Спутник на веревочке или космические тросовые системы

в 4:16, , рубрики: космические тросовые системы, космонавтика, Научно-популярное, ОДоК, физика

Когда разговор заходит о космических тросовых системах, обычно вспоминают космические лифты и другие циклопические конструкции, которые, если и будут построены, то в очень отдаленном будущем. Но мало кто знает, что эксперименты с развертыванием тросов в космосе проводились неоднократно, с разными целями, и последний по времени закончился неудачей в начале февраля этого года.

Спутник на веревочке или космические тросовые системы - 1
«Джемини 11», соединенный тросом с мишенью «Аджена», фото NASA.

Как на HTV-KITE трос в трюме отрубили

Спутник на веревочке или космические тросовые системы - 2
Эксперимент HTV-KITE в представлении художника, фото JAXA

27 января от МКС отстыковался грузовой корабль HTV-6. Но вместо того, чтобы сразу отправиться в последний путь в огненные объятия атмосферы, корабль перешел на более низкую орбиту 360х370 км. На ней HTV-6 никак не мог помешать МКС. Ожидалось, что в течение 24 часов после отстыковки грузовик развернет семисотметровый трос и приступит к недельной программе экспериментов. Но, по сообщениям СМИ, наземный центр управления полетами не смог получить подтверждение отделения концевого груза от корабля — похоже, что как минимум один из четырех замков не раскрылся. Для проверки отделения инженеры хотели использовать специально установленную камеру и встроенные оптические приборы системы сближения и стыковки. Японское космическое агентство не выпускало официальных обновлений о состоянии эксперимента, но по интервью его представителей СМИ, подтверждение отделения концевого груза так и не было получено. Полет корабля продлевать не стали, поэтому в субботу наземный ЦУП передал команду на перерезание троса, чтобы возможно развернутый трос не мешал операциям по сходу с орбиты. Если бы трос хотя бы сдвинулся с места, то после перерезания его бы заметили как отдельный объект средства контроля космического пространства. К сожалению, ничего нового на орбите не было зафиксировано, что означает, что груз действительно не отделился от корабля. А что, собственно говоря, хотели проверить в эксперименте HTV-KITE?

Спутник на веревочке или космические тросовые системы - 3
Оборудование эксперимента HTV-KITE, фото JAXA

Идея эксперимента была очень красивой. На грузовой корабль устанавливался металлический трос длиной 720 метров с концевым грузом массой двадцать килограмм. Пружинный толкатель должен был обеспечить начальную скорость размотки в 1 метр в секунду. На концевом грузе были установлены отражатели, которые были бы заметны дополнительной камере и штатной оптической системе сближения и стыковки корабля. Именно возможности системы стыковки определяли максимальную длину троса — инженеры хотели точно знать положение концевого груза и расстояние до него. После достижения длины в 710 метров должен был включиться механический тормоз, который бы остановил размотку троса. Полностью развернутый металлический трос со специальным проводящим покрытием стал бы очень длинным проводником и смог бы взаимодействовать с магнитосферой Земли. И тут наступало самое интересное. Катод с полевой эмиссией должен был создать разность потенциалов между грузом и кораблем. От этого по тросу начал бы течь ток, который, взаимодействуя с магнитным полем Земли, должен был вызвать силу Лоренца, тормозящую корабль и груз.

Спутник на веревочке или космические тросовые системы - 4

В результате должна была получиться простая, не требующая контроля за ориентацией в пространстве и потребляющая минимум энергии система для свода с орбиты космического мусора. В общем случае движение тока в тросе можно обратить и разгоняться, поднимая орбиту за счет траты электричества, но японских инженеров интересовал только спуск с орбиты. Расположение приборов и их работа наглядно показаны на ноябрьском видео от JAXA. Там только японский текст, но по картинкам практически все понятно.

Незаметная тяжесть на «Джемини 11»

Спутник на веревочке или космические тросовые системы - 5
Мишень «Аджена» после отделения троса. Фото NASA

Исторически первым был эксперимент на «Джемини 11» (астронавты Пит Конрад и Ричард Гордон) в сентябре 1966 года. Одной из второстепенных задач миссии было вручную подцепить тридцатиметровый трос к мишени «Аджена» и, после отстыковки, посмотреть, как поведут себя два связанных объекта на орбите. Сначала пилотировавший «Джемини» Конрад попытался ввести связку в режим гравитационной стабилизации, чтобы мишень была внизу, корабль — наверху, а трос — натянутым. Но это не получилось — при попытке разойтись на 30 метров начинались колебания. Зато задача создания небольшой тяжести вращением связки никаких проблем не вызвала. Изогнувшийся сначала трос выпрямился, и, поворачиваясь на 55° в минуту, связка создавала 0.00015 (по другим данным 0,00078) g. Человек этого не ощущал, но плавающие по кабине вещи постепенно осели на дно капсулы.

Спутник на веревочке или космические тросовые системы - 6
Связка «в работе», трос натянут. Фото NASA

Кроме фотографий астронавты снимали видео, и на нем хорошо видны и колебания и вращение (с 10:45)

Сложный план «Восхода»

Спутник на веревочке или космические тросовые системы - 7
Схема тросовой системы «Восхода»

Гораздо более сложную схему разрабатывали в СССР для одного из полетов корабля «Восход». После выхода на орбиту и отделения от третьей ступени корабль оставался бы привязанным к ней тросом. Затем ступень должна была включить твердотопливные двигатели для расхождения со скоростью 10 метров в секунду. Для гашения возможных колебаний на ступень собирались поставить свою система управления с двигателями ориентации (у корабля она была изначально). Отойдя на километр, ступень тормозила бы разматывание троса и включала еще один набор двигателей для раскрутки со скоростью 2 оборота в минуту, создавая тяжесть в 0,003 земной. Затем на корабле активировалась бы система перецепки, разворачивающая корабль, чтобы космонавтов ускорение прижимало к креслам, а не наоборот. Ну и наконец, для создания лунной гравитации, лебедка бы подтягивала трос, уменьшая длину связки, и, по закону сохранения момента импульса, ускоряя вращение. Но в космос эта конструкция не полетела — корабли «Восход» прекратили летать после длительной миссии «Космос-110» с собаками, а на «Союз» систему перенести не получилось, так что в итоге проект был закрыт.

Неудачи амбициозного TSS-1

Спутник на веревочке или космические тросовые системы - 8
Эксперимент TSS-1 в представлении художника, фото NASA

Эксперименты с тросами в NASA и итальянском космическом агентстве предлагались еще в 1970-х годах, но дозрели до практического воплощения только двадцать лет спустя. В 1992 году для проверки стабилизации методом гравитационного градиента, а так же изучения околоземной плазмы и процессов, которые будут происходить на концевом грузе и в тросе, в космос отправился шаттл «Атлантис» (миссия STS-46). По плану трос должен был развернуться на целых двадцать километров, но этого не удалось сделать. Размотка троса застряла на 78 метре, затем, когда проблему устранили, трос снова застрял на 256 метрах, и продвинуть его дальше не получилось. Но полученные на такой небольшой базе данные оказались многообещающими, и эксперимент повторили на на шаттле «Колумбия» в 1996 году на миссии STS-75.

Спутник на веревочке или космические тросовые системы - 9
Самое начало размотки троса, фото NASA

Сначала все шло хорошо, и, очень медленно, трос размотали уже до 19 километров из плановых двадцати, аппаратура фиксировала в три раза больший ток, чем ожидалось по расчетным моделям, но тут трос внезапно порвался. Потом, уже на земле, выяснилось, что в процессе размотки стали лопаться газовые пузырьки в изоляции кабеля троса. Освободившаяся атмосфера рядом с проводником с напряжением 3500 вольт стала плазмой и замкнула трос на ферму экспериментального оборудования. Получившееся короткое замыкание расплавило участок троса, порвав его. Несмотря на формальную неудачу, за время размотки троса было собрано очень много интереснейших данных — физика поведения тросовых систем, данные о плазменном окружении и разности потенциалов в тросе.

Видео эксперимента (с 2:45).

Бомба на тросе и выживание на привязи

Спутник на веревочке или космические тросовые системы - 10
Эксперимент SEDS в представлении художника, фото NASA

В 1993 и 1994 годах NASA провело три успешных эксперимента, добавив тросовые системы к верхней ступени ракеты-носителя Delta-II. Трос начинал разматываться после отделения основной полезной нагрузки, когда ступень становилась бесполезным мусором. В экспериментах SEDS и SEDS-2 разматывался трос длиной 20 км. Груз выдвигался вниз, поэтому, из-за эффекта гравитационного градиента, связка начинала вращаться, сохраняя вертикальное направление на центр Земли. Из-за вращения скорость груза относительно Земли была меньше, чем скорость ступени, поэтому, когда трос обрезался, груз переходил на траекторию схода с орбиты, а ступень поднималась чуть выше. В первом эксперименте расчет оказался точным, и специально направленный в предполагаемое место падения груза сотрудник смог заснять его сгорание в атмосфере. Во втором эксперименте груз не стали сбрасывать. Он оторвался вместе с куском троса спустя три дня, а оставшийся обрывок вместе со ступенью летали еще несколько месяцев. И, наконец, в третьем эксперименте PMG, при помощи сравнительно короткого пятисотметрового троса, была успешно проверена возможность как извлекать электричество из магнитосферы, тормозясь, так и разгоняться, подавая энергию в трос.

В 1996 году технический демонстратор TiPS развернул трос длиной 4 км, на котором два спутника летали вокруг Земли целых десять лет, в пять раз превзойдя расчеты. Эта миссия показала, что быстрый обрыв SEDS-2 был, скорее всего, случайностью, и на тросе можно летать долго. Но последующему эксперименту ATEx не повезло — из-за неожиданного поведения троса при размотке он был аварийно сброшен после всего лишь 18 метров.

Эксперимент Европейского агентства YES в 1997 году даже не приступил к разматыванию троса из-за того, что был выведен на неподходящую орбиту. Зато десять лет спустя YES2 стал очень интересным экспериментом, закончившимся успехом, пусть и по косвенным данным.

Спутник на веревочке или космические тросовые системы - 11
Размотка троса YES2 в представлении художника

На российский научный аппарат «Фотон-М3» была установлена небольшая капсула «Фотино» с теплозащитой.

Спутник на веревочке или космические тросовые системы - 12
Слева — команда разработчиков, справа — размещение капсулы на «Фотоне-М3»

Трос должен был разматываться в два этапа — 3400 метров и 31,7 километров. После полной размотки троса он был бы обрезан, и «Фотино» отправился бы на посадку в определенный район Казахстана. Однако после эксперимента спускаемый аппарат найти не удалось. Данные с лебедки были повреждены из-за неверной работы оборудования, но, когда их расшифровали, удалось установить, что трос все-таки был размотан на полную длину и сброшен в нужный момент времени. «Фотино» не нашли на орбите, а «Фотон-М3» получил ожидаемое ускорение, и его орбита немного поднялась. Значит, «Фотино» успешно сошел с орбиты по правильной траектории. Что с ним стало дальше — неизвестно. Он мог сгореть в атмосфере (капсула тоже была экспериментальной) или утонуть в Аральском море (траектория проходила недалеко). Но, несмотря на потерю спускаемого аппарата, эксперимент прошел успешно, а рекорд длины троса не побит до сих пор.

Спутник на веревочке или космические тросовые системы - 13
Траектория «Фотино» на тросе по расшифрованным данным. Справа гора Эверест для масштаба. Фото ЕКА

Анимация миссии. Реальная траектория на рисунке выше совпала с ожидаемой.

Кубсаты не отстают

Спутник на веревочке или космические тросовые системы - 14
Эксперимент MAST в представлении художника

Небольшие и сравнительно дешевые кубсаты стали привлекательными носителями для тросовых экспериментов, но миссии пока что заканчиваются авариями. В очень интересном эксперименте MAST должны были использоваться три наноспутника — два расходились на расстояние 1 км на тросе, а третий должен был бы по нему ездить. К сожалению, после выведения на орбиту удалось установить связь только с третьим спутником, и, несмотря на программное обеспечение, которое должно было развернуть трос даже при отсутствии связи, он был выпущен только на один метр вместо километра. Японский эксперимент STARS в 2009 году тоже не смог выпустить трос из-за отказа механизма блокировки. В последующем эксперименте STARS-II не удалось получить подтверждение выпуска троса. С одной стороны, связка из двух кубсатов сошла с орбиты быстрее, чем другие кубсаты, выведенные той же ракетой. С другой стороны, телескопическая фотография с Земли показывала их одним объектом, а не двумя. И, наконец, у эстонского наноспутника ESTCube-1 в 2013 просто не получилось размотать трос.

Российские планы, отмененные и нет

Спутник на веревочке или космические тросовые системы - 15
Иллюстрации к российским проектам, фото РКК «Энергия»

Во второй половине 90-х годов в РКК «Энергия» разрабатывались проекты тросовых систем с использованием орбитальных станций — «Трос-1», «Трос-1А». В первом эксперименте хотели связать тросом длиной 20 км станцию «Мир» и корабль «Прогресс». Спустя некоторое время, трос бы обрезали, «Прогресс» перешел бы на более низкую орбиту, а «Мир» — на более высокую. В эксперименте «Трос-1А» длину троса хотели увеличить до 50 км, в этом случае «Прогресс» сошел бы с орбиты, а «Мир» поднялся бы на 10 км и сэкономил 400 кг топлива на поддержание орбиты. Кроме этого совместно с Европейским космическим агентством разрабатывался проект «Tpoc-Rapunzel». Ни один из этих проектов не был реализован. Однако идею тросов в космосе не выбросили совсем. Оказывается, в планах российского сегмента МКС числится эксперимент «Трос-МГТУ» с развертыванием троса длиной 5 км с «Прогресса». Эксперимент был включен в план в 2009 году и планировался в 2016. К сожалению, после 2014 года новостей по нему нет, но и информации об его отмене мне тоже найти не удалось.

Очень прикладной волчок

Простые конструкции с небольшими грузами и очень короткими тросами широко применяются в космонавтике для замедления или остановки вращения. Дело в том, что стабилизация вращением — это очень простой и часто используемый способ поддержания нужного положения в пространстве. Но для работы инструментов типа фотоаппарата вращение лучше остановить или, как минимум, замедлить. Для этого используется закон сохранения момента импульса — если с вращающегося спутника или ракеты начать разматывать в стороны тросики с грузом, то его вращение замедлится.

Наземный эксперимент.

На геофизической ракете (с 1:26).

Пройти по ниточке

В целом, использование тросов в космонавтике может быть полезным. Эксперименты показали, что с их помощью можно изучать магнитосферу Земли, строить ориентацию по гравитационному градиенту, сводить с орбиты космический мусор, вырабатывать электроэнергию или, наоборот, разгоняться, чтобы поддерживать или повышать орбиту. В то же время, пока что приоритет тросовых систем достаточно низкий, эти задачи решаются другими, привычными путями. Маргинальность технологии, как это случилось, например, с дирижаблями или автожирами, привлекает разнообразных фриков, которые думают, что нашли в тросовых системах светлое будущее космонавтики и создают нереалистичные прожекты вроде системы Земля — Луна с базой на Луне и тросовыми пращами на орбитах обоих небесных тел. Требуемые инвестиции в подобные проекты на порядки превышают то, что человечество готово потратить на космос, поэтому в ближайшие десятилетия их воплощения ждать не стоит. А вот экспериментальные тросовые системы точно будут запускаться и дальше, и, возможно, кроме систем остановки вращения появятся и небольшие прикладные системы со сравнительно простой механикой и не очень длинными тросами.

Автор: lozga

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля