Войти
Спутник с тросом, созданный художником Космический трос - это длинные кабели, которые можно использовать для приведения в движение, обмена импульсом, стабилизация и управление ориентацией или поддержание относительного положения компонентов системы датчиков большого рассредоточенного спутника / космического корабля. В зависимости от целей и высоты полета космический полет с использованием этой формы двигательной установки теоретически будет значительно дешевле, чем космический полет с ракетными двигателями.
Спутники Tether могут использоваться для различных целей, в том числе для исследования силовой установки Tether, приливной стабилизации и орбитальной плазменной динамики. В стадии разработки находятся пять основных методов использования космических тросов:
Универсальная система поддержки орбиты
Многое используется для Были предложены космические тросы, включая развертывание в виде космических лифтов, небесных крюков, а также для выполнения орбитальных перемещений без топлива.
Константин Циолковский однажды предложил башню такой высокой, что она доходила бы до космоса, чтобы она удерживалась там за счет вращения Земли. Однако в то время не было реалистичного способа его построить.
В 1960 году другой россиянин, Юрий Арцутанов, более подробно описал идею натяжного троса, который должен быть проложен от геосинхронного спутника вниз к земле., и вверх, сохраняя баланс кабеля. Это идея космического лифта, типа синхронного троса, который вращался бы вместе с Землей. Однако, учитывая технологии материалов 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 которые могут проходить через точки L1 и L2, и было обнаружено, что это возможно с материалами, существовавшими в то время.
В 1977 году Ханс Моравец и позже Роберт Л. Форвард исследовали физику несинхронных небесных крюков, также известных как вращающиеся небесные крюки, и выполнили детальное моделирование сужающихся вращающихся тросов, которые могли снимать объекты и помещать объекты на Луну, Марс и другие планеты с небольшими потерями, или даже чистый выигрыш в энергии.
В 1979 году НАСА изучило осуществимость идеи и дало направление исследованиям привязных систем, особенно привязанных спутников.
В 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 будет принимать полезную нагрузку от гиперзвукового самолета (на половине орбитальной скорости) до орбита.
График привязного спутника TiPS Лаборатории морских исследований США. Показана развернутая лишь небольшая часть 4-километрового троса. A спутник троса - это спутник, соединенный с другим космическим тросом. Было запущено несколько спутников для тестирования технологий привязки с разной степенью успеха.
Существует много различных (и перекрывающихся) типов привязи.
Тросы обмена моментумом Тросы обмена - одно из многих применений космических тросов. Тросы Momentum Exchange бывают двух типов; вращающийся и невращающийся. 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 высвобожденному объекту приведет к потере энергии вращающимся тросом и, следовательно, к потере скорости и высоты. Однако с помощью электродинамического троса тяги или ионной тяги система может затем повторно разогнаться с небольшим расходом расходуемой реакционной массы или без него.
Вращающийся и стабилизируемый приливом небесный крюк на орбите Skyhook - это теоретический класс орбитальной тросовой двигательной установки, предназначенный для подъема полезных 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.
Средний крупный план, снятый 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 энергию, 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 использования в электродинамическом тросе 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 описан в документальном фильме Сироты Аполлона как технология, которая должна была использоваться для удержания российской космической станции Мир на орбите.
Это использование (обычно) непроводящего троса для соединения нескольких космических аппаратов. Предлагаемый эксперимент 2011 года для изучения этой техники - это Привязанный эксперимент для межпланетных операций Марса (TEMPO³).
Пример возможной схемы с использованием Универсальной системы поддержки орбиты. A 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).
Описание сил, способствующих поддержанию выравнивания гравитационного градиента в системе троса Вместо того, чтобы вращать конец за концом, тросы также могут быть сохранены прямые из-за 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, на котором два космических корабля на двух разных высотах соединены тросом. Обычно каждый космический аппарат должен иметь баланс гравитационных (например, F g1) и центробежных (например, F c1) сил, но когда они связаны вместе тросом, эти значения начинают меняться с уважение друг к другу. 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. В результате центробежная сила верхней части тела и сила тяжести нижней части тела являются доминирующими. Эта разница сил естественным образом выравнивает систему вдоль местной вертикали, как показано на рисунке.
Объекты на низкой околоземной орбите подвергаются заметной эрозии из-за атомарного кислорода из-за высокой орбитальная скорость, с которой сталкиваются молекулы, а также их высокая реакционная способность. Это может быстро разрушить трос.
Простые однонитевые тросы восприимчивы к микрометеороидам и космическому мусору. С тех пор было предложено и испытано несколько систем для повышения устойчивости к осколкам:
Большие куски мусора по-прежнему перерезали бы большинство привязей, включая улучшенные версии перечислены здесь, но в настоящее время они отслеживаются на радаре и имеют предсказуемые орбиты. Трос можно шевелить, чтобы уклоняться от известных кусков мусора, или двигатели, используемые для изменения орбиты, избегая столкновения.
Излучение, включая ультрафиолетовое излучение, имеет тенденцию разрушать материалы троса и уменьшать срок жизни. 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.
Состав троса TSS-1R [НАСА]. Свойства и материалы троса зависят от области применения. Однако есть некоторые общие свойства. Для достижения максимальной производительности и низкой стоимости тросы должны быть сделаны из материалов с сочетанием высокой прочности или электропроводности и низкой плотности. Все космические тросы подвержены попаданию космического мусора или микрометероидов. Следовательно, разработчикам системы необходимо будет решить, необходимо ли защитное покрытие, в том числе относительно УФ и атомарного кислорода. В настоящее время проводятся исследования для оценки вероятности столкновения, которое может привести к повреждению троса.
Для применений, в которых к тросу прилагаются высокие растягивающие силы, материалы должны быть прочными и легкими. В некоторых современных моделях тросов используются кристаллические пластмассы, такие как полиэтилен со сверхвысокой молекулярной массой, арамид или углеродное волокно. Возможным материалом в будущем могут быть углеродные нанотрубки, которые имеют расчетную прочность на разрыв от 140 до 177 ГПа (20,3-25,6 миллионов фунтов на квадратный дюйм) и доказанное сопротивление растяжению. прочность в диапазоне 50-60 ГПа для отдельных нанотрубок. (ряд других материалов достигает значений от 10 до 20 ГПа в некоторых образцах в наномасштабе, но перевод таких значений прочности в макроуровень до сих пор был сложной задачей, поскольку с 2011 года канаты на основе УНТ были на порядок менее прочный, но не более прочный, чем более обычное углеродное волокно в этом масштабе).
Для некоторых применений сила натяжения на тросе прогнозируется 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 использоваться, чтобы помочь проектировщикам в определении типичных величин, определяющих выбор материала.
В уравнениях космического лифта обычно используется «характеристическая длина», L c, которая также известна как «длина самонесущей конструкции» и представляет собой длину нескошенного кабеля, которую он может поддерживать в постоянное гравитационное поле 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 может достичь вращающийся безконусный кабель 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 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.
Предлагаемые материалы включают кевлар, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, углеродные нанотрубки и M5. волокно. 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 лунной поверхности. Он также сможет вмещать 100 грузовых автомобилей массой 580 кг каждая, равномерно распределенных по длине лифта. Другие материалы, которые могут быть использованы: углеродное волокно T1000G, Spectra 2000 или Zylon.
| Материал | Плотность. ρ. (кг / м³) | Предел напряжения. σ. (ГПа) | Характеристическая длина. Lc= σ / ρg. (км) | Удельная скорость. Vs= √ σ / ρ. (км / с) | симв. скорость. Vc= √2σ / ρ. (км / с) |
|---|---|---|---|---|---|
| Одностенные углеродные нанотрубки (измерены отдельные молекулы) | 2266 | 50 | 2200 | 4,7 | 6,6 |
| Арамид, полибензоксазол (PBO) волокно («Zylon ") | 1340 | 5,9 | 450 | 2,1 | 3,0 |
| Углеродное волокно Toray (T1000G) | 1810 | 6,4 | 360 | 1,9 | 2,7 |
| волокно M5 (плановые значения) | 1700 | 9,5 | 570 | 2,4 | 3,3 |
| волокно M5 (существующее) | 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 |
Для гравитации стабилизированные привязи, чтобы превышать длину самоподдержки, материал привязи может быть сужен так, чтобы площадь поперечного сечения варьировалась 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.
Для вращающихся привязных ремней, на которые сила тяжести не оказывает существенного влияния, толщина также меняется, и можно показать, что площадь A задается как функция r (расстояние от центр) следующим образом:
где R - радиус троса, v - скорость относительно центра, M - масса кончика, 
График отношения массы троса к полезной нагрузке в зависимости от конечной скорости, кратной характеристической скорости материала Интегрирование площади для получения объема и умножение на плотность и деление на Масса полезной нагрузки дает отношение массы полезной нагрузки к массе троса:
где erf - нормальная вероятность функция ошибки.
Пусть 
затем:
Это уравнение можно сравнить с уравнением ракеты, которое пропорционально к простому показателю скорости, а не к квадрату скорости. Это различие эффективно ограничивает дельта-v, которая может быть получена с одной привязки.
Кроме того, форма кабеля должна быть такой, чтобы выдерживать микрометеориты и космический мусор. Это может быть достигнуто с помощью резервных кабелей, таких как; избыточность может гарантировать, что очень маловероятно, что несколько резервированных кабелей будут повреждены рядом с одной и той же точкой на кабеле, и, следовательно, очень большая сумма общего повреждения может произойти на разных частях кабеля до того, как произойдет сбой.
Бобовые стебли и ротоваторы в настоящее время ограничены прочностью доступных материалов. Хотя сверхвысокопрочные пластиковые волокна (кевлар и Spectra ) позволяют ротоваторам собирать массы с поверхности Луны и Марса, ротоватор из этих материалов не может подниматься с поверхности Земля. Теоретически высоко летающий сверхзвуковой (или гиперзвуковой ) самолет может доставить полезную нагрузку к ротоватору, который ненадолго погрузится в верхние слои атмосферы Земли в предсказуемых местах по всей тропической (и умеренной) зоне Земля. По состоянию на май 2013 года все механические привязи (орбитальные и лифтовые) приостановлены до тех пор, пока не будут доступны более прочные материалы.
Захват груза для ротоваторов нетривиален, и отказ от захвата может вызвать проблемы. Было предложено несколько систем, таких как стрельба сетями по грузу, но все они добавляют вес, сложность и еще один режим отказа. Тем не менее, была проведена по крайней мере одна лабораторная демонстрация работающей системы грейфера.
В настоящее время самыми прочными при растяжении материалами являются пластмассы, которые требуют покрытия для защиты от УФ-излучения и ( в зависимости от орбиты) эрозия атомарным кислородом. Утилизация отработанного тепла затруднена в вакууме, поэтому перегрев может вызвать выход из строя или повреждение троса.
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 ухудшить производительность системы. В течение нескольких недель электродинамические тросы на околоземной орбите 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 ресивер на конце.
Другой предложенный метод заключается в использовании прядильных электродинамических тросов вместо подвесных тросов. Гироскопический эффект обеспечивает пассивную стабилизацию, избегая нестабильности.
Как упоминалось ранее, токопроводящие привязи вышли из строя из-за неожиданных скачков тока. Неожиданные электростатические разряды повредили тросы (например, см. Reflight привязанной спутниковой системы (TSS ‑ 1R) на STS ‑ 75 ), повредили электронику и сварное оборудование для работы с тросами. Возможно, магнитное поле Земли не так однородно, как полагали некоторые инженеры.
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 усилить привязь, закрутив больше прядей.
Виды вибрации, которые могут быть проблемой, включают скакалку, поперечную, продольную и маятниковую.
Тросы почти всегда имеют конус, и это может значительно усилить движение на самом тонком конце хлыста -подобные способы.
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 размещаются вместе. Таким образом, закон обратных квадратов применим к общему поведению троса только на больших расстояниях. Следовательно, орбиты не полностью кеплеровы, а в некоторых случаях они на самом деле хаотичны.
При использовании конструкции bolus вращение кабеля, взаимодействующего с нелинейными гравитационными полями, обнаруженными на эллиптических орбитах, может вызывают обмен орбитальным угловым моментом и угловым моментом вращения. Это может сделать прогнозирование и моделирование чрезвычайно сложными.
Портал космических полетов 
Научный портал 
Научно-фантастический портал 