьшает выводимую на ССО массу. Если же нужно освещать область площадью в 1500 км², то общая площадь рефлекторов может быть уменьшена до 11,2 км².

При первом подходе (Аr = 1084 км²) показатель использования каждой орбиты весьма невысок: над кондиционно освещаемой областью каждая орбита находится всего лишь 34 дня из 275 дней своего прецессионного года. Коэффициент нагрузки при этом будет всего лишь равен 0,14.

При втором подходе, ретроградные орбиты дают значение этого -коэффициента, по меньшей мере, 0,40.

Вдобавок, каждый из семи роев имеет низкий показатель использования (≤ 0,14), поскольку каждый рой находится в работе только менее 0,43 ч за виток. «Безработные» рефлекторы могут быть задействованы либо путем направления их световых пучков к функционирующему в данный момент рою (это можно назвать цепной передачей) или же путем обслуживания нескольких областей на поверхности Земли.

Цепная передача радиации схематически показана на рис. 34. Слева показан типичный «шнурок» рефлекторов, расположенных так, чтобы исключить те нежелательные черты осветительной системы, о которых упоминалось выше.

Рис. 34. Схема «цепной» передачи света:
а—«шнурок» рефлекторов; б—расположение рефлекторов:
(1—9 — рефлекторы, а, b, с—части рефлектора);
в—конфигурация рефлекторов [для передачи по цепи (слева) и для освещения]

Цепная передача радиации использует рефлекторы при углах подъема, превышающих предельный (elim), а также соседние рефлекторы с меньшими или отрицательными углами подъема — передавая их отраженный свет рефлекторам с углами подъема, превосходящими предельное значение elim. Однако из схемы на рис. 34, б явствует, Что реализация этой идеи невозможна, если мы располагаем лишь простыми рефлекторами. Рефлекторы 4*, 5*, 6* находятся при углах подъема, превосходящих elim; рефлекторы 3* и 7* — при е = elim, рефлекторы 1, 2, 8, 9 имеют угол подъема меньше предельно допустимого. Если рефлектор 1 «отпасовывает» свой отраженный солнечный свет к рефлектору 2, то последний должен занимать расчетную позицию RR — чтобы передать полученную радиацию дальше — к рефлектору 3. В позиции RR рефлектор 2 не может добавить непосредственно к освещению обслуживаемой области свой собственный отраженный свет, ибо для этого он должен бы занять иную позицию, а именно SS. Таким образом, если рефлекторы 1, 2 и 3* находятся в своих частных позициях RR, это означает, что рефлектор 4* просто получает солнечный свет от рефлектора 1 — свет, ослабленный множеством отражений и рассеянием луча в угле 0,0093 рад. Это, конечно, в известной мере снижает ценность идеи цепной передачи радиации.

Чтобы достичь цепной передачи радиации от серии рефлекторов, индивидуальные рефлекторы должны состоять из трех частей: а, b и с, которые способны по-разному устанавливаться друг относительно друга. На рис. 34 показана такая адаптируемая модульная конфигурация рефлектора (здесь, разумеется, иллюстрируется скорее принцип, чем предлагаемая конкретная конструкция). Предполагается, что отраженный свет и непосредственный солнечный свет должны быть переправлены от рефлекторов 1, 2, 3* к 4*, а также симметрично — от 9, 8 и 7* к 6*. В этом случае рефлекторы 3* и 7* более не иррадируют непосредственно обслуживаемую область и вследствие этого далее рассматриваются как 3 и 7. Таким образом, как показано на рис. 34, б, модули а и b, рефлектора 1 отражают солнечный свет непосредственно на модуль с (того же рефлектора 1), который передает его (за вычетом потерь на рассеяние светового потока) на модуль а рефлектора 2. Модуль b рефлектора 2 отражает на его модуль с непосредственно полученный солнечный свет. Модуль с рефлектора 2 передает свет от 1а и b, а также от 2b к За. Модуль Зс, в свою очередь, перетасовывает на рефлектор 4* свет от 1а и b, 2а и b и Зb. Рефлекторы 1, 2, 3, 9, 8, 7 входят в цепную схему передачи радиации. В рефлекторах 4*, 5* и 6* модуль с поставлен в одну линию с модулями а и b — чтобы создать значительно больший по площади рефлектор двухмерной* конфигурации.

Прежде чем попасть на рефлектор 4*, солнечный свет от рефлектора 1 прошел через шесть отражений: от 2b — через четыре и от Зb — через два отражения. Включая финальное отражение от 4*, световой поток от рефлектора 1 уменьшается до 0,87 при индивидуальной отражающей способности, равной 0,98, или до 0,48 при отражательной способности менее 0,9. Если не будет никаких потерь из-за рассеяния луча, свет, полученный рефлектором 4*, исходя из светового пучка, запасенного рефлектором площадью Аr равен тому, что дает сумма модулей а, b и с:

где r — отражательная способность; i = 2n—1; n — общее число включенных в цепь рефлекторов.

Это дает конечный .выход освещенности I = 1,19 для д = 0,98 и / = 0,76 для r = 0,90. Другими словами, если r = 0,90, рефлектор 4* даже не получает эквивалентный одной полной поверхности рефлектора солнечный свет из-за цепной передачи тремя рефлекторами. Поэтому для цепной передачи требуется весьма высокая отражательная способность. Это, в свою очередь, «выдает мандат» натриевому покрытию поверхности рефлектора в космосе.

При отражательной способности 0,98, что для натрия представляется вполне достижимым, рефлектор 4* получает на 19% больше света, чем он получил бы непосредственно от Солнца. Правда, это достигается ценой значительного усложнения конструкции рефлектора. Но упомянутый выигрыш (в 19%) может быть потерян из-за расхождения светового пучка. Однако такие потери не обязательны, по крайней мере, теоретически. При диаметре рефлектора d ширина луча на дистанции S будет Z = d + 0,0093S.

Если рефлектор сфокусирован на расстояние S, то Z = 0,0093S.

Соответственно, если Z = d, теоретически отсутствуют потери из-за расхождения луча. Это требование определяет длину хорды между рефлекторами, растянутыми вдоль орбиты:

Другими словами, для S = 1000 км, d должно быть порядка 10 км; при этом площадь рефлектора будет 78,5 км². Для рефлектора с размерностью, нужной Лунетте, эти величины должны быть много больше. Для квадратного рефлектора с площадью 0,1 или 1 км² дистанцию, обеспечивающую отсутствие потерь, следует уменьшить до 38,4 и до 121 км соответственно. Трехчасовая орбита имеет длину окружности в 66 363 км, следовательно, исходя из двух названных дистанций, рефлекторы должны распределиться через 0,21 и 0,66°. Хотя это и не является невозможным, удержание в нужном строю 1715 или даже 546 рефлекторов — сложная задача.

Самый главный вывод сводится к тому, что цепная передача радиации требует включения огромного числа отражений, чтобы заставить работать хотя бы скромную часть общей площади отражающей поверхности системы. А большое число отражений снижает интенсивность светового потока даже при отражающей способности 0,98 и требует чрезмерно точной расстановки на орбите десятков рефлекторов.

Лучшей альтернативой представляется обслуживание осветительной системой более чем одной урбанизированной области. На рис. 35 показана серия урбанизированных районов, расположенных между 30° и 60° широты. Очевидно, что надлежащий выбор орбиты предоставляет возможность объединить обслуживание городов в США, Южной Африке и Дальнего Востока; города в Европе и на западе СССР — с урбанизированными областями в Южной Америке и в Австралии.

Лунетта снабжает светом непосредственно. Наземные осветительные системы в качестве промежуточной ступени в цепи преобразований от источника энергии до видимого света требуют электроэнергии. Следовательно, для Лунетты затраты на один лм·ч (т.е. стоимость обеспечения светового потока в один люмен в течение одного часа) могут быть подсчитаны непосредственно, но их необходимо выразить через стоимость электроэнергии для наземных осветительных систем.

Для наземных систем затраты на 1 лм·ч составляют: Слм·ч = (Се + Сt) / η·Δ , где Се — стоимость электричества для уличных систем освещения (Се = 0,04 ... 0,06 долл. за 1 кВт·ч); η — коэффициент характеризующий эффективность преобразования электроэнергии в видимый свет (для уличных систем освещения 1 кВт·ч соответствует 40 - 65 клм·ч); Δ — коэффициент, характеризующий ухудшение характеристики лампы (обычно после 1,8—2,7 лет Δ = 0,7); Сt — дополнительные расходы, Сt вызваны техническим обслуживанием осветительной системы.

Принимая (оптимистически) Се + Сt = 0,07 долл. на 1 кВт·ч; η = 50 клм·ч. и Δ=0,7, получим Слм·ч » 2·10^-6 долл. на 1 лм·ч (наземная система).

где C_D — компонент стоимости, выражающий затраты на научна исследовательские, опытно-конструкторские и испытательные работы при создании Лунетты (НИОКР); С₁ — компонент стоимости, выражающий первоначальные капитальные затраты; С₂ — компонент стоимости, выражающий средние ежегодные текущие расходы. Величина C_Dопределяется формулой:

Амортизационный период ТА может быть принят от 15 до 30 лет. Мы будем считать его равным 30 годам. Nи — среднее количество единиц Лунетты со средней величиной отражающей поверхности Аи на единицу, которые необходимо поставлять на орбитальную линию ежегодно в течение всего периода ТА; L — это световая энергия (лм·ч/год) на единицу отражающей поверхности (км²). Можно ожидать, что за 30-летний амортизационный период (в ходе которого окупаются все затраты на НИОКР), по меньшей мере, около 5 км² общей площади (Nи·Аи) будет доставлено на линию. Затраты на НИОКР (ΣСНИОКР) по-видимому, не превзойдут двух миллиардов долларов. Световая энергия L получается из выражения

где Lo — световой поток в лм на единицу поверхности лм/км²; tL — время фактической работы (в ч) по световому обслуживанию в год; К — показатель облачности (средний коэффициент уменьшения светового потока из-за облачного покрова Земли); f — показатель загрузки осветительной системы (доля общего времени tL данной единицы Лунетты, когда она полезно функционирует — за вычетом времени, потребного для ремонта и технического обслуживания).

Исходя из величины константы солнечного освещения в космосе 13,67 лм/см² и К = 0,79, получим общий световой поток, достигающий поверхности Земли после прохода атмосферы со средней прозрачностью Lo= 108 Глм/км².

Величина tL зависит от количества обслуживаемых районов данной орбитальной Лунетта - системой. Если она составляет, по меньшей мере, 0,25 года, то это эквивалентно 2200 ч. При f = 0,9 величина L= 0,97·10¹¹·tL·К; а величина CD = 6,864·10^-6 / tL·К. Компонент C1 определяется по формуле:

где t — доход на капиталовложения; Сi — первоначальные капиталовложения (стоимость монтажа линейной Лунетта-системы, в долл.); Аr — суммарная отражающая поверхность Лунетта - системы (км²).

В рассматриваемом случае принято, что Лунетта - система состоит из семи роев на трехчасовой орбите. Эта система совместима с возможностями МТКС «Спейс Шаттл», которая определяет транспортные расходы.

Для обеспечения уровня освещенности в подспутниковой точке в 200δ (ПЛ) в условиях ясной ночи номинальная отражающая поверхность рефлектора с натриевым покрытием должна быть равна 0,24 км². Чтобы обеспечить полное освещение в 200δ при угле подъема рефлектора ε = 40° (2θ = 44,9°), его отражающая поверхность Должна быть увеличена в 2,46 раза. Для среднего значения y = 140° из уравнения (12) получаем количество роев на одну орбиту nс = 7,5, откуда площадь отражающей поверхности рефлекторов на одной орбите будет 4,41 км². Если принять отражательную способность r = 0,94 (вместо ее максимального значения 0,98), общая площадь отражающей поверхности на одну орбиту составит 4,6 км². Разделяя рефлекторы на три орбиты, получим на одну орбиту площадь отражающей поверхности, равную 1,52 км². Принимая, что на каждой из орбит три рефлектора всегда находятся в пределах кондиционно освещаемой области, получим значение угловой дистанции между рефлекторами c » 15°, что соответствует 24 рефлекторам на одну орбиту. Тогда индивидуальная площадь отражающей поверхности единичного рефлектора становится разной 0,063 км², что соответствует квадрату со стороной в 250 м длиной. Кондиционно освещаемая область имеет диаметр в 2θ, что соответствует примерно 45°.

Для рационального размещения трасс внутри обслуживаемой; области мы можем принять три орбиты, сдвинутые друг относительно друга на угловую дистанцию в 8° (иначе говоря, угол между восходящими узлами трех орбит будет равен ΔΩ = 8°). Поскольку при расщеплении на три орбиты рефлекторы распределяются на дуге в 16°, отпадает надобность в двух опорных орбитах (т.е. в 6 трассах), чтобы обеспечить ночное освещение с ретроградной трехчасовой орбиты. Потребны пять орбит, каждая «несущая» 1,52 км² общей отражающей поверхности, что обеспечивает распределение на 32° вдоль экватора — по 16° с обеих сторон от центральной орбиты, чья плоскость обращена лицом к Солнцу. Тогда общая потребная площадь отражающей поверхности составит Аr = 7,6 км², включая 120 единичных рефлекторов (5 X 24). При стоимости 1 км² площади рефлектора порядка 8 млн. долл. общие затраты на постройку рефлекторов составят около 60,8 млн. долл. (Ср). Если удельная масса поверхности рефлектора будет 150 т/км², а транспортные расходы 700 000 долл. за 1 т, то общая стоимость монтажа рефлекторов на орбите составит 798 млн. долл. (Стр) (рис. 36). Поскольку наземные установки не нужны для такой системы, как Лунетта, затраты на наземные элементы, представляющие собой функциональную часть системы, отсутствуют (Соо = 0). Стоимость обслуживающих, вспомогательных и обеспечивающих наземных устройств и комплексов включена в непредвиденные расходы, которые приняты равными 15% от суммы затрат на постройку рефлектора и на монтаж его на орбите (включая стоимость транспортировки); таким образом (Сi) = 945 млн. долл.

При годовом фонде tL = 4400 ч величина C_D= 1,56·10^-5 / К, считая t = 0,15, ТА = 30 лет, получаем

В соответствии с ранее принятым значением f = 0,9, 10% из 120 единичных рефлекторов с отражающей поверхностью 0,063 км² каждый, то есть 12 рефлекторов, все время находятся в стадии технического обслуживания. Если вдобавок 15% общей массы должно заменяться (восстанавливаться), а 20% общей массы — в виде расходных материалов — должно непрерывно доставляться, и если каждый единичный рефлектор дважды за 30-летний период функционирования подлежит покрытию натрием в космосе, то необходимо добавить дополнительные затраты общей величиной в 300 млн. долл. за 30 лет, или в среднем, Сот = 10 млн. долл. в год; (при этом доставка всех необходимых грузов и техническое обслуживание все еще могут обеспечиваться МТКС «Шаттл»).

Тогда: C₂= 2,34·10^-8/К, и общие затраты составят: Ссл.ч = 3,526 · 10^-4/ К

При эффективности преобразования электрической энергии в световую в 50 000 лм.ч на 1 кВт.ч стоимость освещения наземными осветительными системами (работающими на электроэнергии), соответствующего освещению Лунеттой, составит Се(осв) = 17,53 / К

Для районов с преобладающе безоблачным небом фактор облачности К может быть принят равным единице в течение 60% общего времени; К=0,6 в течение 20% времени, К=0,4 в течение 15% времени и К=0,1 в течение 5% времени. В этом случае средний электрический эквивалент затрат будет равен Се(осв) = 31,9.

Для среднего района процентное распределение можно принять таким: 40, 30, 20, 10%, что дает Се (осв) = 42,3.

Для весьма облачного района процентное распределение такое; 20%, 30%, 30 и 20%, что дает Се (осв) = 60,8.

Все эти расчетные цифры для Лунетты оказываются более низкими, чем данные для наземных осветительных систем. Если Лунетта обслуживает всего лишь две столичных области, то эквивалентная стоимость электроэнергии, приходящаяся на каждую из двух областей, составит соответственно 0,016; 0,021 и 0,0304 долл. на 1 кВт.ч.

Распределение основных урбанизированных районов (см. рис. 35) обеспечивает высокий показатель использования Лунетта — системы на орбитах с наклонением в 30° и 60°. Если необходимо обслуживать большее число городских или индустриальных районов, прецессия уже не будет рассматриваться как недостаток. Будет потребно большее количество орбит, но все они будут использоваться наилучшим образом — на всем протяжении их прецессионного года — чтобы освещать столичные, индустриальные или сельскохозяйственные районы к северу от экватора. Основным «пробелом» в Северном полушарии является Тихий океан. Однако в ходе прецессии через этот пробел будут обслуживаться области в Южной Америке и Африке, с южной половины орбиты.

Большее число орбит будет увеличивать первоначальные капиталовложения. Но меньшие транспортные расходы при доставке на прямые орбиты плюс более высокий показатель использования снизят стоимость освещения единицы площади обслуживаемой области ниже цифр, приведенных выше. Транспортировка (включая операции на орбите по монтажу и т. п.) преобладает в структуре первоначальных капиталовложений, которые, в свою очередь, представляют основную часть суммарной стоимости. Минимальная масса отражающей поверхности и низкие транспортные расходы, в добавление к множеству «областей — подписчиков» (обслуживаемых областей) — вот ключ к снижению стоимости освещения Лунеттой. Перспективы для снижения стоимости наземного освещения, а также для повышения совершенства и качеств освещения благодаря Лунетте представляются весьма неплохими.

5.4.3 УМЕНЬШЕНИЕ ПЛОЩАДИ СВЕТОВОГО ПЯТНА В ФОКАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ ЛУНЕТТЫ

При непосредственном отражении солнечного света минимальная площадь фокального пятна неизменно связана с дистанцией между рефлектором и поверхностью (на которую проецируется «изображение» Лунетты). Следовательно, площадь светового пятна может быть больше обслуживаемой области, что по ряду причин может оказаться нежелательным, так как будут подсвечиваться районы вне обслуживаемой области (ими могут оказаться и населенные и «дикие», например, заповедные районы). Может оказаться также желательной комбинация преимуществ, обеспечиваемых использованием для Лунетты ГСО и меньшей площади светового пятна в фокальной плоскости.

Кроме того, при освещении районов в высоких широтах может оказаться желательным использовать эллиптические орбиты. Особенный интерес представляет эллиптическая орбита с наклонением в 63,5°, поскольку ей свойственно отсутствие вращения большой оси (т.е. ее апогей будет всегда оставаться над широтой обслуживаемых областей) и поскольку эта орбита накрывает немало областей в Северном и Южном полушариях, освещение которых может потребоваться с высокой вероятностью.

Рефлектор на такой эллиптической орбите значительно дольше находится над полушарием, «обращенным лицом» к апогею, чем над перигейным полушарием; однако размеры светового пятна в этом случае существенно изменяются при движении рефлектора по орбите.

Размеры светового пятна так же, как и вариации его абсолютной площади, в случае применения эллиптической орбиты могут быть значительно уменьшены с помощью двойного отражения (рис.37).

Рис. 37. Схема уменьшения площади светового пятна при двух рефлекторах

В этом случае, система включает два рефлектора: первичный, обращенный лицом к Солнцу (ориентированный на Солнце), и вторичный, ориентированный на Землю и обращенный к Солнцу тылом.

Таким образом, размеры фокального светового пятна вторичного рефлектора определяются угловым диаметром первичного рефлектора, под которым он видится из вторичной системы. Размеры систем и дистанция между ними должны быть так рассчитаны, чтобы угловой диаметр (g) первичного рефлектора был меньше углового диаметра Солнца (β). На рис. 37 две рассматриваемые. системы обозначены как «Кастор» (С) и «Поллукс» (Р).

Каждый из двух рефлекторов может быть как первичным, так и вторичным. Вставка (вверху слева) на рис. 37 показывает, как по очевидным оптическим причинам «ведущий» рефлектор (идущий вперед по направлению движения на орбите) должен быть первичным (т.е. ориентированным на Солнце) между вечерними сумерками (позиция над вечерним терминатором) и полуночью. Иначе говоря, в этом случае роль первичного рефлектора играет Поллукс, а Кастор представляет собой вторичную систему. На дуге орбиты между полуночью и рассветом первичным должен быть ведомый рефлектор (С).

Перемена ролей должна происходить сразу же после полуночи таким образом, что освещение обслуживаемой области не прерывается, а только слегка тускнеет на короткий период времени в несколько минут. Вследствие этой перемены ролей желательно сделать обе отражающие поверхности (рабочие поверхности рефлекторов С и Р) примерно равными. В данном случае, световой пучок от первичного рефлектора имеет диаметр Sβ, превосходящий диаметр вторичного рефлекторам Следовательно, плотность светового потока от второго рефлектора (и обеспечиваемая им освещенность) уменьшается. Однако возможно световой пучок, проходящий вне площади вторичного рефлектора, перехватить с помощью дополнительных отражателей, «вставленных» в первичный луч. Но тогда обмен ролей между двумя отражающими системами при переходе точки полуночи уже не может выполняться также простым путем, как в предыдущем случае.

При заданной площади отражающей поверхности площадь светового пятна на поверхности Земли можно уменьшить за счет увеличения дистанции между рефлекторами С и Р; но при этом будет происходить и одновременное уменьшение освещенности. Чтобы сохранить потребный уровень освещенности, придется увеличивать площадь отражающей поверхности вместе с ростом дистанции S. (Это увеличение отражающей поверхности — цена, которую приходится платить за уменьшение размеров светового пятна на поверхности Земли).

В результате трудоемкого, но принципиально элементарного анализа найдено, что для заданного уровня освещенности на грунте произведение площадей отражающих поверхностей рефлекторов Р и С (если выразить освещенность в единицах опорного лунного уровня) должно быть:

где: I — освещенность на грунте; It — освещенность одной ПЛ (It = Ir = 0,107лк).

где переменные имеют значения, определенные выше или разъясненные на рис. 38. Звездочка означает, что данная переменная выражена в единицах радиуса Земли (rоо = 6378 км).

Уравнения (20) и (21) выведены применительно к величинам, показанным на рис. 37, основываясь на геометрии симметричного отражения и принимая положение середины дистанции S на угловом расстоянии в 45° от терминатора, в сторону полуночи, как показано на рис. 38. Для асимметричных условий освещения, т. е. для случая Ð ОРС ≠ ОСР, геометрические соотношения сложнее.

На рис. 38 представлены результаты для уровня освещенности на поверхности Земли в 10s. Видно, что уменьшение площади светового пятна получается ценой весьма существенного возрастания суммарной отражающей поверхности (которая удваивается по сравнению с ее значением, показанным на схеме внизу слева на рис. 33, поскольку Ас = Ар). Фактически сравнительно с единственным рефлектором суммарная площадь больше примерно в 700 раз. Отражающая поверхность изменяется пропорционально корню квадратному из потребного уровня наземной освещенности (в s). Угол вторичного светового луча изменяется пропорционально s^¼.

Рис. 38 Схема (а) и графики (б), (в), (г) симметричного двукратного отражения

[Iм=10s, Qp=Qc=0,9; r-1 (ясное небо); I'¤/I¤=0,79: η=45°; Ар-Ас; ОРС=ОСР; β=0,0093 рад]: 1 - при TSID = 3 ч; 2 - при TSID = 12ч; 3 - при TSID = 24 ч [Ар и Ас следует умножить на 10²=; F(S,r) на кривых 1, 2, 3 следует умножить соответственно па 10^-6, 10-^-10, 10^-11]

Таким образом, хотя и возможно уменьшить размеры светового пятна оптическим путем — и даже легче, чем выбором более низкой орбиты, — это становится практичным лишь после того, как большие размеры единичных рефлекторов и низкие транспортные расходы станут доступными и неизбежными условиями при реализации концепции. Такие условия имеют место в связи с Биосолеттой (см. ниже). Однако преимущества двойного отражения могут быть полностью реализованы только в том случае, если необходима стационарная проекция светового пятна. Если же пятно движется, может оказаться более экономичным осуществлять это с помощью единственного рефлектора на субсинхронной орбите. Следовательно, если по каким-либо причинам части Биосолстты потребуется отклонять от их первоначального положения, нужно было бы поместить Биосолетту на геостационарную круговую экваториальную орбиту. Однако эта орбита может оказаться не самой приемлемой для Биосолетты по причинам, изложенным ниже.

5.5 СОЛЕТТА

Солетта обеспечивает высокий уровень потока солнечной энергии .в световом пятне. Она имеет четыре основных функции: 1) производство пищи (океан, суша); 2) борьба с заморозками; 3) надежное предсказание погодных условий для сельского хозяйства; 4) генерация электроэнергии ночью с помощью солнечно-электрических станций). Первые три из них относятся к Биосолетте, последняя — к Энергосолетте. Важно подчеркнуть, что три первых функции Солетты не требуют никаких наземных установок. Размеры Солетты лежат в диапазоне от тысяч до десятков тысяч квадратных километров. Солетта состоит из большого количества рефлекторов, сфокусированных в общем световом пятне на поверхности Земли. Размеры рефлекторов не позволяют использовать двойное отражение, да оно здесь и непригодно. Функции Солетты имеют смысл лишь в том случае, когда они применимы к обслуживаемой области, сопоставимой по размерам с самой Солеттой. Особенно это относится к Биосолетте, которая, чтобы быть достаточно Эффективной, должна облучать тысячи квадратных километров, если речь идет о суше, и в десятки раз большие площади, когда речь пойдет об океане. Следовательно, Биосолетта должна быть на геостационарной или же еще более высокой орбите. Энергосолетта, которая является единственной из всех отражательных систем, требующей протяженных наземных установок, облучает меньшие, чем Биосолетта, области (по крайней мере, на первоначальном этапе своего развития), вследствие целесообразности удержания начальных капиталовложений на приемлемо низком уровне и для обеспечения более ранней доступности такой энергосистемы. Поэтому для Знергосолетты более подходящей является трехчасовая орбита.

Ниже рассмотрены возможности как Энергосолетты, так и Биосолетты. Здесь это делается впервые. Представлен также и экономический анализ обеих Солетт.

5.5.1 ЭНЕРГОСОЛЕТТА

Цель рефлекторной системы Энергосолетты — добавить к регулярному потоку солнечной энергии дополнительный поток к наземным солнечно-электрическим энергостанциям. Энергосолетта как бы «перемещает» Солнце ночью, а также способна повысить вклад солнечной энергии в дневное время. Подвод энергии ночью позволит наземным электростанциям функционировать круглосуточно — так, как будто бы они размещались в космосе (разумеется, зависимость от атмосферных условий здесь все-таки сохраняется). Энергосолетта сделает доступным солнечно-электрический принцип энергосистемы для стран с недостаточно изобильной инсоляцией, делая тем самым существенный вклад на длинном и трудном пути улучшения климатических условий, не соответствующих нашим представлениям об идеале.

Чем выше орбита, на которой монтируются рефлекторы, тем их (или роев рефлекторов) нужно меньше, но тем большим становится наземное световое пятно. А поскольку Энергосолетта включает наземные установки, вышерассмотренные взаимосвязи ведут, в конечном счете, к зависимости размеров и стоимости этих наземных установок от высоты орбиты, ибо в противном случае значительная часть солнечной энергии без всякой пользы излучалась бы в наземную окружающую среду. Это не только будет снижать эффективность системы, но фактически будет увеличивать ее тепловой выброс (т.е. повысит «тепловое загрязнение» атмосферы). С другой стороны, из-за увеличения площади светового пятна и числа наземных установок будут заметно возрастать начальные капиталовложения. Выработка энергии должна быть очень большой (от сотен до тысяч ГВт.год), а эффективность и степень использования рефлектора должна быть весьма высокой. Однако масштабность проекта затруднит его быструю реализацию.

Двухчасовые и трехчасовые орбиты дают более подходящие условия для введения в строй Энергосолетты, хотя и приведут к некоторому ухудшению эффективности системы.

Для Энергосолетты очень важно предотвратить чрезмерные вариации интенсивности освещения. Здесь эта задача важнее, чем для Лунетты, поскольку процесс производства энергии наземным оборудованием не так гибок, как человеческий глаз в случае осветительной системы. Человеческий глаз, как и все другие органические Рецепторы, обладает способностью логарифмической адаптации к вариациям уровня освещения, в то время как эффективность энергогенерирующего оборудования (например, фотогальванических батарей) резко падает, если уровень иррадиации падает слишком низко. Эти соображения влияют на выбор εlim. Длина пути светового луча через атмосферу Dε для данного угла подъема рефлектора е следует из системы уравнений:

(22)

где Do — длина вертикального пути через атмосферу (т.е. вдоль радиуса круговой орбиты); q' — угол при центре Земли между радиусом-вектором, направленным к зениту, и радиусом, направленным к точке пересечения линий угла подъема в и круга с радиусом, равным rоо + Do (рис. 39).

Рис. 39. Схема определения расстояния, проходимого лучом в атмосфере
(rз—радиус Земли; cd = уo; са = у; Dо = Hатм; D = ba; Q'= <cob)

Принимая Do=100 км, получим для трехчасовой орбиты при> ε≈40° диаметр Dε≈150 км, а при ε≈30° диаметр Dε≈196 км.

На выбор величины εlim влияют два обстоятельства: размеры рефлектора и потери энергии как функция изменений длины пути светового луча между зенитом и предельным углом подъема рефлектора εlim. Для заданного числа рефлекторов большая кондиционно освещаемая область (меньший εlim) допускает большие размеры единичных рефлекторов, а следовательно, меньшую общую массу, что снижает транспортные расходы.

Если же площадь, приходящаяся на один рефлектор, падает ниже 20 км², образуется заметный массовый «штраф» из-за повышения удельной доли массы вспомогательных систем, которыми должен оснащаться каждый индивидуальный рефлектор. Что касается влияния длины пути светового луча, то для условий в совершенно прозрачной атмосфере отношение уровня светового потока (в лм) к интенсивности (силе) света (в международных свечах) можно вывести из закона Алларда:

(23)

Это означает, что при самых наилучших условиях интенсивность варьирует между 1,0 и 0,44 для кондиционно освещаемой области при предельном угле подъема рефлектора εlim= 40° и между 1,0 и 0,26 при εlim=30°. При тех же атмосферных условиях солнечная интенсивность меняется между 1,0 и 0,14 при ε = 20° (длина пути луча 266 км).

Для прозрачности атмосферы, равной 0,7, отношение (23) можно аппроксимировать так:

(24)

В этом случае интенсивность из меняется между 0,7 и 0,23 для εlim=40°; 0,11 для εlim=30° и 0,05 для εlim=20°.

Между углом подъема в 20° и зенитом Солнце обеспечивает в среднем 0,79—0,81 энергии, даваемой при ПС = 1 Энергосолеттой между 40° и зенитом при прозрачности атмосферы 0,7 и 1,0 соответственно; для кондиционно освещаемой области, расширяемой до 30° угла подъема, отношения будут равны 0,9 и 0,93 соответственно. Так, если Энергосолетта предназначена для дублирования вклада энергии Солнца в течение ночи, необходимо обеспечить около 0,8 ПС при εlim= 40° и 0,92 ПС при εlim= 30°.

В табл.6 показаны комплексные воздействия на степень использования рефлекторов Энергосолетты высоты орбиты и ограничении по углу подъема. Эти же параметры влияют на общую площадь отражающей поверхности Энергосолетты. Очевидно, что большая кондиционно освещаемая область (меньший εlim) экономит площадь рефлектора, несмотря на штраф из-за необходимости компенсировать более длинный путь светового луча через атмосферу. Соответственно растет эффективность использования рефлектора. Сравнение данных, соответствующих εlim = 60° для трехчасовой и четырехчасовой орбит, показывает, что уменьшение εlim для меньшей кондиционно освещаемой области более эффективно достигается на более высокой орбите. Сравнение εlim = 30° и εlim = 60° для трехчасовой орбиты показывает, что при шестидесятиградусной схеме размещения должны функционировать три наземные энергостанции, чтобы экономически оправдать включение большей общей отражающей поверхности.

Таблица 6

Характеристики Энергосолетты для различных орбит и ограничений по углу подъема рефлектора

Характеристика	Значение характеристик при сидерическом периоде
Характеристика	2		3		4
Отношение радиуса орбиты к радиусу Земли	1,26		1,656		2,0
Высота у₀ орбиты, км	1658		4148		6380
Площадь А₀ подспутникового светового пятна, км²	187		1190		2765
Диаметр d₀ подспутникового пятна, км	15,4		38,6		59
Максимальный угол *εlim* подъема рефлектора, °	45	30	40	60	60
Отношение Aε/А₀ при *εlim*	2,36	3,86	2,46	1,36	1,31
Диаметр кондиционно освещаемой области 2q, °	21,7	57	44,3	24,83	33,5
Максимальное время прохода через КОО (кондиционно освещаемую область), ч	0,13	0,54	0,423	0,24	0,744
Время прохода при y = 100° и y = 25°, ч	0,1	0,41	0,323	0,18	0,553
Количество роев на орбите, Nc	18	6	9	16	11,5
Интенсивность освещения, ПС	0,8	0,92	0,8	0,6	0,6
Площадь роя (при r = 0,94), км²	174	1215	1012	759	3070
Общая отражающая поверхность на орбите, км²	3132	7292	9,108	12,141	35,302
Число трасс (при трех трассах через КОО)	9	4	4	6	3
Угловое расстояние между орбитами, DW °	5	11	11	7	11
Отражающая поверхность на одной трассовой орбите, км²	1044	2430	3036	4048	11767
Общая отражающая поверхность (на всех орбитах), км²	9396	9723	12144	24228	35302
Углоаая дистанция между рефлекторами на орбите, °	5,54	12	13,85	6	10,9
Количество рефлекторов на трассовой орбите	65	30	26	60	33
Площадь единичного рефлектора, км²	16,1	81	117	67,5	475,5
Суммарное число рефлекторов (на всех трассовых орбитах)	585	128	104	360	99
Количество рефлекторов, одновременно функционирующих над КОО	11	15	9	9	9
Коэффициент использования рефлектора на одну КОО (отношение числа функционирующих рефлекторов к их суммарному количеству)	0,019	0,117	0,087	0,025	0,091

Энергосолетты при определенных условиях может оказаться весьма привлекательной одна частная форма цепной передачи радиационной энергии, названная ретрорефлексией (рис. 40). Применение Энергосолетты связано со значительной дневной иррадиацией, поскольку это увеличивает энерговыработку наземной силовой электростанцией. Ретрорефлексия не страдает теми недостатками, которые приводили к неэффективности и непривлекательности ранее рассмотренной формы цепной передачи радиации. Поэтому она сопособна увеличить коэффициент использования рефлекторов. Будут ли при этом какие-то навигационные сложности или нет смысл применения такой схемы определяется расстоянием между рефлекторами и потерями из-за того, что не весь отраженный назад свет перехватывается приемными рефлекторами.

Рис. 40. Схема использования ретрорефлексии для передачи энергии

Из табл.6 следует, что для небольшого количества широко разнесенных наземных энергостанций наиболее привлекательна трехчасовая орбита, поскольку она должна быть солнечно-синхронной; альтернатива — использовать большое число наземных станций, чтобы сделать всю энергосистему совсем нечувствительной к прецессии орбит.

Большой угол наклонения двухчасовой солнечно-синхронной орбиты ограничивает ее полезность (рис 41). А шестичасовая солнечно-синхронная орбита нереализуема так же, как и четырехчасовая.

Рис 41. Схема солнечно-синхронных орбит для Лунетты, Энергосолетты:
1 - трехчасовая орбита; 2—двухчасовая орбита; 3—орбита нижнего предела (—1500 км); 4—орбита, на высоте которой радиационное давление превосходит аэродинамическое сопротивление (~1100 км); 5—орбита обслуживания (550 км)

Необходимость монтажа большого количества рефлекторов оправдывает создание обслуживающей станции на солнечно-синхронной орбите высотой 550 км (ниже радиационного пояса). Обслуживающая орбита должна быть солнечно-синхронной, чтобы удерживать фиксированное положение относительно трехчасовой солнечно-синхронной орбиты. Если единичный рефлектор может быть сделан достаточно легким, чтобы использовать световое давление солнечной радиации в дополнение к электроракетной тяговой системе для приведения рефлектора в движение по направлению от Земли, то этот единичный рефлектор следует сначала поднять на высоту около 1100 км, где аэродинамическое сопротивление из-за атмосферного воздуха становится настолько малым, что не съедает эффект светового давления.

Наклонение солнечно-синхронной орбиты с высотой 550 км равно 97,6°, что более благоприятно в смысле транспортировки грузов с поверхности Земли на орбиту, чем в случае трехчасовой орбиты с наклонением в 125°. Разница в наклонениях компенсируется в ходе межорбитального перехода. Непрерывная солнечная экспозиция обеспечивает обильный приток энергии для присоединенной материалообрабатывающей фабрики. Эта фабрика будет производить сверхлегкие конструкции для рефлекторов, она же будет выполнять работы по покрытию поверхностей рефлекторов натрием, который легче алюминия, дешевле его и обладает более высокой отражающей способностью; но в таких масштабах, какие потребны в нашем случае, он может обрабатываться только в космосе, где его отражательная способность не ухудшается из-за окисления кислородом.

Ретроградная трехчасовая орбита периодически погружается в протонный радиационный пояс и выходит из него. Протоны вызывают появление шероховатостей на отражающей поверхности. Протоны низкой энергии могут захватываться материалом рефлектора и создавать в поверхности раздела пластика и металлического покрытия микроскопические водородные пузырьки. В масштабах длин световых волн эти пузырьки становятся вполне ощутимыми, что добавляется к постепенному ухудшению отражательной способности рефлектора.

Скорость вырождения рефлектора в настоящее время не известна. Отражающая поверхность может требовать перепокрытия в интервале в 15 или в 8 лет. С другой стороны, протоны имеют тенденцию к нейтрализации отрицательных зарядов, которые рефлектор захватывает при движении вне протонного пояса.

Благодаря этому на поверхность рефлектора будет садиться меньше пыли, в меньшей степени снижая его отражательную способность, чем на более высоких орбитах.

Поскольку установка дополнительных приемных станций на поверхности Земли вдоль трассы, проходимой рефлекторами, повысит общий объем энергии, генерируемой всей системой, можно использовать два роя, каждый из которых поочередно освещает одну из двух обслуживаемых областей. В этом случае два принимающих свет роя взаимодействуют в схеме интеррефлексии только с рефлекторами на своей половине орбиты и поэтому потребуется снабдить каждый рой дополнительными рефлекторами. Однако затраты на создание второй станции будут меньшими, чем при создании первой станции, так как теперь каждый рой несет двойную вахту в течение каждого витка. Эта тенденция будет сохраняться и при дальнейшем увеличении числа наземных энергостанций (обслуживаемых областей). Дополнительные рои должны размещаться между первоначальными. Таким методом можно обеспечить постепенное наращивание объема производимой энергии при повышении экономической эффективности всей системы, основываясь на годовых доходах от уже созданной части общей энергосистемы. Это существенно улучшает общую картину капиталовложений по сравнению с весьма большими Солеттами на высоких солнечно-синхронных орбитах (хотя эффективность первоначальных затрат растет с увеличением высоты).

С помощью ретроградной трехчасовой орбиты страны и районы, лишенные изобилия солнечной энергии, приобретут возможность установить свое собственное рукотворное «Солнце» для генерации электроэнергии на земле. Поскольку лучшее покрытие обслуживаемых областей достигается в том случае, когда они размещены на широтах несколько меньших, чем соответствующая вертексу (b_m_ах = i) трассы данной орбиты, могут быть обслужены наземные станции вплоть до широты около 50°. Разумеется, могут обслуживаться и станции до широт, по меньшей мере, в 65°. Это означает, что обслуживаемые Солеттой солнечные энергостанции можно строить в Северной Европе, на севере Сибири или в Канаде. Конечно, чем дальше на север расположена станция, тем больше доля общей радиационной мощности, обеспечиваемая Солеттой.

Фактически, на высоких широтах может создаться обращенная ситуация: наземная силовая энергостанция работает с максимальным уровнем выработки электричества ночью, то есть тогда, когда она облучается Солеттой. Потому потребуется аккумуляция электроэнергии — чтобы затем поддерживать и при дневном свете минимальный функциональный уровень; чтобы максимизировать энерговыработку наземной станции и добиться успехов в обеспечении эффективного круглосуточного функционирования, целесообразно минимизировать потребности в хранении запасенной энергии при соответствующем уменьшении стоимости конструкций; энергостанции при этом следует размещать в районах со слабым облачным покровом, между 30 и 45° широты. На рис. 42 показаны три примера. Можно рассматривать и более северное размещение энергостанций, но в этом случае для снижения затрат необходим более высокий коэффициент использования рефлекторов, чтобы скомпеисирозать рост потерь из-за облачности.

Рис. 42. Картосхема 3-х вариантов траекторий Солетта-системы и размещения солнечных энергостанций для Западной Европы, СССР и Северной Америки
(штрих-пунктирные линии — Западноевропейские трассы; а—подспутниковое световое пятно Ао=1321 км²; Dо=41 км)

Проведем сравнение условий для трех точек на поверхности Земного шара (рис. 42), рассматриваемых в качестве кандидатур на размещение там солнечно-электрических силовых станций, в частности рассмотрим вклады Энергосолетты в объем электроэнергии, вырабатываемой каждой из этих станций.

В СССР одно из наиболее благоприятных мест для размещения солнечной энергостанции — восточная часть Каспийского моря в Туркменской ССР (около 40° северной широты). Оно особенно привлекательно как с точки зрения обилия солнечной энергии, так и с точки зрения наличия воды для охлаждения, ирригации и производства жидкого водорода. Для передачи электроэнергии в западные районы СССР и "Восточную Европу это размещение энергостанции удобнее, чем размещение в Центральной Сибири. Для энергоснабжения Западной Европы наиболее благоприятными условиями обладает восточная половина Испании при передаче энергии через высоковольтные магистральные линии постоянного тока к индустриальным центрам на севере и на востоке. В Северной Америке, где только США являются высокоиндустриализованной страной, содержащей районы с высоким уровнем инсоляции, порядка более 2·10⁹ кВт.ч радиационной энергии на 1 км² земной поверхности в год, наиболее благоприятным местом для размещения энергостанции будет район между Аризоной и Сонорой в Мексике. Из этого региона могут снабжаться электроэнергией через высоковольтные линии постоянного тока Мексика, США и часть Канады.

На рис. 42 показано наклонение орбиты в 45°, чтобы охватить все три рассматриваемых места для размещения энергостанций, хотя для США орбита с наклонением в 35° была бы несколько более эффективной. Причина этого состоит во взаимной поддержке по передаче энергии к соответствующим наземным энергостанциям всех рассматриваемых орбит: Западноевропейских (штрих-пунктирные трассы), Советского Союза и США. Фактически, следующие после США четыре витка трассы № 3 совпадают с трассой № 1 Западноевропейской орбиты. Другими словами, энергостанции в США и в Западной Европе могут использовать одну и ту же систему Энергосолетт. Станции в СССР также извлекают из этой Энергосолетты определенную выгоду, хотя её трассы и менее подходящи для СССР, чем для Западной Европы. Однако одна пара орбит могла бы удовлетворительно обслуживать энергостанции Советского Союза и США. Наконец, трассы в Западной Европе и трассы в СССР обеспечивают взаимные выгоды. Для трех показанных на рис. 42 мест размещения энергостанций три орбиты (то есть как бы 1,5 пары орбит вместо трех пар) могли бы обеспечить удовлетворительное обслуживание. При определенном выборе мест размещения обслуживаемых районов и соответствующей оптимизации наклонений орбит и промежутков между их восходящими узлами потребная для трех точек обслуживания Энергосолетта может быть уменьшена до разметаемой на одной паре орбит. Здесь принимается, что используется трехтрассовая схема. Как было установлено в табл.6, результирующая протяженность (DW) требует только четырех трасс, что эквивалентно одной и одной трети полной орбиты.

На рис. 43 показаны общие условия для всех трех мест размещения энергостанций. Три схемы слева показывают вариации общего вклада солнечной энергии, получаемой горизонтальной поверхностью в течение года (жирная линия), и радиационную энергию, запасаемую энергоспутником. Величины, относящиеся к Солнцу (кВт·ч радиации на 1 км² в месяц), были рассчитаны по радиационным изотермам, приведенным в монографии Б. Дейонга «Радиация, получаемая горизонтальной поверхностью на Земле» (издание Дельфтского университета, 1973 г.). При размещении энергостанции на территории СССР будут наибольшие по амплитуде изменения солнечной радиации в течение года. Уровень затенения облаками здесь имеет тенденцию к увеличению в течение зимних месяцев, большую (и на больших площадях), чем в других местах.

Рис. 43. Графики количества солнечной энергии, получаемого поверхностью приемника на Земле от Солнца (сплошные линии) и от Солетты (штриховые линии) по месяцам
(а — Северная Америка, район Аризона — Сонора; б — СССР — район Туркмении; в —Западная Европа—район Испании; г — по месяцам от Солнца (сплошные линии) и суммарно (штриховые линии) от Солнца и Солетты; д — накопленной за год (обозначения те же) по месяцам
(1—Северная Америка; 2—Западная Европа; 3— СССР)

Из этих данных можно получить значения вклада радиационной энергии, даваемого Энергосолеттой. Возрастание доли диффузионных компонентов излучения будет снижать эффективность солнечно-термической электростанции, использующей принцип концентрации солнечного света. Фотогальваническая батарейная система, которой здесь отдано предпочтение, способна извлекать энергию из диффузной радиации. Следовательно, оценка уменьшения выхода энергии может быть устойчивой.

Функциональные трассы Энергосолетты не опускаются ниже угла подъема в 30°. Большую часть времени они проходят в пределах 80° по углу подъема, или 20° от точки зенита обслуживаемой области. При широте 30° (Североамериканская обслуживаемая область) Солнце никогда не проходит через зенит и достигает полуденного угла подъема в 83° только 21-го июня. Для энергостанции, расположенной на 40° северной широты, максимальный угол подъема Солнца равен 73°. Соответственно, вклад Энергосолетты интенсивностью в 1 ПС в июне и в июле будет примерно на 5% выше, чем вклад самого Солнца. Это преимущество Энергосолетты на рис. 43 не отображено.

Наибольшие флюктуации в величине вклада Солнца определяются сезонными изменениями максимального угла подъема Солнца. На широте 30° максимальный угол подъема изменяется между 21-м июня и 21-м декабря от 83 до 37°; на широте 40°—от 73,5 до 26,5°. Разумеется, Энергосолетта не подвержена этим вариациям, и, следовательно, обеспечивает более высокий выход энергии к силовой электростанции. Этот фактор отражен на рис. 43.

Для точек размещения станций в Северной Америке и в Западной Европе Энергосолетта обеспечивает главный энерговклад между ноябрем и февралем. Это справедливо и для территории СССР, если принять в расчет менее осторожное предположение относительно зимнего облачного покрова. График вверху справа на рис. 43 дает сравнение результирующих величин месячного радиационного вклада для одного Солнца (жирная линия) и для Солнца вместе с Энергосолеттой. Во втором случае радиационная энергия более чем удваивается. Точно такую же картину мы наблюдаем п в отношении энергии, накопленной за год на каждом квадратном километре земной поверхности (график внизу справа на рис. 43). Даже для тех мест в Северной Америке, где вклад прямой солнечной энергии наибольший по сравненшосо всеми иными районами, Энергосолетта обеспечивает увеличение общей выдачи энергии на 30%. Для районов СССР и Западной Европы (где предусмотрено размещение энергостанций) Энергосолетта вносит 1,45 и 1,43 соответственно единиц энергии на каждую единицу, обеспечиваемую непосредственно Солнцем.

Что это означает практически? Во-первых это означает, что Энергосолетта дает возможность установить большие наземные солнечно-силовые энергоустановки, которые могут быть осуществлены в местных условиях; они обеспечат ежегодную доставку электроэнергии, в 1,5—2 раза большую, чем дают наиболее благоприятные районы Земли с наивысшим уровнем инсоляции (уровень иррадиации порядка 2,5·10⁹ кВт·ч на 1 км² в год для горизонтальной поверхности).

Во-вторых, Энергосолетта снимает некоторые географические ограничения -благодаря возможности размещения таких солнечно-энергетических центров, которые обладают высокой мощностью, но являются полностью контролируемыми, в тех областях, где уровень инсоляции много меньше 2,2·10⁹ кВт·ч на 1 км2 в год. В частности, снабжение солнечной энергией в целях генерации электроэнергии в Центральной и Северной Европе, Восточной Европе и западных районах СССР благодаря Энергосолетте становится практически целесообразным с точки зрения развития энергетики. Как показано ниже, это целесообразно и экономически.

В-третьих, хотя Энергосолетта и не фиксирована жестко на небосводе обслуживаемой области, она все же значительно эффективнее Солнца — в первую очередь, благодаря отсутствию сезонных изменений.

В-четвертых, стоимость конструкции на один киловатт электроэнергии снижается для солнечной энергостанцин благодаря ее непрерывному функционированию днем и ночью, а также благодаря устранению громоздких и дорогих устройств хранения (аккумуляции) энергии.

Наконец, поступающая радиация благоприятна во всех отношениях. Только около 8% поступающей энергии поглощается сухими молекулами воздуха. Пыль и пары воды могут дополнительно поглотить 5 и 10% соответственно. Это может рассматриваться как показатель снижения плотности облачного покрова над обслуживаемой областью, что, в конечном счете, увеличивает поток радиационной энергии, поступающей к энергокомплексу. Львиная доля термического движения воздуха вызывается нагревом и теплорадиацией грунта. Однако в тех точках, где энергия поглощена для генерации мощности, нагревательный эффект («термическое альбедо») существенно снижается (90% и более поглощается перерабатывающей энергию поверхностью). Это снижает термический показатель ниже уровня, свойственного столичной области (большому современному городу). Однако эффективность фотогальванического преобразования невысока. От сброса энергии нужно как-то избавляться — путем охлаждения или с помощью отвода сбрасываемой энергии для выполнения полезной работы. Но макроклиматически термическая выдача энергогенерирующего района слишком мала, чтобы давать какие-либо эффекты.

С точки зрения минимизации локальных возмущений, также как и максимизации использования радиационной энергии, элементы энергопроизводящей поверхности должны покрывать как можно большую долю общего светового пятна. Высокотемпературные концентрационные системы, использующие большое количество гелиостатав для фокусировки энергии на вершине колонны-нагревателя, имеют менее широкую область применения, чем «ковер» из солнечных батарей, которые к тому же менее чувствительны к рассеянию света, вызываемому атмосферой.

На рис. 44 показаны характеристики производства электроэнергии фотогальванической коллекторной системой площадью в 1000 км² применительно к трем определенным выше местам размещения наземных энергостанций, основываясь на величинах накопленного энерговклада, представленного внизу справа на рис. 43. Главная доля первоначальных затрат может быть связана с созданием большой фотоэлектрической системы. Стоимость солнечных батарей (панелей) с ростом их эффективности уменьшается. Исходя из анализа соображений, определяемых сбытом электроэнергии, можно придти к убеждению, что оптимальная с точки зрения экономики эффективность преобразования к уровню середины 1990-х годов может составлять около 15%.

Рис 44. Диаграмма выработки электроэнергии при разной (0,15; 0,20; 0,25) эффективности преобразований:

1—Аризона—Сонора 32° с.ш., 115° з.д.; 2—Туркмения — 40° с.ш.; 55° в.д.; 3—Испания — 40° с.ш.; 1° з.д.
(1 ГВт·год эквивалентен 2,06 Мт нефти или 3,34 Мт угля; площадь, генерирующая энергию на одну освещаемую область, составляет 1000 км²)

Для принятых сегодня концепций солнечных энергостанций низкая эффективность, обычно свойство малопривлекательное, поскольку это ведет к соответственному увеличению территории, потребной для заданной энергетической мощности системы. Однако это становится менее важным фактором для энергостанций, питаемых и Солнцем, и Энергосолеттой, чей вклад превышает энерговклад Солнца.

Значение эффективности преобразования в 15% дает возможность обеспечить весьма заметный вклад в общий объем снабжения электроэнергией для каждого из трех рассматриваемых экономических регионов даже при уровне потребления электроэнергии, ожидаемого к концу текущего столетия. Вклад одной Энергосолетты эквивалентен выработке электроэнергии наземной тепловой электростанцией, требующей сжигания от 80 до 100 миллионов тонн нефти ежегодно*.

5.5.2 БИОСОЛЕТТА

Важнейшим потенциальным вкладом Биосолетты следует считать повышение роста органических соединений путем стимуляции процесса усвоения углерода сельскохозяйственными растениями, а также морским планктоном — чтобы в итоге увеличить производство товарной рыбы и других «даров моря» в качестве источника протеина для человечества. Этого можно достичь двумя способами. Один из них— подсветка в период вечерних сумерек и ранним утром— иначе говоря, продление дня. Второй метод — ночная стимуляция путем периодического освещения в течение часа или более среди ночи.

Для «сухопутных» растений световой фактор является одним из нескольких абиотических факторов, влияющих на рост (к другим факторам относятся: температура, углекислота, вода и минеральные соли). Свет дает энергию; углекислота, вода и почвенные минералы обеспечивают строительные материалы для этого биоиндустриального процесса. При наличии других благоприятных факторов интенсивность ассимиляции углерода зависит от плотности освещения (интенсивности света); процесс ассимиляции углерода растениями, как известно, называют фотосинтезом. Прирост плотности освещения тем более эффективен с точки зрения возрастания скорости ассимиляции углерода, чем ближе к пределу начальный уровень освещенности. Таким образом, Биосолетта сравнительно более эффективна над регионами, наделенными предельными величинами солнечной интенсивности.

Фотосинтез обладает такой особенностью, что выше определенного уровня (который зависит, среди прочих причин, от уровня насыщенности СО₂) он далее уже не увеличивается. Для растений, предпочитающих затененные участки, этот уровень достигается приблизительно при освещенности в 15% от максимальной интенсивности солнечного света. Для солнцелюбивых растений максимум скорости фотосинтеза вдвое выше и достигается при значении плотности освещения около 50% от полного солнечного света (96% максимума достигается уже при 40% полной интенсивности солнечного света).

Свет, кроме ассимиляции углерода, вызывает рост растений и определяет скорость их созревания. При более продолжительных днях те же самые растения обнаруживают тенденцию к лучшему развитию и большей длине (при всех остальных одинаковых факторах), чем при более коротком дневном периоде, исключая горные растения, чей рост несколько притормаживается, из-за одновременного увеличения интенсивности ультрафиолетового облучения.

Кроме количества света, экологически важно распределение его периодичности, поскольку возможность синтеза углеводородов определяется чередующимися периодами света и темноты. Длиннопериодические растения требуют около 12 ч освещения в сутки или больше, чтобы пышно разрастись и зацвести. Это относится и к пшенице. Короткопериодические растения (к которым относится, например, кукуруза) цветут при дневном освещении продолжительностью менее 12 ч. Третья группа фотопериодически индифферентна (главным образом, сюда относятся сорняки и некоторые сорта табака). Без каких-либо вредных последствий период светлого времени может прерываться короткими отрезками отсутствия солнца (например, из-за облачности). И наоборот — короткие периоды освещения (в некоторых экспериментах продолжительностью менее 1 с) могут вызвать сильный эффект. Другими словами, важным фактором фотопериодичности является длительность непрерываемого периода темноты. Путем ночной стимуляции длиннопериодические растения, при менее чем 12 ч дневного света, могут быть доведены до цветения — как будто бы их рост шел в условиях естественного двенадцатичасового дневного освещения. Следовательно, Биосолетта может быть весьма эффективной в тех районах, где широко возделывается пшеница и вместе с тем светоснабжение близко к предельно необходимому. При этом Биосолетта может использоваться как для растягивания светлого времени, так и для ночной стимуляции.

Над океанами увеличение продуктивности фотосинтеза может эффективно применяться в тех областях, где богатые пищей глубинные воды поднимаются к поверхности океана («ключевые» регионы). Давая достаточное освещение солнечным светом, можно приблизить выход углерода в течение, периода активного подъема глубинных вод к 1 г на 1 м² в день (сравнительно с выходом 0,3 г углерода с 1 м² в день в районах высокопродуктивных прибрежных акваторий и 0,15 г на 1 м² в день в открытом океане; эти латаные взяты из работы Райзера «Фотосинтез и воспроизводство рыбы в море»). Самые большие области на Земле, где происходит подъем глубинных вод и вместе с тем интенсивность освещения является лимитирующим фактором, могут быть названы грубо в п0рядке убывания значимости: разные протяженные районы вокруг Антарктиды, запад Северной Атлантики между Ньофаундлендом и Гренландией, а также восток Северной Атлантики между Исландией и Норвегией (рис. 45).

Рис. 45. Схема регионов высокой продуктивности морских организмов

В тех районах мирового океана, где происходит подъем глубинных вод, пищевая цепь от планктона до промысловых видов рыбы— наикратчайшая. Следовательно, эффективность функционирования Биосолетты там будет наивысшей. Причина этого заключается в следующем. В районах поднимающихся глубинных вод наиболее широко распространенные разновидности фитопланктона не только образуются в изобилии, но и имеют размеры, существенно превосходящие средние, что позволяет некоторым видам промысловой рыбы, наделенным специальными сгребающими решетками (анчоусы, сардины и др.), непосредственно употреблять в пищу этот фитопланктон. В определенных условиях фитопланктон образует большие колонии желеобразной массы, включающей длинные волокнистые цепи, которыми могут непосредственно питаться даже большие промысловые рыбы, лишенные специальных сгребающих устройств.

Все вышеизложенное представляет собой очень упрощенную схему возможностей Биосолетты, которые могут быть использованы для увеличения объема мирового производства пищи как на суше, так и в океанах.

Физиология фотосинтеза, связанная со светом, весьма сложна. Картина протекания этого процесса определяется многими факторами. Чтобы определить характерные значения величины производительности системы Биосолетты, необходимо проанализировать ее применение в рамках нескольких типичных сценариев освещения. Эти сценарии должны принимать в расчет ежегодную солнечную иррадиацию, облачный покров, температуры, состояние воды и почвы (условия обеспечения пищей в океанических районах) и другие факторы, воздействующие на освещаемые Биосолеттой районы. Однако свет в производстве пищи имеет основополагающее значение. На первое время космическая индустрия дает средства управления количеством фотосинтетически эффективного прилива света в важные сельскохозяйственные районы и океанские области, обладающие высокой продуктивностью. Эти новые и уникальные возможности могут оказаться принципиально важными для будущего человеческого общества на Земле.

Плотность радиации Биосолетты должна быть достаточной для стимуляции фотосинтеза. Ассимиляция углерода имеет место даже при плотном облачном покрове, пропускающем к земле всего 20— 30% солнечного света; при этом обеспечиваются все другие потребности, нужные для роста. Если принять для монтажа Биосолетты трехчасовую орбиту, то для создания освещенности 0,4 ПС в подспутниковой точке потребуется общая отражающая поверхность роя 530 км², а в области в пределах 36° отклонения от подспутниковой точки обеспечение 0,4 ПС потребует 780 км². Если мы пожелаем иметь 1 ПС, потребная площадь роя возрастет соответственно до 1325 и 1950 км².

Солетта мощностью в 0,4 ПС на ГСО должна иметь общую отражающую поверхность почти 40 000 км². Поскольку необходимо облучать весьма большие области, а эффективность Биосолетты, как уже отмечалось, относительно более высока для высокоширотных районов Земли, наиболее подходящим режимом функционирования является режим В (см. рис. 23). При этом могут использоваться 12-часовая или геостационарная* орбиты.

За сутки Солетта (см. рис. 24) совершает полное круговое движение над поверхностью Земли; следовательно, ночью ею освещается только одно полушарие, а второе полушарие облучается днем. При этом на ночном полушарии Солетта как бы заменяет солнце, а на дневном — увеличивает интенсивность солнечного облучения. В заполярных районах Солетта послужит эффективным добавлением к полуночному Солнцу в течение полярного лета; в течение зимы Биосолетта наиболее эффективно будет использоваться над океаническими регионами, где имеют место благоприятные вертикальные течения, поднимающие глубинные воды к поверхности океана, поскольку Солетта недостаточно мощна, чтобы радикаль: изменить зимний климат над сушей и обеспечить в это время в рой сезон урожая.

Многоурожайность, подобная той, что свойственна климату тропиков или даже еще более высокая, могла бы значительно увеличить производство пищи в северных странах. Но имеется сравнительно немного таких избранных районов, где Солетта могла бы произвести описанный эффект. Климатически эти районы принадлежат к средним широтам, вероятно, не выше чем 40—45° широты и зависят от местных локальных факторов. В тех местах зимы почти всегда достаточно мягкие, поэтому Солетта мощностью от 0,4 ПС до 1 ПС способна так изменить световые и температурные условия на поверхности площадью до 100 000 км², чтобы создать возможность многократного сбора урожая. Однако для повышения уровня ассимиляции углерода в холодных океанических водах, в районах интенсивного подъема глубинных вод на высоких широтах ведущим фактором является скорее освещение поверхностных слоев воды, чем их нагрев.

На орбитах с высоким наклонением Солетта будет вставать в сумерках из-за южной части горизонта (в Антарктическом регионе— наоборот: из-за северной части горизонта), затем она поднимется в полночь до максимального угла подъема при наибольшей яркости, а затем снова зайдет за горизонт в сумерках (в южной части горизонта для северного полушария и в северной — для южного полушария). На экваториальной орбите Солетта также может двигаться по направлению к Северному или Южному полушарию, ее можно на определенное время «зафиксировать» в небе. В последнем случае система обеспечивает дополнительные преимущества, описанные ранее. Но она не может эффективно обслуживать районы, лежащие выше 45—503 широты; причем условия обслуживания зависят от облачного покрытия и яркости Солетты.

Для Биосолетты не существует единственной «наилучшей орбиты». Целесообразные орбиты характеризуются некоторым оптимальным компромиссом по выбору наклонения и других параметров, включая даже положение Биосолетты на орбите, определяемое ее основным предназначением. Ряд практических соображений убеждает, что Биосолетта, используемая для сельскохозяйственного производства пищи на суше, должна рассчитываться на освещение меньших областей, чем при производстве морских продуктов, поскольку культивируемые участки земли обычно ограничены соседством с городами, поселениями и пустынными районами, освещение которых по ночам нежелательно в силу тех или иных причин. Поэтому для Биосолетты, предназначенной освещать сухопутные районы, представляется более подходящей трехчасовая или, возможно, двухчасовая орбита (в зависимости от скорости деформации орбиты и суммарных расходов по доставке грузов на эту орбиту). Для выполнения случайных операций над сухопутными участками (например, предотвращения ночных заморозков) высота орбиты имеет меньшее значение.

Для производства пищи морского происхождения могут облучаться значительно большие области, что приведет к возрастанию общей эффективности системы. Вследствие этого Биосолетту следует монтировать на более высокой орбите, фактически, чем выше, тем лучше.

Одним из важных факторов, который необходимо учитывать при выборе орбит Биосолетты, является возможная интерференция ее компонентов с коммуникационными каналами между поверхностью Земли и спутниками различного назначения, функционирующими на ГСО.

Причина возможной интерференции кроется в том, что Биосолетта включает большие поверхности, обладающие высокой отражательной способностью в микроволновом диапазоне спектра электромагнитных волн. Можно предположить, что характеристики и схему функционирования систем рефлекторов, разворачиваемых для Биосолетты и Энергосолетты на трехчасовой орбите, можно согласовать с требованиями коммуникационных систем, например, путем установления коммуникационных каналов через ретрансляционные ИСЗ. Это вполне возможно, поскольку положения рефлекторных единиц на орбитах хорошо известны и не изменяются. Тем не менее, данное допущение требует дальнейшей проверки.

Океанская Бносолетта на высокой субсинхронной орбите также может быть приспособлена для целей коммуникации с помощью ретрансляционных связных спутников. Однако в течение тридцатилетнего или еще более продолжительного периода функциональной жизни Биосолетты может оказаться необходимым постоянно транспортировать отдельные ее фракции (например, порядка 10% ее общей отражательной поверхности) к обслуживающей станции, чтобы восстановить отражающее покрытие, произвести ремонт и техническое обслуживание агрегатов. Если это действительно окажется неизбежным или же придется использовать непрерывно увеличивающееся число океанских Биосолетт, то интерференция с линиями связи в самом деле могла бы стать неуправляемой. В таком случае океаническую Биосолетту придется поместить на наклонную относительно экватора (т.е. плоскости ГСО) круговую геосинхронную орбиту или же на орбиту, внешнюю относительно геостационарной, то есть на круговую экваториальную орбиту с периодом обращения ИСЗ, превышающим сутки.

Другая альтернатива состоит в использовании эллиптической 24-часовой орбиты, апогей которой размещается над областью океана, обладающей наибольшей продуктивностью. В этом случае период светового стимулирования продуктивной области удлиняется, что повышает общую производительную эффективность системы.

Функционально, а также с точки зрения небесной механики, наиболее подходящее значение угла наклонения орбиты — 63,5°. Оно обеспечит океанической Биосолетте накрытие самых плодородных районов вокруг Антарктиды, где широко распространены благоприятные вертикальные течения, вызывающие прилив глубинных вод к поверхности; будут накрываться подобные районы и в высоких северных широтах. В настоящее время из-за недостатка солнечного света оба эти региона производят много меньше, чем могли бы производить в условиях изобилия солнца. С точки зрения небесной механики, это наклонение привлекательно из-за стабильного положения большой оси орбиты, на которую не влияют пертурбационные (земные) возмущения*, вызывающие вращение линии апсид орбиты, если ее наклонение отличается от 63,5°. Следовательно, в рассматриваемом случае перигей и апогей всегда будут оставаться лад теми же широтами. При заданном периоде** выбор расстояния от центра Земли до перигея определяет как расстояние апогея, так и размеры рефлектора.

На рис. 46 показана 24-часовая эллиптическая орбита для Биосолетты. Орбиты с такими наклонением и эллиптичностью используются сегодня для связных систем, как это сделано, например, у советской связной системы «Молния» (ее орбита — 12-часовая с апогеем над Северным полушарием, радиус-вектор меняется в пределах 1,08 до 7,27 радиусов Земли). Функционируя на данной орбите, Биосолетта будет проходить по дуге в 77,22° с обеих сторон от апогея за 12 ч с изменением расстояния от центра Земли от 6,67 до 7,22 земного радиуса, возвращаясь в конце витка снова к 6,67 R₃.

Рис. 46. Орбита Биосолетты (Тсид=24 ч; i=63,5'):
1—точка зимнего солнцестояния; 2— точка летнего солнцестояния;
3— точка перигея (r = 6r₀₀); 4— точка апогея (r = 7.22r₀₀)

Таким образом, площадь подспутникового светового пятна меняется всего лишь на 17%; по сравнению с круговой ГСО площадь подспутникового пятна, когда Биосолетта находится в апогее эллиптической орбиты, будет на 19% больше.

Это добавляет к освещаемой области около 18 000 км2, если мы заинтересованы в том Же самом уровне облучения в 1 ПС.

Для иллюстрации возможностей Биосолетты по производству пищи показателем может служить ассимиляция океанического углерода, поскольку океаны представляют собой большие смежные области, которые следует освещать подряд, не опасаясь подсветки обитаемых или пустынных районов, освещать которые нежелательно или бессмысленно. Примером районов океана с вертикальными подъемами глубинных вод может служить связанный с Перуанским прибрежным течением, создающим одну из самых производительных областей в мире по воспроизводству рыбы. Этот район дает около 2·10⁷ т промысловой рыбы ежегодно, в полосе прибрежий площадью свыше 60 000 км² (1250 км на 50 км). Это соответствует около 333 т рыбы с каждого квадратного километра в год.

Чистый «урожай» составит около 10⁷ т; остальные 10⁷ т уйдут за счет морских хищников и птиц (переводящих ассимилированный морскими организмами углерод в гуано). Благодаря всплытию глубинных вод организуется снабжение пищей поверхностных слоев в Перуанской прибрежной полосе; при изобилии солнечного света здесь создадутся особенно благоприятные условия.

Представляет большой интерес исследовать, какое дальнейшее увеличение выхода продуктов моря могло бы стимулировать освещение «полуночным солнцем».

Воспроизводительные возможности вод Антарктики изучены менее хорошо. Область, где имеют место условия, необходимые для подъема глубинных вод, оценивается в 160 000 км² или несколько меньше (Райзер. «Фотосинтез и воспроизводство рыбы в море»), тем не менее, эта область — наибольшая в мире из областей такого рода. Казахара рассчитал для этой области объем ежегодного созревания криля, по меньшей мере, порядка 24—36 Мт. Оценки других авторов еще выше: например, выполненные недавно в ФРГ расчеты на основе гидроакустических измерений, проведенных в 1975—1976 гг. двумя рыболовецко-исследовательскими кораблями, дают значение для годового производства криля в Антарктике порядка 200 Мт.

При ежегодном производстве 300 г углерода с 1 м² водной поверхности и 20% экологической эффективности область в 160 000 км² могла бы производить 50 Мт морских продуктов, но Райзер сомневается, что такой уровень продуктивности может достигаться в районе, где фотосинтез возможен только в течение полугодия. Однако даже если только 160 000 км² площади или грубо 26% тридцатикилометровой полосы прибрежных вод, протянувшейся по периметру материка Антарктиды, являются высокопродуктивными, то этого достаточно, чтобы ежегодное воспроизводство морских продуктов превзошло 50 Мт, что вытекает из приведенных оценок. Биосолетта, функционирующая на рассмотренной ранее двадцатичетырехчасовой эллиптической орбите, способна освещать в течение 12 ночных часов область площадью в 100 000 км². При уровне освещенности в 1 ПС (отражающая поверхность 105 км²) Биосолетта будет такой же эффективной, как и естественное солнце при одинаковых условиях облачного покрова. Таким образом, в течение летнего антарктического дня избранный район будет попеременно облучаться 12 ч одним солнцем, а остальные 12 ч — двумя солнцами. В течение зимней антарктической ночи этот район будет освещаться одним солнцем по 12 ч в сутки. Другими словами, поток радиационной энергии к области площадью 100 000 км² почти утроится.

Следовательно, если принять продуктивность усвоения углерода морскими организмами порядка 60% от вероятного максимума, т.е. 180 г с каждого квадратного метра водной поверхности в год, при освещении только естественным Солнцем, то с участием Биосолетты продуктивность производства углерода может возрасти до 540 г/м² в год. Даже если снизить эту величину до 360 г углерода с 1 м² в год, то получим величину производительности на базе Солетты до 36 Мт в год (рис. 47).

Рис. 47. Биосолетта (схема) для облучения участка океана (регион облучения—Антарктика, 70—75° с.ш.; время солнечного облучения — 0,5 года (4400 ч); масса ожидаемой продукции за год 18 Мт; данные:
эллиптическая орбита 24 ч, i=53,5°, r_A=7.22Rз, r_A=6Rз, время облучения за сутки 12 ч, средняя площадь светового пятна 100000 км², площадь отражающей поверхности 100000 км², освещенность 1ПС=1,07Млк; при облучении Солнцем и Биосолсттой время облучения и поодукция за год составляет соответственно около 13200 ч и 54 Мт

В калориметрическом измерении производство морских продуктов не может конкурировать с производством продукции наземного сельского хозяйства. Но оно создает жизненно-необходимое увеличение производства протеина*. Около 36 г высококачественного белка в день (как раз столько можно извлечь из морских продуктов) считается достаточным по нормам, утвержденным Научно-консультационным Комитетом при Президенте США*. 10 Мт рыбы содержат около 2 Мт белка. Однако из 10 Мт выловленной рыбы фактически годной к употреблению только около 1,7 Мт протеина. Принимая поэтому годным к употреблению 16% от выловленной массы, получим, что ежедневная норма в 36 г белка приблизительно эквивалентна ежесуточному потреблению 220 г рыбы (в выловленной массе). Приняв даже, что вылавливается 50% от произведенной рыбы, а показатель дополнительных потерь имеет порядок 0,2, вычтем ту долю протеиносодержащих веществ, которые пригодны для скармливания животным (поставляющим далее животный белок для питания людей, однако в целях обеспечения нашим расчетам некоторого «запаса прочности» этой статьей дохода можно пренебречь). Таким образом, производимая с помощью Солетты товарная рыба должна давать улов в 14,4 Мт ежегодно. В «расфасовке» по 220 г это количество рыбы обеспечит потребное ежедневное снабжение протеином 180 млн. человек ежегодно. При площади рефлектора в 100 000 км² получается выход протеина с каждого гектара отражающей поверхности, необходимый для обеспечения 18 человек.

Названная цифра близка, по-видимому, к оптимальной для одного полушария. На практике каждый гектар системы способен обеспечить протеином от 9 до 15 человек. Однако с выбранной орбиты Биосолетта может «удобрять» оба полушария, добавляя свой вклад к солнечному энерговкладу в течение соответствующего лета и являясь ведущим или единственным источником световой энергии весной и осенью, а тем более зимой. Принимая в расчет общую (вместе с естественным Солнцем) радиационную энергию, получим выход протеина с каждого гектара отражающей поверхности рефлекторов, обеспечивающий питание для 18—24 человек.

5.5.3 ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БИОСОЛЕТТЫ И ЭНЕРГОСОЛЕТТЫ

Биосолетта предоставляет световую энергию непосредственно для биохимического преобразования в белок и углеводы. В качестве «наземной станции» здесь выступает небольшая часть биосферы. Поскольку Биосолетта — система не включает никакие индустриальные наземные устройства, а размеры Биосолетты превосходят размеры Энергосолетты, экономические характеристики Биосолетты рассматриваются первыми. Если не принимать во внимание наземные приемно-преобразовательные энергоустановки, Биосолетта представляет собой как бы «технологический зонтик», полностью покрывающий все аналогичные требования Энергосолетты.

Здесь необходимо подчеркнуть, что ни одна из рассматриваемых систем пока что не оптимизирована. Фактически, некоторые весьма дорого обходящиеся требования (такие, как полная замена натриевого покрытия всех рефлекторов через каждые 10 лет их работы), принятые нами ранее в качестве постулатов, возможно, могут быть снижены, когда накопятся более полные данные об условиях эксплуатации систем в космической среде. В расчеты не включаются некоторые возможные способы улучшения характеристик систем (такие, как метод ретрорефлексии для Энергосолетты), что дает оценкам определенный запас надежности.

Чтобы оценить общую сумму затрат для Бносолетты используем уравнение типа (14) в модифицированной форме — как оценку стоимости обеспечения 36 г белка (220 г морских продуктов) на одного человека в день

С₃₆ = С_D + С₁ + С₂
(25)

Биосолетта должна войти в строй позднее предшествующей ей Энергосолетты и потому может рассчитывать на определенные преимущества за счет продвижения и развития технологии в более Поздний период. Поэтому, а также вследствие больших размеров системы, даже большие затраты на НИОКР по Биосолетте окажут небольшое влияние на величину С₃₆. Запишем уравнение (15) в форме:

(26)

где T_А = 30 лет; N₄ — количество людей, обеспечиваемых 36 г белка ежедневно с каждого гектара Биосолетты; А_в — размеры Биосолетты в гектарах (примем А_в= 107 га); f — коэффициент загрузки Биосолетты (примем f = 0,9).

Полагаем, что Биосолетта освещает области площадью около 100 000 км² как в Северной Атлантике (или в Тихом океане), так и в основном ключевом районе (с подъемом глубинных вод к поверхности) Антарктики. Тогда приходим к выводу, что производство морских продуктов, пригодных к употреблению, будет достаточным для обеспечения, по меньшей мере, 20 человек с 1 га необходимой суточной нормой белка. Принимая затраты на НИОКР порядка 50 млрд. долл., получим расходы в долл. на 1 человека в день С_D = 0,025.

Уравнение (17) теперь запишется в виде (в долл. на 1 человека в день)

(27)

Из-за большой отражающей поверхности общая масса Биосолетты очень велика. Эту массу не только необходимо доставить с поверхности Земли на опорную околоземную орбиту (ОЗО с высотой порядка 550 км), но далее требуется всю эту массу перевезти с ОЗО на функциональную орбиту, для чего на ОЗО необходимо доставить топливо из расчета р тонн на каждую тонну массы Биосолетты. Таким образом, нагрузка, доставляемая на ОЗО, по меньшей мере, будет иметь массу:

W_тр = W_В (1+р)

(28)

Функциональная орбита Биосолетты показана на рис. 46. Принято: площадь Биосолетты Ав=100000 км², время строительства t_стр=15 лет.

Перспективный многоразовый аэрокосмический транспортный корабль (фрахтер) с полезной нагрузкой по меньшей мере в 1000 т для доставки груза на ОЗО потребует расхода около 10,7 т топлива на 1 т нагрузки. Межорбитальный корабль с химической силовой установкой на топливной паре жидкий кислород — жидкий водород при удельном импульсе 470 с потребляет около 3,46 т топлива на 1 т нагрузки, доставленной на функциональную орбиту, с учетом возвращения на опорную околоземную орбиту 10% полной платной нагрузки. Отсюда имеем:

W_тр = 4,46W_В

(29)

Используя электроракетную тяговую систему (ионный двигатель) с удельным импульсом около 3 000 с, получим значение р ≈ 0,6, тогда:

W_тр = 1,6W_В

(30)

Третья альтернатива, возможная хотя бы принципиально, — использовать для подъема на функциональную орбиту радиационное давление (солнечного света). Элементы Биосолетты подобны гигантским солнечным парусам и поэтому пригодны для такого способа транспортировки. Давление солнечной радиации на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца весьма мало.

Следовательно, масса единицы поверхности рефлектора Wr/Ar должна быть чрезвычайно малой. Опорная орбита в этом случае должна находиться выше ОЗО, чтобы сила аэродинамического сопротивления (за счет земной атмосферы) была существенно меньше силы светового давления; этому требованию соответствует высота орбиты порядка 1000 км. В этом случае единственным расходуемым веществом будет топливо, потребное для управления ориентацией рефлектора и коррекции переходной траектории. При величине удельного импульса порядка 100 000 с соответствующий расход топлива составит:

W_тр = 1,0163W_В

(31)

Транспортируемый груз в этом случае составит 64% от полезной нагрузки в предыдущем случае, то время как при переходе от первого случая ко второму величина полезной нагрузки уменьшается до 36% от нагрузки в первом случае.

Четвертая альтернатива заключается в использовании кислорода, извлекаемого из лунных пород. Если весь кислород, потребляемый межорбитальным транспортным аппаратом с химической силовой установкой, будет лунного происхождения, то величина р с 4,46 снизится до 1,33.

Пятая альтернатива включает комбинацию использования земных и лунных материалов. Материалы с Луны должны доставляться на опорную орбиту с помощью солнечного паруса (как бы «снаружи» опорной орбиты), материалы земного происхождения прибудут на опорную орбиту на борту космического корабля («изнутри» ОЗО); на опорной орбите будет выполняться монтаж и подготовка переходной транспортной системы к полету на орбиту функционирования Биосолетты.

Пилотируемые полеты предусматриваются для монтажа и технического обслуживания элементов систем на функциональной орбите. Далее рассматриваются только первые три случая из возможных альтернатив.

Исходя из данных, приведенных на рис. 26, примем относительную массу отражающей поверхности в 30 т/км², тогда масса Биосолетты составит W_В= 3 Мт. Этот груз, плюс топливо, потребное для межорбитального перехода в соответствии с уравнениями (29), (30) и (31), необходимо доставить на околоземную орбиту с высотой 550 км.

В дополнение к этому необходимо учесть массу оборудования межорбитальной тяговой системы, а также топлива и конструктивных элементов, потребных в случае 3 для подъема на промежуточную орбиту с высотой 1100 км, где может начать работать солнечный парус. Стоимость транспортировки на опорную околоземную орбиту принята равной 50 000 долл. плюс 10% от этой величины для учета различных неопределенностей. Стоимость подъема на орбиту с высотой 1100 км составит около 2% от предыдущих затрат.

На рис. 48 показано распределение по категориям транспортной нагрузки для трех рассматриваемых альтернативных случаев транспортировки Биосолетты. Кольцевые диаграммы показывают, что в случае 1 доминирующей нагрузкой является топливо для межорбитального перехода. Во втором и третьем случаях доминирует масса самой Биосолетты. Схема транспортных затрат представлена вверху справа. Ниже показаны выброс в атмосферу Земли продуктов сгорания н соответствующего количества термической энергии. Большая часть продуктов сгорания (около 95% по массе) выделяется в форме паров воды*, из которых две трети выбрасываются в тропосфере, а одна треть — в стратосфере и экзосфере.

Рис. 48. Круговые и столбиковые диаграммы для Биосолетты:

а—случай 1-й с полностью химическими силовыми установками;
б—случай 2-й с химическими и электроракетными силовыми установками;
в—случай 3-й с химическими и электроракетными силовыми установками и солнечным парусом (во всех трех случаях указана масса главных частей системы для создания Биосолетты в Мт);
г—общие транспортные затраты (вверх) и среднегодовые затраты (вниз) для трех случаев (в млрд. долл);
д—общий выброс паров воды (вверх) и среднегодовой выброс паров воды (вниз) для трех случаев в Мт;
е—выброс энергии (вверх) в ПВт и эквивалентная работа (при КПД преобразования 35%) (вниз) ГВт•год;
1—масса конструкции транспортной системы, 2— масса Биосолетты, 3—масса топлива для межорбитального перехода.

Выброс воды и термической энергии особенно велик в случае 1. Однако следует принять в расчет фактор времени. При продолжительности периода создания Биосолетты 15 лет выброс тепла в атмосферу соответствует тому, который связан с работой 20 электростанций, функционирующих при нагрузке в 1 ГВт в течение года, считая их эффективность преобразования равной 35%. Но 20 ГВт х год — всего лишь небольшая доля от сегодняшней общей мировой выработки термической энергии в процессе генерации электроэнергии; к тому же не мал вклад общей индустриальной и транспортной выработки тепла, который сегодня трудно оценить. Основными принципиальными недостатками случая 1 остаются затраты, большое количество паров воды и весьма большое потребное число аэрокосмических фрахтеров, а также пусковых наземных комплексов (стоимость которых не включена в общие затраты).

Случай 2 во всех отношениях более удовлетворителен. К числу его преимуществ относится определенная независимость массы рефлектора. Случай 3 неудобен тем, что необходимо выдержать весьма низкое значение относительной массы единицы поверхности рефлектора; эта взаимосвязь увеличивает степень технологического риска. Но с другой стороны, стремление сделать массу рефлектора как можно более низкой является самодовлеющим, поскольку это снижает транспортные расходы комбинированной тяговой системы, включающей солнечный парус и электроракетный двигатель.

Давление солнечной радиации очень мало. Чтобы сделать его превосходящим аэродинамическое сопротивление, рефлектор должен стартовать с орбиты высотой не менее 1100 км. Поскольку эта высота оказывается внутри нижней части радиационного пояса, большую часть монтажа придется выполнять на пятисоткилометровой околоземной опорной орбите. После этого полуразвернутая система вместе с временным экипажем поднимается на высоту 1100 км и там полностью разворачивается. Экипаж возвращается на нижнюю опорную орбиту, а рефлектор начинает свое «плавание» к периферии —на функциональную орбиту Биосолетты.

Величину ускорения, создаваемого световым давлением Солнца (в единицах g ускорения свободного падения на поверхности Земли), можно получить из соотношения:

(32)

где Wr—масса элемента рефлектора на поверхности Земли; Аr— площадь рефлектора; S — солнечная постоянная; С — скорость света; a — угол атаки поверхности относительно вектора радиационного давления; r —расстояние от центра Земли; r₀₀ — радиус Земли.

Если перейти к тоннам и километрам, уравнение (32) преобразуется к виду:

(33)

Начальное ускорение при r₀/r₀₀ =1,17 будет всего лишь n₀=2·10^-5g. На высоте геостационарной орбиты (при r₁/r₀₀=6,62) ускорение возрастет до значения n₁ = 6,4·10^-4g.

Следовательно, начальная траектория будет весьма компактной спиралью, которая разворачивается вместе с увеличением высоты. Примерное время полета (дней) от r₀к r₁ можно оценить выражением:

(34)

где - круговая скорость на начальной орбите с высотой 1100 км (Vо=7350 м/с), а член в круглых скобках примерно равен 0,54.

Время перехода с орбиты радиуса r₀=1,17 r₀₀ на орбиту радиуса r₁ = 6,62r₀₀ составит около 234 дней (~7,6 мес). Имея в виду, что предполагаемый период строительства будет порядка 15 лет, можно заключить, что продолжительность перехода не является неприемлемой. Если использовать дополнительные электроракетные ускорители, это время можно уменьшить.

Примем величину транспортных затрат около 2,03 млрд. долл.

Согласно оценкам химической корпорации Дюпона в настоящее время стоимость 1 м² непокрытой каптоновой пленки толщиной 0,051 мм составляет 4,87 долл. Эта цена неприемлемо высока. Однако при наличии массовой потребности в такой пленке нет никаких оснований сомневаться, что через 20 лет цена 1 м² снизится до 1 долл. (в ценах 1975 г.). С учетом конструктивных элементов и оснащения можно принять стоимость 1 м² поверхности рефлектора в 1,5 долл. Тогда стоимость конструкции Биосолетты составит Ск= 150 млрд. долл.

Суммарная начальная стоимость

Со = Ск + Сип + Св + См + Ссл

(35)

где Ск — стоимость конструкции; Сип — стоимость натриевого покрытия; Св — стоимость выведения на опорную орбиту; См — стоимость межорбитального перехода; Ссл — случайные (непредвиденные) расходы.

Стоимости конструкции и натриевого покрытия составляют основную долю производственной стоимости Биосолетты. Общие транспортные расходы складываются из Св и См, где См включает стоимость межорбитальных буксиров, расходных материалов (одноразовых элементов) и наземного обслуживания. Ссл учитывает неучтенные изменения величины любого из членов в выражении (35).

Принимая для повторных покрытий натрием в космосе (сверх первоначальных затрат на создание Биосолетты) за период после 15-летнего строительства в среднем 2 долл. за 1 м², получим Ссл = 200 млрд. долл. Стоимость межорбитальных переходов См после 15-летнего строительства для случаев 1, 2, и 3 соответственно составит примерно 489 млрд. долл., 451 млрд. долл. и 292 млрд. долл. Для непредвиденных затрат примем величину в 10% от начальной стоимости Биосолетты и транспортных расходов. На рис. 49 для случая 1 Со = (150 + 200+1011+489+185) =2035 млрд. долл., что дает среднегодовые расходы в 135,5 млрд. долл. Для случая 2 величина Со = (150-!-200 + 374 + 451 + 118) = 1293 млрд. долл. или 86,2 млрд. долл. ежегодно. Для случая 3 Со = (150+200 + 203 + + 292 + 85) =930 млрд. долл. или 62 млрд. долл. ежегодно.

Рис. 49. Диаграмма стоимости С₁ установки и эксплуатационных расходов С₂ Биосолетты (а) и стоимость С₃₆ дневной порции (36 г) протеина на одного человека (б) при сроках амортизации Биосолетты 30 и 15 лет, а также при сроках амортизации 30 лет и функционирования 60 лет:
1—затраты на материалы для Биосолетты; 2—затраты на покрытие натрием в космосе; 3— затраты на подъем Биосолетты с Земли на 030; 4—затраты на орбитальные переходы; 5—непредвиденные затраты; I, II, III— случаи — см. рис. 48; t=0,07; Т_А-30 лет (60 лет); Nj=20 человек на 1 га Биосолетты; Nr=1·10⁷ га отражательной поверхности; f=0.9

При оценке С₁ необходимо иметь в виду, что Биосолетта мыслима только как многонациональная программа, основанная на правительственных ассигнованиях. Поэтому прибыль на капиталевложения в данном случае принята t = 0,07. Тогда на человека в день для случаев 1, 2 и 3 величина С₁ соответственно 2,5; 1,59 и 1,14 долл.

Уравнение (19) для среднегодовых текущих расходов теперь запишется в форме:

(36)

Расходы на функционирование (стоимость эксплуатации) зависят от многих факторов. Для кратности эти факторы здесь учтены суммарно.

На протяжении 30-летнего периода эксплуатации, который начинается сразу же после окончания 15-летнего периода строительства, заменяется 15% материалов рефлектора и его вспомогательного оборудования; 20% массы рефлектора представляют собой расходные материалы, требующие восстановления; кроме того, рефлектор полностью покрывается, натрием заново в течение каждых 15 лет. Это соответствует тому, что примерно 18,3 км² рефлектора должны перекрываться каждый день.

Стоимость операций, связанных с данными требованиями, может быть снижена, если удастся избежать ранее принятого способа снабжения. Длительность периода эксплуатации позволяет организовать непрерывную рециркуляцию элементов рефлектора между источником повторного снабжения и своей функциональной орбитой. Эта ситуация сопоставима с техническим обслуживанием и окраской очень длинного моста. К тому времени, когда рабочие, пройдя вдоль всего моста, достигнут его дальнего конца, на ближнем его конце настанет пора снова начинать необходимые операции.

Подобная технология применима, если натрий может успешно добываться на Луне, а ионизированные пары натрия могут использоваться в качестве расходуемых материалов*, тогда фракции Биосолетты будут всегда в плавании: к восстановительно-обслуживающей базе на окололунной орбите и обратно к своей геоцентрической рабочей орбите. Если же единственным источником натрия останется Земля, возможность применения описанной технологии окажется под вопросом. В этом случае элементы Биосолетты придется отбуксировывать на промежуточную опорную орбиту (1100 км), где на объекты действуют экстремальные температурные перепады при проходе через земную тень.

Перед возвращением на эту орбиту придется снова сложить отражающую поверхность, чтобы минимизировать искажение орбитальных параметров из-за аэродинамических сил. Неясно, будет ли это практичным после 15-летнего облучения Солнцем. Ремонт и восстановление натриевого покрытия пришлось бы выполнять в режиме орбитального полета на высотах 1100—1500 км, т. е. в пределах внутреннего радиационного пояса. При этом потребуется установка биологической защиты и смена обслуживающего персонала. Поэтому оценить достаточно надежно этот способ по критерию «стоимость — эффективность» сегодня невозможно.

Более простой альтернативой представляется установка обслуживающего оборудования на экваториальной круговой орбите с периодом обращения более суток (т.е. на экстрагеостационарной). Как уже отмечалось, это позволит избежать интерференции с передающими и ретранслирующими спутниками, количество которых на геостационарной орбите к тому времени станет весьма большим. Для регулярного технического обслуживания рефлекторы будут выполнять «плавание» под солнечным парусом с их функциональной орбиты на супергеостационарную. Для внештатного (аварийного или иного безотлагательного) ремонта технические экипажи (команды) будут отправляться с ГСО на операционную орбиту с помощью электроракетных или химических межорбитальных транспортных аппаратов.

Обслуживающая станция на супергеостационарной орбите может легко обеспечиваться с более капитально оборудованного комплекса на ГСО, предназначенного для контроля и технического обслуживания развернутых здесь спутниковых систем, функционирующих в обеспечение интересов наземных систем. Фактически обе обязанности может выполнять один и тот же экипаж (количество членов которого минимизировано с целью сокращения эксплуатационных расходов), для которого опорная станция на геостационарной орбите будет служить «домом», т. е. местом для сна и восстановления сил. Если принять такую концепцию, эксплуатационные расходы за 30-летний период функционирования будут соответствовать показанным на рис. 48. Они включают затраты на два восстановления натриевого покрытия всей Биосолетты в течение 30-летпего периода, что соответствует требованию ежегодно транспортировать на супергеостационарную орбиту и обратно около 6,7% общей поверхности или 6700 км². Принято, что 15% оборудования заменяется. Таким образом, на человеко-день для случаев 1, 2 и 3 величина С₂ соответственно равна 0,075; 0,069 и 0,066 долл., а результирующие (С₃₆) затраты соответственно составят 2,6; 1,6 и 1,15 долл.

Как и в случае Лунетты, амортизация капитала является достаточно важным показателем экономических характеристик. Поэтому весьма желательно проанализировать возможность использования лунных ресурсов для снижения величины первоначальных капиталовложений С₀. Если же удастся продолжить эксплуатацию системы и во второй период длительностью 30 лет, можно ожидать, что это приведет к значительному повышению общей экономичности системы.

Благодаря государственному финансированию становится возможным оправдать первоначальные затраты в течение 15 лет от начала функционирования. В этом случае

Здесь С₁ увеличивается в 1,36 раза по сравнению с цифрами, приведенными ранее, но зато этот компонент исключается вовсе после первых 15 лет эксплуатации. Для первых 30 лет в этом случае:

С₃₆= D_D + 0,5(1,36С₁ + С₂) + 0,5С₂
где С₁ и С₂имеют тот же смысл, что и раньше. Отсюда С₃₆для случаев 1, 2 и 3 соответственно равно 1,8; 1,18 и 0,83 долл.

Эта стоимость получения 36 г протеина на одного человека в день будет иметь место в течение первых 30 лет; а затем снизится до центов на человека в день.

Очевидно, что для потребителя стоимость морской пищи будет несколько более высокой, поскольку необходимо добавить расходы на вылов рыбы, обработку и доставку продукции.

Экономика Биосолетты связана с новыми временными константами, ранее не встречавшимися в человеческой технологии. Возможно, Биосолетта — единственный в своем роде, величайший проект в системе Земля—Луна; она будет становиться все более экономичной после первоначального периода функционирования продолжительностью в 30 лет. Быть может, жизненный цикл Биосолетты растянется до века. Благодаря Биосолетте человечество перейдет в новую эпоху, связанную с космической индустрией.

Потребуются дальнейшие исследования и эксперименты с малоразмерным прототипом Биосолетты, функционирующим над подходящими районами мирового океана, чтобы установить достоверность принятого нами допущения о возрастании общего воспроизводства морских организмов в обоих полушариях, эквивалентного ежегодному приросту улова рыбы на 40 Мт, что согласно современным данным (Райзер; Пайк и Спайлхэз, «Ресурсы моря»), составит от 16 до 20% расчетного значения сегодняшнего ежегодного воспроизводства рыбы (в необработанном виде — порядка 200—240 Мт). Эти цифры позволяют оценить перспективный уровень выхода рыбных продуктов до 100—150 Мт. Приведенные цифры— средние по земному шару, с учетом больших областей малой или нулевой производительности. Воздействие Биосолетты концентрируется на самые прибыльные области, которые сегодня неработоспособны из-за недостатка солнечного света. Если же эти области обеспечить достаточным освещением, то их производительность может возрасти до уровня, значительно превосходящего принятый в приведенных расчетах (что, естественно, сделано из осторожности). Представляется также резонным признать, что область площадью в 100 000 км² является достаточно представительной с точки зрения экологии. Извлечение 16 Мт пригодной к употреблению морской пищи (рыба, планктон и т. д.) представляет около четверти сегодняшнего ежегодного улова.

Принципиальный изъян Биосолетты — большие начальные капиталовложения, по меньшей мере, порядка 10¹² долл. в течение 15-летнего периода (или около 67 млрд. долл. ежегодно). Однако рефлекторы будут созданы значительно раньше (в первую очередь, как элементы Энергосолетты на трехчасовой орбите). Кроме того, мы уже отмечали, что трудно мыслить Биосолетту иначе как интернациональную программу, поэтому ежегодные капиталовложения распределятся на многие нации. Наконец, подъем продуктивности сегодняшнего рыболовецкого промысла также требует увеличения капиталовложений, прибыль от которых на единицу оборудования будет падать из-за того, что добавочная рыба, которую нужно поймать, по мере повышения улова становится все более рассеянной и в целом менее ценной. Биосолетта же дает возможность повысить продуктивность за счет более концентрированных форм морского хозяйства (в пределе это может быть океанская ферма по производству морской пищи), которые обеспечат ценные уловы, поскольку производство локализуется в наиболее плодородных ключевых областях (где существуют постоянные вертикальные течения, вызывающие подъем биологически активных глубинных вод к поверхности океана).

В случае Энергосолетты принята трехчасовая попятная орбита (см, рис. 41) в трехтрассовой модификации, т.е. общее потребное число рефлекторов распределено на трех близких орбитах со сдвигом по восходящему узлу (как было описано ранее); как станет ясно из дальнейшего, общее число трасс может доходить до четырех и более.

Аналогом уравнения (14) для оценки стоимости электроэнергии в данном случае служит:

Св = D_D+ С₁+ С₂

(37)

Стоимость НИОКР на 1 кВт.ч составляет (в долл.)

С_D= С_DE/ T_AE

(38)

где T_A—амортизационный период (лет); E— годовое производство электроэнергии.

Начальная стоимость 1 кВт.ч (в долл.).

(39)

где t — норма возврата капиталовложений (прибыль на капитал);

Со = С_K+ С_ИП+ С_В + С_М + С_Э + С_СЛ
(40)

где С_Э — стоимость создания и установки в определенном порядке наземных энергостанций.

Другие члены имеют тот же смысл, что в уравнении (35). Наконец, эксплуатационные расходы (в долл.) составят на 1 кВт.ч:

(41)

Основываясь на рис. 43 и 44, определена суммарная выработка электроэнергии; она показана в табл. 7.

Таблица 7

Параметры энергостанций, расположенных в трех районах Земли

Параметр

Значение параметра для станции, расположенной в

Северной Америке СССР Западной Европе

Площадь элементов, преобразующих энергию, км²
1000

1000

1000

Количество ежегодно подводимой (суммарно) энергии от Солнца и Энергосолетты, ГВт.ч/км²
5

4,1

3,72

Количество ежегодно подводимой энергии от Энергосолетты, ТВт ч/км²
2,85

2,42

2,20

Коэффициент эффективности фотогальванического преобразования
0,15

0,15

0,15

Годовая выработка электроэнергии, ГВт.лет
85,6

70,2

63,7

Коэффициент загрузки
0,75

0,75

0,75

Годовой выход электроэнергии, ГВт.лет
64,2

52,7

47,8

Выработка электроэнергии за 30 лет, ПВт.ч
12,65

10,40

9,42

Эквивалентное количество нефти для выработки такого количества энергии (КПД станции на нефти 35%), Мт
130

108

99

Данные следующие: C_DE = 10·10⁹ — суммарные затраты на НИОКР (долл.); Ск = 1/15 · (W_ЭС/A_ЭС) — стоимость 1 км² конструкции рефлектора (долл.); C_ИП= 2·10⁶ — стоимость покрытия 1 км² натрием (долл); Св = 110·10³ — стоимость выведения 1 т с поверхности Земли на солнечно-синхронную опорную орбиту (долл); См = 40·10³ — стоимость транспортировки 1 т с опорной (обслуживающей) орбиты на трехчасовую солнечно-синхронную орбиту функционирования (долл.); Снэ = 60·10⁶ — стоимость 1 км² наземных электростанций:

С_СЛ= 0,1 (С_DE+ С_К+ С_ИП + С_В + С_М + С_НЭ)

В формуле (41) величина С_ОМ — затраты на функционирование и техническое обслуживание в течение амортизационного периода Т_А лет оценивается, исходя из: 15% восстановления (замены) материалов рефлектора; 2-х перепокрытий натрием всей поверхности рефлекторов Энергосолетты с учетом связанных с этим челночных перегонок рефлекторов между трехчасовой функциональной орбитой и опорной 1100-километровой орбитой (40 000 долл/т); 30% массы Энергосолетты необходимо доставлять с поверхности Земли на трехчасовую орбиту (15%—названные материалы для ремонта и восстановления, 15% — расходные вещества); 10% от суммы всех вышеперечисленных затрат — случайные неучтенные расходы; t=0,15 дохода на капитал (норма прибыли); Т_А= 30 лет — амортизационный период.

Из приведенных соотношений вытекает:

(42)

(43)

где A_ЭС, W_ЭС— площадь и масса Энергосолетты (рефлекторов); A_НЭ — площадь рабочих элементов наземных энергостанций;

(44)

где E = 8,76 ГВт.год—чистая ежегодная выработка электроэнергии.

Для площади Энергосолетты приняты два значения, взятые из табл. 6 и умноженные на 1,05 для учета техобслуживания: 10210 км² (четырехтрассовая схема орбит) и 12750 км² (пятитрассовая схема). Приняты два значения относительной массы поверхности W_ЭС/A_ЭС30 и 50 т/км². Для наземной энергостанции площадь рабочей поверхности принята равной A_НЭ =1000 км², что находится внутри минимального светового пятна с площадью в 1150 км².

Начальные затраты в расчете на один суммарный киловатт электроэнергии получаются из выражения:

(45)

Для сравнения запишем выражение, определяющее стоимость электроэнергии, выработанной фотогальванической наземной, установкой принятого сегодня типа (т.е. работающей только за счет одного естественного солнечного света), считая, что для нее затраты на НИОКР не требуются:

(46)

где Сх — дополнительные расходы на хранение энергии; 1,1 - коэффициент, учитывающий случайные расходы;

(47)

Здесь Eк — в кВт·ч на один год; E — в ГВт·год;

(48)

Принято Сх = 200 долл. на 1 кВт.

Результаты расчетов представлены на рис. 50 и 51. На рис. 50 в левой части кольцевой диаграммы показано распределение по отдельным статьям для первоначальных затрат; правая сторона отображает распределение эксплуатационных затрат. Сравнение двух кольцевых диаграмм иллюстрирует влияние массы Энергосолетты на распределение стоимости по отдельным статьям расходов.

Рис. 50. Круговые диаграммы затрат на Энергосолетту (3-часовая солнечно-синхронная орбита) при массе 1 км² поверхности 30 т (а), при массе 1 км² поверхности 50 т (б):
1—затраты на фотогальваническую энергостанцию; 2—непредвиденные затраты; 1*—затраты на материалы для рефлектора (без покрытия); 2*—затраты на покрытие натрием в космосе; 3*—затраты на транспортировку Земля—орбита; 4*—затраты на межорбитальный переход; 5*—непредвиденные затраты; а*—затраты на замену материалов; в*—затраты на двукратное восстановление натриевого покрытия в космосе; с*—затраты на транспортировку заменяемых элементов и расходных материалов; d*—затраты на межорбитальные перевозки; е*—затраты на орбитальные переходы для повторного перекрытия натрием; f*—непредвиденные затраты

Затраты на космический сектор преобладают как в составах первоначальных и эксплуатационных расходов, так и в обоих вариантах относительной массы отражающей поверхности рефлектора. Однако при обслуживании одной Энергосолеттой двух наземных силовых станций наземный компонент затрат приблизится к 50% общих первоначальных или эксплуатационных затрат для Энергосолетты с удельной массой в 50 т/км² и превысит 50% в случае рефлекторов с массой поверхности в 30 т/км². Не удивительно, что в начальной стоимости космического сектора львиная доля приходится на транспортные расходы, даже при использовании комбинации электроракетного привода и солнечного паруса (именно этот принцип принят в обоих случаях для межорбитального перехода за пределами 1100-километровой высоты). Основная причина этого — снижение массы полезной нагрузки из-за использования ретроградных орбит*. Как было отмечено выше, если использовать большее число наземных электростанций, можно уменьшить наклонение орбиты примерно до 45°, что приведет к снижению почти вдвое транспортных расходов на выведение с Земли на опорную орбиту.

Рис. 51. Диаграмма стоимости электроэнергии (вверх в долларах на МВт - ч, вниз — в долларах на кВт) вырабатываемой Энергосолеттой-систсмой (3-часовая солнечно-синхрониая орбита):
1—для Северной Америки; 2—для Западной Европы; 3—для Советского Союза; 1 + 2—для совместного снабжения северной Америки и Западной Европы; 1+2+3—для совместного снабжения всех трех потребителей (а—для наземной солнечной электростанции принятого сегодня типа; б—с учетом использования тех рефлекторов, которые направляют энергию к «своей» наземной станции)

Такое же значение, что и транспортировка, имеет покрытие натрием в космосе; этот компонент составляет значительную долю начальных затрат, хотя эти расходы и не будут больше, чем те, которые имели бы место при покрытии рефлекторов натрием на поверхности Земли. Покрытие натрием доминирует и в эксплуатационных расходах (b* и е*). Однако наше основное допущение, что каждый рефлектор необходимо отбуксировывать на опорную 1100-километровую орбиту в среднем каждые 10 лет с целью возобновления натриевого покрытия и технического обслуживания, требует серьезной проверки, поскольку необходимо еще обосновать потребность в новом натриевом покрытии по истечении каждых 10 лет. На рис. 51 приведено сравнение потребностей в начальных капиталовложениях (в долл. на кВт) и стоимости 1 кВт.ч электроэнергии для каждой из трех наземных энергостанций (при трех вариантах площади и относительной массы); здесь же приведены цифры для двух и всех трех энергостанций, обеспечиваемых одной и той же системой рефлекторов. Две дополнительные диаграммы приведены в целях сравнения: левая представляет собой стоимостные характеристики для наземной солнечной электростанции принятого сегодня типа, обладающей одинаковой эффективностью преобразования, с учетом дополнительных затрат на систему аккумуляции (хранения) энергии размером в 200 долл. на 1 кВт. Крайняя справа диаграмма основана на допущении, что используются те рефлекторы, которые функционируют в данный момент, т.е. излучают энергию к «своей» наземной энергостанции. Эти величины очерчивают предельно нижнюю стоимостную асимптоту для «собственных» наземных станций Энергосолетты, к которой будут стремиться затраты при использовании 12-часовой или геостационарной орбиты, когда данный комплект рефлекторов облучает наземную энергостанцию в течение ночи. Аналогичные величины затрат могут быть также получены при использовании субсинхронных орбит, когда последовательно облучается большее количество наземных станций.

Рис. 51 убеждает, что Энергосолетта обеспечит потенциальную возможность для новой интегрированной технологии в системе «Земля—космос», неся странам с различным географическим положением солнечно-электрическую энергию при сравнительно низких затратах. Эти возможности, в первую очередь, опираются на факт, что рефлекторы на субсинхронных орбитах могут обслуживать ряд наземных энергостанций, а возможно, и единую простую и очень большую энергостанцию при высокой эффективности использования рефлекторов. Существует еще одна возможность для дополнительного повышения степени утилизации рефлекторов: использование ретрорефлексии радиационной энергии к энергостанции на дневной стороне Земли, создавая тем самым дополнительный потенциал для снижения затрат, поскольку рефлекторы — весьма высокоэффективная система трансляции энергии.

5.6 «ДВУХЗВЕЗДНАЯ ЭКОЛОГИЯ»

Помимо использования в плане Биосолетты, в более далеком будущем можно представить себе и другие применения Солетты, обеспечивающей дополнительный поток световой энергии, по мощности равной тому, который дает наше естественное светило. Эту дополнительную световую энергию можно будет направить по следующим основным линиям (рис. 52):

        непосредственная генерация разных видов энергии, потребной для индустрии, городов и т.п.;
        широкомасштабное производство пресной воды;
        крупные ирригационные работы по обводнению пустынь;
        широкомасштабное производство длительно хранимых видов топлива;
        крупномасштабное производство пищи (в том числе с помощью химического синтеза).

Рис 52. Схема применения Солетты, график реакций:
1—человеческое зрение; 2—синтез хлорофилла; 3 - отражательная способность серебра

Фиксированное положение Солетты на ГСО обеспечит идеальные условия по облучению определенных выбранных областей на поверхности Земного шара; поскольку Солетта, в отличие от естественного Солнца, не подвержена сезонным и суточным вариациям, она лучше накрывает те области, где будут установлены гелиостатические элементы центральной приемной энергостанции, и упрощает управление всем энергокомплексом. Поэтому Солетта становится в определенном смысле главным энергоисточником, а естественное солнце — вспомогательным.

Общая Солетта — экология будет чрезвычайно продуктивной. Представляя удобную передающую систему, она не только может обеспечить все человечество электроэнергией, но и явится главным создателем углеводородного топлива, синтезируемого из воды и углекислоты (технологический аналог фотосинтеза); она будет главным стимулятором индустриализации. Давая возможность орошения больших, ныне бесплодных районов, Солетта — система станет одним из главных производителей пищи.

Общая Солетта — экология будет синергистической*, интегрированной системой, производящей в огромных количествах три самых главных и самых необходимых продукта: энергию, воду и пищу. Она создает эффект маленького внеземного мира, как бы принадлежащего планете из планетной системы двойной звезды; иначе говоря, естественное светило как бы окажется удвоенным.
При выбранной нами системе критериев оценки Солетта на ГСО должна быть весьма экономически эффективной. Функциональная схема Солетта-системы приведена на рис. 53.

Рис. 53. Функциональная схема Солетта-системы

Сокращение энергопотерь	Совершенствование традиционных энергоисточников и технологий	Развитие новых энергоисточников и технологий
На поверхности Земли
Улучшение характеристик пробега автомобилей 1. Снижение потока пассажироперевозок путем расширения межучрежденческих связей и телеконференций	1. Разведка новых источников нефти и газа 2. Развитие методов экономии нефтепродуктов 3. Повышение функциональных температур термосистем. Создание более приемлемых образцов ядерных энергосистем. Стимуляция работ по сжижению и газофикации угля. Интегральное ожижение угля в газо-охлаждаемых высокотемпературных реакторах	Нагрев и охлаждение при помощи солнечной энергии. Геотермальная энергия 1. Солнечные электростанции 2. Термоядерная энергия
В космосе
1. Весьма широкие возможности специализированных ИСЗ по расширению звуковых, телевизионных, а в пределе — и голографических радиорелейных линий связи	1. Обзорные геологические и топографические ИСЗ 2. Производство в космосе карбида вольфрама для золотников и буров 3. Производство в космосе высокотермостойких сплавов для лопаток турбин	1. Производство в космосе фотогальванических солнечных батарей Энергоспутник с солнечными батареями Лунетта Солетта Солнечноэлектрический спутник с передачей энергии в СВЧ. ИСЗ-ретранслятор энергии 2. Термоядерная силовая станция в космосе Энергоспутник с термоядерным реактором и передачей энергии в СВЧ

Параметр	Значение параметра для станции, расположенной в
Параметр	Северной Америке	СССР	Западной Европе
Площадь элементов, преобразующих энергию, км²	1000	1000	1000
Количество ежегодно подводимой (суммарно) энергии от Солнца и Энергосолетты, ГВт.ч/км²	5	4,1	3,72
Количество ежегодно подводимой энергии от Энергосолетты, ТВт ч/км²	2,85	2,42	2,20
Коэффициент эффективности фотогальванического преобразования	0,15	0,15	0,15
Годовая выработка электроэнергии, ГВт.лет	85,6	70,2	63,7
Коэффициент загрузки	0,75	0,75	0,75
Годовой выход электроэнергии, ГВт.лет	64,2	52,7	47,8
Выработка электроэнергии за 30 лет, ПВт.ч	12,65	10,40	9,42
Эквивалентное количество нефти для выработки такого количества энергии (КПД станции на нефти 35%), Мт	130	108	99

СВЕТ ИЗ КОСМОСА