Тросовые системы в космосе

НВК №166 с лицеем “ВЕРТИКАЛЬ”

РЕФЕРАТ

на тему

ТРОСОВЫЕ СИСТЕМЫ В КОСМОСЕ

Выполнил Денисов Егор

Харьков 2001
ЧТО ТАКОЕ ТРОСОВАЯ СИСТЕМА

Космическая тросовая система - это комплекс искусственных космиче­ских объектов (спутников, кораблей, грузов), соединённых длинными тонкими гибкими элемен­тами (тросами, кабелями, шлангами), совершающий орбитальный полет. В наиболее простом виде -это связка двух космиче­ских аппаратов, соеди­ненных тросом длиной в десятки или даже сотни километров. Сложные тросовые системы могут иметь много космических объектов, соединенных тросами в форме замкну­тых колец, древовидных образований, объемных многогранников. Косми­ческие тросовые системы - новые, нетрадиционные структуры, создаваемые человеком в космосе, - позволяют выполнять за­дачи, которые невозмож­но, нецелесообразно или неэкономично решать с помощью существующих средств космической техники.

Тросовые системы от­личаются тремя основны­ми особенностями от кос­мических аппаратов тра­диционного типа. Первая - большая протяжен­ность, обеспечивающая устойчивое вертикальное положение системы на орбите, причем на концах системы создается малая искусственная тяжесть. Соединенные тросом ап­параты имеют недоста­ток или избыток орби­тальной скорости, а их движение выполняется с одним периодом обраще­ния на разных высотах. Вторая особенность - гиб­ко изменяемая конфигурация, возможность изме­нения длины тросов пу­тем их выпуска и втягивания.

Это позволяет регули­ровать взаимное положе­ние и ориентацию аппара­тов, присоединять и отце­плять другие объекты от тросов, передвигать по ним грузы. Третье отли­чие - активное взаимо­действие электропровод­ного троса с внешней сре­дой, в первую очередь, с магнитным полем и ионо­сферой Земли, обеспечивающее функционирова­ние системы в генератор­ном, двигательном, электропередающем и излучательном режимах.

В зависимости от того, какая из этих особенно­стей преобладает у дан­ной тросовой системы, какое свойство использу­ется при эксплуатации, проекты таких систем можно разделить на три типа. У "статических" сис­тем в процессе эксплуа­тации количество и дли­ны тросов, количество и массы объектов, их вза­имное положение и ори­ентация остаются постоянными. Ко второму типу относятся "динамиче­ские" системы, сущест­венно изменяющие коли­чество и длину тросов, количество и массу объе­ктов, их взаимное поло­жение и ориентацию. "Электромагнитные" сис­темы снабжены электро­проводными изолирован­ными тросами с плазмен­ными контакторами на концах и активно взаимо­действуют с магнитным полем и ионосферой Зем­ли.

Существует много раз­личных проектов тросо­вых систем и способов их практического примене­ния в космосе. Несколько лет назад нами была предложена классифика­ция способов применения тросовых систем на низ­ких околоземных орбитах по 3-м уровням: по типу используемой тросовой системы, по виду решаемой технической задачи и по конкретной реализа­ции способа. База данных включает в себя около сотни известных спосо­бов и их возможных моди­фикаций.

Статические тросовые системы могут использоваться в исследованиях дальнего космоса, около­земного пространства, ат­мосферы и поверхности Земли с помощью протя­женных измерительных систем (например, интер­ферометров с очень боль­шой базой, равной длине троса), датчиков геофи­зических полей, разне­сенных или распределен­ных вдоль троса и опуска­емых на тросе на низкие высоты атмосферных зондов. На космических аппаратах в составе та­ких систем можно проводить различные экспери­менты и технические опе­рации (медико-биологи­ческие исследования, производство веществ и материалов, выращива­ние растений) в специфи­ческих условиях микро­гравитации (от тысячных до десятых долей g) и от­сутствия собственной внешней атмосферы вок­руг аппаратов. Используя архитектурный принцип построения тросовых сис­тем, в космосе можно бу­дет создавать сложные сооружения больших размеров, например, косми­ческие электростанции, поселения, заводы, оран­жереи.

Динамические тросо­вые системы могут ис­пользоваться для выпол­нения орбитальных ма­невров космических ап­паратов без затрат топ­лива - либо путем отве­дения аппарата на тросе с последующей его отцеп­кой, либо захватом и подтягиванием аппарата тро­сом. Например, если от орбитальной станции от­вести вниз на тросе дли­ной около 50 км грузовой корабль и затем отделить его, корабль сойдет с ор­биты и упадет на Землю, а станция повысит свою орбиту, не затрачивая на это ни капли топлива. На лифтах, движущихся по тросам, предполагается перемещать грузы и эки­пажи, а используя пово­ротную штангу с выходя­щим с конца тросом, ори­ентировать в пространст­ве висящий на тросе ап­парат.

Электромагнитные тросовые системы могут вырабатывать за счет ис­пользования части кине­тической энергии орбитального движения систе­мы электроэнергию мощ­ностью до 1 МВт. Элект­роэнергией, получаемой от бортового генератора, можно поддерживать или медленно повышать вы­соту орбиты тросовой си­стемы без затрат топли­ва. Используя некоторые электродинамические эффекты, возможно с ми­нимальными потерями пе­редавать электроэнергию по длинному тросу между разнесенными космиче­скими аппаратами. Трос в качестве передающей антенны позволяет осуще­ствлять эффективное из­лучение радиоволн низ­кочастотных диапазонов - этот принцип найдет применение в глобальных системах космической связи.

Пожалуй, не существу­ет такой области косми­ческой деятельности, где тросовые системы не мог­ли бы найти эффективно­го применения. Более то­го, некоторые операции в космосе могут выпол­няться только при их ис­пользовании. Внедрение

технологии таких систем способно изменить весь облик будущих космиче­ских средств.

ОТ ЗАРОЖДЕНИЯ ИДЕИ ДО НАШИХ ДНЕЙ

Российские ученые за­ложили основы концеп­ции тросовых систем как одного из перспективных направлений развития космической техники.

Впервые такие систе­мы и способы их примене­ния в космосе были опи­саны в 1895 г. К.Э. Циол­ковским в "Грезах о Зем­ле и небе". Для создания искусственной тяжести К.Э. Циолковский пред­ложил использовать вра­щающуюся связку обитаемой станции и балласт­ной массы, соединенных цепью длиной 500 м, а для перемещения грузов в космосе - цепочку, вы­пускаемую и втягиваемую лебедкой.

В 1910 г. Ф.А. Цандер выдвинул проект "косми­ческого лифта" с 60 000-км тросом, протя­нутым с поверхности Лу­ны к Земле. Под действи­ем гравитационных и цен­тробежных сил такой трос будет постоянно натянут, и по нему, как по канатной дороге, можно транспортировать грузы.

В 20-30-е гг. идеи К.Э. Циолковского нашли от­ражение в проектах вра­щающейся тросовой кос­мической станции Ю.В. Кондратюка и в фанта­стических романах А. Беляева "Звезда КЭЦ" и "Прыжок в ничто". Идеи Ф.А. Цандера о космиче­ском лифте были разви­ты в 60-70-е гг. в рабо­тах Ю.Н. Арцутанова, предложившего проект троса, протянутого с поверхности Земли на геостационарную орбиту и в проекте тросово­го "космического ожере­лья Земли" Г.Г. Полякова.

В 1965 г. в РКК "Энер­гия" (бывшая ЦКБМ) под руководством С.П. Коро­лева началась подготов­ка к первому в мире кос­мическому эксперименту с тросовой системой. Раз­работанный проект "Союз-ИТ" предусматривал создание искусственной тяжести на космическом корабле "Союз", соединённом километровым стальным тросом с пос­ледней ступенью ракеты-носителя, путем приведе­ния этой связки во враще­ние. Но после кончины С.П. Королева проект был закрыт, и работы по тросовым системам в РКК "Энергия" возобновились только через 20 лет.

Таким образом, в се­редине 60-х гг. наша страна лидировала по работам в области кос­мических тросовых сис­тем. Для дальнейшего развития этих работ име­лись все предпосылки и условия. Однако в пос­ледующие годы из-за от­сутствия заинтересован­ности руководства в про­должении этих разрабо­ток инициатива была пе­рехвачена специалиста­ми США.

ЗАРУБЕЖНЫЕ ИДЕИ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Начало работ в облас­ти тросовых систем за ру­бежом связано с именем итальянского ученого Дж. Коломбо, разработавше­го в 60-70-х гг. (совместно с работавшим в США итальянским специали­стом М. Гросси) многочис­ленные проекты их прак­тического применения в космосе и активно высту­павшего за развитие та­кого направления. В част­ности, ими выдвинуты идеи электромагнитной тросовой системы и при­вязного атмосферного зонда, нашедшие в 90-х гг. практическое воплощение в итало-американ­ских проектах "TSS-1" и TSS-2".

Реализации проектов "TSS" способствовала поддержка директора од­ного из подразделений NASA И. Беки, организо­вавшего в 1983 г. первую рабочую встречу специа­листов по этой проблеме. После этого состоялись международные конференции по проблемам кос­мических тросовых сис­тем, проходившие в 1986 г. в Арлингтоне (США), в 1987 г. в Венеции, в 1989 г. в Сан-Франциско и в 1995 г. в Вашингтоне. На послед­ней конференции высту­пили специалисты из США, Канады, Италии, Германии, Испании, Фран­ции, Австрии, Японии и Китая.

В конце 1966 г. были проведены два американ­ских эксперимента на пи­лотируемых кораблях "Джемини" - они соединя­лись 30-м синтетически­ми лентами с ракетной ступенью "Аджена". В первом эксперименте связка космических объе­ктов вращалась вокруг общего центра масс, а во втором - в устойчивом вертикальном положе­нии.

В рамках американо-японской программы в 1980-85 гг. были осущест­влены четыре запуска на высоту 328 км зондирую­щих ракет. В ходе полета полезный груз удалялся на электропроводном тросе на 400 м (серия экс­периментов "CHARGE"). В первых двух эксперимен­тах тросы удалось выпус­тить только на длину 30 м и 65 м. В двух последних - тросы были выпущены полностью, что позволи­ло выполнить исследова­ния электродинамики тросовой системы.

Итало-американский эксперимент “TSS-1” был проведен в 1992 г. Пред­полагалось отвести от ко­рабля "Атлантис" италь­янский привязной спут­ник на электропроводном тросе длиной 20 км и вы­полнить электродинами­ческие и радиофизиче­ские исследования. При­вязной спутник разраба­тывала итальянская фир­ма "Aeritalia" (Alenia Spazio), а привязную сис­тему - американская фирма "Martin Marietta". Вследствие зажима троса в лебедке его удалось выпустить всего на 265 м, после чего трос был втя­нут обратно.

В феврале 1996 г. в хо­де полета корабля "Спейс Шаттл" сделана попытка повторить такой эксперимент (TSS-R). Теперь трос раз­мотали почти на всю дли­ну, однако он неожиданно оборвался ("пережегся") из-за короткого замыка­ния, вероятная причина -механическое поврежде­ние изоляции. Из-за ава­рии дорогостоящий итальянский спутник вме­сте с тросом ушел на дру­гую орбиту и был потерян. Тем не менее, в экспери­ментах серии “TSS” была проведена часть заплани­рованных электродина­мических исследований, в частности, в экспери­менте TSS-1R" в тросе был достигнут ток силой 0,5 А. Еще два американских

эксперимента "SEDS-1" и "SEDS-2" выполнены в 1993-94 гг. От последней ступени ракеты-носителя "Дельта-2" отводились по­лезные грузы на тросах длиной 20 км, выпускае­мых с помощью катушек, разработанных американ­ским специалистом Дж. Кэрроллом.

В первом эксперименте отрабатывался безрас­ходный спуск груза с ор­биты, а во втором - раз­вертывание тросовой сис­темы в вертикальное по­ложение. В 1993 г. также с использованием ракеты "Дельта-2" проведен экс­перимент "PMG" с элект­ропроводным тросом дли­ной 500 м, позволивший исследовать некоторые эффекты электродина­мики данной системы.

Канадские эксперимен­ты "OEDIPUS-A" и "OEDIPUS-C" с тросами длиной 1 км проведены в 1989 и 1995 гг. В мае 1996 г. состоялся запуск двух американских аппаратов морской разведки с тро­сом длиной 4 км (экспери­мент "TIPS"). Программой длительного полета предполагается исследо­вать стойкость троса к воздействию метеорных частиц.

После проведения экс­периментов "TSS-1" и "TSS-1R" (затраты соста­вили почти миллиард долларов) пересмотрена программа работ США в области тросовых систем. Планировавшийся экспе­римент "TSS-2" с атмо­сферным зондом, опуска­емым вниз с корабля "Спейс Шаттл" на 100-км тросе, был отменен. А другие эксперименты в

космосе вначале были ограничены проектами, не превышающими по стои­мости 10 млн. долларов, а затем вообще прекраще­ны. В расписании полетов кораблей "Спейс Шаттл" до конца 2003 г. экспери­менты с тросовыми систе­мами не предусмотрены.

РОССИЙСКИЕ РАЗРАБОТКИ И ПРОГРАММЫ

В России были созданы научные школы, занима­ющиеся теоретическими исследованиями косми­ческих тросовых систем. С конца 60-х гг. эти иссле­дования велись, главным образом, в Институте при­кладной математики (ИПМ) АН СССР такими крупными учеными, как В.В. Белецкий, В,А. Сарычев, Е.М. Левин (ныне ра­ботающие за рубежом).Исследования механики тросовых систем давно ведутся в Московском государственном авиацион­но-технологическом уни­верситете (МГАТУ, быв­ший МАТИ) под руковод­ством В.А. Иванова и Ю.С. Ситарского. В пос­ледние годы подобные исследования начаты в Московском авиационном институте, Московском государственном техни­ческом университете им. Н.Э. Баумана, Военной инженерной космической академии им. Н.А. Можай­ского. Изучением элект­родинамики и радиофизи­ки тросовых систем зани­маются в ЦНИИ машино­строения, Институте ра­диотехники и электрони­ки РАН, Московском фи­зико-техническом инсти­туте.

В последние годы в НПО машиностроения со­вместно с Институтом земного магнетизма, ионо­сферы и распространения радиоволн разрабаты­вался проект эксперимента на станции "Алмаз", где предполагалось отве­сти на тросе платформу с аппаратурой для геофи­зических исследований. В НПО им. С.А. Лавочкина разрабатываются проек­ты марсианского тросово­го пенетратора на базе межпланетной станции "Фобос" и тросовой систе­мы для обслуживания ор­битальной станции на ба­зе спутника "Прогноз". Институтом космических исследований РАН предложен проект тросовой системы в форме тетра­эдра для исследования электрических и магнит­ных полей в околоземном пространстве. В Москов­ском техническом уни­верситете связи и информатики ведутся исследо­вания систем с "бегущи­ми" тросами.

В последнее время проводится работа по тросовым системам с уча­стием иностранных спе­циалистов. В Самарском авиационном институте и Центральном специаль­ном конструкторском бю­ро (ЦСКБ) совместно с не­мецкими фирмами ведет­ся разработка проекта эксперимента с привяз­ной капсулой "Rapunzel" на спутнике "Фотон". В ЦНИИМаш по гранту NASA разработан проект двойной электродинами­ческой тросовой системы ТЭДОС на корабле "Прогресс-М".

В РКК "Энергия" во взаимодействии с евро­пейскими специалистами разрабатывается проект возвращения баллисти­ческих капсул и грузовых кораблей с пилотируемой станции при помощи длинных тросов. В 1994 г. в сотрудничестве с не­мецкой фирмой "Kayser Threde" был создан про­ект совместного экспери­мента "Tpoc-Rapunzel", затем по заказу Европей­ского космического агентства (ESA) прораба­тывался эксперимент тросового спуска капсулы "Радуга".

ПЕРСПЕКТИВЫ ТРОСОВЫХ СИСТЕМ

В РКК "Энергия" актив­ные работы по космическим тросовым системам возоб­новились в 1987 г. Они бы­ли направлены на освоение и применение таких систем в рамках пилотируемых ко­смических станций. Разра­ботанная концепция разви­тия отечественных работ в этой области предусматри­вает следующее. На первом этапе - проведение на ор­битальных станциях серии космических эксперимен­тов с тросовыми системами "Трос-1", "Трос-1 А", "Вул­кан" и 'Трос-2". В перспек­тиве - создание и опытная эксплуатация на новой ор­битальной станции тросо­вых систем транспортного, энергетического и исследо­вательского назначения. В отдаленном будущем пред­полагается создание орби­тального пилотируемого комплекса с многофункцио­нальным использованием технологий тросовых сис­тем.

Космический экспери­мент "Трос-1" - оригиналь­ная отечественная разра­ботка, выполняемая в РКК "Энергия" с 1989 г. Экспери­мент предусматривает ис­следование механики раз­вертывания, полет и разде­ление тросовой си­стемы с отработкой безрасходного орбитального ма­невра. В программе "Трос-1" предполагалось создать на орбите тросовую систему, состоящую из станции "Мир" и корабля "Прогресс-М", соединённых 20-км тросом из синтетического волокна. В течение недели система совершит орбитальный по­лет, после чего будет осу­ществлено ее разделение. При этом корабль перейдет на более низкую орбиту, а станция увеличит высоту орбиты (такой маневр сэко­номит около 150 кг топли­ва).

Эксперимент 'Трос-1 А" по своему замыслу анало­гичен Трос-1 " и отличается от него увеличением длины троса до 50 км. Примене­ние троса такой длины поз­волит без затрат топлива осуществить спуск грузово­го корабля с орбиты и его затопление в заданном районе Тихого океана. При этом орбитальная станция повысит высоту орбиты почти на 10 км, а экономия топлива составит до 400 кг.

В следующем экспери­менте "Вулкан" предпола­гается развернуть на орби­те модельный аналог элек­тродинамической тросовой системы: из грузового ко­рабля будет выдвигаться 100-м штанга с приборным контейнером на конце. Размещенная на корабле и в контейнере электронная аппаратура с плазменными контакторами сможет вы­полнить исследования электродинамических ха­рактеристик системы и различных явлений в маг­нитном поле Земли и ионо­сферной плазме. Кроме то­го, на борту орбитальной станции и на специально развертываемых наземных пунктах планируется при­нимать и анализировать из­лучаемые сверхнизкочас­тотные радиосигналы. В хо­де 20-суточного полета пройдет отработка функци­онирования в генераторном, двигательном, элект-ропередающем и излуча-тельном режимах, а также управления ориентацией на орбите.

Заключительный экспе­римент "Трос-2" задуман как комплекс всесторонних исследований механики, электродинамики и радио­физики орбитальной тросо­вой системы, состоящей из орбитальной станции и гру­зового корабля, соединен­ных 20-км кабелем, по ко­торому движется лифтовая тележка. Размещенная на станции, корабле и тележ­ке аппаратура позволит осуществить опытную экс­плуатацию системы в раз­личных режимах и провес­ти уточненные исследова­ния ее динамических и электромагнитных свойств. Орбитальный полет тросо­вой системы продлится не менее месяца, после че­го, как в экспериментах "Трос-1" и "Tpoc-1 A", будет проведено ее разделение.

Успешное проведение экспериментов "Трос-1" и "Трос-1 А" то это позво­лит приступить к созданию и последующей эксплуата­ции на орбитальной стан­ции транспортной тросовой системы многократного ис­пользования для спуска с орбиты возвращаемых кап­сул, отработавших кораб­лей и модулей, ферм и па­нелей. Эта же система при­менима и для периодиче­ского подъема высоты ор­биты станции без затрат топлива. По предваритель­ным проработкам, основой системы станет включае­мый в состав станции спе­циальный модуль. В его со­став войдет лебедка для развертывания 60-км тро­са, механизм выдвижения и втягивания 100-м фермы и устройство захвата и сбро­са грузов.

После выполнения экс­периментов "Вулкан" и "Трос-2" предполагается начать разработку штатно эксплуатируемой на стан­ции тросовой системы. На конце длинного кабеля прикрепят солнечную или ядерную энергоустановку. Вырабатываемую электро­энергию от установки пред­полагается передавать по кабелю на станцию и ис­пользовать для энерго­обеспечения ее служебных систем и других размещен­ных на борту приборов. Кроме того, при двига­тельном режиме работы системы электрический ток в кабеле, взаимодей­ствуя с магнитным полем Земли, позволит электро­динамически поддержи­вать или медленно повы­шать высоту орбиты станции. Работа в генератор­ном режиме за счет час­тичного снижения орбиты системы даст возмож­ность получать на стан­ция за короткое время электроэнергию большой мощности.

В будущем как в экспе­риментах, так и при эксплу­атации штатных систем можно будет проводить различные научные иссле­дования с использованием возможностей, создаваемых развернутыми тросо­выми системами. Большой интерес представляет изучение проблемы самочув­ствия и работоспособности экипажа орбитальной стан­ции, а также поведения жи­вотных, роста растений, свойств твердых тел и жид­костей в условиях


28-04-2015, 23:37