Реферат: Тросовые системы в космосе

НВК №166 с лицеем “ВЕРТИКАЛЬ”

РЕФЕРАТ

натему

ТРОСОВЫЕ СИСТЕМЫ В КОСМОСЕВыполнил Денисов ЕгорХарьков 2001
ЧТО ТАКОЕ ТРОСОВАЯ СИСТЕМА

Космическая тросоваясистема — 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 десяткиили даже сотни километров.  Сложныетросовые системы могут иметь много космических объектов, соединенных тросами вформе замкну­тых колец, древовидных образований, объемных многогранников. Косми­ческиетросовые системы — новые, нетрадиционные структуры, создаваемые человеком вкосмосе, — позволяют выполнять за­дачи, которые невозмож­но, нецелесообразноили неэкономично решать с помощью существующих средств космической техники.

Тросовые системы от­личаются тремя основны­миособенностями от кос­мических аппаратов тра­диционного типа. Первая — большаяпротяжен­ность, обеспечивающая устойчивое вертикальное положение системы наорбите, 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. Втораяособенность — гиб­ко изменяемая конфигурация, возможность изме­нения длинытросов пу­тем их выпуска и втягивания.

Это позволяет регули­ровать взаимное положе­ние иориентацию аппара­тов, присоединять и отце­плять другие объекты от тросов,передвигать по ним грузы. Третье отли­чие — активное взаимо­действиеэлектропровод­ного троса с внешней сре­дой, в первую очередь, с магнитным полеми ионо­сферой Земли, обеспечивающее функционирова­ние системы в генератор­ном,двигательном, электропередающем и излучательномрежимах.

В зависимости от того, какая из этих особенно­стей преобладает у дан­нойтросовой системы, какое свойство использу­ется при эксплуатации, проекты такихсистем можно разделить на три типа. У «статических» сис­тем впроцессе эксплуа­тации количество и дли­ны тросов, количество и массы объектов,их вза­имное положение и ори­ентация остаются постоянными. Ко второму типуотносятся   «динамиче­ские»системы, сущест­венно изменяющие коли­чество и длину тросов, количество и массуобъе­ктов, их взаимное поло­жение и ориентацию. «Электромагнитные»сис­темы снабжены электро­проводными изолирован­ными тросами с плазмен­нымиконтакторами на концах и активно взаимо­действуют с магнитным полем иионосферой Зем­ли.

Существует много раз­личных проектов тросо­выхсистем и способов их практического примене­ния в космосе. Несколько лет назаднами была предложена классифика­ция способов применения тросовых систем на низ­кихоколоземных орбитах по 3-м уровням: по типу используемой тросовой системы, повиду решаемой технической задачи и по конкретной реализа­ции способа. Базаданных включает в себя около сотни известных спосо­бов и их возможных моди­фикаций.

Статические тросовые системы могут использоваться в исследованияхдальнего космоса, около­земного пространства, ат­мосферы и поверхности Земли спомощью протя­женных измерительных систем (например, интер­ферометров с оченьболь­шой базой, равной длине троса), датчиков геофи­зических полей, разне­сенныхили распределен­ных вдоль троса и опуска­емых на тросе на низкие высоты   атмосферных зондов. На космических аппаратахв составе та­ких систем можно проводить различные экспери­менты и техническиеопе­рации (медико-биологи­ческие   исследования,производство веществ и материалов, выращива­ние растений) в специфи­ческихусловиях микро­гравитации (от тысячных до десятыхдолей g) и от­сутствия   собственной внешней атмосферы вок­ругаппаратов. Используя архитектурный принцип построения тросовых сис­тем, вкосмосе можно бу­дет создавать сложные сооружения больших размеров, например,косми­ческие электростанции, поселения, заводы, оран­жереи.

Динамические тросо­вые системы могут ис­пользоватьсядля выпол­нения орбитальных ма­невров космических ап­паратов без затрат топ­лива- либо путем отве­дения аппарата на тросе с последующей его отцеп­кой, либозахватом и подтягиванием аппарата тро­сом. Например, если от орбитальнойстанции от­вести вниз на тросе дли­ной около 50 км грузовой корабль и затем отделитьего, 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 свыходя­щим с конца тросом, ори­ентировать в пространст­ве висящий на тросе ап­парат.

Электромагнитные тросовые системы могут вырабатывать за счет ис­пользованиячасти кине­тической энергии орбитального движения систе­мы электроэнергию мощ­ностьюдо 1 МВт. Элект­роэнергией, получаемой от бортовогогенератора, можно поддерживать или медленно повышать вы­соту орбиты тросовой си­стемыбез затрат топли­ва. Используя некоторые электродинамические эффекты, возможнос ми­нимальными потерями пе­редавать электроэнергию по длинному тросу междуразнесенными космиче­скими аппаратами. Трос в качестве передающей антенныпозволяет осуще­ствлять эффективное из­лучение радиоволн низ­кочастотныхдиапазонов — этот принцип найдет применение в глобальных системах  космической связи.

Пожалуй, не существу­ет такой области косми­ческойдеятельности, 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 космиче­скихсредств.

ОТ ЗАРОЖДЕНИЯ ИДЕИ ДО НАШИХ ДНЕЙ

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

Впервые такие систе­мы и способы их примене­ния вкосмосе были опи­саны в 1895 г. К.Э. Циол­ковским в«Грезах о Зем­ле и небе». Для создания искусственной тяжести К.Э. Циолковский пред­ложил использовать вра­щающуюся связкуобитаемой станции и балласт­ной массы, соединенных цепью длиной 500 м, а для перемещениягрузов в космосе — цепочку, вы­пускаемую и втягиваемую лебедкой.

В 1910 г. Ф.А. Цандер выдвинул проект«косми­ческого лифта» с 60 000-км тросом, протя­нутым с поверхностиЛу­ны к Земле. Под действи­ем гравитационных и цен­тробежных сил такой тросбудет постоянно натянут, и по нему, как по канатной дороге, можнотранспортировать грузы.

В 20-30-е гг. идеи К.Э. Циолковскогонашли 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 окосмиче­ском лифте были разви­ты в 60-70-е гг. в рабо­тах Ю.Н. Арцутанова, предложившего проект троса, протянутого споверхности Земли на геостационарную орбиту и в проекте тросово­го«космического ожере­лья Земли» Г.Г. Полякова.

В 1965 г. в РКК «Энер­гия» (бывшаяЦКБМ) под руководством С.П. Коро­лева началась подготов­ка к первому в мире кос­мическомуэксперименту 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. Королевапроект был закрыт, и работы по тросовым системам в РКК «Энергия»возобновились только через 20 лет.

Таким образом, в се­редине 60-х гг. наша страналидировала по работам в области кос­мических тросовых сис­тем. Для дальнейшегоразвития этих работ име­лись все предпосылки и условия. Однако в пос­ледующиегоды из-за от­сутствия заинтересован­ности руководства в про­должении этихразрабо­ток инициатива была пе­рехвачена специалиста­ми США.

ЗАРУБЕЖНЫЕ ИДЕИ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Начало работ в облас­ти тросовыхсистем за ру­бежом связано с именем итальянского ученого Дж. Коломбо,разработавше­го в 60-70-х гг. (совместно с работавшим в США итальянскимспециали­стом М. Гросси) многочис­ленные проекты ихпрак­тического применения в космосе и активно высту­павшего за развитие та­когонаправления. В част­ности, ими выдвинуты идеи электромагнитной тросовой системыи при­вязного атмосферного зонда, нашедшие в 90-х гг. практическое воплощение витало-американ­ских проектах«TSS-1»и TSS-2".

Реализации проектов «TSS»способствовала поддержка директора од­ного изподразделений NASAИ. Беки,организо­вавшего в 1983 г. первую рабочую встречу специа­листов по этойпроблеме. После этого состоялись международные конференции по проблемам кос­мическихтросовых 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 американ­скихэксперимента на пи­лотируемых   кораблях«Джемини» — они соединя­лись 30-мсинтетически­ми лентами с ракетной ступенью «Аджена». В первом   эксперименте связка космических объе­ктоввращалась вокруг общего центра масс, а во втором — в устойчивом вертикальномположе­нии.

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

Итало-американский эксперимент “TSS-1”былпроведен в 1992 г. Пред­полагалось отвести от ко­рабля «Атлантис» италь­янский привязной спут­ник наэлектропроводном тросе длиной 20 км и вы­полнить электродинами­ческие ирадиофизиче­ские исследования. При­вязной спутник разраба­тывала итальянскаяфир­ма   «Aeritalia»   (Alenia Spazio),апривязную сис­тему — американская фирма«MartinMarietta». Вследствие зажиматроса в лебедке его удалось выпустить всего на 265 м, после чего трос был втя­нутобратно.

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 вме­стес тросом ушел на дру­гую орбиту и был потерян. Тем не менее, в экспери­ментахсерии “TSS”была проведена часть заплани­рованныхэлектродина­мических исследований, в частности, в экспери­ментеTSS-1R"в тросе был достигнут ток силой 0,5 А. Еще дваамериканских

эксперимента«SEDS-1»и «SEDS-2»выполнены в1993-94 гг. От последней ступени ракеты-носителя «Дельта-2»отводились по­лезные грузы на тросах длиной 20 км, выпускае­мых с помощьюкатушек, разработанных американ­ским специалистом Дж. Кэрроллом.

В первом эксперименте отрабатывался безрас­ходный спуск груза с ор­биты, а во втором — раз­вертываниетросовой сис­темы в вертикальное по­ложение. В 1993 г. также с использованиемракеты «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 1995гг. В мае 1996 г. состоялся запуск двух американских аппаратов морской разведкис тро­сом длиной 4 км (экспери­мент«TIPS»).Программой длительного полета предполагается исследо­вать стойкостьтроса к воздействию метеорных частиц.

После проведения экс­периментов«TSS-1»и«TSS-1R» (затраты соста­вили почти миллиард долларов) пересмотренапрограмма работ США в области тросовых систем. Планировавшийся экспе­римент«TSS-2»с атмо­сфернымзондом, опуска­емым вниз с корабля «Спейс Шаттл» на 100-км тросе, былотменен. А другие эксперименты в

космосе вначале были ограничены проектами, не превышающими по стои­мости10 млн. долларов, а затем вообще прекраще­ны. В расписании полетов кораблей«Спейс Шаттл» до конца 2003 г. экспери­менты с тросовыми систе­мамине предусмотрены.

РОССИЙСКИЕ РАЗРАБОТКИ И ПРОГРАММЫ

В России были созданы научные школы, занима­ющиесятеоретическими исследованиями косми­ческих тросовых систем. С конца 60-х гг.эти иссле­дования велись, главным образом, в Институте при­кладной    математики (ИПМ) АН СССР такими крупнымиучеными, как В.В. Белецкий, В, А. Сарычев,Е.М. Левин (ныне ра­ботающие за рубежом).Исследования механики тросовых системдавно 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 авиационноминституте, Московском государственном техни­ческом университете им. Н.Э.Баумана, Военной инженерной космической академии им. Н.А. Можай­ского.Изучением элект­родинамики и радиофизи­ки тросовых систем зани­маются в ЦНИИмашино­строения, Институте ра­диотехники и электрони­ки РАН, Московском фи­зико-техническоминсти­туте.

 Впоследние годы в НПО машиностроения со­вместно с Институтом земного магнетизма,ионо­сферы и распространения радиоволн разрабаты­вался проект эксперимента на станции «Алмаз», гдепредполагалось отве­сти на тросе платформу с аппаратурой для геофи­зическихисследований. В НПО им. С.А. Лавочкина разрабатываются проек­ты марсианскоготросово­го пенетратора на базе межпланетной станции«Фобос» и тросовой систе­мы для обслуживания ор­битальной станции наба­зе спутника «Прогноз». Институтом космических исследований РАНпредложен проект тросовой системы в форме тетра­эдра для исследованияэлектрических и магнит­ных полей в околоземном пространстве. В Москов­скомтехническом уни­верситете связи и информатики ведутся исследо­вания систем с«бегущи­ми» тросами.

В последнее время проводится работа по тросовымсистемам с уча­стием иностранных спе­циалистов. В Самарском авиационноминституте и Центральном специаль­ном конструкторском бю­ро (ЦСКБ) совместно сне­мецкими фирмами ведет­ся разработка проекта эксперимента с привяз­нойкапсулой«Rapunzel» наспутнике «Фотон». В ЦНИИМаш  по гранту NASAразработан проект двойной электродинами­ческойтросовой системы ТЭДОС на корабле «Прогресс-М».

В РКК «Энергия» во взаимодействии с евро­пейскими специалистамиразрабатывается проект возвращения баллисти­ческих капсул и грузовых кораблей спилотируемой станции  при  помощи длинных тросов. В 1994 г. всотрудничестве с не­мецкой фирмой«Kayser Threde»был создан про­ект совместного экспери­мента«Tpoc-Rapunzel», затем позаказу Европей­ского космического агентства(ESA)прораба­тывался  эксперимент тросового спуска капсулы «Радуга».

 ПЕРСПЕКТИВЫ ТРОСОВЫХ СИСТЕМ

В РКК «Энергия» актив­ные работы покосмическим тросовым системам возоб­новились в 1987 г. Они бы­ли направлены наосвоение и применение таких систем в рамках пилотируемых ко­смических станций.Разра­ботанная концепция разви­тия отечественных работ в этой областипредусматри­вает следующее. На первом этапе — проведение на ор­битальныхстанциях серии космических эксперимен­тов с тросовыми системами«Трос-1», «Трос-1 А», «Вул­кан» и 'Трос-2".В перспек­тиве — создание и опытная эксплуатация на новой ор­битальной станциитросо­вых систем транспортного, энергетического и исследо­вательскогоназначения. В отдаленном будущем пред­полагается создание орби­тального  пилотируемого комплекса с многофункцио­нальнымиспользованием технологий тросовых сис­тем.

 Космическийэкспери­мент «Трос-1» — оригиналь­ная отечественная разра­ботка,выполняемая в РКК «Энергия» с 1989 г. Экспери­мент предусматривает ис­следованиемеханики раз­вертывания, полет и разде­ление   тросовой    си­стемы с отработкойбезрасходного орбитального ма­невра. В программе «Трос-1» предполагалосьсоздать на орбите тросовую систему, состоящую из станции «Мир» икорабля «Прогресс-М», соединённых 20-км тросом из синтетическоговолокна. В течение недели система совершит орбитальный по­лет, после чего будетосу­ществлено 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 замыслуанало­гичен Трос-1 " и отличается от него увеличением длины троса до 50км. Примене­ние троса такой длины поз­волит без затрат топлива осуществитьспуск грузово­го корабля с орбиты и его затопление в заданном районе Тихогоокеана. При этом орбитальная станция повысит высоту орбиты почти на 10 км, аэкономия топлива составит до 400 кг.

В следующем экспери­менте «Вулкан»предпола­гается развернуть на орби­те модельный аналог элек­тродинамическойтросовой системы: из грузового ко­рабля будет выдвигаться 100-м штанга сприборным контейнером на конце. Размещенная на корабле и в контейнереэлектронная аппаратура с плазменными контакторами сможет вы­полнить    исследования электродинамических ха­рактеристиксистемы и различных явлений в маг­нитном поле Земли и ионо­сферной плазме.Кроме то­го, на борту орбитальной станции и на специально развертываемых наземныхпунктах планируется при­нимать и анализировать из­лучаемые сверхнизкочас­тотныерадиосигналы. В хо­де 20-суточного полета пройдет отработка функци­онирования вгенераторном, двигательном, элект-ропередающем и излуча-тельном режимах, а также управления ориентацией наорбите.

Заключительный экспе­римент «Трос-2»задуман как комплекс всесторонних исследований механики, электродинамики ирадио­физики орбитальной тросо­вой системы, состоящей из орбитальной станции игру­зового корабля, соединен­ных 20-км кабелем, по ко­торому движется лифтоваятележка. Размещенная на станции, корабле и тележ­ке аппаратура позволитосуществить опытную экс­плуатацию системы в раз­личных режимах и провес­тиуточненные исследова­ния ее динамических и электромагнитных свойств. Орбитальныйполет тросо­вой системы продлится не менее месяца, после че­го, как вэкспериментах «Трос-1» и«Tpoc-1 A»,будет проведено ее разделение.

Успешное проведение экспериментов«Трос-1» и «Трос-1 А» то это позво­лит приступить ксозданию и последующей эксплуата­ции на орбитальной стан­ции транспортнойтросовой системы многократного ис­пользования для спуска с орбиты возвращаемыхкап­сул, отработавших кораб­лей и модулей, ферм и па­нелей. Эта же система при­менимаи для периодиче­ского подъема высоты ор­биты станции без затрат топлива. Попредваритель­ным проработкам, основой системы станет включае­мый в составстанции спе­циальный модуль. В его со­став войдет лебедка для развертывания60-км тро­са, механизм выдвижения и втягивания 100-м фермы и устройство захватаи сбро­са грузов.

После выполнения экс­периментов«Вулкан» и «Трос-2» предполагается начать разработку штатноэксплуатируемой на стан­ции тросовой системы. На конце длинного кабеляприкрепят солнечную или ядерную энергоустановку. Вырабатываемую электро­энергиюот установки пред­полагается передавать по кабелю на станцию и ис­пользоватьдля энерго­обеспечения ее служебных систем и другихразмещен­ных на борту приборов. Кроме того, при двига­тельном режиме работысистемы электрический ток в кабеле, взаимодей­ствуя с магнитным полем Земли,позволит электро­динамически поддержи­вать илимедленно повы­шать высоту орбиты станции. Работа в генератор­ном режиме за счетчас­тичного снижения орбиты системы даст возмож­ность получать на стан­ция закороткое время электроэнергию большой мощности.

В будущем как в экспе­риментах, так и при эксплу­атацииштатных систем можно будет проводить различные научные иссле­дования сиспользованием возможностей, создаваемых развернутыми тросо­выми системами.Большой интерес представляет изучение проблемы самочув­ствия иработоспособности экипажа орбитальной стан­ции, а также поведения жи­вотных,роста растений, свойств твердых тел и жид­костей в условиях микро­гравитации.Другой важный аспект — процесс естест­венного удаления собственной внешнейатмосфе­ры станции при разверты­вании тросовой системы. Это позволит получитьосо­бо чистый вакуум для вы­полнения некоторых иссле­дований в области косми­ческойтехнологии. В поле­те тросовых систем можно измерять геофизические поля припомощи разнесен­ных датчиков, изучать свойства ионосферы, воздействуя на нееэлектромагнитным   излучением тросовойантенны, выпол­нять и другие интересные исследования.

При успешном развитии работ по космическим тро­совымсистемам, вероятно, в середине XXI в. может быть создана долговремен­наяпилотируемая орби­тальная станция нового по­коления. Согласно предва­рительнымпроработкам, 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 привязныхмодулей. Конечно, загля­дывать в столь далекое будущее всегда риско­ванно,однако корпора­цией «Энергия» уже полу­чен патент на орбиталь­нуюстанцию подобного типа.

<img src="/cache/referats/5049/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025"> 

КОСМИЧЕСКИЕ ТРОСОВЫЕ СИСТЕМЫ:ВЗГЛЯД ИНЖЕНЕРА И МЕХАНИКА

 Что могуттросовые системы в космосе?

Тросовые системы в перспективе могут овладетьчрезвычайно широ­ким набором «профессий» в космосе. Рассмотрим краткосхемы, обсуж­даемые в литературе.

Как известно, искусственная тяжесть желательнадля длительной рабо­ты экипажей в космосе. Для ее создания можно составитьорбитальную станцию из двух отсеков, соединить их тросом и привести во вращениевокруг центра масс. В таком режиме двигалась связка «Джемини-1 1» сракетной ступенью «Аджена». Угловая скорость ее вращения была в 13,5раза больше орбитальной. Рассматривались и более сложные конструкции, состоящиеиз большого числа отсеков, соединенных троса­ми в многоугольные конфигурации .

Если связка вращается вокруг центра масссинхронно с орбитальным движением, то при ее ориентации вдоль геоцентрическогорадиуса-вектора (т.е. вдоль местной вертикали) возникает режим гравитационнойстабили­зации. В таком режиме двигалась связка «Джемини-12» сракетной ступенью «Аджена». В этом движении искусственная тяжесть вот­секах складывается на 1/3 из приращения центробежных сил и на 2/3 изприращения гравитационных сил, что составляет всумме^g=(3*<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language: EN-US;layout-grid-mode:line;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">D

R/R)g, где<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;layout-grid-mode: line;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">DR—вертикальное смещение относительно центра масс,R— геоцент­рический радиус орбиты центра масс. g — ускорение свободного падения наданной 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 микрогравитацииблагоприятны для перекачки жидкостей на орбите (например, топлива) из одногорезервуара в другой. В условиях невесомости дозаправка топливом на орбитеявляется сложной технологи­ческой проблемой, так как по мере опорожнениярезервуара общая масса жидкости под действием поверхностного натяженияразбивается на мно­жество капель, собрать которые не так-то просто. В условиях микрогра­витации жидкость будет перетекать из одногорезервуара в другой по прос­тому закону сообщающихся сосудов, который в равнойстепени справед­лив как для полной тяжестиg,так и для микротяжестиg.Представим, что в вертикальной конфигурации одиниз отсеков является резервуаром с топливом. Пристыковавшись к этому отсе­ку,межорбитальный буксир или орбитальный самолет сможет дозаправитьсяпростейшим способом, открыв вентиль и использовав перетекание топлива из сосудас большим уровнем в сосуд с меньшим уровнем. Минимальная длина троса, котораяобеспечивает уровень микрогравитации, достаточный дляпреодоления поверхностного натяжения, составляет для разных видов топлива от30м 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 станциина разные концы троса повышает также безопасность и работоспособность станции ваварийных ситуациях.

За пределы станции может быть вынесен не толькорезервуар с топли­вом. Вынос узла для пристыковкиорбитального самолета позво­ляет существенно уменьшить толчок, которыйиспытывает станция, и дос­тигнуть заметной экономии топлива .

Схема гравитационностабилизированной связки находит и другие применения. В рассмотрен проектинтерферометра, состоящего из двух приемных антенн, соединенных тросом длиной 5км и расположенных вдоль геоцентрического радиуса-вектора. Большая базаорбиталь­ного интерферометра и, следовательно, его большая разрешающая спо­собностьпозволяют проводить тонкие радиоисследования Солнца ипланет, в частности на тех длинах волн, которые не пропускает земная ионосфера.

Существует проектпассивного спутника-радиоотражателя на геоста­ционарнойорбите, который представляет собой цепочку большого числа металлическихшариков, соединенных стерженьками с шарнирами и рас­положенных радиально, и можетбыть элементом разветвленной сис­темы радиосвязи. На низших формах колебанийтакая цепочка шариков ведет себя, как гибкая нить.

Трос, расположенный вдоль местной вертикали, может служить основ­нымнесущим элементом для различных вариантов солнечных космических элекстростанций. Конструкция такой электростанции состоитиз большого числа коллекторов солнечной энергии, расположенных вдоль тросадлиной 50 км. Коллекторы могут быть выполнены в форме пластин, цилиндров илишаров. Вырабатываемая солнечной электростанци­ей энергия будет передаваться наЗемлю с помощью СВЧ-антенны, располо­женной на концетроса, обращенном на Землю. Движение всей системы про­исходит в режимегравитационной стабилизации.  

Обсуждаются способы полезного использованиясолнечного излучения в космосе с помощью пленочных отражателей. В предлагаемыхкон­струкциях существенными элементами являются тросы-стропы, за счет которыхосуществляется управление ориентацией и формой отражающей поверхности.

Значительный интерес представляют тросовыесистемы, взаимодейст­вующие с магнитным полем Земли. Если электропро­водящий иизолированный снаружи трос развернуть с орбитальной станции вдоль местнойвертикали и с помощью бортовой энергоустановки пропус­тить по немуэлектрический ток то со стороны геомагнитного поля на трос будет действоватьраспределенная сила, уско­ряющая движение станции. Трос в этом случае будетдействовать, как своего рода электромагнитный двигатель для станции. Ток,протекающий по тросу, должен замыкаться через ионосферную плазму; контакт сплазмой осуществляется специальными устройствами, через которые на одном концетроса электроны стекают в окружающую плазму, а на дру­гом конце собираются изплазмы.

Проводящий трос можно использовать не только какдвигатель, но и как генератор электрической энергии. При движении троса,снабженного на концах устройствами контакта с плазмой, в магнитном поле в тросебудет индуцироваться электродвижущая сила. Если междутросом и одним из устройств контакта с плазмой поместить электрическую нагрузку,то на ней будет производиться полезная работа. Сила, действующая на трос состороны магнитного поля, в этом случае будет тормозить движение стан­ции. По предварительным оценкам,коэффициент полез­ного действия такого электрогенератора очень высок- около90%. За счет большой скорости движения троса э.д.с.индукции будет составлять на вы­соте 400 км около 2000 В/км. При длине троса10—20 км разность потен­циалов между его концами составит 2—4 кВ, сила гока будет измерятьсяамперами, мощность генератора может достигнуть нескольких десятков киловатт.Уменьшение высоты орбиты в процессе генерации электроэнер­гии можеткомпенсироваться тягой реактивных двигателей, что дает высо­коэффективныйспособ перевода химической энергии в электрическую.

Выгодной выглядиткомбинация режимов тяги и генерации. При входе станции в тень Земли сесолнечные батареи перестают вырабатывать энер­гию. В этот период движенияэлектроэнергия на борту станции может вырабатываться тросовым генератором засчет уменьшения энергии орби­тального движения. При выходе на освещеннуюсторону Земли часть элект­роэнергии,вырабатываемой солнечными батареями, нужно будет использо­вать для работы тросакак двигателя с целью восполнения энергии орбиталь­ного движения. Возможность запасения энергии в виде энергии орбиталь­ного движения ивысвобождения ее с малыми потерями с помощью тросо­вого мотор-генераторапредставляется очень заманчивой. Если на станции для тех или иных целейнеобходима кратковременная генерация пиковой электрической мощности, тогда втечение многих витков трос работает как двигатель и станция набирает высоту,затем в нужный момент трос переключается на генерацию и за несколько витковпереводит запасенную

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

Пропуская ток по тросу в фазе с изменениемположения станции на орбите, можно изменять все элементы орбиты без затратхимического топ­лива что даёт новый и весьма экономный способ маневрирования наорби­те. Описанную электромагнитную тросовую систему можно исполь­зовать такжедля приема и генерации радиоволн и экспериментов с ионо­сферной плазмой.

Важным для практикиприменением тросов в космосе является ис­следование верхней атмосферы Земли.Атмосфера на высоте 100 км недос­тупна для непосредственного исследования ни ссамолетов, ни для спутни­ков. Для полета самолетов эти слои слишком разрежены,а для спутни­ков — слишком плотны. Зондирующие ракеты могут находиться в этихслоях лишь незначительное время. Рассмотрим привязной спутник для негодованияатмосферы. Трос длиной около 100 км соединяет спут­ник-зонд с орбитальнымсамолетом. Орбитальный самолет летит на высоте 200—250 км над поверхностьюЗемли и буксирует спутник-зонд на высоте 110—130 км. Такой полет можетпродолжаться довольно долго. Кроме измерения параметров атмосферы на этихвысотах возможно также определение аэродинамических характеристик различныхмоделей, выпу­щенных со спушика-зонда. Это даетуникальную возможность экспери­ментального изучения входа в атмосферуперспективных моделей косми­ческих аппаратов. Поэтому эту систему называюттакже «высотной аэро­динамической трубой».

С низколетящего привязного спутника-зонда можнополучать сним­ки Земной поверхности с заметно лучшим разрешением, чем собыкновен­ного спутника. Причем можно делать стереоскопические снимки, когдаодно изображение получается с зонда, а другое — с орбитального са­молета.Спутник-зонд является также средством для тонкого исследова­ния гравитационныхи магнитных аномалий и определения коэффициентов при старших гармониках вразложении соответствующих потенциалов.

Для первых экспериментов с атмосферной иэлектромагнитной ТС на базе орбитального самолета предполагается использоватьмногослойные тросы толщиной 1—3 мм и погонной массой в пределах 1—10 кг/км.

Выгодным представляется использование тросов дляразличных транспортных операций в космосе. При традиционном способемежорбитальных перемещении рабочее тело, выброшенное из сопла реактивногодвигателя, безвозвратно теряется. С помощью длинных тросов можно образовыватьвременные связки спутников и изменять их орбиты, передавая без потерь энергию имомент количества движения от одного спутника к другому, т.е. используя один изспутников в качестве реактивной массы. Как пока­зывают расчеты, прирациональной комбинации таких операций с включе­нием реактивного двигателя илиэлектромагнитного тросового двигателя можно достигнуть существенной экономиитоплива.

Рассмотрим схему запуска спутника с орбитальногосамолета с помощью троса. Трос осуществляет передачу спутнику части энергии имомента количества движения орбитального самолета. Это приводит к уве­личениюапогея орбиты спутника и уменьшению перигея орбиты самолета, в частностиорбитальный самолет может выйти на траекторию входа в ат­мосферу и возвращенияна Землю. При отделении последнего топливного бака от орбитального самолета бакне просто сбрасывается, а спускается на длинном тросе, передавая часть своейэнергии и момента количества движения орбитальному самолету и увеличивая темсамым апогей его орбиты. Потерявший скорость топлив­ный бак входит в атмосферуи сгорает. По проведенным оценкам, такая схема сброса бака позволит увеличитьгрузоподъемность орбиталь­ного самолета на 1 ,5 тонны без дополнительных затраттоплива.

Использование длинного троса позволяет осуществитьторможение орбитального самолета без затрат топлива. Для этого с орбитальногосамолета на тросе в верхние слои атмосферы спускается баллон, которыйиспытывает значительные аэродинамические сопротивление. Натяжение тросапередает эту тормозящую силу орбитальному самолету. После достаточного дляпосадки снижения скорости баллон отцепляется и сгорает в атмосфере. Прииспользовании крыла вместо баллона можно из­менять плоскость орбитыорбитального самолета, если крыло движ

еще рефераты
Еще работы по космонавтике