Космические тросы — это длинные кабели, которые могут использоваться для движения, обмена импульсом, стабилизации и управления ориентацией или поддержания относительного положения компонентов большой рассредоточенной системы датчиков спутника/ космического корабля . [1] В зависимости от целей миссии и высоты, теоретически предполагается, что космический полет с использованием этого вида движения космического корабля будет значительно менее затратным, чем космический полет с использованием ракетных двигателей .
Спутники Tether могут использоваться для различных целей, включая исследования в области движения троса , приливной стабилизации и динамики орбитальной плазмы. Пять основных методов использования космических тросов находятся в разработке: [2] [3]
Электродинамические тросы в основном используются для движения. Это проводящие тросы, которые несут ток, который может генерировать либо тягу , либо сопротивление от планетарного магнитного поля , во многом так же, как это делает электродвигатель .
Это могут быть либо вращающиеся тросы, либо невращающиеся тросы , которые захватывают прибывающий космический корабль, а затем отпускают его позже на другую орбиту с другой скоростью. Тросы обмена импульсом могут использоваться для орбитального маневрирования или как часть космической транспортной системы планетарная-поверхность-орбита/орбита-скорость убегания.
Обычно это непроводящий трос, который точно поддерживает заданное расстояние между несколькими космическими аппаратами, летящими в строю.
Форма паруса солнечного ветра с электрически заряженными тросами , которые будут толкаться импульсом ионов солнечного ветра .
Концепция подвешивания объекта на тросе, вращающегося по орбите в космосе.
Было предложено множество вариантов использования космических тросов, включая их использование в качестве космических лифтов , в качестве «небесных крючков» и для осуществления орбитальных перелетов без использования топлива.
Константин Циолковский (1857–1935) однажды предложил построить башню такой высоты, чтобы она достигала космоса, и удерживалась бы там вращением Земли . Однако в то время не было реалистичного способа ее построить.
В 1960 году другой русский, Юрий Арцутанов , более подробно описал идею растяжимого троса, который можно было бы развернуть с геостационарного спутника вниз к земле и вверх от нее, сохраняя равновесие троса. [4] Это идея космического лифта , типа синхронного троса, который вращался бы вместе с Землей. Однако, учитывая материаловедение того времени, это тоже было непрактично на Земле.
В 1970-х годах Джером Пирсон независимо придумал идею космического лифта, иногда называемого синхронным тросом, [5] и, в частности, проанализировал лунный лифт , который мог бы проходить через точки L1 и L2 , и было обнаружено, что это возможно с использованием существовавших тогда материалов.
В 1977 году Ганс Моравец [6] , а позднее Роберт Л. Форвард исследовали физику несинхронных небесных крючков , также известных как вращающиеся небесные крючки, и провели детальное моделирование конических вращающихся тросов, которые могли бы поднимать объекты и помещать их на Луну , Марс и другие планеты с небольшой потерей или даже с чистым выигрышем энергии. [7] [8]
В 1979 году НАСА рассмотрело осуществимость этой идеи и дало направление на изучение привязанных систем, особенно привязанных спутников. [1] [9]
В 1990 году Игл Сармонт предложил невращающийся орбитальный Skyhook для космической транспортной системы «Земля-орбита/орбита-вторая-вторая» в статье под названием «Орбитальный Skyhook: доступный доступ в космос». [10] [11] [12] В этой концепции суборбитальная ракета-носитель будет лететь к нижнему концу Skyhook, в то время как космический аппарат, направляющийся на более высокую орбиту или возвращающийся с более высокой орбиты, будет использовать верхний конец.
В 2000 году NASA и Boeing рассматривали концепцию HASTOL , в которой вращающийся трос будет доставлять полезные грузы с гиперзвукового самолета (со скоростью, равной половине орбитальной) на орбиту . [13]
Спутник -трос — это спутник, соединенный с другим спутником с помощью космического троса. Было запущено несколько спутников для тестирования технологий троса с разной степенью успеха.
Существует множество различных (и пересекающихся) типов привязей.
Привязи с обменом импульсом являются одним из многих применений космических привязей. Привязи с обменом импульсом бывают двух типов: вращающиеся и невращающиеся. Вращающийся привязь будет создавать контролируемую силу на конечных массах системы из-за центробежного ускорения. Пока система привязи вращается, объекты на обоих концах привязи будут испытывать непрерывное ускорение; величина ускорения зависит от длины привязи и скорости вращения. Обмен импульсом происходит, когда конечное тело освобождается во время вращения. Передача импульса освобожденному объекту приведет к тому, что вращающийся привязь потеряет энергию и, таким образом, скорость и высоту. Однако, используя электродинамическую тягу привязи или ионную тягу, система может затем повторно разогнать себя с небольшими или нулевыми затратами расходуемой реактивной массы.
Skyhook — это теоретический класс орбитальных тросовых движителей, предназначенных для подъема полезных грузов на большие высоты и скорости. [14] [15] [1] [16] [17] Предложения по Skyhook включают конструкции, в которых тросы вращаются с гиперзвуковой скоростью для захвата высокоскоростных полезных грузов или высотных самолетов и вывода их на орбиту. [18]
Электродинамические тросы представляют собой длинные проводящие провода, например, те, которые разворачиваются со спутника-троса, которые могут работать на электромагнитных принципах как генераторы , преобразуя свою кинетическую энергию в электрическую , или как двигатели , преобразуя электрическую энергию в кинетическую. [1] Электрический потенциал генерируется на проводящем тросе при его движении через магнитное поле Земли. Выбор металлического проводника для использования в электродинамическом тросе определяется множеством факторов. Первичные факторы обычно включают высокую электропроводность и низкую плотность . Вторичные факторы, в зависимости от области применения, включают стоимость, прочность и температуру плавления.
Электродинамический трос был представлен в документальном фильме «Сироты Аполлона» как технология, которая должна была использоваться для удержания российской космической станции «Мир» на орбите. [19] [20]
Это использование (обычно) непроводящего троса для соединения нескольких космических аппаратов. Tethered Experiment for Mars inter-Planetary Operations (TEMPO³) — это предложенный в 2011 году [ требуется разъяснение ] эксперимент по изучению этой техники.
Теоретический тип невращающейся привязной спутниковой системы, это концепция обеспечения космической поддержки предметов, подвешенных над астрономическим объектом. [21] Орбитальная система представляет собой связанную систему масс, в которой верхняя поддерживающая масса (A) размещена на орбите вокруг заданного небесного тела таким образом, что она может поддерживать подвешенную массу (B) на определенной высоте над поверхностью небесного тела, но ниже, чем (A).
Вместо того чтобы вращаться конец за концом, тросы можно удерживать в прямом положении за счет небольшой разницы в силе гравитации по их длине.
Невращающаяся тросовая система имеет стабильную ориентацию, которая выровнена вдоль локальной вертикали (земли или другого тела). Это можно понять, рассмотрев рисунок справа, где два космических аппарата на двух разных высотах соединены тросом. Обычно каждый космический аппарат имеет баланс гравитационных (например, F g1 ) и центробежных (например, F c1 ) сил, но когда они связаны тросом, эти значения начинают меняться относительно друг друга. Это явление происходит потому, что без троса более высокая масса будет двигаться медленнее, чем нижняя масса. Система должна двигаться с одной скоростью, поэтому трос должен замедлять нижнюю массу и ускорять верхнюю. Центробежная сила привязанного верхнего тела увеличивается, в то время как центробежная сила тела, находящегося на меньшей высоте, уменьшается. Это приводит к тому, что центробежная сила верхнего тела и гравитационная сила нижнего тела становятся доминирующими. Эта разница в силах естественным образом выравнивает систему вдоль локальной вертикали, как показано на рисунке. [1]
Объекты на низкой околоземной орбите подвергаются заметной эрозии от атомарного кислорода из-за высокой орбитальной скорости , с которой молекулы сталкиваются, а также их высокой реактивности. Это может быстро разрушить трос. [22]
Простые одножильные тросы восприимчивы к микрометеоритам и космическому мусору . С тех пор было предложено и испытано несколько систем для повышения устойчивости к мусору:
Большие куски мусора все равно перережут большинство тросов, включая улучшенные версии, перечисленные здесь, но они в настоящее время отслеживаются на радаре и имеют предсказуемые орбиты. Хотя двигатели могут использоваться для изменения орбиты системы, трос также может временно покачиваться в нужном месте, используя меньше энергии, чтобы уклоняться от известных кусков мусора. [ необходима цитата ]
Радиация, включая ультрафиолетовое излучение, имеет тенденцию разрушать материалы троса и сокращать срок службы. Тросы, которые многократно пересекают пояса Ван Аллена, могут иметь заметно меньший срок службы, чем те, которые остаются на низкой околоземной орбите или находятся за пределами магнитосферы Земли.
Свойства и материалы троса зависят от области применения. Однако есть некоторые общие свойства. Для достижения максимальной производительности и низкой стоимости тросы должны быть изготовлены из материалов с сочетанием высокой прочности или электропроводности и низкой плотности. Все космические тросы восприимчивы к космическому мусору или микрометеоритам. Поэтому проектировщикам систем необходимо решить, нужно ли защитное покрытие, в том числе от УФ-излучения и атомарного кислорода .
Для приложений, которые оказывают высокие растягивающие усилия на трос, материалы должны быть прочными и легкими. Некоторые современные конструкции тросов используют кристаллические пластики, такие как сверхвысокомолекулярный полиэтилен , арамид или углеродное волокно . Возможным будущим материалом будут углеродные нанотрубки , которые имеют расчетную прочность на разрыв от 140 до 177 ГПа (20,3 и 25,7 миллионов фунтов на квадратный дюйм; 1,38 и 1,75 миллиона атм) и доказанную прочность на разрыв в диапазоне 50–60 ГПа (7,3–8,7 миллионов фунтов на квадратный дюйм; 490 000–590 000 атм) для некоторых отдельных нанотрубок. ( Ряд других материалов достигают 10–20 ГПа (1,5–2,9 миллиона фунтов на кв. дюйм; 99 000–197 000 атм) в некоторых образцах в наномасштабе, но перевод таких прочностей в макромасштаб до сих пор был сложной задачей, поскольку по состоянию на 2011 год канаты на основе УНТ были на порядок менее прочными, но все же не прочнее, чем более традиционное углеродное волокно в этом масштабе). [26] [27] [28]
Для некоторых приложений сила натяжения троса прогнозируется менее 65 ньютонов (15 фунтов силы). [29] Выбор материала в этом случае зависит от цели миссии и ограничений конструкции. Электродинамические тросы, такие как тот, что используется на TSS-1R, [ необходимо разъяснение ] могут использовать тонкие медные провода для высокой проводимости (см. EDT ).
Существуют расчетные уравнения для определенных приложений, которые могут использоваться для помощи проектировщикам в определении типичных величин, определяющих выбор материалов.
В уравнениях космического лифта обычно используется «характерная длина» L c , которая также известна как «длина самоподдержки» и представляет собой длину неконусного троса, который он может поддерживать в постоянном гравитационном поле 1 g .
где σ — предел прочности (в единицах давления), а ρ — плотность материала.
Уравнения гиперзвукового небесного крюка используют «удельную скорость» материала, которая равна максимальной тангенциальной скорости, которую вращающийся обруч может достичь, не сломавшись:
Для вращающихся тросов (ротоваторов) используемым значением является «характеристическая скорость» материала, которая представляет собой максимальную скорость конца, которую вращающийся неконусный трос может достичь без разрыва.
Характерная скорость равна удельной скорости, умноженной на квадратный корень из двух.
Эти значения используются в уравнениях, похожих на уравнение ракеты , и аналогичны удельному импульсу или скорости истечения. Чем выше эти значения, тем эффективнее и легче может быть трос по отношению к полезной нагрузке, которую он может нести. Однако в конечном итоге масса системы тяги троса будет ограничена на нижнем конце другими факторами, такими как сохранение импульса.
Предлагаемые материалы включают кевлар , сверхвысокомолекулярный полиэтилен , [ требуется ссылка ] углеродные нанотрубки и волокно M5 . M5 — это синтетическое волокно, которое легче кевлара или Spectra. [30] Согласно Пирсону, Левину, Олдсону и Уайксу в их статье «Лунный космический лифт», лента M5 шириной 30 мм (1,2 дюйма) и толщиной 0,023 мм (0,91 мил) сможет выдержать 2000 кг (4400 фунтов) на поверхности Луны . Она также сможет вместить 100 грузовых автомобилей, каждый массой 580 кг (1280 фунтов), равномерно распределенных по длине лифта. [5] Другие материалы, которые могут быть использованы, — это углеродное волокно T1000G, Spectra 2000 или Zylon. [31]
Для гравитационно-стабилизированных тросов, чтобы превысить длину самоподдержки, материал троса может быть сужен так, чтобы площадь поперечного сечения изменялась в зависимости от общей нагрузки в каждой точке по длине троса. На практике это означает, что центральная структура троса должна быть толще, чем кончики. Правильное сужение гарантирует, что растягивающее напряжение в каждой точке троса будет точно таким же. Для очень требовательных приложений, таких как космический лифт на Земле, сужение может уменьшить чрезмерное соотношение веса троса к весу полезной нагрузки. Вместо сужения может использоваться модульная поэтапная система троса для достижения той же цели. Несколько тросов будут использоваться между ступенями. Количество тросов будет определять прочность любого заданного поперечного сечения. [32]
Для вращающихся тросов, не подверженных значительному влиянию гравитации, толщина также меняется, и можно показать, что площадь A определяется как функция r (расстояние от центра) следующим образом: [33]
где R — радиус троса, v — скорость относительно центра, M — масса наконечника, — плотность материала, а T — расчетная прочность на растяжение.
Интегрируя площадь, получаем объем, умножаем на плотность и делим на массу полезной нагрузки, получаем отношение массы полезной нагрузки к массе троса: [33]
где erf — нормальная функция вероятности ошибки .
Позволять ,
затем: [34]
Это уравнение можно сравнить с уравнением ракеты , которое пропорционально простой экспоненте скорости, а не квадрату скорости. Эта разница фактически ограничивает дельта-v, которую можно получить от одного троса.
Кроме того, форма кабеля должна быть сконструирована так, чтобы выдерживать микрометеориты и космический мусор . Этого можно достичь с помощью резервных кабелей, таких как Hoytether ; резервирование может гарантировать, что очень маловероятно, что несколько резервных кабелей будут повреждены около одной и той же точки на кабеле, и, следовательно, очень большой объем общего ущерба может произойти в различных частях кабеля, прежде чем произойдет отказ.
Бобовые стебли и ротоваторы в настоящее время ограничены прочностью доступных материалов. Хотя сверхпрочные пластиковые волокна ( кевлар и спектры ) позволяют ротоваторам срывать массы с поверхности Луны и Марса, ротоватор из этих материалов не может подняться с поверхности Земли. Теоретически, высоко летящий, сверхзвуковой (или гиперзвуковой ) самолет мог бы доставить полезную нагрузку на ротоватор, который нырнет в верхние слои атмосферы Земли на короткое время в предсказуемых местах по всей тропической (и умеренной) зоне Земли. По состоянию на май 2013 года все механические тросы (орбитальные и лифтовые) приостановлены до тех пор, пока не появятся более прочные материалы. [35]
Захват груза для ротоваторов нетривиален, и неудача в захвате может вызвать проблемы. Было предложено несколько систем, таких как стрельба сетями по грузу, но все они добавляют вес, сложность и еще один режим отказа. Однако была достигнута по крайней мере одна демонстрация лабораторного масштаба работающей системы захвата. [36]
В настоящее время самыми прочными на растяжение материалами являются пластмассы, которым требуется покрытие для защиты от УФ-излучения и (в зависимости от орбиты) эрозии атомарным кислородом. Утилизация отработанного тепла в вакууме затруднена , поэтому перегрев может привести к поломке или повреждению троса.
Электродинамические тросы, развернутые вдоль локальной вертикали («висячие тросы»), могут страдать от динамической нестабильности. Маятниковое движение приводит к нарастанию амплитуды вибрации троса под действием электромагнитного взаимодействия. По мере увеличения времени миссии такое поведение может поставить под угрозу производительность системы. В течение нескольких недель электродинамические тросы на орбите Земли могут накапливать вибрации во многих режимах, поскольку их орбита взаимодействует с неровностями в магнитных и гравитационных полях.
Один из планов по контролю вибраций заключается в активном изменении тока троса для противодействия росту вибраций. Электродинамические тросы можно стабилизировать, уменьшая их ток, когда он будет подпитывать колебания, и увеличивая его, когда он противодействует колебаниям. Моделирование показало, что это может контролировать вибрацию троса. [ необходима цитата ] Этот подход требует датчиков для измерения вибраций троса, которые могут быть либо инерциальной навигационной системой на одном конце троса, либо спутниковыми навигационными системами, установленными на тросе, передающими свои позиции приемнику на конце.
Другой предлагаемый метод заключается в использовании вращающихся электродинамических тросов вместо подвесных. Гироскопический эффект обеспечивает пассивную стабилизацию, избегая неустойчивости.
Как упоминалось ранее, токопроводящие тросы выходили из строя из-за неожиданных скачков тока. Неожиданные электростатические разряды обрывали тросы (например, см. Tethered Satellite System Reflight (TSS‑1R) на STS‑75 ), повреждали электронику и сваривали механизмы обработки тросов. Возможно, магнитное поле Земли не столь однородно, как считали некоторые инженеры.
Компьютерные модели часто показывают, что тросы могут порваться из-за вибрации.
Механическое оборудование для управления тросом часто оказывается на удивление тяжелым, со сложным управлением для гашения вибраций. Однотонный альпинист, предложенный Брэдом Эдвардсом для его космического лифта, может обнаруживать и подавлять большинство вибраций, изменяя скорость и направление. Альпинист также может ремонтировать или усиливать трос, скручивая больше прядей.
Режимы вибрации, которые могут представлять проблему, включают в себя скакалку, поперечную, продольную и маятниковую. [37]
Тросы почти всегда имеют коническую форму, и это может значительно усилить движение на самом тонком конце, подобно хлысту.
Трос не является сферическим объектом и имеет значительную протяженность. Это означает, что как протяженный объект он не может быть напрямую смоделирован как точечный источник, и это означает, что центр масс и центр тяжести обычно не совпадают. Таким образом, закон обратных квадратов не применяется, за исключением больших расстояний, к общему поведению троса. Следовательно, орбиты не являются полностью кеплеровскими, а в некоторых случаях они фактически хаотичны. [38]
При использовании конструкций болюса вращение кабеля, взаимодействующего с нелинейными гравитационными полями, обнаруженными на эллиптических орбитах, может вызвать обмен орбитальным угловым моментом и угловым моментом вращения. Это может сделать прогнозирование и моделирование чрезвычайно сложными.
