Главная Статьи Формация на тросе

Формация на тросе

Эксперимент на борту МКС (nssdc.gsfc.nasa.gov)
Эксперимент на борту МКС (nssdc.gsfc.nasa.gov)

Системы поддержания формаций спутников, существующие на данный момент или только разрабатываемые, имеют один из двух недостатков. Эти системы либо имеют небольшую точность, либо высокую стоимость или малый срок службы. К первому типу относятся перспективные средства поддержания формаций, такие как электромагнитные системы, группы с перераспределением импульса за счет переброски массы и т.п. Ко второму типу относятся стандартные двигательные установки, которые требуют создания более крупных аппаратов, имеющих на борту запас топлива. В любом случае, их срок службы ограничен. На стыке этих двух групп располагаются тросовые системы. Они имеют высокую точность, как и двигательные установки, но не требуют большого запаса топлива и относятся к перспективным космическим технологиям. Тросовая система, тем не менее, должна включать дополнительные средства разведения, развертывания тросов и их поддержания. Обычно в этом случае рассматривается двигательная установка, которая при работе в тросовой системе расходует намного меньше рабочего тела. Однако для разведения и поддержания могут использоваться другие передовые системы или современные исполнительные элементы, такие как маховики. В этом случае совместное использование тросов и, например, электромагнитной системы, позволит создать высокоточную систему поддержания формации, имеющую неограниченный срок службы.

Наличие легкой связи, объединяющей аппараты формации в единую структуру, одновременно сохраняет большую часть степеней свободы каждого элемента и позволяет управлять ею как единым целым. При этом, изменяя сложность системы и стоимость исполнительных элементов (тип троса), можно добиться как максимальной точности (например, при создании космического телескопа), так и минимизации цены всей системы (например, околоземные научные исследования). Однако при реализации тросовой системы управления формацией возникает ряд трудностей. При необходимости достижения высокой точности конфигурации системы требуется поддерживать в тросах минимальное натяжение, что позволяет ограничить нежелательные гистерезисные эффекты и остаточное напряжение. Вместе с тем, натяжение должно быть в несколько раз меньше натяжения на разрыв для троса. Это одна из основных технологических проблем в создании тросовых систем (не только для формаций спутников), так как современные материалы не позволяют создавать достаточно тонкие и легкие тросы с высоким натяжением на разрыв. Однако, прогресс в нанотехнологиях позволяет надеяться, что в скором времени будут созданы тросовые системы для любых возможных вариантов формаций спутников. К материалу троса предъявляется и еще одно требование: он должен выдержать условия открытого космоса (в частности, бомбардировку микрометеороидами) в течение срока службы формации. Задача поддержания длины троса и разведения аппаратов решается при помощи дополнительных исполнительных элементов, зачастую используемых для поддержания свободных формаций. Кроме продольного натяжения, в тросовой системе необходимо обеспечить демпфирование поперечных колебаний троса. Если для продольного поддержания используются перспективные системы, возникающие из-за их работы колебания меньше, чем в случае использования двигательной установки. Однако колебания вызываются и другими причинами. В первую очередь это повреждения в структуре троса и его столкновения с микрометеороидами. Отдельно необходимо выделить колебания, возникающие при повороте всей системы на большой угол. Еще одна специфическая проблема тросовой системы – его тепловое растяжение при воздействии солнечного света. В простейшем случае удлинение троса линейно зависит от перепада температуры и его длины. За счет того, что процесс растяжения происходит достаточно медленно, уменьшая длину свободного троса, можно сохранить расстояние между аппаратами. Для этого требуется высокоточная система мониторинга текущей конфигурации, которая не только измеряет расстояние между аппаратами, но и натяжение тросов. Трудности, возникающие при разработке тросовой системы, приводят к ее малой популярности. Можно, однако, выделить два направления, в которых использование такой системы перспективно.

Взгляд художника на шаттл с прикрепленным аппаратом (wikipedia.org)
Взгляд художника на шаттл с прикрепленным аппаратом (wikipedia.org)
Формация спутников, соединенных тросами и закрученная вокруг общего центра, имеет серьезные преимущества перед невращающейся тросовой системой. В центре такой системы находится аппарат, к которому тросами прикреплены другие элементы формации. Вся система вращается как целое вокруг центрального аппарата, при этом отдельные элементы формации за счет изменения длины троса могут приближаться или удаляться от центрального. Поскольку возмущения, действующие на аппараты формации, малы, ее кинетический момент практически сохраняется. При этом чем быстрее закрутка, то есть чем больше кинетический момент системы, тем дольше формация удовлетворяет условиям номинальной ориентации. Фактически, система приобретает свойства гироскопа. Однако действие возмущений приводит к ее эволюции, поэтому в такой системе все же необходимо использовать дополнительные исполнительные элементы. Возникающее при вращении центробежное ускорение снимает проблему поддержания тросов в натянутом состоянии. При изменении длины тросов для регулирования положения вращающихся элементов формации изменяется момент инерции системы. При сохранении кинетического момента это приводит к изменению угловой скорости вращения. Для уменьшения ее колебаний тросы для каждого аппарата могут быть сделаны двусторонними, с закрепленной на втором конце компенсирующей массой. Перемещая ее одновременно с аппаратом на другом конце троса, можно до некоторой степени компенсировать изменение тензора инерции. Увеличивая расстояние до вращающихся аппаратов и масс, можно добиться уменьшения угловой скорости всей системы. Это позволяет перевести формацию в режим сбора научных данных, когда она вращается с малой скоростью, позволяющей проводить необходимые измерения. Для упрощения переориентации системы на центральном аппарате желательно иметь средства закрепления вращающихся аппаратов (например, выступающие полозья для тросов, которые также содержат демпфирующие устройства и увеличивают устойчивость всей системы). Тогда, втянув тросы, система может быть переведена в состояние одного аппарата, стабилизированного собственным вращением, система ориентации которого (закрутка, демпфирование, переориентация) может быть реализована при помощи простых исполнительных элементов. Преимуществами описанной конфигурации являются большая, чем у невращающейся системы, устойчивость, отсутствие системы поддержания тросов в натянутом состоянии (или ее значительное упрощение), простота переориентации системы. Основным недостатком является уменьшение числа степеней свободы системы. Фактически, такая конфигурация по своим свойствам ближе к одиночному аппарату, чем к формации.

Применение тросовых систем поддержания формации может быть оправдано при создании космических телескопов. В этом случае использование тросов может обеспечить требуемую точность позиционирования (до нескольких сантиметров) на больших расстояниях (километры). За счет этого возможно создание космических телескопов с интерферометрической базой, превышающей достижимую при использовании других средств поддержания (например, электромагнитное взаимодействие невозможно использовать на большом расстоянии). Использование тросов также позволяет уменьшить влияние возмущений. При создании космического телескопа можно применить подход, описанный выше, раскрутив его базу для упрощения управления и повышения устойчивости системы. Однако при этом возникнут ограничения на скорость закрутки, так как в каждом сеансе наблюдений каждый аппарат должен зарегистрировать определенное количество фотонов от изучаемого источника света с практически постоянной ориентацией. Поэтому для создания высокоточных телескопов на базе распределенных систем необходимо использование активного управления, в первую очередь – двигательной установки. Это приведет к ограничению срока службы системы, но он все же будет значительно больше, чем при использовании свободной формации. Значительные затраты топлива характерны для вторичного зеркала, который в такой формации реализуется как свободно летящий аппарат. Однако это позволяет производить его замену, сохраняя основную систему.

Взгляд художника на эксперимент TiPS  Исследовательской лаборатории ВМФ США (wikipedia.org)
Взгляд художника на эксперимент TiPS Исследовательской лаборатории ВМФ США (wikipedia.org)

Продолжением концепции формации спутников, связанных тросами, является концепция спутников на мембране. Такие мембраны могут быть использованы, например, для солнечного паруса или телескопов с большой апертурой. В настоящий момент актуальна проблема развертывания таких систем. При использовании мембраны, можно добиться более точного развертывания системы (особенно это важно для телескопов). В этом случае у мембраны есть возможность управлять не только граничными точками, но и иметь дополнительное управление узлом внутри всей области. С другой стороны, такая концепция так же позволяет обеспечивать более точное позиционирование спутников внутри группы.

Тросовые системы поддержания распределенных спутниковых систем являются высокоперспективными, но труднореализуемыми. Их преимуществом является высокая точность позиционирования, недостижимая современными методами без затрат рабочего тела двигательной установки или другими перспективными системами поддержания формаций. Недостатками являются сложность создания (тросы с подходящими свойствами еще не разработаны), геометрические ограничения на конфигурацию (что ограничивает реализуемость потенциальных проектов при помощи такой системы), сложность анализа динамики тросов и сложность замены вышедших из строя элементов формации.

 


Читайте также в статьях:
Космический лифт можно построить даже на Луне.Лунный лифт
Космический лифт можно построить даже на Луне.

Можно ли уже думать о постройке эффективного космического лифта?Время космического лифта
Можно ли уже думать о постройке эффективного космического лифта?

Медленно, но верно формации спутников осваивают космическое пространство.Формации спутников
Медленно, но верно формации спутников осваивают космическое пространство.

Читайте также в новостях:
27-08-2012
На Земле построить космический лифт пока не возможно. Зато можно на Луне!

 

У нас на сайте
Книги о космосе
собраны в одном месте

 

У нас на сайте, в разделе Разное речь идёт на все темы и обо всём на свете, которые могут заинтересовать любого пользователя интернет.

Текст перед ссылками: Готовые коттеджные поселки Краснодар. Коттеджные поселки в Краснодаре недорого. Разделитель ссылок: вот тут Разделитель ссылок: Безрамное остекление балкона в Краснодаре. Безрамное остекление лумон в Краснодаре. Текст после ссылок: