Технополис завтра
Самое важное. Самое полезное. Самое интересное...
Новости Интересное

Особенности орбитальной рыбалки

Источник: N+1
25.09.2018

Зачем ученые разматывают тросы на орбите?

Японский космический грузовик HTV-7, отправившийся к МКС в субботу, привезет на станцию «прототип космического лифта» — два наноспутника, соединенных тросом. Эксперименты с тросовыми системами проводятся на орбите уже десятки лет, и хотя они в большинстве случаев были не слишком успешными, люди снова и снова пытаются устроить «рыбалку» на орбите. Редакция N+1 попыталась выяснить, для чего могут быть полезны тросы в космосе, и какой была история попыток сделать с ними что-то полезное на практике.

Космические лифты — «голубая мечта» для всех, кто фантазирует о космосе. О тех же углеродных нанотрубках многие люди впервые услышали именно в контексте постройки космического лифта — ведь для его строительства нужен трос с очень высокой удельной прочностью.

Но подобный проект, если и будет когда-либо реализован, то очень и очень нескоро. Даже если представить, что у нас прямо сейчас появятся все технологии, необходимые для постройки подобного колоссального сооружения, его масштабы и возможная стоимость не позволят их реализовать в сколь-либо обозримые сроки. Например, все материалы для строительства троса и лифта придется обычным способом (ведь лифта еще нет!) поднять на геостационарную орбиту, а речь идет о десятках тысяч тонн.

Примечание Владимира Зыкова. Напомнило анекдот про очки: "Так ищи!" - "Не могу. Для этого я их сначала должен найти".

Но в реальном мире проблемы начинаются еще на стадии технологий — и эту стадию человечество будет преодолевать еще многие годы.

Среди возможных проблем космического лифта, например, воздействие атмосферных ветров и микрометеоритов. Более того — любой космический аппарат или фрагмент космического мусора, орбита которого проходит мимо лифта, представляет собой огромную угрозу для проекта. Но, с другой стороны, это все меркнет на фоне необходимых для постройки этой вавилонской башни технологий и ресурсов.

Впрочем, не обязательно рассматривать космический лифт только для Земли. Постройка такого сооружения на Луне будет значительно проще с точки зрения прочности и массы используемых материалов из-за гораздо меньшей гравитации и воздействия на лифт со стороны атмосферы, которой на Луне нет. На менее крупных космических телах сложность и возможная стоимость проекта начинают лавинообразно снижаться. Но для того, чтобы человечество пользовалось лунным космическим лифтом, надо для начала как-то переместить людей на Луну.

Когда мы пускаемся в пространные рассуждения про космические лифты, даже в самом оптимистичном сценарии речь идет о конце XXI века, если не позже, и любые эксперименты и расчёты подобных конструкций в наше время, по сути, бессмысленны и являются не более чем романтичной пищей для ума. Хотя в 2014 году японская корпорация Obayashi заявила, что к 2050 году построит космический лифт, но в такие заявления верится с очень большим трудом. В то же время, обозримые перспективы применения тросов в космосе есть уже в наши дни. Для чего же они нужны?

Искусственная гравитация, тормоз и источник энергии

Тросы лучше всего подходят для создания искусственной гравитации за счет центробежной силы. Вращение станции на тросе с грузом позволит создать небольшую искусственную гравитацию. Впервые это было проделано в 1966 году в рамках миссии «Джемини-11». Эксперимент был успешно проведен, при этом была создана микрогравитация менее 1/1000 g. Человек ее ощутить не может, но предметы в кабине космического аппарата со временем прижались к стене.

Нашу планету окружает магнитное поле, и если мы поместим в это поле длинный проводник, по которому пустим ток, на него начнет действовать сила Лоренца. Эту силу можно использовать как для разгона космических аппаратов и подъема их орбиты, так и для свода с нее. Это может стать одним из изящных способов избавления от космического мусора или поддержки орбит спутников и станций без использования обычных двигателей. Вполне возможно, что в обозримом будущем такой способ может быть принят на вооружение. По крайней мере, он выглядит адекватно на фоне других проектов по сбору и сведению космического мусора с орбиты.

Схема тросового космического паруса. Земля и Вселенная

В США в 1990-е годы была проведена интересная серия экспериментов с космическими тросами. NASA использовала для экспериментов части последней ступени ракеты-носителя Delta-II после отделения полезной нагрузки. Так, в опытах SEDS и SEDS-2 длинный 20-километровый трос использовался для того, чтобы раскрутить систему из двух объектов, в итоге направив один из них на более высокую орбиту, а второй — спустить с нее. Грузы раскручивались за счет разницы в гравитации на разных высотах после размотки троса. Первый эксперимент полностью удался, а во втором трос преждевременно оборвался.

Эксперименты «OEDIPUS-A» и «OEDIPUS-C» с тросами длиной 958 и 1174 метров проведены в 1989 и 1995 годах. В первом эксперименте измерялись электромагнитные поля полярных сияний, а во втором проводились измерения механики и стабилизации тросовых систем. Данные были использованы для уточнения математических и компьютерных моделей.

На концах длинного проводящего троса при орбитальном движении создаётся разность потенциалов, и трос можно использовать как источник энергии. Проведенный в 1993 году эксперимент PMG показал возможность извлечения энергии из троса, а также разгона и торможения с помощью него. При этом использовался достаточно короткий по космическим меркам трос длиной всего в 500 метров.

В 1996 году аппарат TiPS развернул трос длиной 4 километра, на котором два связанных им спутника десять лет находились на орбите. Это показало потенциальную надежность и долговечность подобных систем. Была продемонстрирована стойкость троса к воздействию микрометеорных частиц. Впрочем, следующий эксперимент ATEx был прекращен после размотки троса на 18 метров из-за его нештатного поведения.

В этом же году на шаттле «Колумбия» размотали трос-проводник на 19 километров для экспериментов с извлечением и подачей электроэнергии в трос. При этом полученные значения тока были в разы выше ожидаемых и рассчитанных перед полетом.

Эксперимент с тросами на шаттле "Колумбия". NASA

Эксперимент в прямом смысле слова оборвался крайне интересным образом — пузырьки воздуха из изоляции кабеля лопнули, и высвободившееся ничтожное количество газа оказалось достаточным, чтобы образовать плазменное облако, по которому прошло короткое замыкание, которое привело к расплавлению и обрыву троса, а дорогостоящий спутник был при этом потерян. Даже краткого описания произошедшего хватает для того, чтобы представить, сколько неожиданных проблем в самых непредсказуемых местах может проявиться в ходе космических экспериментов.

Астронавт Ричард Гордон возвращается на борт корабля «Джемини-11». NASA

Попробуй размотайся

Размотать трос в космосе очень непросто. Силы тяжести нет, точки опоры также нет, поэтому для размотки требуется, чтобы кто-то или что-то постоянно вытягивало этот трос. Обычно для этого используют груз, который отталкивают, после чего он начинает вытягивать трос за собой, а трос в это время синхронно разматывается. Любая рассинхронизация чревата провалом эксперимента — даже при очень малом рывке по тросу пройдут колебания, а груз может развернуться и полететь в совсем другую сторону.

На Земле мы всегда можем положиться на силу трения объектов о поверхность планеты, сопротивление воздуха или воды, а в космосе даже самые малые колебания рассеиваются с большой неохотой. Трос должен быть крепким и очень длинным — но при этом легким, так как каждый лишний килограмм на орбите является непозволительной роскошью.

Нереализованный эксперимент с тросами на станции "Мир". Земля и Вселенная

Рекорд длины космического троса принадлежит отечественному научному спутнику «Фотон-М3» и его компаньону «Фотино». Трос был размотан на 31,7 километра, после чего был планово обрезан. Но сам эксперимент не совсем удался — «Фотино», который должен был приземлиться в районе Казахстана, так и не был найден. Экспериментальная капсула или сгорела в атмосфере, или крайне неудачно приводнилась — этого мы не можем знать точно. Запуск состоялся в 2007 году и рекорд длины троса не побит до сих пор.

22 сентября планируется запуск очередного тросового эксперимента — выведенный микроспутник должен разделиться на две половинки, соединенные металлическим тросом. Эксперимент проводят японские ученые. Заявляется, что эксперимент должен помочь в разработке будущих космических лифтов.

«Джемини-11», соединенный тросом с модулем «Аджена». NASA

Бесплатной энергии не бывает

Хотелось бы сказать, что у тросовых космических систем есть вполне обозримые перспективы, например, для подъема орбиты с помощью подачи электроэнергии в трос или выработки электроэнергии космическим аппаратом, что за тросовыми системами будущее космонавтики, и это будущее уже на пороге — но, к сожалению, это не так.

В случае подъема орбиты проблема экономии топлива для многих спутников решилась с помощью плазменных двигателей, которые оказались весьма эффективны и, в отличие от тросов, не столь деликатны при использовании и компактно размещаются на самом спутнике. Другие проекты электроракетных двигателей для маневра на орбите также выглядят гораздо перспективнее и проще в реализации. В то же время, значительная часть экспериментов с длинными тросами оканчивалась неудачей именно на стадии разматывания тросов, так что о надежности таких систем и их возможном коммерческом использовании говорить пока что не имеет смысла.

Извлечь сколь-либо значительные объемы энергии из таких конструкций тоже не получится. Более того, энергия, полученная из троса, вовсе не бесплатная — космический аппарат разменивает свою кинетическую энергию на электрическую. Обратный обмен выглядит гораздо перспективнее.

Что же касается раскрутки, как в эксперименте SEDS, то чуда также не наблюдается: аппарат действительно поднял свою орбиту, но ценой спуска груза в атмосферу. Законы механики неумолимы — нельзя получить дополнительную энергию или выгоду из ничего. Даже пресловутый космический лифт (если он когда-то будет построен) будет иметь свою цену в виде замедления вращения нашей планеты. Другое дело, что этот эффект в масштабах планеты будет ничтожным и вряд ли станет проблемой, по крайней мере до тех пор, пока в космос не будут выводиться целые континенты.

Есть еще один способ применения тросов. Это связь перспективной энергетической установки с ядерным реактором и жилых отсеков на будущих космических станциях или межпланетных кораблях. Такая схема позволит существенно выиграть в массе, необходимой для защиты экипажа и систем корабля от воздействия ионизирующего излучения, а также снизить риски при нештатном поведении энергетической установки, но породит массу новых проблем вроде воздействия силы Лоренца на трос, по которому будут передаваться большие объемы энергии, образование магнитного поля этого троса и усложненное маневрирование подобного корабля.

Но мы еще слишком далеки от межпланетных кораблей и больших космических станций, чтобы обсуждать подобное применение тросов всерьез. На данный момент тросовые системы выглядят слишком сложными и ненадежными, а возможная выгода от них слишком мала, чтобы эту сложность компенсировать. А цена ошибки в космосе слишком высока, поэтому тросовые системы в космосе пока что представляют собой всего лишь интересные научные эксперименты, а никак не рабочую и работающую технологию.

NASA

Сергей Иванов


 

Loading...
Загрузка...

© 2009 Технополис завтра

Перепечатка  материалов приветствуется, при этом гиперссылка на статью или на главную страницу сайта "Технополис завтра" обязательна. Если же Ваши  правила  строже  этих,  пожалуйста,  пользуйтесь при перепечатке Вашими же правилами.