Космический трос - Space tether

Художественная концепция спутника на привязи

Космические тросы - это длинные кабели, которые можно использовать для движения, обмена импульсом, стабилизации и управления ориентацией или для поддержания относительного положения компонентов большой рассредоточенной системы датчиков спутника / космического корабля . В зависимости от целей миссии и высоты космический полет с использованием этой формы двигателя космического корабля считается значительно менее дорогостоящим, чем космический полет с использованием ракетных двигателей .

Основные техники

Спутники Tether могут использоваться для различных целей, в том числе для исследования силовых установок Tether , стабилизации приливов и орбитальной динамики плазмы. В разработке находятся пять основных методов использования космических тросов:

Электродинамические тросы

Электродинамические тросы в основном используются для приведения в движение. Они проводят фалы , которые несут ток , который может генерировать либо тягу или сопротивление от планетарного магнитного поля , во многом таким же образом , как электрический двигатель делает.

Обменные привязи Momentum

Это могут быть либо вращающиеся привязи, либо невращающиеся привязи , которые захватывают прибывающий космический корабль, а затем выпускают его в более позднее время на другую орбиту с другой скоростью. Тросы с обменом импульсом могут использоваться для орбитального маневрирования или как часть космической транспортной системы «поверхность - орбита / орбита - скорость убегания».

Привязанный строй, летающий

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

Электрический парус

Форма паруса солнечного ветра с электрически заряженными тросами , которые толкаются импульсом ионов солнечного ветра .

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 орбитальных перемещений без ракетного топлива.

История

Константин Циолковский (1857-1935) однажды предложил башню такой высоты, чтобы она доходила до космоса и удерживалась бы там вращением Земли . Однако в то время не было реалистичного способа его построить.

В 1960 году другой россиянин, Юрий Арцутанов , более подробно описал идею натяжения троса, который будет проложен от геостационарного спутника вниз к земле и вверх, сохраняя балансировку кабеля. Это идея космического лифта , типа синхронного троса, который вращался бы вместе с Землей. Однако, учитывая материальные технологии того времени, это тоже было непрактично на Земле.

В 1970-х годах Джером Пирсон независимо задумал идею космического лифта, иногда называемого синхронным тросом, и, в частности, проанализировал лунный лифт, который может проходить через точки L1 и L2 , и было обнаружено, что это возможно с помощью существовавшие тогда материалы.

В 1977 году Ханс Моравек, а затем Роберт Л. Форвард исследовали физику несинхронных небесных крюков , также известных как вращающиеся небесные крюки, и выполнили детальное моделирование конических вращающихся тросов, которые могли снимать объекты и помещать объекты на Луну , Марс и другие объекты. другие планеты с небольшими потерями или даже с чистым приростом энергии.

В 1979 году НАСА изучило реализуемость идеи и дало направление исследованиям привязных систем, особенно привязанных спутников.

В 1990 году Э. Сармонт предложил невращающийся орбитальный Skyhook для космической транспортной системы «Земля-орбита / орбита-космическая скорость» в статье под названием «Орбитальный Skyhook: доступный доступ в космос». В этой концепции суборбитальная ракета-носитель будет лететь к нижнему краю 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 , в которой вращающийся трос должен доставить полезную нагрузку от гиперзвукового самолета (на половине орбитальной скорости) на орбиту .

Миссии

Рисунок спутника TiPS Tether Лаборатории военно-морских исследований США. Показана развёрнутая лишь небольшая часть 4-километрового троса.

Привязь спутник является спутником подключен к другому космическому привязи. Было запущено несколько спутников для тестирования технологий привязки с разной степенью успеха.

Типы

Существует множество различных (и перекрывающихся) типов привязи.

Тросы обмена моментума, вращающиеся

Тросы обмена моментумом - одно из многих применений космических тросов. Привязки Momentum exchange бывают двух типов; вращающийся и не вращающийся. Вращающийся трос создает контролируемую силу на концевых массах системы из-за центробежного ускорения. В то время как система привязи вращается, объекты на обоих концах привязи будут испытывать постоянное ускорение; величина ускорения зависит от длины троса и скорости вращения. Обмен импульсом происходит, когда конечное тело освобождается во время вращения. Передача импульса выпущенному объекту приведет к потере энергии вращающимся тросом и, таким образом, к потере скорости и высоты. Однако с помощью электродинамического троса или ионной тяги система может затем повторно разогнаться с небольшим расходом расходуемой реакционной массы или без него.

Skyhook

Вращающийся и стабилизированный приливной стабилизацией небесный крюк на орбите

Небесный крюк - это теоретический класс силовой установки на орбитальном тросе, предназначенный для подъема грузов на большие высоты и скорости. Предложения для небесных крюков включают конструкции, в которых используются тросы, вращающиеся с гиперзвуковой скоростью, для захвата высокоскоростных грузов или высотных самолетов и вывода их на орбиту.

Электродинамика

Средний снимок крупным планом, сделанный камерой 70 мм, показывает развертывание привязанной спутниковой системы .

Электродинамические тросы представляют собой длинные проводящие провода, такие как провод, развернутый от спутника троса, который может работать на электромагнитных принципах как генераторы , преобразовывая свою кинетическую энергию в электрическую , или как двигатели , преобразовывая электрическую энергию в кинетическую энергию. Электрический потенциал генерируется через проводящий трос в результате его движения через магнитное поле Земли. Выбор металлического проводника для электродинамического троса 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 показан в документальном фильме « Сироты Аполлона» как технология, которая должна была использоваться для удержания российской космической станции « Мир» на орбите.

Формация летающая

Это использование (обычно) непроводящего троса для соединения нескольких космических аппаратов. Предлагаемый эксперимент 2011 года для изучения этой техники - это привязанный эксперимент для межпланетных операций на Марсе (TEMPO³) .

Универсальная система орбитальной поддержки

Пример возможной компоновки с использованием универсальной системы орбитальной поддержки.

Теоретический тип невращающейся привязной спутниковой системы, это концепция для обеспечения космической поддержки вещей, подвешенных над астрономическим объектом. Орбитальная система представляет собой систему связанных масс, в которой верхняя опорная масса (A) размещается на орбите вокруг данного небесного тела, так что она может поддерживать подвешенную массу (B) на определенной высоте над поверхностью небесного тела, но ниже, чем (A).

Технические трудности

Стабилизация гравитационного градиента

Описание сил, способствующих поддержанию выравнивания градиента силы тяжести в тросовой системе

Вместо того, чтобы вращать конец за концом, привязи также можно удерживать прямыми за счет небольшой разницы в силе тяжести по их длине.

Система невращающегося троса имеет стабильную ориентацию, которая выровнена по местной вертикали (земли или другого тела). Это можно понять, посмотрев на рисунок справа, где два космических корабля на двух разных высотах были соединены тросом. Обычно каждый космический корабль должен иметь баланс гравитационных (например, F g1 ) и центробежных (например, F c1 ) сил, но когда они связаны вместе тросом, эти значения начинают изменяться относительно друг друга. Это явление происходит потому, что без троса масса на большей высоте перемещается медленнее, чем масса с меньшей массой. Система должна двигаться с одной скоростью, поэтому трос должен замедлять нижнюю массу и ускорять верхнюю. Центробежная сила привязанной верхней части тела увеличивается, а центробежная сила нижней части тела уменьшается. Это приводит к тому, что центробежная сила верхней части тела и сила тяжести нижней части тела являются доминирующими. Эта разница сил естественным образом выравнивает систему по местной вертикали, как показано на рисунке.

Атомарный кислород

Объекты на низкой околоземной орбите подвергаются заметной эрозии из-за атомарного кислорода из-за высокой орбитальной скорости, с которой сталкиваются молекулы, а также их высокой реакционной способности. Это могло быстро разрушить привязь.

Микрометеориты и космический мусор

Простые однониточные тросы восприимчивы к микрометеороидам и космическому мусору . С тех пор было предложено и испытано несколько систем для повышения устойчивости к мусору:

  • США научно - исследовательская лаборатория ВМС успешно пролетела долгий срок длиной 6 км, диаметр 2-3 мм привязь с наружным слоем Spectra 1000 оплетки и сердечником из акриловой пряжи. Этот спутник, Tether Physics and Survivability Experiment (TiPS), был запущен в июне 1996 года и проработал более 10 лет, наконец, сломавшись в июле 2006 года.
  • Доктор Роберт П. Хойт запатентовал спроектированную круглую сеть, в которой деформации отрезанной нити автоматически перераспределялись вокруг отрезанной нити. Это называется Hoytether . Теоретически продолжительность жизни Хойтетеров составляет десятилетия.
  • Исследователи из JAXA также предложили сетевые привязи для своих будущих миссий.

Большие куски мусора по-прежнему перерезали бы большинство тросов, включая улучшенные версии, перечисленные здесь, но в настоящее время они отслеживаются на радаре и имеют предсказуемые орбиты. Трос можно было поворачивать, чтобы уклоняться от известных кусков мусора, или двигатели, используемые для изменения орбиты, избегая столкновения.

Радиация

Радиация, в том числе УФ-излучение, имеет тенденцию к ухудшению качества материалов троса и сокращению срока службы. У тросов, которые постоянно пересекают пояса Ван Аллена, может быть заметно меньше жизни, чем у тросов, которые остаются на низкой околоземной орбите или находятся за пределами магнитосферы Земли.

Строительство

Свойства полезных материалов

ТСС-1Р.
Состав троса TSS-1R [НАСА].

Свойства и материалы привязи 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 подвержены попаданию космического мусора или микрометероидов. Следовательно, разработчикам систем необходимо будет решить, необходимо ли защитное покрытие, в том числе от ультрафиолета и атомарного кислорода . Проводятся исследования для оценки вероятности столкновения, которое может повредить трос.

Для применений, в которых к тросу прилагаются высокие растягивающие усилия, материалы должны быть прочными и легкими. В некоторых современных моделях тросов используются кристаллические пластмассы, такие как сверхвысокомолекулярный полиэтилен , арамид или углеродное волокно . Возможным материалом в будущем могут стать углеродные нанотрубки , которые имеют расчетную прочность на разрыв от 140 до 177 ГПа (20,3-25,6 миллионов фунтов на квадратный дюйм) и доказанную прочность на разрыв в диапазоне 50-60 ГПа для некоторых отдельных нанотрубок. (Ряд других материалов дает от 10 до 20 ГПа в некоторых образцах в наномасштабе, но перевод такой прочности в макроуровень до сих пор был сложной задачей, поскольку по состоянию на 2011 год канаты на основе УНТ были на порядок менее прочными. , еще не прочнее, чем более обычное углеродное волокно в этом масштабе).

Для некоторых приложений сила натяжения ремня составляет менее 65 ньютонов (15 фунтов силы). Выбор материала в этом случае зависит от цели миссии и конструктивных ограничений. В электродинамических тросах, таких как тот, который используется на TSS-1R, могут использоваться тонкие медные провода для обеспечения высокой проводимости (см. EDT ).

Существуют проектные уравнения для определенных приложений, которые могут быть использованы для помощи проектировщикам в определении типичных величин, определяющих выбор материала.

В уравнениях космического лифта обычно используется «характеристическая длина», L c , которая также известна как «длина самоподдержки» и представляет собой длину кабеля без конуса, которую он может поддерживать в постоянном поле силы тяжести 1 г.

,

где σ - предел напряжения (в единицах давления), а ρ - плотность материала.

Уравнения гиперзвукового небесного крюка используют «удельную скорость» материала, которая равна максимальной тангенциальной скорости, которую вращающееся кольцо может достичь без разрушения:

Для вращающихся тросов (ротоваторов) используемое значение представляет собой «характеристическую скорость» материала, которая представляет собой максимальную скорость наконечника, которую вращающийся кабель без конуса может достичь без разрыва.

Характеристическая скорость равна удельной скорости, умноженной на квадратный корень из двух.

Эти значения используются в уравнениях, подобных уравнению ракеты, и аналогичны удельному импульсу или скорости истечения. Чем выше эти значения, тем эффективнее и легче трос по отношению к грузоподъемности, которую они могут 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 M5 . M5 - это синтетическое волокно, которое легче кевлара или Spectra. Согласно Пирсону, Левину, Олдсону и Уайксу в их статье «Лунный космический лифт», лента M5 шириной 30 мм и толщиной 0,023 мм сможет выдержать 2000 кг на поверхности Луны . Он также сможет вмещать 100 грузовых автомобилей массой 580 кг каждая, равномерно распределенных по длине лифта. Другие материалы, которые могут быть использованы, - это углеродное волокно T1000G, Spectra 2000 или Zylon.

Потенциальные материалы троса / лифта
Материал Плотность
ρ
(кг / м³)
Предел напряжения
σ
(ГПа)
Характерная длина
L c = σ / ρg
(км)
Удельная скорость
V s = σ / ρ
(км / с)
Char. скорость
V c = 2 σ / ρ
(км / с)
Одностенные углеродные нанотрубки (измеряются отдельные молекулы) 2266 50 2200 4,7 6,6
Арамид , полибензоксазольное (ПБО) волокно (« Зилон ») 1340 5.9 450 2.1 3.0
Углеродное волокно Toray (T1000G) 1810 г. 6.4 360 1.9 2,7
Волокно М5 (плановые значения) 1700 9,5 570 2,4 3.3
Волокно М5 (в наличии) 1700 5,7 340 1,8 2,6
Полиэтиленовое волокно с удлиненной цепью Honeywell ( Spectra 2000) 970 3.0 316 1,8 2,5
Арамидное волокно DuPont (Кевлар 49) 1440 3,6 255 1.6 2.2
Карбид кремния 3000 5.9 199 1.4 2.0

Форма

Сужение

Для тросов, стабилизированных гравитацией, для превышения длины самоподдержки материал троса может быть сужен так, чтобы площадь поперечного сечения изменялась в зависимости от общей нагрузки в каждой точке по длине кабеля. На практике это означает, что центральная структура шнурка 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 отношение веса кабеля к весу полезной нагрузки.

Толщина

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

где R - радиус троса, v - скорость относительно центра, M - масса наконечника, - плотность материала, а T - расчетная прочность на растяжение ( модуль Юнга, деленный на коэффициент безопасности).

Соотношение масс

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

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

где erf - нормальная функция вероятности ошибки .

Пусть ,

тогда:

Это уравнение можно сравнить с уравнением ракеты , которое пропорционально простому показателю скорости, а не квадрату скорости. Это различие эффективно ограничивает дельта-v, которая может быть получена от одной привязки.

Резервирование

Кроме того, форма кабеля должна быть такой, чтобы выдерживать микрометеориты и космический мусор . Этого можно достичь с помощью резервных кабелей, таких как Hoytether ; резервирование может гарантировать, что очень маловероятно, что несколько резервированных кабелей будут повреждены вблизи одной и той же точки на кабеле, и, следовательно, очень большое общее повреждение может произойти на разных частях кабеля до того, как произойдет сбой.

Прочность материала

Стебли фасоли и ротоваторы в настоящее время ограничены прочностью доступных материалов. Хотя сверхвысокопрочные пластиковые волокна ( кевлар и Spectra ) позволяют ротоваторам снимать массы с поверхности Луны и Марса, ротоватор из этих материалов не может подниматься с поверхности Земли. Теоретически высоколетающий сверхзвуковой (или гиперзвуковой ) самолет мог бы доставить полезную нагрузку к ротоватору, который ненадолго погрузился в верхние слои атмосферы Земли в предсказуемых местах по всей тропической (и умеренной) зоне Земли. По состоянию на май 2013 года все механические привязи (орбитальные и лифтовые) приостановлены до тех пор, пока не станут доступны более прочные материалы.

Захват груза

Захват груза для ротоваторов - дело нетривиальное, и отказ от захвата может вызвать проблемы. Было предложено несколько систем, таких как стрельба сетями по грузу, но все они увеличивают вес, сложность и еще один режим отказа. Тем не менее, по крайней мере, одна лабораторная демонстрация работающей системы захвата была проведена.

Продолжительность жизни

В настоящее время самыми прочными на растяжение материалами являются пластмассы, которые требуют покрытия для защиты от УФ-излучения и (в зависимости от орбиты) эрозии атомарным кислородом. Отвод отработанного тепла в вакууме затруднен , поэтому перегрев может вызвать сбои или повреждение троса.

Контроль и моделирование

Маятниковая нестабильность

Электродинамические привязи, развернутые вдоль местной вертикали («подвесные привязи»), могут страдать от динамической нестабильности. Маятниковое движение вызывает нарастание 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 орбите Земли могут создавать колебания во многих режимах, поскольку их орбита взаимодействует с неоднородностями магнитного и гравитационного полей.

Один из планов по контролю вибраций состоит в том, чтобы активно изменять ток привязи, чтобы противодействовать росту вибраций. Электродинамические тросы можно стабилизировать, уменьшая их ток, когда он подпитывает колебания, и увеличивая его, когда он противодействует колебаниям. Моделирование продемонстрировало, что это может контролировать вибрацию троса. Для этого подхода требуются датчики для измерения вибрации троса, которые могут быть либо инерциальной навигационной системой на одном конце троса, либо системами спутниковой навигации , установленными на тросе, передающими свое положение приемнику на конце.

Другой предлагаемый метод - использовать вращающиеся электродинамические привязи вместо подвесных. Гироскопический эффект обеспечивает пассивную стабилизацию, избегая нестабильности.

Скачки

Как упоминалось ранее, токопроводящие тросы вышли из строя из-за неожиданных скачков тока. Неожиданные электростатические разряды привели к разрыву тросов (например, см. Привязанная спутниковая система Reflight (TSS ‑ 1R) на STS ‑ 75 ), повреждению электроники и сварному оборудованию для обработки тросов . Возможно, магнитное поле Земли не так однородно, как полагали некоторые инженеры.

Вибрации

Модели компьютеров часто показывают, что привязи могут порваться из-за вибрации.

Механическое оборудование для работы с тросами часто бывает на удивление тяжелым, со сложными средствами управления для гашения вибраций. Альпинист весом в одну тонну, предложенный доктором Брэдом Эдвардсом для его космического лифта, может обнаруживать и подавлять большинство вибраций, изменяя скорость и направление. Альпинист также может отремонтировать или укрепить привязь, закрутив больше прядей.

Виды вибрации, которые могут быть проблемой, включают скакалку, поперечную, продольную и маятниковую.

Ремни почти всегда сужаются, и это может значительно усилить движение на самом тонком конце, наподобие хлыста.

Другие вопросы

Трос не является сферическим объектом и имеет значительную протяженность. Это означает, что как протяженный объект он не может непосредственно моделироваться как точечный источник, а это означает, что центр масс и центр тяжести обычно не совмещены. Таким образом, закон обратных квадратов применим к общему поведению троса только на больших расстояниях. Следовательно, орбиты не полностью кеплеровы, а в некоторых случаях фактически хаотичны.

В конструкции болюса вращение кабеля, взаимодействующего с нелинейными гравитационными полями на эллиптических орбитах, может вызвать обмен орбитальным угловым моментом и угловым моментом вращения. Это может чрезвычайно усложнить прогнозирование и моделирование.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Текст

видео