История зеркал. От отражения в воде до космической оптики

Космонавтика без солнечной энергии немыслима. Как известно, для энергоснабжения орбитальных станций используются солнечные батареи. Им не требуется никакого топлива, а для увеличения мощности надо только нарастить площадь панелей, похожих на крылья. Однако эффективность солнечных батарей зависит от температуры и со временем падает до нуля. А наращивание площади «крыльев» увеличивает парусность и гасит скорость – ведь на высоте полета орбитальных станций действует остаточная аэродинамика.

Поскольку применение солнечных батарей не решает проблемы космического энергоснабжения, в умах энтузиастов из Ракетно-космической корпорации «Энергия» возникла идея – использовать энергию Солнца более эффективно.

Солнце – источник не только световой, но и тепловой энергии. Солнечные лучи хорошо фокусирует вогнутое зеркало. Как показал еще в начале XX века профессор В. К. Цераский, изображение нашего светила в фокусе параболического зеркала диаметром около метра дает температуру, при которой плавится даже вольфрам. Значит, специальный зеркальный концентратор может, нагревая котел с теплоносителем, постоянно обеспечивать орбитальную станцию электроэнергией для оборудования и теплом для экипажа. У зеркальных концентраторов и КПД в 2–3 раза выше, чем у солнечных батарей, и площадь в несколько раз меньше, а температуры они дают в тысячи градусов, да и время над ними не властно.

Правда, изготовление вогнутого зеркала требует высокой точности оборудования и технологии. Чем больше мощность (а значит, и размеры зеркала), тем сложнее техника его изготовления. Космос накладывает на изделия строгие ограничения по размеру и массе. Так что качественный зеркальный концентратор солнечных лучей – очень дорогое удовольствие. Значит, его надо удешевить. Способ такого удешевления нашел ведущий научный сотрудник РКК «Энергия», кандидат технических наук Альберт Шолохов.

Существующее оборудование позволяет изготовить отражающую поверхность параболического зеркала диаметром не более трех метров, что соответствует мощности гелиоустановки примерно в 3 квт – а для орбитальной теплоэлектростанции нужна мощность в сотни и тысячи киловатт. Конечно, отражающую поверхность можно делать сборной из нескольких трехметровых параболических зеркал. Но изготовление каждого такого зеркала требует больших затрат времени и средств, а сборка крупногабаритного концентратора на орбите выливается в несколько запусков, так как головные обтекатели ракет ограничивают размер полезного груза. И Шолохов решил: зеркало должно быть небольшим и легким, с высоким КПД и большой мощностью, собирающим солнечные лучи «в точку» и «в линию», а главное – плоским.

Вспомните туристский или охотничий стаканчик в сложенном виде. На плоском донышке лежат несколько концентрических колец в виде поясков, нарезанных из пустотелого конуса. Потянули наружное кольцо кверху – получился конический стакан. Наполнили, опрокинули, сложили – и стакан снова превратился в систему кольцевых элементов на плоском основании. Осталось представить, что внутренние стороны колец имеют зеркальные поверхности. Вот и вся модель зеркала Шолохова.

Кольцевые элементы наносятся на металлическом диске резцом токарного или карусельного станка. Чем их больше, тем поверхность зеркала ближе к плоскости. Главное, чтобы внутренние поверхности концентрических колец соответствовали форме исходного отражателя – тогда плоское зеркало будет фокусировать солнечные лучи не хуже параболического рефлектора.

Скафандр – чрезвычайно сложное устройство

Первое зеркало, концентрирующее солнечные лучи «в точку», вдохновило изобретателя на поиски вариантов. Концентратор лучей «в линию» отличается тем, что узкие отражающие поверхности расположены на параллельных прямых полосах параболического сечения, а основанием для зеркала служит прямоугольная пластина. Далее было новое изобретение – концентрирующее устройство, состоящее из множества ячеек прямоугольной формы линейного сечения.

Скафандр

Скафандр – чрезвычайно сложное устройство. Во время работы космонавт постоянно регулирует различные параметры – подачу кислорода, давление и многое другое. Часть кнопок и переключателей находятся на груди и на поясе, которые невозможно увидеть из-за шлема и почувствовать наощупь из-за плотной ткани рукавиц. Поэтому одной рукой космонавт направляет зеркало себе на живот, а другой производит управление. Заметьте, на скафандре некоторые обозначения к элементам управления написаны зеркально.

Зеркало нужно, чтобы смотреть на органы управления скафандром. Из-за разницы давлений скафандр раздувается и что-то можно не увидеть, приходится пользоваться зеркалом.

Космическая оптика

Россия является одним из ведущих производителей космической оптики в мире. Эти позиции сохраняются в том числе и благодаря развитию инженерной школы создания оптики для исследования космоса.