Реферат: Тросовые системы в космосе

НВК №166 с лицеем “ВЕРТИКАЛЬ”

РЕФЕРАТ

на тему

 

ТРОСОВЫЕ СИСТЕМЫ В КОСМОСЕ
Выполнил 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.  Сложные тросовые системы могут иметь многокосмических объектов, соединенных тросами в форме замкну­тых колец, древовидныхобразований, объемных многогранников. Косми­ческие тросовые системы — новые,нетрадиционные структуры, создаваемые человеком в космосе, — позволяютвыполнять за­дачи, которые невозмож­но, нецелесообразно или неэкономично решатьс 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 излучательном режимах.

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 коли­чествои длину тросов, количество и массу объе­ктов, их взаимное поло­жение иориентацию. «Электромагнитные» сис­темы снабжены электро­проводнымиизолирован­ными тросами с плазмен­ными контакторами на концах и активно взаимо­действуютс магнитным полем и ионосферой 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 аппаратах в составе та­ких систем можнопроводить различные экспери­менты и технические опе­рации (медико-биологи­ческие  исследования, производство веществ и материалов, выращива­ние растений) вспецифи­ческих условиях микро­гравитации (от тысячных до десятых долей g) и от­сутствия   собственной внешней атмосферы вок­руг аппаратов.Используя архитектурный принцип построения тросовых сис­тем, в космосе можно бу­детсоздавать сложные сооружения больших размеров, например, косми­ческиеэлектростанции, 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 бортового генератора, можноподдерживать или медленно повышать вы­соту орбиты тросовой си­стемы без затраттопли­ва. Используя некоторые электродинамические эффекты, возможно с ми­нимальнымипотерями пе­редавать электроэнергию по длинному тросу между разнесеннымикосмиче­скими аппаратами. Трос в качестве передающей антенны позволяет осуще­ствлятьэффективное из­лучение радиоволн низ­кочастотных диапазонов — этот принципнайдет 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 основы концеп­циитросовых систем как одного из перспективных направлений  развития космическойтехники.

Впервые такие систе­мы и способы их примене­ния вкосмосе были опи­саны в 1895 г. К.Э. Циол­ковским в «Грезах о Зем­ле инебе». Для создания искусственной тяжести К.Э. Циолковский пред­ложилиспользовать 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. Цандервыдвинул проект «косми­ческого лифта» с 60 000-км тросом, протя­нутымс поверхности Лу­ны к Земле. Под действи­ем гравитационных и цен­тробежных силтакой трос будет постоянно натянут, и по нему, как по канатной дороге, можнотранспортировать грузы.

В 20-30-е гг. идеи К.Э. Циолковского нашли от­ражение в проектах вра­щающейсятросовой кос­мической станции Ю.В. Кондратюка и в фанта­стических романах А.Беляева «Звезда КЭЦ» и «Прыжок в ничто». Идеи Ф.А. Цандерао космиче­ском лифте были разви­ты в 60-70-е гг. в рабо­тах Ю.Н. Арцутанова,предложившего проект троса, протянутого с поверхности Земли на геостационарнуюорбиту 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 стросовой системой. Раз­работанный проект «Союз-ИТ» предусматривалсоздание искусственной тяжести на космическом корабле «Союз»,соединённом  километровым стальным тросом с пос­ледней ступеньюракеты-носителя, путем приведе­ния этой связки во враще­ние. Но после кончиныС.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 вобласти кос­мических тросовых сис­тем. Для дальнейшего развития этих работ име­лисьвсе предпосылки и условия. Однако в пос­ледующие годы из-за от­сутствиязаинтересован­ности руководства в про­должении этих разрабо­ток инициатива былапе­рехвачена специалиста­ми США.

ЗАРУБЕЖНЫЕ ИДЕИ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Начало работ в облас­ти тросовых систем за ру­бежомсвязано с именем итальянского ученого Дж. Коломбо, разработавше­го в 60-70-хгг. (совместно с работавшим в США итальянским специали­стом М. Гросси) многочис­ленныепроекты их прак­тического применения в космосе и активно высту­павшего заразвитие та­кого направления. В част­ности, ими выдвинуты идеи электромагнитнойтросовой 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 изподразделений NASA И. Беки, организо­вавшего в 1983 г. первуюрабочую встречу специа­листов по этой проблеме. После этого состоялисьмеждународные конференции по проблемам кос­мических тросовых сис­тем,проходившие в 1986 г. в Арлингтоне (США), в 1987 г. в Венеции, в 1989 г. вСан-Франциско и в 1995 г. в Вашингтоне. На послед­ней конференции высту­пилиспециалисты 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 сракетной ступенью «Аджена». В первом   эксперименте связкакосмических объе­ктов вращалась вокруг общего центра масс, а во втором — вустойчивом вертикальном положе­нии.

В рамках американо-японской программы в 1980-85 гг. были осущест­вленычетыре запуска на высоту 328 км зондирую­щих ракет. В ходе полета полезный грузудалялся на   электропроводном тросе на 400 м (серия экс­периментов «CHARGE»). В первых двух эксперимен­тах тросы удалось выпус­титьтолько 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” былпроведен в 1992 г. Пред­полагалось отвести от ко­рабля «Атлантис»италь­янский привязной спут­ник на электропроводном тросе длиной 20 км и вы­полнитьэлектродинами­ческие и радиофизиче­ские исследования. При­вязной спутникразраба­тывала итальянская фир­ма   «Aeritalia»   (Alenia Spazio), а привязную сис­тему — американская фирма «Martin Marietta». Вследствие зажима троса в лебедке его удалосьвыпустить всего на 265 м, после чего трос был втя­нут обратно.

В феврале 1996 г. в хо­де полета корабля «Спейс Шаттл» сделанапопытка повторить такой эксперимент (TSS-R). Теперь трос раз­моталипочти на всю дли­ну, однако он неожиданно оборвался («пережегся»)из-за короткого замыка­ния, вероятная причина -механическое поврежде­ниеизоляции. Из-за ава­рии     дорогостоящий итальянский спутник вме­сте с тросомушел на дру­гую орбиту и был потерян. Тем не менее, в экспери­ментах серии “TSS” была проведена часть заплани­рованныхэлектродина­мических исследований, в частности, в экспери­менте TSS-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 — раз­вертывание тросовой сис­темы в вертикальное по­ложение. В1993 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 1995гг. В мае 1996 г. состоялся запуск двух американских аппаратов морской разведкис тро­сом длиной 4 км (экспери­мент «TIPS»). Программойдлительного полета предполагается исследо­вать стойкость троса к воздействиюметеорных 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 атмо­сферным зондом, опуска­емым вниз скорабля «Спейс Шаттл» на 100-км тросе, был отменен. А другиеэксперименты 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 крупными учеными, как В.В. Белецкий, В, А.Сарычев, Е.М. Левин (ныне ра­ботающие за рубежом).Исследования механикитросовых систем давно ведутся в Московском государственном авиацион­но-технологическомуни­верситете (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.

 В последние годы в НПО машиностроения со­вместнос 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» итросовой систе­мы для обслуживания ор­битальной станции на ба­зе спутника«Прогноз». Институтом космических исследований РАН предложен проекттросовой системы в форме тетра­эдра для исследования электрических и магнит­ныхполей в околоземном пространстве. В Москов­ском техническом уни­верситете связии 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» на спутнике«Фотон». В ЦНИИМаш  по гранту NASAразработан проект двойной электродинами­ческой тросовой системы ТЭДОС накорабле «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. в сотрудничестве сне­мецкой фирмой«Kayser Threde» был созданпро­ект совместного экспери­мента «Tpoc-Rapunzel», затемпо заказу 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 многофункцио­нальным использованием технологийтросовых 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 безрасходногоорбитального ма­невра. В программе «Трос-1» предполагалось создать наорбите тросовую систему, состоящую из станции «Мир» и корабля«Прогресс-М», соединённых 20-км тросом из синтетического волокна. Втечение недели система совершит орбитальный по­лет, после чего будет осу­ществленоее разделение. При этом корабль перейдет на более низкую орбиту, а станцияувеличит высоту орбиты (такой маневр сэко­номит около 150 кг топли­ва).

Эксперимент 'Трос-1 А" по своему замыслу анало­гичен Трос-1 " иотличается от него увеличением длины троса до 50 км. Примене­ние троса такойдлины поз­волит без затрат топлива осуществить спуск грузово­го корабля сорбиты и его затопление в заданном районе Тихого океана. При этом орбитальнаястанция повысит высоту орбиты почти на 10 км, а экономия топлива составит до400 кг.

В следующем экспери­менте «Вулкан» предпола­гается развернутьна орби­те модельный аналог элек­тродинамической тросовой системы: из грузовогоко­рабля будет выдвигаться 100-м штанга с приборным контейнером на конце.Размещенная на корабле и в контейнере электронная аппаратура с плазменнымиконтакторами 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, атакже управления ориентацией на орбите.

Заключительный экспе­римент «Трос-2» задуман как комплексвсесторонних исследований механики, электродинамики и радио­физики орбитальнойтросо­вой системы, состоящей из орбитальной станции и гру­зового корабля,соединен­ных 20-км кабелем, по ко­торому движется лифтовая тележка. Размещеннаяна станции, корабле и тележ­ке аппаратура позволит осуществить опытную экс­плуатациюсистемы в раз­личных режимах и провес­ти уточненные исследова­ния еединамических и электромагнитных свойств. Орбитальный полет тросо­вой системыпродлится 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-1А» то это позво­лит приступить к созданию и последующей эксплуата­ции наорбитальной стан­ции транспортной тросовой системы многократного ис­пользованиядля спуска с орбиты возвращаемых кап­сул, отработавших кораб­лей и модулей,ферм и па­нелей. Эта же система при­менима и для периодиче­ского подъема высотыор­биты станции без затрат топлива. По предваритель­ным проработкам, основойсистемы станет включае­мый в состав станции спе­циальный модуль. В его со­ставвойдет лебедка для развертывания 60-км тро­са, механизм выдвижения и втягивания100-м фермы и устройство захвата и сбро­са грузов.

После выполнения экс­периментов «Вулкан» и «Трос-2»предполагается начать разработку штатно эксплуатируемой на стан­ции тросовойсистемы. На конце длинного кабеля прикрепят солнечную или ядернуюэнергоустановку. Вырабатываемую электро­энергию от установки пред­полагаетсяпередавать по кабелю на станцию и ис­пользовать для энерго­обеспечения ееслужебных систем и других размещен­ных на борту приборов. Кроме того, при двига­тельномрежиме работы системы электрический ток в кабеле, взаимодей­ствуя с магнитнымполем Земли, позволит электро­динамически поддержи­вать или медленно повы­шатьвысоту орбиты станции. Работа в генератор­ном режиме за счет час­тичногоснижения орбиты системы даст возмож­ность получать на стан­ция за короткое времяэлектроэнергию большой мощности.

В будущем как в экспе­риментах, так и при эксплу­атации штатных системможно будет проводить различные научные иссле­дования с использованиемвозможностей, создаваемых развернутыми тросо­выми системами. Большой интереспредставляет изучение проблемы самочув­ствия и работоспособности экипажаорбитальной стан­ции, а также поведения жи­вотных, роста растений, свойствтвердых тел и жид­костей в условиях микро­гравитации. Другой важный аспект — процесс естест­венного удаления собственной внешней атмосфе­ры станции приразверты­вании тросовой системы. Это позволит получить осо­бо чистый вакуум длявы­полнения некоторых иссле­дований в области косми­ческой технологии. В поле­тетросовых систем можно измерять геофизические поля при помощи разнесен­ныхдатчиков, 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 орби­тальнаястанция нового по­коления. Согласно предва­рительным проработкам, такая станциядолжна представлять собой сложную тросовую сис­тему, состоящую из двухмногоблочных станций, соединенных нескольки­ми тросами, лифта (дви­жущегося потросам 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 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 из приращениягравитационных сил, что составляет в сумме ^g=(3*DR/R)g, где DR — вертикальное смещениеотносительно 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: изба­витьсяот плавающих предметов, облегчить обращение с водой и т.д. Условиямикрогравитации благоприятны для перекачки жидкостей на орбите (например,топлива) из одного резервуара в другой. В условиях невесомости дозаправкатопливом на орбите является сложной технологи­ческой проблемой, так как по мереопорожнения резервуара общая масса жидкости под действием поверхностногонатяжения разбивается на мно­жество капель, собрать которые не так-то просто. Вусловиях микрогра­витации жидкость будет перетекать из одного резервуара в другойпо прос­тому закону сообщающихся сосудов, который в равной степени справед­ливкак для полной тяжести g, так и длямикротяжести g. Представим, что в вертикальной конфигурации одиниз отсеков является резервуаром с топливом. Пристыковавшись к этому отсе­ку,межорбитальный буксир или орбитальный самолет сможет дозаправиться простейшимспособом, открыв вентиль и использовав перетекание топлива из сосуда с большимуровнем в сосуд с меньшим уровнем. Минимальная длина троса, котораяобеспечивает уровень микрогравитации, достаточный для преодоленияповерхностного натяжения, составляет для разных видов топлива от 30м до 1,2 км. Трос может быть достаточно тонким: сечение менее 1 мм^2, погонная масса ~ 1кг/км. Разне­сение отсека с топливом и жилого отсека станции на разные концытроса повышает также безопасность и работоспособность станции в аварийныхситуациях.

За пределы станции может быть вынесен не толькорезервуар с топли­вом. Вынос узла для пристыковки орбитального самолета позво­ляетсущественно уменьшить толчок, который испытывает станция, и дос­тигнутьзаметной экономии топлива .

Схема гравитационно стабилизированной связкинаходит и другие применения. В рассмотрен проект интерферометра, состоящего издвух приемных антенн, соединенных тросом длиной 5 км и расположенных вдольгеоцентрического радиуса-вектора. Большая база орбиталь­ного интерферометра и,следовательно, его большая разрешающая спо­собность позволяют проводить тонкиерадиоисследования Солнца и планет, в частности на тех длинах волн, которые непропускает земная ионосфера.

Существует проектпассивного спутника-радиоотражателя на геоста­ционарной орбите, которыйпредставляет собой цепочку большого числа металлических шариков, соединенныхстерженьками с шарнирами и рас­положенных радиально, и может быть элементомразветвленной сис­темы радиосвязи. На низших формах колебаний такая цепочкашариков ведет себя, как гибкая нить.

Трос, расположенный вдоль местной вертикали, может служить основ­нымнесущим элементом для различных вариантов солнечных космическихэлекстростанций. Конструкция такой электростанции состоит из большого числаколлекторов 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 спомощью СВЧ-антенны, располо­женной на конце троса, обращенном на Землю.Движение всей системы про­исходит в режиме гравитационной 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 между тросом и одним изустройств контакта с плазмой поместить электрическую нагрузку, то на ней будетпроизводиться полезная работа. Сила, действующая на трос со стороны магнитногополя, в этом случае будет тормозить движение стан­ции. Попредварительным оценкам, коэффициент полез­ного действия такогоэлектрогенератора очень высок- около 90%. За счет большой скорости движениятроса э.д.с. индукции будет составлять на вы­соте 400 км около 2000 В/км. Придлине троса 10—20 км разность потен­циалов между его концами составит 2—4 кВ,сила гока будет измеряться амперами, мощность генератора может достигнутьнескольких десятков киловатт. Уменьшение высоты орбиты в процессе генерацииэлектроэнер­гии может компенсироваться тягой реактивных двигателей, что даетвысо­коэффективный способ 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 солнечнымибатареями, нужно будет использо­вать для работы троса как двигателя с цельювосполнения энергии орбиталь­ного движения. Возможность запасения энергии в видеэнергии орбиталь­ного движения и высвобождения ее с малыми потерями с помощьютросо­вого мотор-генератора представляется очень заманчивой. Если на станциидля тех или иных целей необходима кратковременная генерация пиковойэлектрической мощности, тогда в течение многих витков трос работает какдвигатель и станция набирает высоту, затем в нужный момент трос переключаетсяна 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 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 дает уникальную возможность экспери­ментальногоизучения входа в атмосферу перспективных моделей косми­ческих аппаратов.Поэтому эту систему называют также «высотной аэро­динамическойтрубой».

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 движется не в плоскости орбиты, а с боковымсмещением, меняющимся в резонан­се с орбитальным движением. Эта операцияобразно сравнивается с хож­дением под парусом, только парус оказываетсяотнесенным от корабля на 100 км!

Интересный способ маневрирования на орбитевозникает при периоди­ческом изменении длины троса в резонансе с орбитальнымдвижением. Это приводит к вековой эволюции (правда, очень медленной) орбитыцентра масс связки. Если учитывать сплюснутость Земли, то аналогичный эффектнаблюдается и при изменении длины троса на удвоенной орбиталь­ной частоте.

«Космический эскалатор». Он сос­тоит из нескольких ступеней — радиальных связок. Запускаемый навысо­кую орбиту спутник подлетает к нижнему концу каждой связки и по тро­суперетягивается на ее верхний конец, затем перелетает к следующей связке и такимобразом может быть доставлен, например, на геостационарную ор­биту. Постепенноеснижение орбит связок, образующих ступени косми­ческого эскалатора, можеткомпенсироваться путем использования тросов как электромагнитных двигателей, атакже частично за счет встречного по­тока полезных грузов, возвращаемых свысоких орбит на Землю. По имею­щимся оценкам, космический эскалатор позволяетдобиться заметной эко­номии топлива.

Более реальным, чем земной, представляется лунный«космический лифт». В своем движении вокруг Земли Луна остаётся всевремя повернутой к Земле одной и той же стороной. Это обстоятельство позво­ляетприкрепить, например, к обратной стороне Луны космическую стан­цию на тросе,вытянутом вдоль линии Земля — Луна. Эта систе­ма, по существу, представляетсобой вариант радиальной связки. Её необычность состоит в том, что одним изтел, соединённых тросом, является естественное небесное тело. В отличие от зем­ногокосмического лифта трос для лунного лифта, изготовленный из современных высокопрочныхматериалов, может иметь весьма скромные характеристики (средняя погонная масса~1 кг/км, сечение ~1 мм^2). Привязной спутник Луны может быть использован нетолько для обмена грузами с поверхностью Луны. Факт удержания космическойстанции за обратной стороной Луны вблизи коллинеарной точки либрации L2 систе­мы Земля — Луна имеет и самостоятельноезначение. Как известно, дви­жение свободного космического аппарата вблизи точки L2 неустойчиво. Вопросам активной стабилизациидвижения космического аппарата в окре­стности точки L2 посвящено большое количество работ. В то жевремя спутник, привязанный тросом, в окрестности точки L2 не требует никакого управления: его стабилизация имеет пассивный ха­рактер.

Подъем грузов с поверхности Луны можетосуществляться не только с помощью стационарно закрепленной тросовой системы.Подъём грузов с помощью вращающейся связки двух спутников. Вращательное иорбитальное движения связки подобраны так, чтобы в пе­риселении один изспутников подходил к поверхности Луны с нулевой относительной скоростью изахватывал груз. В апоселении груз отцепля­ется и выводится на окололуннуюорбиту. Трос в этой связке должен иметь длину несколько сотен километров.

Высказана оригинальная идея использованияестественных спут­ников Марса — Фобоса и Деймоса — в качестве основы для«космического эскалатора». Для этого с Фобоса и Деймоса в направлениик Марсу и от Марса выпускаются тросы длиной несколько тысяч километров. Такаявозможность, как и в случае Луны, обусловлена неизменной ориентацией этихспутников в орбитальных осях, а также слабостью их собственного гравитационногополя. Спутник, поднимающий грузы с поверхности Марса,сначала прибы­вает на нижний конец тросовой системы Фобоса, затем передвигаетсявдоль троса на ее верхний конец и перелетает на нижний конец тросовой системыДеймоса. С ее верхнего конца спутник выходит уже на траекторию межпла­нетногоперелета. Система тросов из кевлара погонной массой ~20 кг/км и общеймассой ~300 т дает экономию 10 т топлива на каждом запуске 20 т полезнойнагрузки. Конечно, «марсианский эскалатор» —дело завтрашнего дня.Однако уже сегодня марсианская автоматическая стан­ция может быть оснащеназондом, выпускаемым на тросе на удаление 50 км от основного спутника дляизмерения градиентов параметров плаз­мы и магнитного поля. С той же целью с посадочного аппарата на Фобосе можно развернуть гирляндудатчиков, соединенных последовательно тросами суммарной длиной 50-60 км примассе не более 1 кг.

Сцепление космического аппарата тросом с малыми телами Солнечной системыавторы предлагают использовать для изменения траектории при близком прилете.Собственное гравитационное поле небольшого асте­роида недостаточно длясовершения гравитационного маневра, но если «загарпунить» астероид спролетающего космического аппарата, то сила натяжения троса с успехом заменитсилу притяжения. После совершения маневра трос отцепляется и остается «напамять» астероиду.

Как уже отмечалось, современные материалы непозволяют сделать земной космический лифт с приемлемыми характеристиками.Однако можно сделать его «половину», т.е. протянуть трос отгеостационарной орбиты не до самой поверхности Земли, а лишь на половину этогорасстоя­ния. Речь идет о геосинхронной радиальной связке, в которой верхнийспутник находится несколько выше геоста­ционарной орбиты, а нижний спутникнаходится посредине между геоста­ционарной орбитой и Землей. Соединительныйтрос из высокопрочных материалов может иметь в этом случае приемлемую погоннуюмассу ~1 кг/км (сечение ~1 мм^2). Привлекательной в этом проекте являетсявозможность иметь геостационарный спутник на высоте, вдвое меньшей высотыгеостационарной орбиты.

Для индустриализации космоса могут потребоватьсябольшие произ­водственные комплексы. На рис. Такой комплекс в виде кольца избольшого числа производственных, исследовательских и жилых модулей, соединенныхпоследовательно тросами. Такое соединение позволяет расположить модули наблизком расстоянии друг от друга, что невозможно в свободном полете из-занеизбежного рассогласовагия скоростей и относительного дрейфа соседних модулей,приводящего к их столкновению. В устойчивом кольце связанных тро­сами спутниковтакой дрейф не происходит.

Имеются и менее грандиозные проекты локальных«созвездий» спут­ников и космических платформ, стабилизируемых ввертикальном направлении гравитационным градиентом, а в горизонтальном направле­нии- вращением или разностью аэродинамических сил.

Этот список можно еще продолжить. Тем более, что обсуждение каж­дого варианта применения тросовых систем в космосерождает новые варианты: заряд «тросовых» идей еще далеко не исчерпан.Конечно, не все они равнозначны по предоставляемым выгодам, затратам и срокамна реализацию. Так, перспектива применения тросовых систем представляется болееотдаленной, чем применение систем с электромагнитным взаимодействием троса илисистемы с атмо­сферным зондом. Тем не менее исследование динамики этих системнаряду с системами ближайшей перспективы ни в коей мере не являетсяпреждевременным. Более того, оно необходимо для глубокого и всестороннего пониманияреальных возможностей использования тро­сов в космосе и создания более полногодинамического Портрета этого нового класса космических систем.

Применение тросовых систем в аэростатах с выноснымбаллонетом

/>

 Аэростат с выносным баллонетом

/>

Рассмотренные вышеспособы и устройства регулирования высоты аэростатов и дирижаблей требуют длясвоей практиче­ской реализации значительных затрат энергии из бортовых ис­точников,если только это не простейшая операция: сброс балласта для подъема либовыпускание газа для спуска. Много­кратные операции «спуск — подъем» легчепроводить на боль­ших дирижаблях с достаточно мощной бортовой энергетикой, чемна автоматических аэростатах малой грузоподъемности. Это приводит к необходимымпоискам других, менее энергоем­ких способов регулирования высоты. В то же времяпроблема энергоисточников с высокими удельными показателями остает­сясамостоятельной задачей.

Рассмотрим способ регулирования высоты аэростатапри помощи выносно­го баллонета. Физической основой су­ществования такогоспособа является наличие градиента плотности газа в ат­мосфере любой планеты.Сущность спо­соба легко понять из схем, представлен­ных на рисисунках.

В гондоле аэростата-носителя с объ­емом оболочки  v0 размещается лебёдка, набарабан которой намотан трос дли­ной Lтр. На конце тросаприкреплена другая гондола с оболочкой V1.Обозна­чимвес аэростата-носителяGo, вес вынос­ного малого аэростата(выносного балло­нета) g1. В первый момент вся система на­ходится нанекоторой равновесной сред­ней высоте Нср. или высоте исходного дрейфа (рис.).Затем оболочку V1 начинаем опускать на тросе, что не­трудно выполнить, поскольку подъем­наясила F1 в этот момент меньше веса G1 выносной  конструкции с баллонетом.

На некоторой высоте Н срабатывает система заполненияобъема баллонета подъемным газом, появляется подъемная сила f1. По мере спуска плотностьатмосферы увеличивается, следовательно, возрастает подъемная сила F1,компенсирующая часть веса, и аэростат-носитель поднимается вверх. Регулиро­ваниевысотой выносного баллонета позволяет регулировать высоту основногоаэростата-носителя, брать пробы газа аппа­ратурой, установленной в гондолебаллонета, а перегревшуюся гондолу с научной аппаратурой периодически подниматьдля охлаждения в верхние, более холодные слон атмосферы. Представляет интересисследовать возможность оригинального решения проблемы энергоснабженияаппаратуры аэростата-носителя за счет аккумулирования тепла при опускании вы­носногобаллонета в горячие слои атмосферы, отдачи тепла и его преобразования втепловой машине в верхних слоях ат­мосферы. Однако все это требует определениявесовых соот­ношений элементов данной системы.

При расчете наиболее простым является случай,когда объем выносного баллонета постоянный, т. е. V

 = const. Однако ре­ализацияэтого варианта выполнения баллонета весьма затруд­нительна. Поэтому рассмотримслучай, когда постоянной яв­ляется масса газа в объеме выносного баллонета, т.е. Т1= const.

Будем считать, что вес гондолы и конструкции основного аэростата Go, объем Vо = const обеспечивает подъемнуюсилу I Fcp, которая удерживает всю систему в начальныймомент на уровне исходного дрейфа Нср. Объем троса не сказывается на величинесилы Fcp. В качестве подъемного газа в обеих оболочкахиспользуется водород. При принятых обозначениях и заполненном (выполненном)баллонете на высоте Hср уравне­ние равновесия сил, действующих насистему в проекции на вертикальную связь, запишем в виде

G1+G0=Fcp+F1(H),          (IV. 12)

где Fcp = [pa (Н) — рв]ср Vog (Н) — архимедова сила на уровне исходного дрейфа; F1(Н) = [рa (Н) — рв]1V1 g (Н) — архимедовa сила выполненного баллонета; ра(Н)=р (Н)/RаT (Н), рв=p(H)/RвТ(H)—плотность газасоответственно атмосферы и водорода в баллонете.

  В случае, когда в выносном баллонете постоянной является массаподъемного газа, при анализе изменения подъемной силы следует учитывать, что вовремя спуска в нижние слои выносной баллонет силами внешнего давления будетизменять свой объем. Обозначим объем заполненного баллонета на высоте, где егоподъемная сила равна общему весу конструкции G1,через V1.Этот объем должен быть минимальным, поскольку при подъеме вверх расширение газане должно привести к разрыву оболочки баллонета. Следовательно, на некоторойнаименьшей высоте Н объем баллонета равен V1. Газ внутри негоимеет одинаковые с внешней средой температуру и давление, т. е. находится с нейв термодинамическом равновесии. Исходя из этих предпосылок рассчитаем параметрыбаллонета. Подъемная сила баллонета

               F1=V1[pa(H)-pв]g(H).          (IV.13)

   Вес всей выносной конструкции слагается извеса научной аппаратуры G2, оболочки баллонетаG3 и подъемного газа G4 т. е.

                       С1=С2+Сз+С4.            (IV. 14)        

                                  

В положении равновесия F1 = G1, или

V1[p1a(H)–p1в]g(H)=(m2 + m3 + m4) g (H).                (IV. 15)

Поскольку V1 = m4/р1в, уравнение (IV. 15) запишем в виде

P1a(H)/p1в-2=m2/m4+m3/m4           (IV 16)

Массанаучной аппаратуры остается неизменной, т. е. m2/m4 = const, поэтому, варьируя отношения p1a(Н)/р1в и m3/m4, можно выбиратьнеобходимые параметры, задавая другие. Однако следует отметить следующееобстоятельство. При подъе­ме вверх выносного баллонета аэростата-носителя,переходя­щего при этой вариации на некоторую высоту Hср,газ в баллонете будет расширяться до объема V2.Чтобы стенки не были напряженными, у баллонета должен быть предусмотрен избы­точныйобъем, т. е. V2> V1. При постоянной массе газа m4 его объем при термодинамических параметрах высоты Hср. составит:

V2 =m4/pср. RвTср. Следовательно, увеличение объема определяетсявыражением

Dv=v2-v1=m4Rв      (IV. 17)

Это, в свою очередь, приведет к увеличению весаоболочки на величину DGз. Еслимассовая плотность материала оболочки постоянна и равна рк, то, представляя баллонет в виде круго­вого цилиндра,добавку веса дополнительного объема можно определить как

DGз=pdLdpкg       (1 V. 18)

где L—высота дополнительного цилиндрического объема; d — толщина материала оболочки; d— диаметр цилинд­ра.

Поскольку для кругового цилиндра Dv =pd^2/4L, выражение (IV. 18) можнопреобразовать к виду

DGз=4dpкDvg/d.              (IV. 19)

Таким образом, с учетом увеличения веса оболочкинеобхо­димо в уравнении (IV. 16) массу оболочки записывать как сумму массоболочки для положения равновесия и величины m3=DGз/g. Однако увеличение массы (соответственно веса) обо­лочки приведет кнеобходимости уменьшения величины m2/m4есливысоту нижнего равновесия оставим прежней. В против­ном случае для определенияпараметров баллонета следует использовать методы последовательного приближения.

Т а б л и ц а 5

Показатель Высокомодульные волокна Стальная проволока Капрон Прочность на разрыв, Па (2¸З)*10^9 3*10^9 3,2*10^9 (3,2¸4)*10^9 — удлинение, % 2—4 1—4 1—3 — 8—15 Модуль упруго­сти, Па (I0/15)* 10^10 (11/15)* 10^10 (6/7.5)*10^10 (5/5.5)*10^10 — Плотность, кг/м' 1300—1430 1350 2550 7800 1350 Число двойных изгибов, цикл 3000 — 200—250 20 8000— 12000 Рабочая темпе-ратура, К 523 573 773 773 393

Исходя из необходимости первоочередногоисследования об­лачного покрова планеты, выносной баллонет должен Опус­катьсядо высоты (30¸40)*10^3м. В диапазоне высот (30¸56)-10^3 м ветры имеют различную скорость, перепад температур достигает 130 °С,плотность и вяз­кость среды также изменяются. Все эти факторы приводят к тому,что выносной баллонет становится своеобразным аэроди­намическим тормозом,увеличивающим усилие, действующее на трос. В случае, если на этих высотах будутразвиваться турбулентности и порывы ветра, у системы баллонет — носи­тельпоявится путевая раскачка. Возможны и продольные (по высоте) колебания,увеличивающие нагрузку на тросовую под­веску. Однако, как было показано выше,такие колебания в довольно плотной атмосфере Венеры быстро затухают. Харак­теристикипрочностных свойств тросов из различных материа­лов приведены в табл. 5. Видно,что наибольший интерес представляют высокомодульные волокна, которые по всемпарамет­рам могут обеспечить подвеску баллонета на длине троса примерно 20*10^3 м.

Для определения предельной длины троса в системеноси­тель — баллонет находим максимальное напряжение в сече­нии троса, когдаотсутствуют рывки и подъем груза вверх рав­номерный. Наиболее напряженнымявляется сечение в начале троса. Сила, действующая на трос, слагается из весавыносного баллонета G1, веса сматываемого троса Gтр, подъемной силы баллонета F1,возрастающей при подъеме на величину инер­ционной силы Fин и силы аэродинамическогосопротивле­ния FR.

Таким образом, при спуске действующая на троссила опи­сывается выражением Fтр=G1+Gтр-F1.           (IV.21)

где Gтр = ртрLтрSтр; F1=V1[p1a(H)–p1a]g(H), напряжение в этом случаеcxv^2

s= G1+Gтр-F1/Sтр               (IV.22)

Здесь Sтр- поперечное сечение троса; ртр —плотностьмате­риала троса.

При подъеме с ускорением а инерционнаясила Fин=а(m1+mтр); аэродинамическое  сопротивление  FR=0,5Cxv ^2pa(H)S, где S — поверхность выносного баллонета; v — скорость подъема.

Следовательно, в момент ускоренного подъеманапряжение в наиболее опасном сечении троса

s= G1+Gтр-F1+Fин+FR/Sтр                (IV.23)

Предельную длину троса для квазистатическогосостояния подвески можно определить из уравнения (IV.22)

Lтр=1/pтр*(s-G1/Sтр+F1/Sтр).

Для определения возможностей аэростата с выноснымбаллонетом произведём численные оценки параметров системы. Допустим, что вес G1= 1000H. Глубина погружения (нижний уровень) H1=30*10^3 м,уровень дрейфа аэростата-носителя Hср = 50*10^3 м.Определим параметры системы, если оболоч­ка выносного баллонета выполнена изпластика толщиной 40*10:-6 м, плотностью 2*10^3кг/м^3; диаметр оболочки d = 1м.

Параметры атмосферы Венеры: 1) для высоты Hср = 50х10^3 м температура Тcр = 350 К, давление рср=1,275 х10^5 Па, плотность рср а(H)=1,932 кг/м^3, рв=8,844х10^-2 кг/м^3; 2) для высоты H1 = 30*10^3 температура T1=492 К,давление p1 == 9,35*10^5 Па,плотность p1a(Н)=9,95 кг/м^3, р1в == 4,61*10^-1 кг/м^3. Газовая постоянная во­дорода Rв == 4118,8Дж/(кг*К). Ускорение свободного паде­ния g (Н)= 8,87 м/с^2.                                  

Расчет параметров баллонета. Исходя из принятых дан­ных, объем баллонета вравновесии V1 = F1/[p1a(Н)-p1в]g(Н)= 11,9 м^3; масса водорода в баллонете m4=V1p1в = 5,485 кг; дополнительный объем Dv=m4Rв х (Tcp/pcp-T1/p1)=50,1 м^3; общий объем баллонета V2=V1+Dv =62 м^3; масса m3=(pd^2/2+4v1/d)spк=3,9 кг;масса дополнительного объема Dm3=4spкDv/d=16,1 кг. Следователь­но, Dm3+m3=20 кг.

Из уравнения (IV. 16) следует, что безразмернаямасса научной аппаратуры и гондолы не должна превышать вели­чины

m2/m4=p1a(H)/ p1в-2-(m3+Dm3)/m4

Практически во всем диапазоне высот в атмосфере Венеры отношенияплотностей атмосферы и водорода p1a (H)/ p1в =21,5с точностью до десятых. Следовательно, m2/m4=19,5-(Dm3+ m3)/m4 откуда m2/m4=15,9; масса научной аппаратуры m2=15,9 m4=87 кг. Таким образом, общая масса выносного баллонета m1=m2+m3+m4»112,5 кг.

Начальное условие G1 == 1000 Ндает массу m1G1/g (Н)=112,7 кг, расхождение с вычисленной составляет 0,2 кг (1,77Н), или 0,2% заданного значения силы F1.

Расчет параметров аэростата-носителя. Для численных оценок принимаем:начальная масса собственно аэростата-носителя m0=100 кг; общая масса системы m0+m1=212,7кг(или вес системы G0+G1=1887 Н). Следовательно, объем оболочки на Hср=50-10^3 м составляет: V0=Fср/[pа(Н)-pв]срg(Н)=115,4м^3.

Если объем сферический, то его радиус rs»3м. Массовая плотностьсобственно аэростата-носителя ран=m0/v0=0,866 кг/м^3.