«Техника-молодежи» 1997 №4, с.30-31

СПУТНИК

Станислав ЗИГУНЕНКО, инженер

НА ПРИВЯЗИ

— ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ XXI ВЕКА

За минувшие 20 лет наш журнал писал об идее «космического лифта» неоднократно, даже опубликовал роман А.Кларка «Фонтаны рая», основанный на ней. Однако ныне мы вынуждены вернуться к этой теме еще раз. И вот почему...

25 февраля 1996 г. экипаж космического «шаттла» «Колумбия» провел эксперимент 1-R, который не получил особого освещения в средствах массовой информации. Во-первых, наверное, потому, что выполнялся он по заказу не только NASA, но и NRO — Национального отделения средств разведки, а значит, был секретным. Во-вторых, из-за того, что похвалиться его 100-процентным исполнением астронавты никак не могли. В самый ответственный момент оборвался трос, соединявший два «небесных тела», и одно из них было потеряно безвозвратно.

Тем не менее, на том американцы не остановились. Помедлив до осени, NRO впервые за 35-летнюю историю открыто признало свою ведущую роль в запуске еще одного космического аппарата — TIPS — и поведало некоторые подробности осуществленных с его помощью исследований.

Согласно официальному сообщению, TIPS, выведенный на орбиту 20 июня 1996 г., был разработан и построен Центром космической техники ВМФ в Вашингтоне. NRO же оплатило все расходы на проведение эксперимента (4 млн дол.). А главное, запуск данного аппарата является следствием серии опытов, начатых NASA несколько лет назад, в том числе и упомянутого американо-итальянского эксперимента на «шаттле» «Колумбия». Тогда 400 тыс. дол. были потрачены на то, чтобы убедиться в принципиальной возможности получения электроэнергии в космосе с помощью тросовых систем.

Тут, наверное, стоит прервать рассказ и напомнить об одной нашей публикации. А именно: в «ТМ», № 10 за 1990 г, была помещена обзорная статья доктора физико-математических наук Владимира Белецкого и кандидата тех же наук Евгения Левина, в которой анализировались как отечественные, так и зарубежные проекты таких систем.

В частности, там говорилось следующее: «С помощью электропроводящих тросов в космосе можно осуществлять в высшей степени интересные эксперименты... Как же они будут происходить? Грузовой отсек орбитального самолета открыт. В нем находится лебедка и приемная штанга длиной около 10 м. Субспутник на тросе выпущен вверх. Из него в разные стороны выдвинуты электрические датчики. С точки зрения действия на субспутник микротяжести, его расположение вверх ничем не отличается от нижней позиции. Но в верхнем положении будет меньше аэродинамическое торможение, поскольку плотность воздуха там меньше.

Можно ли пропускать по такому тросу постоянный ток? Казалось бы, нет. Контур не замкнут. Но ведь он движется в проводящей ионосферной плазме. Ток, текущий по тросу, может замыкаться через окружающую среду. Для этого на его концах достаточно установить специальные контактные устройства. Конечно, сам трос должен быть покрыт изоляцией, чтобы предотвратить стекание заряда со всей его поверхности».

Отметим прозорливость наших авторов. Все именно так и происходило на самом деле, когда «Колумбия» после выхода на орбиту выпустила из грузового отсека итальянский спутник TSS.

По мере того, как оба искусственных тела расходились друг от друга, между ними возник и рос электрический потенциал. Дело в том, что когда два тела находятся на разных высотах в ионосфере Земли, то на них в единицу времени падают неравные потоки заряженных частиц ионосферной плазмы. И тем самым доставляют на их поверхность отрицательные заряды разной величины.

В итоге удалось получить силу тока 0,5 А при напряжении 3500 В. Вероятно, результаты были бы внушительнее, если бы не оборвался трос длиной около 20 км, связывающий «шаттл» и спутник. Эксперимент пришлось прервать.

Для наглядности художник М.Дмитриев изобразил сразу оба проводившихся эксперимента. Справа видно, как держит спутник на привязи «шаттл» «Колумбия». Слева — тросовая система TiPS.

Тем не менее и достигнутого хватило для того, чтобы убедить заказчика в необходимости продолжения опытов. «Тот факт, что измеренная сила тока оказалась втрое больше расчетной, сулит хорошие перспективы применения данного метода для получения энергии на околоземной орбите даже тогда, когда космический аппарат находится в тени планеты и его солнечные батареи работать не могут», — заявил ведущий научный специалист проекта из Центра космических полетов им. Дж. Маршалла Ноби Стоун.

Возможно, увеличение силы тока, по сравнению с расчетной, произошло из-за быстрой ионизации газа, выброшенного из сопел двигателей спутника, при его «отчаливании» от «челнока». Буквально сразу после испускания газа в тросовой системе произошел всплеск силы тока при падении напряжения на несколько сотен вольт, что тотчас было зафиксировано научной аппаратурой космического «челнока».

...Итак, заказчик оказался заинтригован полученными результатами. И после «Колумбии» в космос отправилась ракета-носитель «Титан-4», имевшая на борту в качестве секретной полезной нагрузки уже два спутника. 20 июня 1996 г, как уже говорилось, аппарат TIPS отделился от спутника-носителя и вышел на круговую орбиту с высотой 967 км и наклонением 63,4°. В течение 4 мин две концевые массы, соединенные тросом, оказались разведенными на расстояние 3,98 км.

Конечно, это не 20 км, но все-таки... «Трос очень тонкий, и мы хотим знать, сколько недель, месяцев или лет он сможет выстоять», — признался начальник подразделения малых спутников в NRO полковник Майкл Рустан. И пояснил, что авария с тросом на «Колумбии» далеко не единственное происшествие такого рода. По заказу NASA, в 1993 и 1994 гг, на ракетах-носителях «Дельта» в космос были доставлены две тросовые системы для испытания их на прочность. И если в первом случае все обошлось более-менее благополучно, то во втором — трос, развернутый на длину около 20 км, порвался уже через 5 дней. «Возможно, он был поврежден при столкновении с микрометеоритом», — сделали заключение эксперты.

Прошлогодний (июньский) трос пока в целости и сохранности; по крайней мере, сообщений об его разрушении не поступало. Комментируя ход эксперимента, руководитель проекта TIPS от ВМФ Билл Перди сказал: «Мы хотим накопить достаточно данных для того, чтобы создавать тросовые системы с ресурсом не менее 5 лет — тем же, что и сами типовые спутники».

Заметим, что В.Белецкий и Е.Левин рассчитали и условия, при которых можно не опасаться за целостность подвесок, используемых в космосе.

«Так, стальная проволока, если ее подвесить над поверхностью Земли, разрывается уже при длине 20—50 км, — пишут ученые, — углеродные волокна — 100—140 км, волокна кевлара — около 200 км, кварцевая нить — 280 км». О том говорит сопромат. На самом же деле и 280 км — не предел. Дело в том, что ускорение микротяжести (разности между силой тяжести и центробежной силой, возникающей при вращении на орбите) неодинаково по всей длине. Если на низких орбитах микротяжесть на конце того же 20-километрового троса составляет 0,9 % от тяжести, то на конце 100-километрового — всего лишь 4,5%. Поэтому максимальное натяжение намного меньше его полного веса. А следовательно, его разрывная длина может быть существенно больше. Например, для стальной проволоки она получается равной 300—500 км, для углеродных волокон — 700—800 км, кевларовых — около 1000 км и для кварцевой нити — 1200 км.

Правда, в космосе у длинного тонкого троса есть безжалостный враг — микрометеориты. Как исследователи убедились на печальном опыте, вероятность, что они перебьют его, достаточно велика. Поэтому для надежности придется, видимо, использовать в ряде случаев достаточно широкие ленты, которые сохранят свою прочность, даже пробитые микрометеоритами в нескольких местах.

При такой конструкции, а также налаженной ремонтной службе можно гарантировать долговечность подвески.

В заключение поговорим еще об одном возможном применении тросовых систем. Как писали наши авторы, выведенная в космос связка иэ двух космических аппаратов обязательно натягивает сцепку, поскольку равновесное состояние существует только в центре масс, где сила притяжения уравновешивается центробежной. Для нижнего тела связки притяжение Земли превосходит центробежную силу, и микротяжесть тянет его вниз. Для верхнего, напротив, центробежная сила преобладает, и его тянет вверх.

Если мы расположим оба тела на орбите произвольно, то через некоторое время они займут строго вертикальное положение, при котором обе силы уравновешиваются.

Это явление гравитационной стабилизации можно, в принципе, использовать для взаимного ориентирования тех или иных космических объектов. Однако такие опыты пока программой не предусмотрены. «Требуется слишком длинный трос, — признали участники пресс-конференции, — и мы боимся за его целостность».

Зато другое теоретическое положение наших авторов было проверено, хотя и невольно, в феврале 1998 г, а именно — «эффект пращи». Когда трос оборвался, система из двух тел перестала функционировать и спутник отбросило вверх. Его орбита из круговой, высотой в 296 км, стала эллиптической с параметрами 425 и 275 км. «Возможно, со временем мы научимся таким образом точно отбрасывать нужные объекты на пару сотен миль, — считают эксперты, — но ныне говорить о подобной практике рано...»

Пока же в ходе опытов, которые продлятся, минимум, два года, предстоит выяснить, как длина троса влияет на угасание маятниковых колебаний, которые искусственные «небесные тела» испытывают при развертывании подвесной системы, определить, насколько она устойчива и, наконец, насколько прочны существующие тросы, годятся ли они для космических целей.

Ну, а там, возможно, дело дойдет и до проверки дальнейших выкладок наших авторов.