Космические тросы представляют собой длинные кабели, которые можно использовать для движения, обмена импульсом, стабилизации и управления ориентацией , а также для поддержания относительного положения компонентов большой рассредоточенной сенсорной системы спутника/ космического корабля . [1] Предполагается, что в зависимости от целей миссии и высоты космический полет с использованием этой формы движения космического корабля будет значительно дешевле, чем космический полет с использованием ракетных двигателей .
Спутники-тросы могут использоваться для различных целей, включая исследования в области тросовых двигателей , приливной стабилизации и динамики орбитальной плазмы. В разработке находятся пять основных методов использования космических тросов: [2] [3]
Электродинамические тросы в основном используются для движения. Это проводящие тросы, по которым течет ток, который может создавать либо тягу , либо сопротивление планетарного магнитного поля , почти так же, как это делает электродвигатель .
Это могут быть как вращающиеся, так и невращающиеся тросы , которые захватывают прибывающий космический корабль, а затем выпускают его позже на другую орбиту с другой скоростью. Тросы обмена импульсом могут использоваться для орбитального маневрирования или как часть космической транспортной системы с поверхностью планеты на орбиту / с орбиты на скорость убегания.
Обычно это непроводящий трос, который точно поддерживает заданное расстояние между несколькими космическими аппаратами, летящими строем.
Форма паруса солнечного ветра с электрически заряженными тросами , которые будут толкаться за счет импульса ионов солнечного ветра .
Концепция подвешивания объекта на тросе, вращающемся в космосе.
Было предложено множество вариантов использования космических тросов, в том числе их использование в качестве космических лифтов , небесных крюков и для осуществления орбитальных перелетов без использования топлива.
Константин Циолковский (1857–1935) однажды предложил построить башню настолько высокой, что она доходила бы до космоса и удерживалась бы там за счет вращения Земли . Однако в то время не было реального способа его построить.
В 1960 году другой россиянин, Юрий Арцутанов , более подробно написал об идее натяжного кабеля, который можно развернуть с геосинхронного спутника вниз к земле и вверх, сохраняя равновесие. [4] Это идея космического лифта , типа синхронного троса, который будет вращаться вместе с Землей. Однако, учитывая технологии материалов того времени, это тоже было непрактично на Земле.
В 1970-х годах Джером Пирсон независимо выдвинул идею космического лифта, иногда называемого синхронным тросом, [5] и, в частности, проанализировал лунный лифт , который может проходить через точки L1 и L2 , и было обнаружено, что быть возможным с материалами, существовавшими в то время.
В 1977 году Ганс Моравец [6] , а позже Роберт Л. Форвард исследовали физику асинхронных скайхуков , также известных как вращающиеся скайхуки, и выполнили детальное моделирование конических вращающихся тросов, которые могли снимать объекты и помещать их на Луну . , Марс и другие планеты с небольшими потерями или даже с чистым приростом энергии. [7] [8]
В 1979 году НАСА изучило осуществимость этой идеи и дало направление исследованию привязанных систем, особенно привязанных спутников. [1] [9]
В 1990 году Игл Сармонт предложил невращающийся орбитальный «Скайхук» для космической транспортной системы «Земля-орбита» / «Орбита-к-космической скорости» в статье под названием «Орбитальный скайхук: доступный доступ к космосу». [10] [11] [12] В этой концепции суборбитальная ракета-носитель будет лететь к нижнему концу Skyhook, в то время как космический корабль, направляющийся на более высокую орбиту или возвращающийся с более высокой орбиты, будет использовать верхний конец.
В 2000 году НАСА и Boeing рассмотрели концепцию HASTOL , согласно которой вращающийся трос будет доставлять на орбиту полезную нагрузку от гиперзвукового самолета (со скоростью половины орбитальной скорости) . [13]
Тросовый спутник — это спутник, соединенный с другим космическим тросом. Для тестирования тросовых технологий было запущено несколько спутников с разной степенью успеха.
Существует множество различных (и пересекающихся) типов привязей.
Привязи с обменом импульсом - одно из многих применений космических привязей. Привязки обмена импульсом бывают двух типов; вращающиеся и невращающиеся. Вращающийся трос создаст контролируемую силу на конечных массах системы за счет центробежного ускорения. Пока тросовая система вращается, объекты на обоих концах троса будут испытывать постоянное ускорение; Величина ускорения зависит от длины троса и скорости вращения. Обмен импульсом происходит, когда концевое тело высвобождается во время вращения. Передача импульса выпущенному объекту приведет к тому, что вращающийся трос потеряет энергию и, следовательно, потеряет скорость и высоту. Однако, используя электродинамическое движение троса или ионное движение , система может затем повторно разогнаться с небольшими затратами расходуемой реакционной массы или вообще без нее.
Скайхук — это теоретический класс орбитальных тросовых двигателей , предназначенных для подъема полезных грузов на большие высоты и скорости. [14] [15] [16] [17] [18] Предложения по созданию «скайхуков» включают в себя конструкции, в которых используются тросы, вращающиеся на гиперзвуковой скорости, для захвата высокоскоростных полезных грузов или высотных самолетов и вывода их на орбиту. [19]
Электродинамические тросы представляют собой длинные проводящие провода, например, те, что развёрнуты с тросового спутника, которые могут работать на электромагнитных принципах как генераторы , преобразуя свою кинетическую энергию в электрическую , или как двигатели , преобразующие электрическую энергию в кинетическую энергию. [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. К первичным факторам обычно относятся высокая электропроводность и низкая плотность . Вторичные факторы, в зависимости от 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. [20] [21]
Это использование (обычно) непроводящего троса для соединения нескольких космических кораблей. Привязной эксперимент для межпланетных операций на Марсе (TEMPO³) — это предложенный в 2011 году [ требуется разъяснение ] эксперимент для изучения этой техники.
Теоретический тип невращающейся привязанной спутниковой системы. Это концепция обеспечения космической поддержки объектов, подвешенных над астрономическим объектом. [22] Орбитальная система представляет собой систему связанных масс, в которой верхняя поддерживающая масса (А) размещена на орбите вокруг данного небесного тела так, что она может поддерживать подвешенную массу (В) на определенной высоте над поверхностью небесного тела. тело, но ниже, чем (А).
Вместо того, чтобы вращать конец за концом, тросы также можно удерживать прямыми за счет небольшой разницы в силе тяжести по их длине.
Невращающаяся тросовая система имеет стабильную ориентацию, выровненную вдоль местной вертикали (земли или другого тела). Это можно понять, рассмотрев рисунок справа, на котором два космических корабля на двух разных высотах соединены тросом. Обычно каждый космический корабль имеет баланс гравитационных (например, F g1 ) и центробежных (например, F c1 ) сил, но когда они связаны между собой тросом, эти значения начинают меняться по отношению друг к другу. Это явление возникает потому, что без троса масса, находящаяся на большей высоте, будет двигаться медленнее, чем масса, расположенная ниже. Система должна двигаться с одной скоростью, поэтому трос должен замедлять нижнюю массу и ускорять верхнюю. Центробежная сила привязанной верхней части тела увеличивается, а сила тела, расположенного на меньшей высоте, уменьшается. Это приводит к тому, что центробежная сила верхней части тела и гравитационная сила нижней части тела становятся доминирующими. Эта разница в силах естественным образом выравнивает систему по местной вертикали, как показано на рисунке. [23]
Объекты на низкой околоземной орбите подвергаются заметной эрозии атомарного кислорода из-за высокой орбитальной скорости , с которой ударяются молекулы, а также их высокой реакционной способности. Это может быстро разрушить привязь. [24]
Простые однонитевые тросы чувствительны к микрометеородам и космическому мусору . С тех пор было предложено и протестировано несколько систем для повышения устойчивости к мусору:
Большие куски мусора по-прежнему могли бы перерезать большинство привязей, включая улучшенные версии, перечисленные здесь, но в настоящее время они отслеживаются радаром и имеют предсказуемые орбиты. Хотя для изменения орбиты системы можно использовать двигатели, трос также можно временно перемещать в нужном месте, используя меньше энергии, чтобы уклоняться от известных кусков мусора. [ нужна цитата ]
Радиация, включая УФ-излучение, имеет тенденцию разрушать материалы троса и сокращать срок службы. Привязи, которые неоднократно 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 применения. Однако есть некоторые общие свойства. Для достижения максимальной производительности и низкой стоимости тросы должны быть изготовлены из материалов, сочетающих высокую прочность или электропроводность и низкую плотность. Все космические тросы подвержены воздействию космического мусора или микрометеороидов. Поэтому проектировщикам систем необходимо будет решить, необходимо ли защитное покрытие, в том числе относительно УФ-излучения и атомарного кислорода .
Для применений, в которых на трос оказывается большая растягивающая сила, материалы должны быть прочными и легкими. В некоторых современных конструкциях тросов используются кристаллические пластмассы, такие как полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы , арамид или углеродное волокно . Возможным материалом будущего могут стать углеродные нанотрубки , которые имеют расчетную прочность на разрыв от 140 до 177 ГПа (от 20,3 до 25,7 миллионов фунтов на квадратный дюйм; 1,38 и 1,75 миллионов атм), а доказанную прочность на разрыв в диапазоне 50–60 ГПа (7,3–8,7 490 000–590 000 атм) для некоторых отдельных нанотрубок. (Ряд других материалов достигает от 10 до 20 ГПа (от 1,5 до 2,9 миллионов фунтов на квадратный дюйм; от 99 000 до 197 000 атм) в некоторых образцах в наномасштабе, но перевод таких сил в макромасштаб до сих пор был сложной задачей, поскольку по состоянию на 2011 г. (веревки на основе УНТ на порядок менее прочные, но еще не прочнее, чем более обычное углеродное волокно в этом масштабе). [28] [29] [30]
Предполагается, что для некоторых применений растягивающая сила троса составит менее 65 ньютонов (15 фунтов силы). [31] Выбор материала в этом случае зависит от цели миссии и конструктивных ограничений. Электродинамические тросы, такие как тот, который используется на TSS-1R, [ необходимы разъяснения ] могут использовать тонкие медные провода для обеспечения высокой проводимости (см. EDT ).
Существуют расчетные уравнения для определенных применений, которые можно использовать, чтобы помочь проектировщикам определить типичные величины, определяющие выбор материала.
В уравнениях космического лифта обычно используется «характеристическая длина» L c , которая также известна как «длина самоподдержки» и представляет собой длину неконусного кабеля, который он может поддерживать в постоянном гравитационном поле силой 1 г.
где σ — предел напряжения (в единицах давления), а ρ — плотность материала.
В уравнениях гиперзвукового скайхука используется «удельная скорость» материала, равная максимальной тангенциальной скорости, которую вращающийся обруч может достичь без разрушения:
Для вращающихся тросов (ротоваторов) используемое значение представляет собой «характеристическую скорость» материала, которая представляет собой максимальную скорость на конце вращающегося неконического троса, которую может достичь без разрыва.
Характеристическая скорость равна удельной скорости, умноженной на квадратный корень из двух.
Эти значения используются в уравнениях, аналогичных уравнению ракеты , и аналогичны удельному импульсу или скорости истечения. Чем выше эти значения, тем более эффективным и легким может быть трос по отношению к полезной нагрузке, которую он может нести. Однако в конечном итоге масса тросовой двигательной установки будет ограничена на нижнем уровне другими факторами, такими как накопление импульса.
Предлагаемые материалы включают кевлар , сверхвысокомолекулярный полиэтилен , углеродные нанотрубки и волокно М5 . M5 — синтетическое волокно, которое легче кевлара или Spectra. [32] Согласно Пирсону, Левину, Олдсону и Уайксу в их статье «Лунный космический лифт», лента М5 шириной 30 мм (1,2 дюйма) и толщиной 0,023 мм (0,91 мила) способна выдержать 2000 кг ( 4400 фунтов) на поверхности Луны . Он также сможет вместить 100 грузовых автомобилей, каждый массой 580 кг (1280 фунтов), равномерно расположенных по длине лифта. [5] Другими материалами, которые можно использовать, являются углеродное волокно T1000G, Spectra 2000 или Zylon. [33]
Для тросов, стабилизированных силой тяжести, для превышения длины самоподдержки материал троса можно сузить так, чтобы площадь поперечного сечения менялась в зависимости от общей нагрузки в каждой точке по длине троса. На практике это означает, что центральная конструкция троса должна быть толще кончиков. Правильная конусность гарантирует, что растягивающее напряжение в каждой точке кабеля будет одинаковым. Для очень требовательных приложений, таких как земной космический лифт, сужение может уменьшить чрезмерное соотношение веса кабеля к весу полезной нагрузки. Вместо сужения для достижения той же цели можно использовать модульную ступенчатую привязную систему. Между этапами будет использоваться несколько привязей. Количество тросов будет определять прочность любого поперечного сечения. [34]
Для вращающихся тросов, на которые существенно не влияет сила тяжести, толщина также варьируется, и можно показать, что площадь A определяется как функция r (расстояния от центра) следующим образом: [35]
где R — радиус троса, v — скорость относительно центра, M — масса наконечника, — плотность материала, а T — расчетная прочность на разрыв.
Интегрирование площади для получения объема, умножение на плотность и деление на массу полезной нагрузки дает соотношение массы полезной нагрузки к массе троса: [35]
где erf — нормальная функция вероятностной ошибки .
Позволять ,
затем: [36]
Это уравнение можно сравнить с уравнением ракеты , которое пропорционально простому показателю степени скорости, а не квадрату скорости. Эта разница эффективно ограничивает дельту-v, которую можно получить от одного троса.
Кроме того, форма кабеля должна быть рассчитана на устойчивость к микрометеоритам и космическому мусору . Этого можно достичь с помощью резервных кабелей, таких как Hoytether ; резервирование может гарантировать, что очень маловероятно, что несколько резервных кабелей будут повреждены вблизи одной и той же точки кабеля, и, следовательно, до того, как произойдет сбой, в разных частях кабеля может произойти очень большой общий ущерб.
Бобовые стебли и ротоваторы в настоящее время ограничены возможностями доступных материалов. Хотя сверхвысокопрочные пластиковые волокна ( Кевлар и Спектры ) позволяют ротоваторам отрывать массы с поверхности Луны и Марса, ротоватор из этих материалов не может поднять с поверхности Земли. Теоретически высоколетящие сверхзвуковые (или гиперзвуковые ) самолеты могли бы доставить полезную нагрузку на ротоватор, который ненадолго погружался в верхние слои атмосферы Земли в предсказуемых местах в тропической (и умеренной) зоне Земли. По состоянию на май 2013 года все механические тросы (орбитальные и лифтовые) приостановлены до тех пор, пока не станут доступны более прочные материалы. [37]
Захват груза для ротоваторов является нетривиальной задачей, и неудачный захват может вызвать проблемы. Было предложено несколько систем, таких как стрельба сетями по грузу, но все они увеличивают вес, сложность и еще один вид отказа. Однако была достигнута по крайней мере одна лабораторная демонстрация работающей системы захвата. [38]
В настоящее время самыми прочными на растяжение материалами являются пластмассы, требующие покрытия для защиты от УФ-излучения и (в зависимости от орбиты) эрозии атомарным кислородом. Утилизация отходящего тепла в вакууме затруднительна , поэтому перегрев может привести к выходу из строя или повреждению троса.
Электродинамические тросы, развернутые вдоль местной вертикали («висячие тросы»), могут страдать от динамической нестабильности. Маятниковое движение приводит к увеличению амплитуды колебаний 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 околоземной орбите могут создать вибрации во многих режимах, поскольку их орбита взаимодействует с неоднородностями магнитного и гравитационного полей.
Один из планов контроля вибраций состоит в том, чтобы активно изменять ток троса, чтобы противодействовать росту вибраций. Электродинамические тросы можно стабилизировать, уменьшая их ток, когда он подпитывает колебания, и увеличивая его, когда он противодействует колебаниям. Моделирование показало, что это может контролировать вибрацию троса. [ нужна цитата ] Этот подход требует датчиков для измерения вибраций троса, которые могут быть либо инерциальной навигационной системой на одном конце троса, либо системами спутниковой навигации , установленными на тросе, передающими свои координаты приемнику на конце.
Другой предложенный метод — использовать вращающиеся электродинамические тросы вместо висячих тросов. Гироскопический эффект обеспечивает пассивную стабилизацию, предотвращая нестабильность.
Как упоминалось ранее, проводящие тросы вышли из строя из-за неожиданных скачков тока. Неожиданные электростатические разряды привели к обрыву тросов (например, см. «Перезапуск привязной спутниковой системы» (TSS‑1R) на STS‑75 ), повреждению электроники и сварке механизмов перемещения тросов. Возможно, магнитное поле Земли не так однородно, как полагают некоторые инженеры.
Компьютерные модели часто показывают, что тросы могут порваться из-за вибрации.
Механическое оборудование для перемещения тросов часто оказывается на удивление тяжелым и имеет сложные органы управления для гашения вибраций. Альпинист весом в тонну, предложенный Брэдом Эдвардсом для его космического лифта, может обнаруживать и подавлять большинство вибраций, изменяя скорость и направление. Альпинист также может отремонтировать или дополнить привязь, скрутив больше прядей.
Режимы вибрации, которые могут стать проблемой, включают скакалку, поперечную, продольную и маятниковую. [39]
Привязи почти всегда имеют коническую форму, и это может значительно усилить движение на самом тонком кончике, подобно кнуту.
Трос не является сферическим объектом и имеет значительную протяженность. Это означает, что как протяженный объект его нельзя напрямую смоделировать как точечный источник, а это означает, что центр масс и центр тяжести обычно не совпадают. Таким образом, закон обратных квадратов не применим к общему поведению троса, за исключением больших расстояний. Следовательно, орбиты не полностью кеплеровы, а в некоторых случаях даже хаотичны. [40]
В болюсных конструкциях 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.
