Космический трос

Художественная концепция спутника с привязью

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 . 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 .

Основные техники

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:

Электродинамические тросы

Основная статья: Электродинамический трос

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 .

Обменные привязки Momentum

Основная статья: Привязь обмена Momentum

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.

Привязной строй летит

Основная статья: Полет на привязном строю

Обычно это непроводящий трос, который точно поддерживает заданное расстояние между несколькими космическими аппаратами, летящими строем.

Электрический парус

Основная статья: Электрический парус

Форма паруса солнечного ветра с электрически заряженными тросами , которые будут толкаться за счет импульса ионов солнечного ветра .

Универсальная орбитальная система поддержки

Основная статья: Универсальная система орбитальной поддержки

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 выполнения орбитальных переходов без использования топлива.

История

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. 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 придумал идею космического лифта, иногда называемого синхронным тросом. и, в частности, проанализировали лунный лифт , который может проходить через точки L1 и L2 , и выяснилось, что это возможно с существовавшими тогда материалами.

, 1977 год. Ганс Моравец а позже Роберт Л. Форвард исследовал физику асинхронных скайхуков , также известных как вращающиеся скайхуки, и выполнил подробное моделирование конических вращающихся тросов, которые могли отрывать объекты и помещать их на Луну , Марс и другие планеты с небольшими затратами. потеря или даже чистый прирост энергии.

В 1979 году НАСА изучило осуществимость этой идеи и дало направление исследованию привязанных систем, особенно привязанных спутников.

В 1990 году Игл Сармонт предложил невращающийся орбитальный Skyhook для космической транспортной системы Земля-орбита / скорость от орбиты до убегания в статье под названием «Орбитальный Skyhook: доступный доступ к космосу». В этой концепции суборбитальная ракета-носитель будет лететь к нижнему концу Skyhook, а 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 полезную нагрузку от гиперзвукового самолета (со скоростью половины орбитальной скорости) , согласно которой вращающийся трос будет доставлять на орбиту .

Миссии

Изображение тросового спутника TiPS Военно-морской исследовательской лаборатории США. Показана развернутой только небольшая часть троса длиной 4 км.

Основная статья: Миссии космического троса

Тросовый спутник — это спутник, соединенный с другим космическим тросом. Для тестирования тросовых технологий было запущено несколько спутников с разной степенью успеха.

Типы

Существует множество различных (и пересекающихся) типов привязей.

Тросы обмена импульсом, вращающиеся

Основная статья: Привязь обмена Momentum

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

Основная статья: Скайхук (структура)

Вращающийся и приливно-стабилизированный скайхук на орбите.

Скайхук — это теоретический класс орбитальных тросовых двигателей, предназначенных для подъема полезных грузов на большие высоты и скорости. 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.

Электродинамика

Средний план крупным планом, снятый 70-миллиметровой камерой, показывает развертывание привязанной спутниковой системы.

Основная статья: Электродинамический трос

Электродинамические тросы — это 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. 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 описан в документальном фильме « Сироты Аполлона» как технология, которая должна была использоваться для удержания российской космической станции «Мир» на орбите.

Формирование полета

Основная статья: Полет на привязном строю

Это использование (обычно) непроводящего троса для соединения нескольких космических кораблей. Привязной эксперимент для межпланетных операций на Марсе (TEMPO³) предлагается в 2011 г. эксперимент для изучения техники.

Универсальная орбитальная система поддержки

Основная статья: Универсальная система орбитальной поддержки

Пример возможной компоновки с использованием универсальной орбитальной системы поддержки

Теоретический тип невращающейся привязанной спутниковой системы. Это концепция обеспечения космической поддержки объектов, подвешенных над астрономическим объектом. 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, но ниже, чем (А).

Технические трудности

Стабилизация гравитационного градиента

Описание сил, способствующих поддержанию выравнивания гравитационного градиента в тросовой системе.

Основная статья: Стабилизация гравитационного градиента

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 происходит 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.

Атомарный кислород

Дополнительная информация: Атомарный кислород.

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.

Микрометеориты и космический мусор

Простые однонитевые тросы чувствительны к микрометеородам и космическому мусору . С тех пор было предложено и протестировано несколько систем для повышения устойчивости к мусору:

• США Лаборатория военно-морских исследований успешно провела длительный полет на тросе длиной 6 километров (3,7 мили) и диаметром 2–3 миллиметра (0,079–0,118 дюйма) с внешним слоем оплетки Spectra 1000 и сердечником из акриловой пряжи. Этот спутник, Tether Physics and Survivability Experiment (TiPS), был запущен в июне 1996 года и оставался в эксплуатации более 10 лет, окончательно сломавшись в июле 2006 года.
• Роберт П. Хойт запатентовал круговую сеть, в которой напряжения обрезанной пряди автоматически перераспределялись вокруг отрезанной пряди. Это называется Хойтетер . Теоретически срок жизни хойтетеров исчисляется десятилетиями.
• Исследователи из JAXA также предложили использовать сетевые привязки для своих будущих миссий.

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.

Радиация

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.

Строительство

Свойства полезных материалов

Состав троса TSS-1R [НАСА]

Свойства и материалы троса зависят от применения. Однако есть некоторые общие свойства. Чтобы достичь 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).

Предполагается, что для некоторых применений растягивающая сила троса составит менее 65 ньютонов (15 фунтов силы). Выбор материала в этом случае зависит от цели миссии и конструктивных ограничений. Электродинамические тросы, такие как тот, что используется на ТСС-1Р, можно 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 1 г. гравитационном поле силой

$L_{c}={\frac {\sigma }{\rho g}}$,

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:

$V={\sqrt {\frac {\sigma }{\rho }}}$

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.

$V_{c}={\sqrt {\frac {2\sigma }{\rho }}}$

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.

Практические материалы

Предлагаемые материалы включают кевлар , сверхвысокомолекулярный полиэтилен , углеродные нанотрубки и волокно М5 . M5 — синтетическое волокно, которое легче кевлара или Spectra. По словам Пирсона, Левина, Олдсона и Уайкса 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 лунной поверхности. Он также сможет вместить 100 грузовых автомобилей, каждый массой 580 кг (1280 фунтов), равномерно расположенных по длине лифта. Другими материалами, которые можно использовать, являются углеродное волокно T1000G, Spectra 2000 или Zylon.

Возможные материалы для троса/лифта

Материал	Плотность р (кг/м 3 )	Предел напряжения п (ГПа)	Характеристическая длина L c = σ / ρg (км)	Удельная скорость V s = √ σ / ρ (км/с)	Чар. скорость V c = √ 2 σ / ρ (км/с)
Одностенные углеродные нанотрубки (измерение отдельных молекул)	2,266	50	2,200	4.7	6.6
Арамидно -полибензоксазольное (ПБО) волокно (« Зилон »)	1,340	5.9	450	2.1	3.0
Карбоновое волокно Toray (T1000G)	1,810	6.4	360	1.9	2.7
Волокно М5 (плановые значения)	1,700	9.5	570	2.4	3.3
Волокно M5 (существующее)	1,700	5.7	340	1.8	2.6
Полиэтиленовое волокно Honeywell с удлиненной цепью ( Spectra 2000)	970	3.0	316	1.8	2.5
DuPont Арамидное волокно (Кевлар 49)	1,440	3.6	255	1.6	2.2
Карбид кремния	3,000	5.9	199	1.4	2.0

Форма

Сужение

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.

Толщина

Для вращающихся тросов, на которые существенно не влияет сила тяжести, толщина также варьируется, и можно показать, что площадь A задается как функция r (расстояния от центра) следующим образом:

$A(r)={\frac {Mv^{2}}{TR}}\mathrm {e} ^{{\frac {\delta }{T}}{\frac {v^{2}}{2}}\left(1-{\frac {r^{2}}{R^{2}}}\right)}$

где R — радиус троса, v — скорость относительно центра, M — масса наконечника, $\delta$ — плотность материала, а T — расчетная прочность на разрыв.

Соотношение масс

График зависимости массы троса к полезной нагрузке в зависимости от скорости кончика, кратной характеристической скорости материала

Интегрирование площади для получения объема, умножение на плотность и деление на массу полезной нагрузки дает соотношение массы полезной нагрузки к массе троса:

${\frac {M}{m}}={\sqrt {\pi {\frac {\delta }{T}}{\frac {V^{2}}{2}}}}\mathrm {e} ^{\left({\frac {\delta }{T}}{\frac {V^{2}}{2}}\right)}\mathrm {erf} \left({\sqrt {{\frac {\delta }{T}}{\frac {V^{2}}{2}}}}\right)$

где erf — нормальная функция вероятностной ошибки .

Позволять $V_{r}=V/V_{c}\,$,

$V_{c}={\sqrt {\frac {2T}{\delta }}}$

затем:

${\frac {M}{m}}={\sqrt {\pi }}V_{r}\mathrm {e} ^{{V_{r}}^{2}}\mathrm {erf} ({V_{r}})$

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.

Резервирование

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.

Прочность материала

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 тропической (и умеренной) зоны Земли. По состоянию на май 2013 года все механические тросы (орбитальные и лифтовые) приостановлены до тех пор, пока не станут доступны более прочные материалы.

Захват груза

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.

Ожидаемая продолжительность жизни

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 затруднительна в вакууме , поэтому перегрев может привести к выходу из строя или повреждению троса.

Управление и моделирование

Неустойчивость маятникового движения

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. Этот подход требует датчиков для измерения вибраций троса, которые могут представлять собой либо инерциальную навигационную систему на одном конце троса, либо спутниковые навигационные системы, установленные на тросе, передающие свои координаты приемнику на конце.

Другой предлагаемый метод — использовать вращающиеся электродинамические тросы вместо висячих тросов. Гироскопический эффект обеспечивает пассивную стабилизацию, предотвращая нестабильность.

Всплески

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.

Вибрации

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.

Привязи почти всегда имеют коническую форму, и это может значительно усилить движение на самом тонком кончике, подобно кнуту.

Другие вопросы

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.

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.

См. также

• ЗВЕЗДЫ-II
• Движение космического корабля
• Неракетный космический запуск
• Орбитальное кольцо - теоретическое искусственное кольцо, размещенное на околоземной орбите.

Внешние ссылки

Текст

• ProSEDS, эксперимент по движению на основе троса
• Группа специальных проектов
• Обзор троса НАСА
• Tethers Unlimited Incorporated
• «Справочник по привязям в космосе», ML Cosmo и EC Lorenzini, 3-е изд., декабрь 1997 г. Архивировано 6 октября 2007 г. в Wayback Machine.
• Отчет НАСА МАК об орбитальных системах
• SpaceTethers.com, апплет симулятора космического привязи
• Национальное общественное радио США – Космические привязи: выведение объектов на орбиту?
• ЕКА – Проект YES2
• ЕКА – Студенты тестируют «космическую почтовую службу» во время миссии Фотон
• Космическое шоу № 531 Роберт П. Хойт обсуждает космические тросы на Космическом шоу.
• Сайт НАСА на TSS-1R
• НАСА Тетер Оригами
• Новая статья учёного
• Эксперимент по физике и живучести Tether. Архивировано 18 июля 2011 г. в Wayback Machine.
• Tethers Unlimited • Публикации , заархивированные 10 ноября 2006 г. в Wayback Machine
• Справочник по привязям в космосе (PDF)
• Tethers in Space, демонстрация безракетной двигательной установки на орбите ISBN   978-90-8891-282-5

Видео

• Видеоанимация, объясняющая, как может работать привязь