ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР С СОЛНЕЧНОЙ НАКАЧКОЙ В ОКОЛОЗЕМНОМ КОСМОСЕ

A SOLAR - PUMPED FIBER LASER IN NEAR-EARTH SPACE ORBITS

Boris Kuzyakov

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Russian Technological University MIREA, Russia, Moscow

Аннотация. В работе рассматриваются перспективные конструкции волоконного лазера с солнечной накачкой, предназначенного для работ на околоземных космических орбитах. Предложенная перспективная схема волоконного лазера с солнечной накачкой, свободна от недостатков приведенных схем других авторов. В конструкции гелиоконцентратора используется концепция солнечного паруса, прошедшая экспериментальную апробацию на отечественных космических аппаратах, с положительными оценками и суперсовременный материал КАПТОН. Такие перспективные лазеры могут быть использованы, как базовые, при реализации Солнечных Космических Электростанций.

Abstract. The paper considers promising designs of a solar-pumped fiber laser designed for operations in near-Earth space orbits. The proposed promising scheme of a solar-pumped fiber laser is free from the disadvantages of the above schemes of other authors. The design of the solar concentrator uses the concept of a solar sail, which has been experimentally tested on domestic spacecraft, with positive ratings and the ultra-modern KAPTON material. Such promising lasers can be used as basic ones in the implementation of Solar Space Power Plants.

Ключевые слова: волоконный лазер; солнечная накачка; космические орбиты; гелиоконцентратор; солнечный парус; материал КАПТОН; Солнечные Космические Электростанции.

Keywords: fiber laser; solar pumping; space orbits; solar concentrator; solar sail; KAPTON material; Solar Space Power Plants.

Публикаций во волоконным лазерам (ВЛ) с солнечной накачкой (СН) весьма много [1-4]. Схема ВЛ-СН по варианту №1, включает волновод - с одной сердцевиной и для энергоснабжения лазерных диодов накачки ВЛ, применяются солнечные батареи (СБ). Этими вопросами занимались и занимаются как профессионалы, так и начинающие, молодые специалисты. Например, в работе [3], рассматривается конструкция ВЛ-СН с использованием всех необходимых элементов, включая фильтр солнечного излучения для выделения длин волн накачки в диапазоне 0,9 мкм. Однако он выполнен в виде компактного элемента и расположен в схеме накачки, в области, где циркулирует уже сфокусированное излучение. Так как, его плотность мощности весьма высока, введена специальная система охлаждения с жидкостными хладогентами. Это, в свою очередь усложняет всю конструкцию и приводит к росту массогабаритных параметров. Пример использования СБ на МКС, приведен на рисунке 1. 

Рисунок 1. Солнечные Батареи (светлые и темные прямоугольники) на МКС

Как известно [4], общая их площадь превышает 2500 м². При этом, они хорошо исследованы. Анализ изменений эффективности СБ на разных витках полета МКС, периодически проходящих над материками и океанами, показывает, что они весьма существенны [4] и превышают 12% в максимумах. При этом, прямое питание диодов накачки ВЛ (вариант № 1) от СБ - затруднено. Для устойчивого энергоснабжения ВЛ, по этой схеме, необходим промежуточный выравнивающий накопитель, соответствующей мощности. Нужно заметить, что аккумуляторы применяются практически во всех системах энергоснабжения КА. Однако, это приводит к дополнительному росту массогабаритных параметров всего устройства. Кроме того, в условиях космического пространства, происходит интенсивное термоциклирование всей аппаратуры в широком диапазоне температур. Перечисленные факторы обуславливают сложность и жёсткость требований на применение СБ для питания ВЛ по схеме №1.

В схеме ВЛ с прямой солнечной накачкой (рисунок 2), вариант № 2, СБ не применяются, что позволяет существенно облегчить требования к установке.

Рисунок 2. Схема ВЛ-СН, вариант № 2, слева показан фрагмент концентратора

Для повышения эффективности солнечной накачки в ВЛ-СН, предлагается использовать многосердцевинную структуру волконного световода, состоящую из нескольких активных сердцевин и нескольких световодов накачки.

В конструкции гелиоконцентратора, на всей отражающей поверхности, нанесен пленочный фильтр для выделения солнечных волн накачки. При этом, на фильтр большой площади, воздействует солнечной излучение обычной интенсивности. В конструкции гелиоконцентратора (СК) используется концепция солнечного паруса (рисунок 3), прошедшая экспериментальную апробацию на отечественных космических аппаратах и получившую положительную оценку. Ещё 04.02.1993 г. на транспортно-грузовом корабле «Прогресс» в непосредственной близости к орбитальной станции «МИР» была развернута центробежная пленочная конструкция [5] диаметром 20 м. Кроме того, в предлагаемом СК используется суперсовременный материал КАПТОН, хорошо выдерживающий термоциклирование на околоземных орбитах.

Рисунок 3. СК в космосе, в раскрытом состоянии

Такие перспективные волоконные лазеры могут быть использованы, как базовые, при реализации Космических Солнечных Электростанций (КСЭС). Создание КСЭС стимулируется ростом цен на традиционные энергоносители, ущербом от природных катаклизмов (более 1/3 триллиона долларов по данным ООН в 2011 г.), связанных с техногенным воздействием традиционной энергетики на окружающую среду и рядом других важных применений. В США и Японии ведутся интенсивные разработки КСЭС, они базируются на СВЧ-концепции и использовании крупногабаритных каркасных конструкций (до 5 км). В Японском проекте КСЭС используется Модуль СБ - 95 х 100 м. В КНР планируют построить КСЭС в скором времени. Испытания новой технологии [7] начнутся уже в 2022 г. В РФ пользуются приоритетом две концепции создания КСЭС с лазерными каналами. Вторая – на базе только центробежных волоконных лазеров с солнечной накачкой. Отечественные концепции [8] позволяют значительно превзойти зарубежные проекты.

Краткие выводы

1. В работе предложена перспективная схема волоконного лазера с солнечной накачкой (ВЛ - СН), свободная от недостатков схем других авторов.

2. Используется концепция солнечного паруса (СП), прошедшая экспериментальную апробацию на отечественных космических аппаратах (КА), с положительными оценками. В качестве основы солнечного концентратора (СК) предлагается использовать суперсовременный материал КАПТОН.

3. ВЛ-СН по варианту № 2 могут быть использованы в качестве базовых, при реализации Космических Солнечных Электростанций (КСЭС).