Реферат: Тросовые системы в космосе
НВК №166 с лицеем “ВЕРТИКАЛЬ”
РЕФЕРАТнатему
ТРОСОВЫЕ СИСТЕМЫ В КОСМОСЕВыполнил Денисов ЕгорХарьков 2001ЧТО 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 ДНЕЙРоссийские 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 ЭКСПЕРИМЕНТЫНачало 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 ПРОГРАММЫВ 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