Тросовые системы в космосе

Библиотека Рефераты Курсовые Дипломы Поиск

Астрономия, Авиация, Космонавтика Космонавтика

НВК №166 с лицеем “ВЕРТИКАЛЬ”РЕФЕРАТ на тему ТРОСОВЫЕ СИСТЕМЫ В КОСМОСЕВыполнил Денисов Егор Харьков 2001 ЧТО ТАКОЕ ТРОСОВАЯ СИСТЕМА Космическая тросовая система - 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 десятки или даже сотни километров. Сложные тросовые системы могут иметь много космических объектов, соединенных тросами в форме замкнутых колец, древовидных образований, объемных многогранников. Космические тросовые системы - новые, нетрадиционные структуры, создаваемые человеком в космосе, - позволяют выполнять задачи, которые невозможно, нецелесообразно или неэкономично решать с помощью существующих средств космической техники. Тросовые системы отличаются тремя основными особенностями от космических аппаратов традиционного типа. Первая - большая протяженность, обеспечивающая устойчивое вертикальное положение системы на орбите, 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. Вторая особенность - гибко изменяемая конфигурация, возможность изменения длины тросов путем их выпуска и втягивания. Это позволяет регулировать взаимное положение и ориентацию аппаратов, присоединять и отцеплять другие объекты от тросов, передвигать по ним грузы. Третье отличие - активное взаимодействие электропроводного троса с внешней средой, в первую очередь, с магнитным полем и ионосферой Земли, обеспечивающее функционирование системы в генераторном, двигательном, электропередающем и излучательном режимах. В зависимости от того, какая из этих особенностей преобладает у данной тросовой системы, какое свойство используется при эксплуатации, проекты таких систем можно разделить на три типа. У &quo ;статических&quo ; систем в процессе эксплуатации количество и длины тросов, количество и массы объектов, их взаимное положение и ориентация остаются постоянными. Ко второму типу относятся &quo ;динамические&quo ; системы, существенно изменяющие количество и длину тросов, количество и массу объектов, их взаимное положение и ориентацию. &quo ;Электромагнитные&quo ; системы снабжены электропроводными изолированными тросами с плазменными контакторами на концах и активно взаимодействуют с магнитным полем и ионосферой Земли. Существует много различных проектов тросовых систем и способов их практического применения в космосе. Несколько лет назад нами была предложена классификация способов применения тросовых систем на низких околоземных орбитах по 3-м уровням: по типу используемой тросовой системы, по виду решаемой технической задачи и по конкретной реализации способа. База данных включает в себя около сотни известных способов и их возможных модификаций. Статические тросовые системы могут использоваться в исследованиях дальнего космоса, околоземного пространства, атмосферы и поверхности Земли с помощью протяженных измерительных систем (например, интерферометров с очень большой базой, равной длине троса), датчиков геофизических полей, разнесенных или распределенных вдоль троса и опускаемых на тросе на низкие высоты атмосферных зондов.

На космических аппаратах в составе таких систем можно проводить различные эксперименты и технические операции (медико-биологические исследования, производство веществ и материалов, выращивание растений) в специфических условиях микрогравитации (от тысячных до десятых долей g) и отсутствия собственной внешней атмосферы вокруг аппаратов. Используя архитектурный принцип построения тросовых систем, в космосе можно будет создавать сложные сооружения больших размеров, например, космические электростанции, поселения, заводы, оранжереи. Динамические тросовые системы могут использоваться для выполнения орбитальных маневров космических аппаратов без затрат топлива - либо путем отведения аппарата на тросе с последующей его отцепкой, либо захватом и подтягиванием аппарата тросом. Например, если от орбитальной станции отвести вниз на тросе длиной около 50 км грузовой корабль и затем отделить его, 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 с выходящим с конца тросом, ориентировать в пространстве висящий на тросе аппарат. Электромагнитные тросовые системы могут вырабатывать за счет использования части кинетической энергии орбитального движения системы электроэнергию мощностью до 1 МВт. Электроэнергией, получаемой от бортового генератора, можно поддерживать или медленно повышать высоту орбиты тросовой системы без затрат топлива. Используя некоторые электродинамические эффекты, возможно с минимальными потерями передавать электроэнергию по длинному тросу между разнесенными космическими аппаратами. Трос в качестве передающей антенны позволяет осуществлять эффективное излучение радиоволн низкочастотных диапазонов - этот принцип найдет применение в глобальных системах космической связи. Пожалуй, не существует такой области космической деятельности, 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 космических средств. ОТ ЗАРОЖДЕНИЯ ИДЕИ ДО НАШИХ ДНЕЙ Российские ученые заложили основы концепции тросовых систем как одного из перспективных направлений развития космической техники. Впервые такие системы и способы их применения в космосе были описаны в 1895 г. К.Э. Циолковским в &quo ;Грезах о Земле и небе&quo ;. Для создания искусственной тяжести К.Э. Циолковский предложил использовать вращающуюся связку обитаемой станции и балластной массы, соединенных цепью длиной 500 м, а для перемещения грузов в космосе - цепочку, выпускаемую и втягиваемую лебедкой. В 1910 г. Ф.А. Цандер выдвинул проект &quo ;космического лифта&quo ; с 60 000-км тросом, протянутым с поверхности Луны к Земле. Под действием гравитационных и центробежных сил такой трос будет постоянно натянут, и по нему, как по канатной дороге, можно транспортировать грузы. В 20-30-е гг.

идеи К.Э. Циолковского нашли отражение в проектах вращающейся тросовой космической станции Ю.В. Кондратюка и в фантастических романах А. Беляева &quo ;Звезда КЭЦ&quo ; и &quo ;Прыжок в ничто&quo ;. Идеи Ф.А. Цандера о космическом лифте были развиты в 60-70-е гг. в работах Ю.Н. Арцутанова, предложившего проект троса, протянутого с поверхности Земли на геостационарную орбиту и в проекте тросового &quo ;космического ожерелья Земли&quo ; Г.Г. Полякова. В 1965 г. в РКК &quo ;Энергия&quo ; (бывшая ЦКБМ) под руководством С.П. Королева началась подготовка к первому в мире космическому эксперименту с тросовой системой. Разработанный проект &quo ;Союз-ИТ&quo ; предусматривал создание искусственной тяжести на космическом корабле &quo ;Союз&quo ;, соединённом километровым стальным тросом с последней ступенью ракеты-носителя, путем приведения этой связки во вращение. Но после кончины С.П. Королева проект был закрыт, и работы по тросовым системам в РКК &quo ;Энергия&quo ; возобновились только через 20 лет. Таким образом, в середине 60-х гг. наша страна лидировала по работам в области космических тросовых систем. Для дальнейшего развития этих работ имелись все предпосылки и условия. Однако в последующие годы из-за отсутствия заинтересованности руководства в продолжении этих разработок инициатива была перехвачена специалистами США. ЗАРУБЕЖНЫЕ ИДЕИ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ Начало работ в области тросовых систем за рубежом связано с именем итальянского ученого Дж. Коломбо, разработавшего в 60-70-х гг. (совместно с работавшим в США итальянским специалистом М. Гросси) многочисленные проекты их практического применения в космосе и активно выступавшего за развитие такого направления. В частности, ими выдвинуты идеи электромагнитной тросовой системы и привязного атмосферного зонда, нашедшие в 90-х гг. практическое воплощение в итало-американских проектах &quo ; SS-1&quo ; и SS-2&quo ;. Реализации проектов &quo ; SS&quo ; способствовала поддержка директора одного из подразделений ASA И. Беки, организовавшего в 1983 г. первую рабочую встречу специалистов по этой проблеме. После этого состоялись международные конференции по проблемам космических тросовых 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 американских эксперимента на пилотируемых кораблях &quo ;Джемини&quo ; - они соединялись 30-м синтетическими лентами с ракетной ступенью &quo ;Аджена&quo ;. В первом эксперименте связка космических объектов вращалась вокруг общего центра масс, а во втором - в устойчивом вертикальном положении. В рамках американо-японской программы в 1980-85 гг. были осуществлены четыре запуска на высоту 328 км зондирующих ракет. В ходе полета полезный груз удалялся на электропроводном тросе на 400 м (серия экспериментов &quo ;CHARGE&quo ;). В первых двух экспериментах тросы удалось выпустить только на длину 30 м и 65 м.