63 (Тросовые системы в космосе), страница 2

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 микро­гравитации. Другой важный аспект - процесс естест­венного удаления собственной внешней атмосфе­ры станции при разверты­вании тросовой системы. Это позволит получить осо­бо чистый вакуум для вы­полнения некоторых иссле­дований в области косми­ческой технологии. В поле­те тросовых систем можно измерять геофизические поля при помощи разнесен­ных датчиков, изучать свойства ионосферы, воздействуя на нее электромагнитным излучением тросовой антенны, выпол­нять и другие интересные исследования.

При успешном развитии работ по космическим тро­совым системам, вероятно, в середине XXI в. может быть создана долговремен­ная пилотируемая орби­тальная станция нового по­коления. Согласно предва­рительным проработкам, такая станция должна представлять собой сложную тросовую сис­тему, состоящую из двух многоблочных станций, соединенных нескольки­ми тросами, лифта (дви­жущегося по тросам меж­ду станциями) и отводи­мых на тросах привязных модулей. Конечно, загля­дывать в столь далекое будущее всегда риско­ванно, однако корпора­цией "Энергия" уже полу­чен патент на орбиталь­ную станцию подобного типа.

КОСМИЧЕСКИЕ ТРОСОВЫЕ СИСТЕМЫ: ВЗГЛЯД ИНЖЕНЕРА И МЕХАНИКА

Что могут тросовые системы в космосе?

Тросовые системы в перспективе могут овладеть чрезвычайно широ­ким набором "профессий" в космосе. Рассмотрим кратко схемы, обсуж­даемые в литературе.

Как известно, искусственная тяжесть желательна для длительной рабо­ты экипажей в космосе. Для ее создания можно составить орбитальную станцию из двух отсеков, соединить их тросом и привести во вращение вокруг центра масс. В таком режиме двигалась связка "Джемини-1 1" с ракетной ступенью "Аджена". Угловая скорость ее вращения была в 13,5 раза больше орбитальной. Рассматривались и более сложные конструкции, состоящие из большого числа отсеков, соединенных троса­ми в многоугольные конфигурации .

Если связка вращается вокруг центра масс синхронно с орбитальным движением, то при ее ориентации вдоль геоцентрического радиуса-вектора (т.е. вдоль местной вертикали) возникает режим гравитационной стабили­зации. В таком режиме двигалась связка "Джемини-12" с ракетной ступенью "Аджена". В этом движении искусственная тяжесть в от­секах складывается на 1/3 из приращения центробежных сил и на 2/3 из приращения гравитационных сил, что составляет в сумме ^g=(3*R/R)g, где R — вертикальное смещение относительно центра масс,R — геоцент­рический радиус орбиты центра масс. g — ускорение свободного падения на данной высоте. Искусственная тяжесть, составляющая даже малые доли g (микротяжесть ^g), позволяет улучшить условия жизни на орбите: изба­виться от плавающих предметов, облегчить обращение с водой и т.д. Условия микрогравитации благоприятны для перекачки жидкостей на орбите (например, топлива) из одного резервуара в другой. В условиях невесомости дозаправка топливом на орбите является сложной технологи­ческой проблемой, так как по мере опорожнения резервуара общая масса жидкости под действием поверхностного натяжения разбивается на мно­жество капель, собрать которые не так-то просто. В условиях микрогра­витации жидкость будет перетекать из одного резервуара в другой по прос­тому закону сообщающихся сосудов, который в равной степени справед­лив как для полной тяжести g, так и для микротяжести g. Представим, что в вертикальной конфигурации один из отсеков является резервуаром с топливом . Пристыковавшись к этому отсе­ку, межорбитальный буксир или орбитальный самолет сможет дозаправиться простейшим способом, открыв вентиль и использовав перетекание топлива из сосуда с большим уровнем в сосуд с меньшим уровнем. Минимальная длина троса, которая обеспечивает уровень микрогравитации, достаточный для преодоления поверхностного натяжения, составляет для разных видов топлива от 30м до 1,2 км . Трос может быть достаточно тонким: сечение менее 1 мм^2, погонная масса ~ 1 кг/км. Разне­сение отсека с топливом и жилого отсека станции на разные концы троса повышает также безопасность и работоспособность станции в аварийных ситуациях.

За пределы станции может быть вынесен не только резервуар с топли­вом. Вынос узла для пристыковки орбитального самолета позво­ляет существенно уменьшить толчок, который испытывает станция, и дос­тигнуть заметной экономии топлива .

Схема гравитационно стабилизированной связки находит и другие применения. В рассмотрен проект интерферометра, состоящего из двух приемных антенн, соединенных тросом длиной 5 км и расположенных вдоль геоцентрического радиуса-вектора. Большая база орбиталь­ного интерферометра и, следовательно, его большая разрешающая спо­собность позволяют проводить тонкие радиоисследования Солнца и планет, в частности на тех длинах волн, которые не пропускает земная ионосфера.

Существует проект пассивного спутника-радиоотражателя на геоста­ционарной орбите, который представляет собой цепочку большого числа металлических шариков, соединенных стерженьками с шарнирами и рас­положенных радиально, и может быть элементом разветвленной сис­темы радиосвязи. На низших формах колебаний такая цепочка шариков ведет себя, как гибкая нить.

Трос, расположенный вдоль местной вертикали, может служить основ­ным несущим элементом для различных вариантов солнечных космических элекстростанций. Конструкция такой электростанции состоит из большого числа коллекторов солнечной энергии, расположенных вдоль троса длиной 50 км. Коллекторы могут быть выполнены в форме пластин, цилиндров или шаров. Вырабатываемая солнечной электростанци­ей энергия будет передаваться на Землю с помощью СВЧ-антенны, располо­женной на конце троса, обращенном на Землю. Движение всей системы про­исходит в режиме гравитационной стабилизации .

Обсуждаются способы полезного использования солнечного излучения в космосе с помощью пленочных отражателей. В предлагаемых кон­струкциях существенными элементами являются тросы-стропы, за счет которых осуществляется управление ориентацией и формой отражающей поверхности.

Значительный интерес представляют тросовые системы, взаимодейст­вующие с магнитным полем Земли. Если электропро­водящий и изолированный снаружи трос развернуть с орбитальной станции вдоль местной вертикали и с помощью бортовой энергоустановки пропус­тить по нему электрический ток то со стороны геомагнитного поля на трос будет действовать распределенная сила, уско­ряющая движение станции. Трос в этом случае будет действовать, как своего рода электромагнитный двигатель для станции. Ток, протекающий по тросу, должен замыкаться через ионосферную плазму; контакт с плазмой осуществляется специальными устройствами, через которые на одном конце троса электроны стекают в окружающую плазму, а на дру­гом конце собираются из плазмы.

Проводящий трос можно использовать не только как двигатель, но и как генератор электрической энергии. При движении троса, снабженного на концах устройствами контакта с плазмой, в магнитном поле в тросе будет индуцироваться электродвижущая сила. Если между тросом и одним из устройств контакта с плазмой поместить электрическую нагрузку, то на ней будет производиться полезная работа. Сила, действующая на трос со стороны магнитного поля, в этом случае будет тормозить движение стан­ции. По предварительным оценкам, коэффициент полез­ного действия такого электрогенератора очень высок- около 90%. За счет большой скорости движения троса э.д.с. индукции будет составлять на вы­соте 400 км около 2000 В/км. При длине троса 10—20 км разность потен­циалов между его концами составит 2—4 кВ, сила гока будет измеряться амперами, мощность генератора может достигнуть нескольких десятков киловатт. Уменьшение высоты орбиты в процессе генерации электроэнер­гии может компенсироваться тягой реактивных двигателей, что дает высо­коэффективный способ перевода химической энергии в электрическую.

Выгодной выглядит комбинация режимов тяги и генерации. При входе станции в тень Земли се солнечные батареи перестают вырабатывать энер­гию. В этот период движения электроэнергия на борту станции может вырабатываться тросовым генератором за счет уменьшения энергии орби­тального движения. При выходе на освещенную сторону Земли часть элект­роэнергии, вырабатываемой солнечными батареями, нужно будет использо­вать для работы троса как двигателя с целью восполнения энергии орбиталь­ного движения. Возможность запасения энергии в виде энергии орбиталь­ного движения и высвобождения ее с малыми потерями с помощью тросо­вого мотор-генератора представляется очень заманчивой. Если на станции для тех или иных целей необходима кратковременная генерация пиковой электрической мощности, тогда в течение многих витков трос работает как двигатель и станция набирает высоту, затем в нужный момент трос переключается на генерацию и за несколько витков переводит запасенную

энергию орбитального движения в электроэнергию за счет уменьшения выcoты полета станции.

Пропуская ток по тросу в фазе с изменением положения станции на орбите, можно изменять все элементы орбиты без затрат химического топ­лива что даёт новый и весьма экономный способ маневрирования на орби­те. Описанную электромагнитную тросовую систему можно исполь­зовать также для приема и генерации радиоволн и экспериментов с ионо­сферной плазмой.