Отечественной науке принадлежитодно из немногих за прошедшее уже столетие пионерских изобретений в области световых приборов — создание и исследование осветительных устройств с полыми световодами, их разработка и внедрение в серийное производство и практику применения. Сегодня около 30 фирм в 12 странах мира работают в этом чрезвычайно эффективном направлении.Число этих фирм и фронт работ непрерывно расширяются.И только в нашей стране — родине изобретения — все научные и прикладные работы в последнее десятилетие практически свернуты. В который раз многократно повторяется известнаяиз истории техники ситуация —нет пророка в своем отечестве.Теряя лидирующие позиции в этом новом направлении науки и техники, Россия не только терпит экономические убытки, ввозя изделия из-за рубежа, но и лишает себя перспективы, так как все новое,что появляется в этой области,немедленно патентуется. И если первые два десятка международных патентов по полым световодам 1970—1980 годов принадлежат нашей стране, то за последние 10 лет мы не получили ни одногопатента, общее число которыхсегодня свыше ста. Рассказу о сути изобретения, его значимости, состоянии делаи перспективах развития полых световодов посвящена настоящая статья.

Масштаб проблемы

Развитие человечества неразрывно связано со светопотреблением — не меньше, чем с потреблением металла, нефти, угля, электричества. Степень развитости общества характеризуется световой энергией в Мегалюменчасах (Млм.ч), вырабатываемой в год на одного человека. Для России это около 43 Млм.ч, для США — в 4—5 раз больше. Свет несут более миллиарда его источников, расположенных повсюду, то есть на каждого человека в нашей стране приходится почти по шесть светильников. При этом мы еще далеко не достигли физиологического оптимума необходимой человеку световой энергии, который в большинстве случаев должен быть в 5—10 раз выше имеющегося. Это означает, что надо дальше наращивать парк действующих светильников, применять источники света еще большей мощности и эффективности, еще больше расходовать материальных средств на выпуск и монтаж изделий, а главное — на их эксплуатацию. Ведь как бы долго ни служили лампы, в конце концов их приходится заменять. Во время работы светильники загрязняются, их необходимо систематически чистить. И часто это приходится делать на большой высоте, в местах, куда затруднен доступ. При этом совсем плохо обстоит дело там, где в помещениях выделяется много пыли, влаги, химически активных веществ и особенно в пожарои взрывоопасных помещениях. В таких условиях характеристики приборов из-за плохого обслуживания быстро ухудшаются, светильники в основном не светят, а греют грязь, потребляя столько же электроэнергии, как и в начале работы, а любое их повреждение чревато аварией, пожаром или взрывом.

Где же выход? Каким образом снизить число устанавливаемых светильников, уменьшить протяженность электрических сетей и потерь мощности в них, как приостановить лавинообразный рост расходов на освещение и т.д.?

Путь решения проблемы

Ни одним из традиционных методов возникшую проблему решить не удается. Чем меньше мы хотим применять ламп, тем больше должна быть их мощность, а значит, и яркость, и тем реже они должны устанавливаться. А это приводит к резкому снижению качества и эффективности освещения: повышается слепящее действие источников света, ухудшается равномерность освещения, падает надежность работы осветительных установок, сокращается срок службы ламп.

В принципе ясно, в каком направлении искать выход из положения. Надо добиться, чтобы световые потоки от небольшого количества мощных ламп определенным образом перераспределялись в пространстве и обеспечивали равномерное не слепящее глаз освещение. Поэтому новые устройства должны иметь большие светящие поверхности малой яркости, а лампы надо сконцентрировать в небольшом количестве точек, которые легко обслуживать.

Нетрадиционное решение требовало создания новых источников света, новых материалов и технологий.

Как ни парадоксально, ближе всех к решению проблемы еще в XIX веке подошел русский ученый-электротехник В.Н. Чиколев и ряд американских исследователей того же времени.

Из истории развития полых световодов

Идея создания и использования полых световодов, позволяющих отдалить источник излучения (часто имеющий недопустимо высокую температуру, яркость, нерациональное светораспределение и пожаровзрывои электроопасность) от освещаемого объекта, имеет более чем столетнюю историю. В последней четверти XIX века, особенно в начале 1880-х годов, исследователи в России и США рассматривали в теоретическом плане, а некоторые реализовали на практике идею транспортирования светового потока от мощных электрических дуг по зеркализованным изнутри металлическим трубам.

Такой подъем работ в этом направлении практически одновременно в разных странах показал, насколько назрела задача транспортирования и перераспределения в пространстве световых потоков от единственных в то время источников — мощных электрических дуг.

Однако пути технического прогресса после создания ламп накаливания и распределительных электрических сетей пошли по другому направлению, и полые световоды как средство транспортирования излучения на большие расстояния от источников были забыты на долгие годы. Краткая история изобретений в этой сфере представлена ниже.

1874 Известный изобретатель В.Н. Чиколев на Охтинском пороховом заводе под Санкт-Петербургом оборудовал осветительную установку (рис. 1) с полыми торцевыми световодами в виде зеркализованных изнутри труб, по которым во взрывоопасные помещения передавался свет от электрической дуги, установленной вне здания на специальной вышке. 1878 В США Нил и Лэйк получили патенты на свои устройства. М.Т. Нил предложил не только способы транспортирования, деления и перераспределения светового потока источников света с помощью зеркал, линз и светорассеивающих элементов, но и высказал мысль об использовании выделяемого мощными лампами тепла.

В.Р. Лэйк предлагал использовать свое устройство для освещения шахт, подземных многоярусных туннелей и многоэтажных зданий. В его патенте речь шла о формировании параллельных пучков света от оптической системы с мощным источником с введением света в торцы труб при полной взрывои пожаробезопасности устройства.

1879 Молера и Кебриан опубликовали свои идеи в калифорнийском научно-техническом журнале и описали осветительную установку многоэтажного конторского здания, освещаемого с помощью мощной дуги (со стоящими под углом электродами) и несколькими линзами Френеля, направляющими в трубы световодов весь свет, генерируемый дугой (рис. 2).

1881 Сложное комбинированное осветительное устройство В.Виллера решало проблемы максимально полного использования светового потока источника (направляя его в одну или две стороны и транспортируя по трубам торцевых световодов, разбивая поток на много частей) при помощи излучателей с применением сферических и эллиптических зеркал, конденсорных линз, призм, светорассеивающих элементов.

1965 Г.Б. Бухман (г. Киев, СССР) развил идею полых световодов как средства не только транспортирования света, но и его использования для освещения по всей длине полого световода: свет от мощного источника вводился в торец зеркализованной изнутри трубы, а выходил равномерно по всей длине трубы через часть ее боковой поверхности, не покрытой зеркально отражающим слоем (рис. 3). В последующем такие световоды получили название щелевых световодов, а боковая поверхность, через которую свет выходит в освещаемое пространство, — оптической щели. Бухман впервые разработал методы расчета щелевых световодов.

1975 Ю.Б. Айзенберг и Г.Б. Бухман (СССР) патентуют два фундаментальных для развития полых световодов изобретения новых систем, позволяющих транспортировать с помощью щелевых световодов как солнечный свет, так и свет искусственных источников, а также использовать тепловую энергию, выделяемую мощными лампами (рис. 4). Протяженные полые световоды было предложено изготавливать из тонкой и прочной пленки из специальной пластмассы.

1978 Ю.Б. Айзенберг, Г.Б. Бухман и В.М. Пятигорский предложили, запатентовали и реализовали на практике принципиально отличающуюся конструкцию плоских протяженных световодов клинообразной формы, позволяющих создавать большие светящие поверхности (рис. 5(в, д)).

1980 Начало серийного выпуска осветительных устройств с полыми световодами производственным объединением "Ватра” (г. Тернополь, Украина) и Московским опытным светотехническим заводом.

А.А. Коробко, О.Г. Кущ впервые сформулировали теоретические методы компьютерных расчетов щелевых световодов и осветительных установок с ними. Разработаны и внедрены в производство новые специальные материалы (полиэтилентерефталатные пленки) и источники света с пускорегулирующей аппаратурой (металлогалогенные зеркальные лампы), принципы конструирования систем с протяженными полыми световодами и приборы для их фотометрирования, а также специальное технологическое оборудование для их серийного производства.

1981 Изобретение Л.Уайтхедом (Университет Британской Колумбии, Ванкувер, Канада) призматических световодов, в которых использовался эффект полного внутреннего отражения света в продольных по отношению к оси световода призмах с углами 90° при вершинах. Призматические световоды, отличаясь малыми потерями и высокой равномерностью светимости по длине, обеспечивали высокоэффективное транспортирование света от вводного до выходного торца световода (рис. 7).

1985 Создание Р.Аппельдорном и С.Коббом (фирма 3М, США) технологии изготовления рулонной призматической пленки марки SOLF (Scotch Optical Light Film) толщиной 0,5 мм на одном из предприятий фирмы 3М. Этот технологический процесс получил название микрорепликация и сыграл больую роль в дальнейшем развитии полых световодов. Фирма TIR Systems, созданная Л. Уайтхедом и Р. Нодвелом в Ванкувере (Канада), приступила к производству призматических полых световодов (с использованием SOLF).

1994 Организация Технического Комитета ТК 3.30 "Полые световоды” в Международной Комиссии по Освещению (первоначально работавшего — с 1992 г. — в качестве репортерской группы R 3.07).

Результаты всех исследований и открытий российских и украинских ученых в свое время были опубликованы более чем в 70 статьях и 20 патентах США, Германии, Японии, Великобритании, Франции, Италии и других стран, доложены на конгрессах МКО в Лондоне (1975), Венеции (1987), Мельбурне (1991), Дели (1999), Сан-Диего (2003) и на конференциях Lux Europa (1997), Lux Pacifica (1998), Licht (1998), а также на общеамериканских конференциях в Балтиморе (1990) и Сиэтле (1998). Специальный выпуск журнала "Светотехника” (1981, № 11) был посвящен комплексу выполненных работ по световодам. В обобщении накопленного опыта, систематизации материала (терминологии, классификации, библиографии) и популяризации этого нового направления светотехники сыграла большую роль организация в 1994 году — по нашей инициативе, поддержанной фирмами 3М и TIR Systems, — специального Технического Комитета ТК 3.30 "Полые световоды” в Международной Комиссии по Освещению. 18 экспертов из 12 стран провели заседания в Нойссе (Германия), Стокгольме (1994), Вашингтоне (1995), Трондхайме (1997), Нагое (1998) и Ванкувере (1999) и подготовили проект публикации МКО по полым световодам и их применению.

Состояние дела сегодня

В настоящее время сложилось два основных направления разработки и применения полых протяженных световодов: зеркальные щелевые световоды на основе использования металлического отражения от большей части внутренней поверхности световода (цилиндрические и плоские клиновидные световоды — рис. 5 б, в) и призматические световоды, основанные на использовании эффекта полного внутреннего отражения в призмах, покрывающих всю их наружную поверхность (рис. 5 г).

Зеркальные щелевые световоды выпускают 11 фирм (в России, Украине, Германии — 3, Испании, Бельгии, Великобритании). Призматические световоды производятся 17 фирмами (Канады, США, Германии, Италии — 2, Японии, Нидерландов, Швейцарии, Польши), при этом больая часть этих фирм — дочерние компании концерна 3М или непосредственно связанны с 3М, выпускающим призматическую пленку SOLF. Сегодня три фирмы в мире используют полые световоды из диффузноили направленно-рассеянно пропускающего материала (с больей долей рассеянного света) — в основном для создания архитектурно-декоративных установок (рис. 5 а).

В разных странах оборудованы сотни новых осветительных установок с полыми световодами как для внутреннего, так и для наружного освещения. Световоды успешно применены для освещения туннелей, мостов, улиц и площадей, аэрои метровокзалов, в производственных помещениях, надземных пешеходных переходах (рис. 8, 9). В московском метро оборудованы оригинальные осветительные установки не только с прямолинейными, но и с арочными щелевыми световодами, принципиально изменившими эксплуатацию установок (рис. 8).

По сравнению с протяженными круглоцилиндрическими световодами плоские клиновидные конструкции имеют целый ряд особенностей, а в ряде случаев и преимуществ. Не отличаясь большой длиной (как правило, не более 5—9 м при одностороннем вводе света), осветительные устройства с клиновидными световодами базируются на использовании коробчатых конструкций из металлических поверхностей тонколистового алюминия с высоким коэффициентом зеркального отражения, перекрытых с одной стороны (выходное отверстие световода — оптическая щель) светорассеивающей или прозрачной призматической пластмассой. Клиновидные жесткие световоды имеют более высокий КПД и при серийном производстве более дешевы. С помощью клиновидных световодов с прямоугольным поперечным сечением могут набираться поверхности большой площади (светящие потолки), легко варьироваться форма и архитектурное решение светящей поверхности.

Такие фирмы, как Schreder (Бельгия), Socelec (Испания) и Wheitcroft (Великобритания) серийно производят клиновидные световоды с размером оптической щели от 3,3 до 5,1 м (по длине) и 0,274 м (по ширине) с лампами МГЛ 250, 400 Вт или НЛВД 150—4 000 Вт.

Как правило, клиновидные световоды применяются для внутреннего освещения (спортивные залы, бассейны и др.). Единственный известный случай применения клиновидных световодов для наружного освещения — крупная осветительная установка (около 500 устройств) на одном из центральных проспектов Барселоны, выполненная фирмой Socelec (рис. 10). Цилиндрические и клиновидные световоды успешно сочетаются в установках ввода и перераспределения в здания солнечного и искусственного света.

Опорные осветительные устройства с полыми протяженными световодами представляют отдельную группу и предназначены для наружного освещения. Опора выполняет функции транспортирующего свет полого световода с низко расположенным ВУ, удобным для эксплуатации, а светораспределение обеспечивается отдельным отражателем, положение которого может регулироваться и который может иметь гладкую или фацетную зеркальную поверхность или быть диффузным (рис. 11), рассеивающим свет, выходящий из опоры-световода в виде узко коллимированного пучка. Для оживления вида подобных опор в их боковой поверхности выполняются декоративные пролифовки (отверстия различной формы и размера).

Неожиданное решение нестационарных осветительных устройств с эластичными диффузными каналами нашла итальянская фирма OVA. Конструкция этих световых колонн высотой 5 м и диаметром около 400 мм функционирует при непрерывном поддуве внутреннего объема световода с помощью вентилятора, питаемого от автомобильного аккумулятора. Мобильность, простота и относительная дешевизна устройства позволяют использовать его в аварийных ситуациях. Это изделие освоено в России фирмой "Световые Технологии”.

Простейшие диффузные относительно короткие световоды широко применяются как для наружного — в виде вертикально или наклонно установленных светильников, — так и для внутреннего освещения, в том числе декоративного. Фирма Space Cannon (Италия) широко использует такие устройства в виде различных пространственных композиций, применяя в ВУ управляемые кассеты с различными цветными фильтрами. На многих выставках и празднествах эта фирма устраивала с помощью световодов спектакли света, цвета и музыки Декоративные вертикальные светящие колонны, столбики и торшеры с призматической пленкой SOLF и МГЛ малой мощности в ВУ также находят все большее распространение — как правило, они применяются с внутренними объемными экстракторами.

Последняя разработка новых серийно выпускаемых устройств со световодами фирмы Se’lux показана на рис. 12.

Интегральные системы освещения солнечным и искусственным светом

Интегральное (совмещенное) освещение помещений, в которые дневной свет не проникает или его недостаточно, прежде всего в многоэтажных зданиях, — одна из наиболее интересных и перспективных областей применения полых световодов. Их использование также весьма целесообразно в высоких одноэтажных зданиях с большой плотностью расположения оборудования и трудностью обслуживания (супермаркеты, выставки, большие цеха) и в подвальных и заглубленных помещениях (подземные гаражи, метрополитены и др.).

Исследования во ВНИСИ на моделях таких установок показали их высокую комфортность, экономичность и удивительную способность создавать динамичное, постоянно изменяющееся в соответствии с обстановкой естественное освещение помещений. В первой уникальной крупной осветительной установке Heliobus четырехэтажной школы в St. Gallen (Швейцария) удалось в два раза снизить установленную мощность, в 3,5—5 раз уменьшить расход электроэнергии (благодаря сокращению времени использования искусственного освещения) при качественном улучшении световой среды. Установка спроектирована в России во ВНИСИ и реализована совместно с фирмами Buhler/Scherler и Signer (рис. 13).

Подобное решение было реализовано и в осветительной установке двухэтажной школы в горном поселке Schiers (Швейцария). Отличие этих двух установок — в использовании гелиостатов двух принципиально разных конструкций. В Heliobus — стационарный гелиостат полностью герметичной конструкции. В установке школы в Schiers применялись открытые зеркальные гелиостаты, имеющие две оси вращения и постоянно ориентированные на солнце, а источники света располагались внизу, в основании световода, и их световой поток ночью частично уходил в небо.

В обоих случаях внутренняя поверхность световодов была покрыта призматической пленкой SOLF фирмы 3M.

Перспективность интегральных систем совмещенного освещения зданий глубокого заложения и других сооружений без достаточного солнечного освещения не вызывает сомнений. При этом особо важно подчеркнуть возможность серийного промышленного изготовления основных узлов и элементов таких установок, из которые могут собираться различные варианты интегральных осветительных установок относительно небольшой стоимости.

Подтверждением того факта, сколь большое значение архитекторы придают взаимосвязи изолированных от естественного света помещений с внешним пространством, определяемой наличием солнечного света и его динамикой, служит дорогостоящая установка с полыми протяженными световодами, установленная на Potsdamer Platz в Берлине. Эти наклонные световоды (рис. 14) позволяют ввести солнечные зайчики в подземное помещение крупного супермаркета. Световоды высотой 14, 18 и 21 м имеют стальную трубу в качестве оси конструкции, стеклянную трубу-оболочку диаметром 1 м и два слоя призматической пленки SOLF — один на внутренней поверхности стеклянной, другой на наружной поверхности стальной трубы.

Неиспользованные возможности и перспективы

Возможность передачи света и его распределения с помощью полых протяженных световодов вызвала к жизни ряд интересных научных и инженерных идей.

Поскольку световод представляет собой трубу довольно большого диаметра (до 1 м), то очевидно, что такие каналы могут служить для транспортирования не только света, но, скажем, и очищенного воздуха. В этом случае световод становится одновременно воздуховодом. Один из экспериментов ВНИСИ для проверки этой идеи и определения области применения совмещенных инженерных систем показал их жизнеспособность.

Новый подход к созданию интегральных осветительных установок представляют три идеи интегральных устройств: для высоких одноэтажных зданий, для подземных помещений и широких зданий с периметральным остекленением.

Во всех случаях реализации этих предложений необходимо: - использование простейших герметизированных гелиостатов, требующихся для всех случаев освещения зданий в зоне индустриальных городов (без открытых оптических систем);

- использование одних и тех же устройств для транспортирования и перераспределения солнечного света и света ламп;

- вынесение из освещаемых помещений электрических сетей и всех узлов, требующих обслуживания в процессе эксплуатации;

- исключение выделения тепла (поступающего от солнца и ламп) в освещаемое помещение для снижения мощности систем кондиционирования воздуха;

- уменьшение размера отверстий в ограждающих конструкциях для ввода солнечного света.

На рис. 15 представлены схематические решения указанных задач.

На первом из них — интегральная система освещения высоких помещений одноэтажных зданий, включающая гелиостаты, переходные устройства (с источниками света) через ограждающие конструкции и плоские световоды — светоперераспределяющие устройства в виде светящихся дисков, прямоугольников, квадратов или полос (вид снизу). По расчетам, одно такое устройство (рис. 15 а) в помещении высотой 8—10 м может обеспечить освещенность 200—300 лк на площади 100— 200 м2 при географическом размещении зданий в Центральной Европе (и при различных размерах гелиостатов и разном числе используемых ламп или светильников).

Для подземных помещений эта система дополняется вертикальным световодом нужной высоты и диаметра (рис. 15 б, пунктир).

На рис. 15 в — решение освещения помещений длиной более 10 м (10—20 м от окон).

Однако в двух последних случаях возможно лишь частичное улучение дневного освещения в дальних от окон зонах. В предлагаемом нами (совместно с А.А. Коробко и В.М. Пятигорским) варианте солнечное и искусственное освещение совмещены с выполнением почти всех указанных выше требований. Расчеты показывают, что вариант установки с плоским световодом (рис. 15 в) обеспечивает, например, в офисном помещении длиной 17 м освещенность 300 лк при минимальном использовании объема (высоты) помещения.

Световоды с жесткой или полужесткой оболочкой можно встраивать в конструкции зданий, что позволяет отказаться от сооружения в них технических этажей. Сейчас вспомогательные помещения двухметровой высоты, расположенные между основными этажами, используются главным образом для обслуживания сотен и тысяч встраиваемых светильников.

В отдельное направление могут быть выделены работы по созданию высокоэффективных плоских клиновидных световодов для имитации естественного освещения от светящегося небосвода, что весьма благоприятно сказывается на выращивании сельскохозяйственных культур. Эксперименты, проведенные ВНИСИ в Московской сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева и в Гипрониисельпроме (г. Орел), показали, что урожайность, например, огурцов в теплице при таком освещении увеличивается в 1,3—1,6 раза.

Применение новых устройств в северных и дальневосточных районах страны значительно улучшило бы снабжение населения свежими овощами и фруктами (рис. 16). И в заключение еще об одной идее. За последние годы весьма популярными стали надувные сооружения — стадионы, производственные помещения, склады, госпитали и др. Эластичная оболочка сохраняет заданную форму благодаря избыточному давлению воздуха внутри здания. Но возникают проблемы с их освещением. Ведь крепить провода к оболочке и подвешивать к ней светильники непросто и небезопасно. Однако здесь в качестве несущих и формообразующих конструкций могут использоваться надувные арочные световоды, являющиеся частью оболочки этих сооружений (рис. 17).

Более чем 30-летний опыт работы в этом направлении показывает, что постоянно появляются все новые области эффективного использования полых протяженных световодов.

Внимание к проблеме в 1980'е годы стимулировало создание, производство и крупномасштабное применение первых в мире систем освещения полыми световодами. В последующий период, когда распался СССР и развалилась система централизованного планирования и снабжения, это производство, как и исследовательские работы, были практически прекращены.

Зато за рубежом "эстафета” была подхвачена, и работы в области полых световодов все эти годы бурно развивались.

Это новое направление далеко не исчерпано. Большая часть идей даже того времени еще не реализована. Что уж говорить об идеях нового поколения!