Спутник на веревочке или космические тросовые системы

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.

«Джемини 11», соединенный тросом с мишенью «Аджена», фото NASA.

Как на HTV-KITE трос в трюме отрубили

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?

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.

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»

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.

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»

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

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 ^[1], 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.

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

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.

Размотка троса YES2 в представлении художника

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

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.

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

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

Иллюстрации к российским проектам, фото РКК «Энергия»

Во второй половине 90-х годов в РКК «Энергия» разрабатывались проекты ^[2] 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 ^[3] «Трос-МГТУ» с развертыванием троса длиной 5 км с «Прогресса». Эксперимент был включен в план ^[4] 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 ^[5]