Из всех концепций космических полетов, которые НАСА прорабатывало, вероятно, самой интересной была концепция флотилии солнечных энергетических спутников (Solar Power Satellite-SPS) (Далее по тесту SPS). Физик и инженер чешского происхождения Петер Глейзер изложил эту концепцию в короткой статье в известном журнале Science в ноябре 1968 года, и получил патент на свое изобретение в канун Рождества 1973 года.
Глейзер отметил, что спутник, находящийся на геосинхронной околоземной орбите (ГСО), на высоте 35 786 километров над экватором, проходит через тень Земли всего на несколько минут в год. Было хорошо известно, что спутник на экваториальной геостационарной орбите движется с той же скоростью, с которой вращается Земля на экваторе (1609 километров в час). Это означает, что для людей, находящихся на поверхности Земли, спутник кажется неподвижно висящим над одной точкой. Глейзер также понимал, что электричество не должно проходить по проводам, оно может передаваться от передатчика к приемнику.
В итоге Глейзер соединил все эти три факта и придумал спутник на экваториальной геостационарной орбите, который использовал бы солнечные батареи для преобразования солнечного света в электричество, далее электричество преобразовывается в микроволны, спутник передавал излучение микроволн на приемную антенну (так называемую ректенну - receiving antenna - rectenna) на Земле. Ректенна преобразовывала микроволны обратно в электричество, а затем по проводам передавала его в электросеть.
Как уже упоминалось, большим преимуществом SPS перед солнечной батареей на поверхности Земли было то, что спутник почти не заходил в тени Земли. За счет вращения Земли, солнечная батарея установленная на поверхности могла производить электричество не более половины времени. В остальное время она бездействовала, находясь под ночным небом.
НАСА и его подрядчики почти не проявили интереса к концепции SPS еще в 1972 году. Ранние работы по проекту проходили в Лаборатории реактивного движения и Исследовательском центре Льюиса НАСА (ныне Исследовательский центр Гленна), а также в инженерной фирме Артура Д. Литтла в Кембридже, штат Массачусетс, вице-президентом которой был Глейзер. В 1973 году, Организация стран-экспортеров нефти (ОПЕК) ввела нефтяное эмбарго, чтобы наказать США и другие промышленно развитые страны за поддержку Израиля в войне Судного дня 1973 года. К 1976 году Космический центр НАСА имени Джонсона в Хьюстоне, штат Техас, и Центр космических полетов имени Маршалла НАСА в Хантсвилле, штат Алабама, возглавили исследования SPS в рамках космического агентства.
В июне 1975 года НАСА и Управление энергетических исследований и разработок (ERDA) подписали Меморандум о взаимопонимании, призывающий к совместным исследованиям в области SPS. ERDA начало планировать исследование SPS совместно с НАСА в начале 1977-го финансового года (октябрь 1976), в последние дни временного президентства Джеральда Форда. Трехэтапное исследование началось в июле 1977 года. Общая стоимость совместных исследований SPS, которые должны были продлиться три года, составила 15,6 миллиона долларов, из которых Министерство энергетики США оплатило 60% от общей суммы.
Нехватка электроэнергии в сочетании с аварией на АЭС «Три-Майл-Айленд» (март 1979 года) сделали середину и конец 1970-х годов благодатной средой для исследований в области альтернативной энергетики. Через месяц после начала исследований ERDA и НАСА, президент Джеймс Картер сделал ERDA частью нового Министерства энергетики (DOE). Создание Министерства энергетики было частью пакета политических мер, направленных на энергетическую независимость США и «чистую энергию».
После "Аполлона", НАСА, несмотря на все свои усилия, оказалось без четко определенной цели своей пилотируемой программы, кроме разработки челнока "Спейс Шаттл". Сторонники SPS в аэрокосмическом сообществе увидели в этой концепции неоспоримую возможность для НАСА внести свой вклад в решение насущной национальной проблемы. Разработка, развертывание и эксплуатация SPS поставили бы НАСА перед инженерными проблемами, далеко выходящими за рамки тех, с которыми агентство сталкивалось раньше. Размер спутника должен был бы быть колоссальным по обычным стандартам аэрокосмической техники.
Силуэт SPS, изображенный на рисунке НАСА является типичным: он имел размеры 10,5 километров в длину и 5,2 километра в ширину и массу 50 000 тонн. В паре с ректенной в пару километров в поперечнике на Земле, такой спутник будет обеспечивать США электроэнергией мощностью пятью гигаватт. По оценкам Министерства энергетики, 60 таких спутников общей генерирующей мощностью 300 гигаватт могут внести существенный вклад в удовлетворение прогнозируемого спроса на электроэнергию в США в период с 2000 по 2030 год.
Конечно, НАСА никак не могло запустить такие огромные спутники в целости и сохранности или даже в нескольких модульных частях. Агентству нужно было построить флот таких спутников в космосе, на геостационарной орбите, из многих частей и компонентов. Для этого требовалась армада мощных космических транспортных кораблей, а также армия астронавтов и автоматизированных сборочных машин.
«Космический грузовой корабль Боинг - Boeing Space Freighter, изображенный выше , предназначался для того, чтобы служить основным грузовым кораблем для строительства SPS. Полностью многоразовый, чтобы сократить расходы, он должен был включать в себя при запуске, ускоритель с треугольным крылом и пилотируемый орбитальный корабль. После отделения орбитального корабля, ускоритель должен был либо приземлиться на одну из посадочных площадок по траектории запуска, либо он бы включил турбовентиляторные двигатели и летел бы обратно к месту старта. Если бы корабль был построен, Space Freighter превзошел бы все остальные ракеты-носители. Орбитальный корабль должен был доставить до 420 метрических тонн груза на промежуточную базу на низкой околоземной орбите (НОО). Для сравнения, самая большая американская орбитальная нагрузка для одного запуска - станция "Скайлэб" (Skylab Orbital Workshop), весила 77 тонн. «Скайлэб» была запущен на двухступенчатой ракете «Сатурн-5» 14 мая 1973 года.
Когда говорят об описании больших ракетоносителей используют термин - полная взлетная масса. Космический челнок "Спейс шаттл" имел полную взлетную массу около 2040 метрических тонн, а трехступенчатый "Сатурн-5" — около 3000 метрических тонн. По оценкам, полная взлетная масса для Space Freighter составляла колоссальные 11 000 метрических тонн.
На разных этапах многолетнего исследования программы SPS, были предложены разные варианты и подходы к разработке транспортного корабля. Например, конструкция корабля Boeing Space Freighter с треугольным крылом отличается от конструкции корабля NASA Space Freighter, изображенной на рисунке выше. Космический грузовой корабль НАСА имеет ускоритель, имеющий некоторое сходство с ступенью ракеты Санурн-5 S-IC. И ускоритель, и орбитальный корабль имеют тонкие основные крылья и передние плавники. Отсек полезной нагрузки орбитального корабля расположен рядом с его передней частью, а не как в конструкции Боинга, в средней части фюзеляжа. Несмотря на эти различия, NASA Space Freighter обладал теми же возможностями, что и Boeing Space Freighter.
На рисунке НАСА выше изображена шестиугольная промежуточная база на низкой околоземной орбите с центральной «диспетчерской вышкой». Длинные трубы соединяют диспетчерскую вышку со стыковочными модулями в шести вершинах шестиугольника. Между трубами расположены треугольные «сортировочные станции» с раструбными отсеками для хранения стандартизированных грузовых контейнеров NASA Space Freighter. На крыше контрольной вышки промежуточной базы установлен манипулятор, пришедший из системы дистанционного манипулятора «Спейс шаттла», которая разрабатывалась в то время, когда Министерство энергетики США и НАСА проводили совместное исследование SPS. Манипулятор диспетчерской вышки позиционирует грузовой контейнер таким образом, чтобы к нему мог пристыковаться автоматизированный орбитальный транспортный корабль (Orbital Transfer Vehicle-OTV). После стыковки корабля OTV с транспортным контейнером с помощью манипулятора, корабль транспортирует его на строительную базу на геостационарной орбите. Другой, меньший по размеру манипулятор движется по рельсам вокруг края шестиугольника. Показана разгрузка грузового контейнера с недавно пристыкованного орбитального корабля Space Freighter.
Рисунок включает в себя множество других деталей. На нем видно, например, то, что похожий на обычный орбитальный корабль «Спейс шаттл», приближающийся к промежуточной базе на заднем плане. Компания Роквелл, главный подрядчик «Спейс шаттл», предложила, чтобы орбитальные корабли «Спейс шаттл» второго поколения служили в качестве специальных транспортных средств для экипажа в рамках программы SPS. Компания предлагала, заменить отсек полезной нагрузки орбитального корабля герметичным модулем для перевозки экипажа, это бы позволило ему перевозить до 76 астронавтов одновременно.
Вот для чего прорабатывался пассажирский вариант "Спейс Шаттла" на 76 человек. Об этом и других вариантах системы "Спейс Шаттл" читайте в моей статье.
Так же вы можете видеть группу цилиндрических модулей для размещения экипажа промежуточной базы и астронавтов, перемещающихся с Земли на геостационарную орбиту. Пилотируемый корабль OTV для транспортировки астронавтов на рабочую площадку на геостационарную орбиту, где происходила постройка спутника SPS и обратно, идентичен автоматизированному кораблю OTV, за исключением наличия герметичного модуля экипажа. Он показан пристыкованным к промежуточной базе в правом нижнем углу.
В исследовании по SPS НАСА стремилось найти баланс между автоматизацией и и работе которую выполняли астронавты. Инженеры отметили, что автоматизация была хороша для повторяющихся действий, таких как изготовление десятков километров ферм, необходимых для поддержки одеял солнечных батарей SPS.
"Основной строитель ферм», на изображении выше , превращает рулоны тонкого алюминиевого листа в прочные одиночные фермы. Более сложная система на нижнем изображении, будет объединять и стыковать вместе отдельные фермы, чтобы создать основные структурные элементы спутника.
Астронавты должны были контролировать и обслуживать роботов-строителей и соединять фермы, которые они изготовили. Автоматизированные корабли OTV доставляли тысячи алюминиевых рулонов на рабочую площадку на геостационарной орбите, которые астронавты затем загружали в строители ферм.
Начиная с 2000 года, Министерство энергетики США и НАСА планировали добавлять по два спутника SPS к «флоту» на геостационарной орбите. Для каждого SPS потребывалось около 200 запусков Space Freighter и сотни перебросок кораблей OTV между промежуточной базой на низкой околоземной орбите и геостационарной орбитой. Топливо для OTV, а также 50 метрических тонн топлива в год для каждого спутника SPS, потребовали бы еще большего количества запусков космических грузовых кораблей. Несмотря на широкую зависимость от автоматизации, 30-летний проект SPS потребует постоянного присутствия в космосе почти 1000 астронавтов. Большинство из них будут базироваться на орбите спутника.
В дополнение к строителям, персонал, необходимый в космосе, будет включать врачей, администраторов, пилотов кораблей OTV, инженеров по жизнеобеспечению, рабочих по общему обслуживанию, уборщиков, поваров, портных скафандров и компьютерных техников. По оценкам НАСА и Министерства энергетики, персонал, необходимый на Земле — на стартовой и посадочных площадках, на ректеннах и на широко разбросанных заводах по производству деталей SPS, OTV, челноков, запасных частей, продуктов питания и топлива — превысит количество астронавтов как минимум в 10 раз. Строительство и эксплуатация SPS может стать новой крупной отраслью промышленности США.
По мере того как строители балок и астронавты завершали монтаж ферм, автоматизированные транспортные корабли OTV начинали доставлять рулоны "одеял" солнечных панелей на рабочую площадку SPS. На рисунке выше, на заднем плане изображен автоматический OTV, нагруженный голубоватыми рулонами "одеял" солнечных панелей (вверху справа). Тем временем автоматизированная система подает секции полотна панелей к пилотируемому сборщику , расположенному на конце небольшого манипулятора. Пилот сборщика, который находится в своей герметичной кабине, использует манипуляторы, чтобы прикрепить один конец полотна солнечной батареи к ферменной конструкции.
Таким образом, более 50 квадратных километров одеял солнечных батарей будут распределены по фермам каждого SPS. Конечный результат этого интенсивного человеческого и машинного труда изображен выше.
На рисунке вверху изображен солнечный энергетический спутник в действии. Солнечный свет попадает на солнечные батареи, и миллионы элементов из кремния или арсенида галлия эффективно преобразуют солнечный свет в электричество. Управляемая микроволновая передающая антенна шириной в один километр в нижней части SPS преобразует электричество в микроволны и фокусирует микроволновый луч направляя его на Землю, которая находится на расстоянии почти 36 000 километров. Луч изображен на иллюстрации в виде конуса, в реальности микроволны были бы невидимыми.
Министерство энергетики США и НАСА планировали построить 60 ректенн (приемных антенн), необходимых для системы SPS, от побережья до побережья вдоль линии 35° широты. Города, расположенные на этой линии включают: Бейкерсфилд ( Калифорния); Флагстафф (Аризона); Альбукерке (Нью-Мексико); Амарилло (Техас); Оклахома-Сити (Оклахома-Сити); Литл-Рок (Арканзас); Мемфис и Чаттануга (Теннесси); и Шарлотт (Северная Каролина). Если бы кто—то летел между этими городами, то пролетал бы над ректеннами на земле в разных местах — лесах, фермерских полях, горах, болотах, пустыне - примерно каждые 50 километров.
В 1970-е годы росло осознание экологических проблем и опасности терроризма. Министерство энергетики и НАСА приложили все усилия, для изучения общественного мнения, чтобы в дальнейшем попытаться успокоить общественные страхи. Большинство опрошенных были обеспокоены микроволновыми лучами, от SPS и их воздействие на Землю. Некоторые выразили обеспокоенность по поводу воздействия лучей на окружающую среду, в то время как другие опасались, что террористы могут захватить контроль над SPS и направить луч на город.
НАСА отметило, что луч будет расфокусирован, чтобы снизить риск для верхних слоев атмосферы Земли, самолетов и людей, работающих на ректеннах. Как показано на рисунке выше, ограниченное земледелие могло происходить под ректеннами, прямо на пути микроволновых лучей. Кроме того, микроволновый передатчик на SPS может быть спроектирован таким образом, чтобы автоматически отключаться при дрейфе его луча. Министерство энергетики и НАСА ожидали, что каждая ректенна будет иметь вокруг себя буферную зону отчуждения, так если луч будет дрейфовать на небольшое расстояние, прежде чем он автоматически отключится, будет затронут только кольцевой буфер.
На этом изображении мы видим флот СЭС в конце 2015 года, то есть, в середине 30-летней программы строительства, когда 30 спутников образуют яркую линию на юге на ночном небе, если смотреть с территории Соединенных Штатов. В документе Министерства энергетики объясняется, что каждый спутник будет светить немного ярче, чем Венера. Спутники будут находиться примерно на таком же расстоянии друг от друга, как и три звезды, составляющие пояс Ориона. В широко доступный бинокль 7 х 50 можно будет увидеть прямоугольную форму каждого спутника. Вереница спутников останется неподвижной на фоне движущихся звезд и планет. В действительности, конечно, звезды и планеты оставались бы неподвижными относительно вращающейся Земли, а SPS не отставали бы от вращения Земли.
Каждые шесть месяцев, во время весеннего и осеннего равноденствия, каждый спутник проходил бы через тень Земли около полуночи в течение нескольких дней подряд. Во время короткого прохождения через тень спутник не будет производить электричество. Один за другим, начиная с восточных спутников, они бы темнели. Примерно через 10 минут затмения каждый из них вернется к своей полной яркости.
Исследования Министерства энергетики США и НАСА продолжились при администрации президента Рональда Рейгана, который вступил в должность в январе 1981 года. В августе 1981 года Управление по оценке технологий Конгресса США, опубликовало обзор работ по SPS, выполненных с 1976 года. Оценка жизнеспособности концепции со стороны Управления была в целом удовлетворительной. Администрация Рейгана, однако, не была в восторге от электричества из космоса или из каких-либо других источников, кроме традиционных.
Исследования Министерства энергетики США и НАСА составляли лишь крошечную, низкоприоритетную часть от общей деятельности космического агентства. Первый испытательный полет шаттла в апреле 1981 года и первая американская пилотируемая космическая миссия с июля 1975 года, была конечно, гораздо более значимой целью. Позже, имея уже за плечами первый полет шаттла, НАСА удвоило свои усилия по продвижению космической станции, которая будет запускаться шаттлом на околоземную орбиту. Агентство стремилось изобразить космическую станцию как космическую верфь и сортировочную станцию для космических буксиров и полезной нагрузки, а также лабораторию для использования уникальных качеств космоса. В конечном счете, только лабораторная функция станции получит поддержку, в значительной степени потому, что она будет менее затратной, чем функции верфи и сортировки. Но даже эта поддержка была неохотной. Несмотря на то, что Рейган одобрил строительство станции в январе 1984 года, она претерпела ряд изменений и не была завершена более 20 лет.
Ну а на этом все. Спасибо за внимание! Надеюсь было интересно))
Читайте также:
