Космические тросовые системы: от зарождения идеи до наших дней

Впервые космические тросовые системы и способы их применения в космосе были описаны в 1895г. К.Э. Циолковским в "Грезах о Земле и небе". 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 "космического лифта" 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 "Звезда КЭЦ" и "Прыжок в ничто". 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 "космического ожерелья Земли" Г.Г. Полякова.

В 1965 г. в РКК "Энергия" (бывшая ЦКБМ) под руководством С.П. Королева началась подготовка к первому в мире космическому эксперименту с тросовой системой. Разработанный проект "Союз-ИТ" предусматривал создание искусственной тяжести на космическом корабле "Союз", 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 "Энергия" возобновились только через 20 лет.

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 "TSS-1" и TSS-2".

Реализации проектов "TSS" способствовала поддержка директора одного из подразделений NASA 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 "Джемини" - они соединялись 30-м синтетическими лентами с ракетной ступенью "Аджена". 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 "CHARGE"). В первых двух экспериментах тросы удалось выпустить только на длину 30 м и 65 м. В двух последних - тросы были выпущены полностью, что позволило выполнить исследования электродинамики тросовой системы.

Итало-американский эксперимент “TSS-1” был проведен в 1992 г. Предполагалось отвести от корабля "Атлантис" итальянский привязной спутник на электропроводном тросе длиной 20 км и выполнить электродинамические и радиофизические исследования. Привязной спутник разрабатывала итальянская фирма "Aeritalia" (Alenia Spazio), а привязную систему - американская фирма "Martin Marietta". Вследствие зажима троса в лебедке его удалось выпустить всего на 265 м, после чего трос был втянут обратно.

В феврале 1996 г. в ходе полета корабля "Спейс Шаттл" сделана попытка повторить такой эксперимент (TSS-R). Теперь трос размотали почти на всю длину, однако он неожиданно оборвался ("пережегся") из-за короткого замыкания, вероятная причина - механическое повреждение изоляции. Из-за аварии дорогостоящий итальянский спутник вместе с тросом ушел на другую орбиту и был потерян. Тем не менее, в экспериментах серии “TSS” была проведена часть запланированных электродинамических исследований, в частности, в эксперименте TSS-1R" в тросе был достигнут ток силой 0,5 А.

После относительных неудач экспериментов "TSS-1" и "TSS-1R" (затраты составили почти миллиард долларов) программа работ США в области тросовых систем была пересмотрена. Планировавшийся эксперимент "TSS-2" с атмосферным зондом, опускаемым вниз с корабля "Спейс Шаттл" на 100-км тросе, был отменен, а орбитальные эксперименты ограничились проектами, не превышающими по стоимости 10 млн. долларов.

Еще два американских эксперимента "SEDS-1" и "SEDS-2" выполнены в 1993-94 гг. От последней ступени ракеты-носителя "Дельта-2" отводились полезные грузы на тросах длиной 20 км, выпускаемых с помощью катушек, разработанных американским специалистом Дж. Кэрроллом.

В первом эксперименте отрабатывался безрасходный спуск груза с орбиты, а во втором - развертывание тросовой системы в вертикальное положение. В 1993 г. также с использованием ракеты "Дельта-2" проведен эксперимент "PMG" с электропроводным тросом длиной 500 м, позволивший исследовать некоторые эффекты электродинамики данной системы.

Канадские эксперименты "OEDIPUS-A" и "OEDIPUS-C" с тросами длиной 1 км проведены в 1989 и 1995 гг. В мае 1996 г. состоялся запуск двух американских аппаратов морской разведки с тросом длиной 4 км (эксперимент "TiPS"). Программой длительного полета предполагается исследовать стойкость троса к воздействию метеорных частиц.

Отечественные разработки и программы

В CCCР были созданы научные школы, занимающиеся теоретическими исследованиями космических тросовых систем. С конца 60-х гг. эти исследования велись, главным образом, в Институте прикладной математики (ИПМ) АН СССР такими крупными учеными, как В.В. Белецкий, В,А. Сарычев, Е.М. Левин (двое последних ныне работают за рубежом). Исследования механики тросовых систем давно ведутся в Московском государственном авиационно-технологическом университете (МГАТУ, бывший МАТИ) под руководством В.А. Иванова и Ю.С. Ситарского. В последние годы подобные исследования начаты в Московском авиационном институте, Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана, Военной инженерной космической академии им. Н.А. Можайского. Изучением электродинамики и радиофизики тросовых систем занимаются в ЦНИИ машиностроения, Институте радиотехники и электроники РАН, Московском физико-техническом институте.

В последние годы в НПО машиностроения совместно с Институтом земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн разрабатывался проект эксперимента на станции "Алмаз", где предполагалось отвести на тросе платформу с аппаратурой для геофизических исследований. В НПО им. С.А. Лавочкина разрабатываются проекты марсианского тросового пенетратора на базе межпланетной станции "Фобос" и тросовой системы для обслуживания орбитальной станции на базе спутника "Прогноз". Институтом космических исследований РАН предложен проект тросовой системы в форме тетраэдра для исследования электрических и магнитных полей в околоземном пространстве. В Московском техническом университете связи и информатики ведутся исследования систем с "бегущими" тросами.

В последнее время проводится работа по тросовым системам с участием иностранных специалистов. В Самарском авиационном институте и Центральном специальном конструкторском бюро (ЦСКБ) совместно с немецкими фирмами ведется разработка проекта эксперимента с привязной капсулой "Rapunzel" на спутнике "Фотон". В ЦНИИМаш по гранту NASA разработан проект двойной электродинамической тросовой системы ТЭДОС на корабле "Прогресс-М".

В РКК "Энергия" во взаимодействии с европейскими специалистами разрабатывается проект возвращения баллистических капсул и грузовых кораблей с пилотируемой станции при помощи длинных тросов. В 1994 г. в сотрудничестве с немецкой фирмой "Kayser Threde" был создан проект совместного эксперимента "Tpoc-Rapunzel", затем по заказу Европейского космического агентства (ESA) прорабатывался эксперимент тросового спуска капсулы "Радуга".

Возобновившиеся в РКК "Энергия" активные работы по космическим тросовым системам были направлены на освоение и применение таких систем в рамках пилотируемых космических станций. Разработанная концепция развития отечественных работ в этой области предусматривает следующее. На первом этапе - проведение на орбитальных станциях серии космических экспериментов с тросовыми системами "Трос-1", "Трос-1А", "Вулкан" и "Трос-2". В перспективе предполагалось создание и опытная эксплуатация на новой орбитальной станции тросовых систем транспортного, энергетического и исследовательского назначения, а в еще более отдаленном будущем - создание орбитального пилотируемого комплекса с многофункциональным использованием технологий тросовых систем. После развала СССР от этих планов пришлось отказаться. Однако предложенная еще в конце 80-х годов программа экспериментов представляет отнюдь не только исторический интерес и вполне может быть осуществлена в рамках проекта по созданию Международной космической станции.

Космический эксперимент "Трос-1" - оригинальная отечественная разработка, выполняемая в РКК "Энергия" с 1989 г. Эксперимент предусматривает исследование механики развертывания, полет и разделение тросовой системы с отработкой безрасходного орбитального маневра. В программе "Трос-1" предполагалось создать на орбите тросовую систему, состоящую из станции "Мир" и корабля "Прогресс-М", соединённых 20-км тросом из синтетического волокна. В течение недели система должна совершать орбитальный полет, после чего будет осуществлено ее разделение. При этом корабль перейдет на более низкую орбиту, а станция увеличит высоту орбиты (такой маневр сэкономит около 150 кг топлива).

Эксперимент "Трос-1А" по своему замыслу аналогичен Трос-1 " и отличается от него увеличением длины троса до 50 км. Применение троса такой длины позволит без затрат топлива осуществить спуск грузового корабля с орбиты и его затопление в заданном районе Тихого океана. При этом орбитальная станция повысит высоту орбиты почти на 10 км, а экономия топлива составит до 400 кг.

В следующем эксперименте "Вулкан" предполагается развернуть на орбите модельный аналог электродинамической тросовой системы: из грузового корабля будет выдвигаться 100-м штанга с приборным контейнером на конце. Размещенная на корабле и в контейнере электронная аппаратура с плазменными контакторами сможет выполнить исследования электродинамических характеристик системы и различных явлений в магнитном поле Земли и ионосферной плазме. Кроме того, на борту орбитальной станции и на специально развертываемых наземных пунктах планируется принимать и анализировать излучаемые сверхнизкочастотные радиосигналы. В ходе 20-суточного полета пройдет отработка функционирования в генераторном, двигательном, элект-ропередающем и излучательном режимах, а также управления ориентацией на орбите.

Заключительный эксперимент "Трос-2" задумывался как комплекс всесторонних исследований механики, электродинамики и радиофизики орбитальной тросовой системы, состоящей из орбитальной станции и грузового корабля, соединенных 20-км кабелем, по которому движется лифтовая тележка. Размещенная на станции, корабле и тележке аппаратура позволит осуществить опытную эксплуатацию системы в различных режимах и провести уточненные исследования ее динамических и электромагнитных свойств. Предполагалось, что орбитальный полет тросовой системы продлится не менее месяца, после чего, как и в экспериментах "Трос-1" и "Tpoc-1 A", проводиться ее разделение.

Успешное проведение экспериментов "Трос-1" и "Трос-1 А" позволит приступить к созданию и последующей эксплуатации на орбитальной станции транспортной тросовой системы многократного использования для спуска с орбиты возвращаемых капсул, отработавших кораблей и модулей, ферм и панелей. Эта же система применима и для периодического подъема высоты орбиты станции без затрат топлива. По предварительным проработкам, основой системы станет включаемый в состав станции специальный модуль. В его состав войдет лебедка для развертывания 60-км троса, механизм выдвижения и втягивания 100-м фермы и устройство захвата и сброса грузов.

После выполнения экспериментов "Вулкан" и "Трос-2" предполагалось начать разработку штатно эксплуатируемой на станции тросовой системы. На конце длинного кабеля крепят солнечную или ядерную энергоустановку. Вырабатываемую электроэнергию от установки предполагается передавать по кабелю на станцию и использовать для энергообеспечения ее служебных систем и других размещенных на борту приборов. Кроме того, при двигательном режиме работы системы электрический ток в кабеле, взаимодействуя с магнитным полем Земли, позволит электродинамически поддерживать или медленно повышать высоту орбиты станции. Работа в генераторном режиме за счет частичного снижения орбиты системы даст возможность получать на станция за короткое время электроэнергию большой мощности.

По материалам Интернет