Тросовая система в космосе
Введение
Проблемой проекта являются неизвестные характеристики, которым должен соответствовать трос, вплоть до материала, из которого он должен состоять, необходимый размер, длинна, ширина, высота расположения.
Целью проекта является исследование и расчеты необходимых характеристик. Доказать, что трос возможно и полезно использовать в космической промышленности. Доказать, что возможно провести трос от луны к земной орбите.
Задачей проекта является проведение расчетов относительно характеристик троса, его расположения и необходимого материала.
Что такое космическая тросовая система?
Космическая тросовая система - это комплекс искусственных космических объектов (спутников, кораблей, грузов), соединенных длинными тонкими гибкими элементами (тросами, кабелями, шлангами), совершающий орбитальный полет. В наиболее простом виде - это связка двух космических аппаратов, соединенных тросом длиной в десятки или даже сотни километров. Сложные тросовые системы могут иметь много космических объектов, соединенных тросами в форме замкнутых колец, древовидных образований, объемных многогранников. Космические тросовые системы - позволяют выполнять задачи, которые невозможно, нецелесообразно или неэкономично решать с помощью существующих средств космической техники.
Тросовые системы отличаются тремя основными особенностями от космических аппаратов традиционного типа. Первая - большая протяженность, обеспечивающая устойчивое вертикальное положение системы на орбите, причем на концах системы создается малая искусственная тяжесть. Соединенные тросом аппараты имеют недостаток или избыток орбитальной скорости, а их движение выполняется с одним периодом обращения на разных высотах. Вторая особенность - гибко изменяемая конфигурация, возможность изменения длины тросов путем их выпуска и втягивания.
Это позволяет регулировать взаимное положение и ориентацию аппаратов, присоединять и отцеплять другие объекты от тросов, передвигать по ним грузы. Третье отличие - активное взаимодействие электропроводного троса с внешней средой, в первую очередь, с магнитным полем и ионосферой Земли, обеспечивающее функционирование системы в генераторном, двигательном, электропередающем и излучающим режимах.
В зависимости от того, какая из этих особенностей преобладает у данной тросовой системы, какое свойство используется при эксплуатации, проекты таких систем можно разделить на три типа. У "статических" систем в процессе эксплуатации количество и длины тросов, количество и массы объектов, их взаимное положение и ориентация остаются постоянными. К третьему типу относятся "динамические" системы, существенно изменяющие количество и длину тросов, количество и массу объектов, их взаимное положение и ориентацию. "Электромагнитные" системы снабжены электропроводными изолированными тросами с плазменными контакторами на концах и активно взаимодействуют с магнитным полем и ионосферой Земли. космический трос спутник орбитальный
Как могут использоваться тросовые системы в космосе?
Статические тросовые системы могут использоваться в исследованиях дальнего космоса, околоземного пространства, атмосферы и поверхности Земли с помощью протяженных измерительных систем, датчиков геофизических полей, разнесенных или распределенных вдоль троса и опускаемых на тросе на низкие высоты атмосферных зондов. На космических аппаратах в составе таких систем можно проводить различные эксперименты и технические операции в специфических условиях микро гравитации и отсутствия собственной внешней атмосферы вокруг аппаратов. Используя архитектурный принцип построения тросовых систем, в космосе можно будет создавать сложные сооружения больших размеров, например, космические электростанции, поселения, заводы, оранжереи.
Динамические тросовые системы могут использоваться для выполнения орбитальных маневров космических аппаратов без затрат топлива - либо путем отведения аппарата на тросе с последующей его отцепкой, либо захватом и подтягиванием аппарата тросом. Например, если от орбитальной станции отвести вниз на тросе длиной около 50 км грузовой корабль и затем отделить его, корабль сойдет с орбиты на Землю не затрачивая на это ни капли топлива. На лифтах, движущихся по тросам, предполагается перемещать грузы и экипажи, а используя поворотную штангу с выходящим с конца тросом, ориентировать в пространстве висящий на тросе аппарат.
Электромагнитные тросовые системы могут вырабатывать за счет использования части кинетической энергии орбитального движения системы электроэнергию мощностью до 1 МВт. Электроэнергией, получаемой от бортового генератора, можно поддерживать или медленно повышать высоту орбиты тросовой системы без затрат топлива. Используя некоторые электродинамические эффекты, возможно с минимальными потерями передавать электроэнергию по длинному тросу между разнесенными космическими аппаратами. Трос в качестве передающей антенны позволяет осуществлять эффективное излучение радиоволн низкочастотных диапазонов - этот принцип найдет применение в глобальных системах космической связи.
Экспериментальный опыт.
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, соединенном 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. Таким образом, в середине 60-х гг. наша страна лидировала по работам в области космических тросовых систем. Для дальнейшего развития этих работ имелись все предпосылки и условия.
Однако в последующие годы из-за отсутствия заинтересованности руководства в продолжении этих разработок инициатива была перехвачена специалистами США. 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 России многочисленные проекты их практического применения в космосе и активно выступавшего за развитие такого направления
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. 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. В первом эксперименте отрабатывался без расходный 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.
Лифт Луна-точка либрации.
В исследовательской части своего проекта предлагаю протянуть трос от луны до точки либрации и использовать его как лифт. Трос будет начинаться от лунной поверхности и будет проходить первую точку либрации где превалирующие силы тяжести земли и луны, будут друг друга уравновешивать, где сила тяжести будет ровна нулю. Здесь будет заканчиваться первый сегмент троса, который будет притягиваться гравитацией луны, на этой части троса будет располагаться мощная электростанция на солнечных батареях, которая будет питать трос электричеством необходимый для движения лифта и работы экипажа. Пройдя первую точку либрации, будет начинаться второй сегмент троса который будет притягивать сила земного притяжения, эта часть протянется к земле, точнее к ее орбите. На конце троса будет располагаться станция, которая будет встречать грузы и отправлять их на лифте на Луну или отцеплять и отправлять на землю. (рис. I)
Расчет Длинны троса.
Для начала необходимо найти расстояние до первой точки либрации, для этого запишем второй закон Ньютона:
В ходе преобразования (m) сокращается. Дальше выводим рабочую формулу для R1 и находим расстояние от поверхности луны до первой точки либрации:
В ходе не сложных математических и вычислений мы получаем
Rс=58250 км. R2=R - Rс=384467 - 58250=326217км.
Расчет необходимого материала.
Выделим участок троса минимальной Dr Длины и распишем силы, действующие на него по второму закону Ньютона (рис. II): где:
,
Выразив DT, получим:
С другой стороны:
Следовательно, выражение примет вид:
Таким образом, сила натяжения троса будет равна сумме элементарных натяжений:
,
Откуда
,
Вычислим. Расстояние можно определить из приближенного соотношения
,
Где
.
Тогда
,
Произведя интегрирование, получим:
Исходя из последнего выражения мы получаем
Дополнительные значения взяты из таблицы (рис III). Подставляем полученные значения
.
Выбираем материал для троса из условия:
В данном случае мы выбираем углеродные нано трубки, необходимая информация приведена на (рис. III).
,
Или,
Где - допустимое напряжение
пусть (n=5)
Таким образом мы нашли допустимое значение К-разрушения для троса длинной 377557км в данном случае это расстояние нам не подходит, но при меньшей длине троса где К будет равно меньшему значению. Но если мы изменим конфигурацию троса относительно его параметров в таком случае допустимое значение разрушения будет больше значения полного разрушения.
Выводы
В ряде приведенных выше вычислений доказано:
- 1) Что вполне возможно установить трос на луне и протянуть его до около земной орбиты. 2) При вычислении была найдена уточка Лагранжа и общая длинна троса необходимая для рентабельной эксплуатации троса. 3) Также выведена формула для расчета дополнительных характеристик троса, а точнее его необходимого коэффициента прочности троса при заданной длине. Найден необходимый материал троса. 4) Данный проект требует дополнительного исследования, после поступления и окончания МГТУ им. Н. Э. Баумана, я планирую продолжать заниматься этим проектом и его исследованием.
Список литературы
- 1. http://dyna15.narod. ru/kts/history. htm 2. http://allrefs. net/c30/229vb/ 3. http://www. docme. ru/doc/167720/trosovye-sistemy-v-kosmose 4. Куликовский П. Г. Справочник любителя астрономии. - М., 1997 г. 5. Энциклопедия "Космонавтика". - М., 1985 г.
Похожие статьи
-
Планеты Солнечной системы - Земля Земля является третьей по счету, следующей за Венерой, планетой Солнечной системы. Она является самой крупной, и по...
-
В системах двух массивных тел, вращающихся вокруг общего барицентра с постоянной угловой скоростью, существует пять точек, будучи помещенным в которые,...
-
Современные ракеты и их устройство - Первый полет в космос: как это было
Запуск космических аппаратов на околоземные орбиты и осуществление полетов к Луне, планетам и другим телам Солнечной системы стало возможно после...
-
Государство Описание разработки Принцип работы США Для решения проблемы вывода с орбиты Это -- электродинамический фал. Он Отработавшего Спутника...
-
ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ - Происхождение Космоса и Солнечной системы
Проблема жизни в космосе - одна из наиболее увлекательных и популярных проблем в науке о Вселенной, которая с давних пор волнует не только ученых, но и...
-
Типы ограниченных орбит вокруг точки L2 системы Солнце-Земля Анализируя решение (2.4) линеаризованной системы (2.3), можно заключить, что амплитуды...
-
Поскольку решения уравнений (2.2), описывающих движение КА в окрестности точек либрации, являются неустойчивыми, поиск начальных условий, приводящих к...
-
Начало космической эры - Исследование космоса
4 октября 1957 г. СССР произвел запуск первого в мире искуственного спутника Земли. Первый советский спутник позволил впервые измерить плотность верхней...
-
Исследования Солнечной системы - Наша Солнечная система
Расширение спектрального диапазона наблюдений способствовало изучению планет и других объектов Солнечной системы. ИК-спектроскопия позволила определить...
-
Точками либрации в ограниченной задаче трех тел, описывающей движение тела малой массы в гравитационном поле, создаваемом двумя массивными телами,...
-
Введение Быть может, уже много тысяч лет назад, глядя на ночное небо, человек мечтал о полете к звездам. Мириады мерцающих ночных светил заставляли его...
-
Классификация, объемы и области накопления космического мусора - Экология космоса. Космический мусор
Объектами риска называются все объекты, которые могут доставить массу неприятностей. Основной мусор летает на орбитах значительно выше, чем МКС. Именно...
-
ЭЛЕМЕНТЫ КОСМОЛОГИИ - Происхождение Космоса и Солнечной системы
Вселенная - это все существующее. От мельчайших пылинок и атомов до огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем. Поэтому не будет...
-
ВВЕДЕНИЕ - Происхождение Космоса и Солнечной системы
Что есть Земля, Луна, Солнце, звезды? Где начало и где конец Вселенной, как долго она существует, из чего состоит и где границы ее познания? Изучение...
-
Метеориты - вестники космоса - Строение Солнечной системы
Метеориты - каменные или железные тела, падающие на Землю из межпланетного пространства. Падение метеоритов на Землю сопровождается звуковым, световым и...
-
УСЛОВИЯ ДЛЯ ЖИЗНИ В КОСМОСЕ - Поиски жизни в Солнечной системе
В космосе мы встречаем широкий спектр физических условий: температура вещества меняется от 3--5 К до 107--108 К, а плотность -- от 10-22 до 1018 кг/см3....
-
Теория академика О. Ю. Шмидта - Происхождение Космоса и Солнечной системы
Теория, основы которой были заложены академиком О. Ю.Шмидтом, является наиболее разработанной, поэтому ее я и привожу. О. Ю.Шмидт исходил сначала из...
-
Изучение Земли из космоса - Место Земли в Солнечной системе
Человек впервые оценил роль спутников для контроля за состоянием сельскохозяйственных угодий, лесов и других природных ресурсов Земли лишь спустя...
-
Немного истории - Все о планетах Солнечной системы
Ранее, планетой считалось любое тело, которое обращается вокруг звезды, светится отраженным от нее светом и имеет размер больше, чем у астероидов. Еще в...
-
Важнейшие точки и линии эллипса. - Строение Солнечной системы
Эллипс определяется как геометрическое место точек, для которых сумма расстояний от двух заданных точек (фокусов F1 и F2) есть величина постоянная и...
-
Орбита - Земле: что упаковал космос для тебя? - А жив ли космический тюбик?
В то время, как современные космонавты все чаще используют тубы не для еды, а в качестве шприцев для инъекций, мы, покупая в аптеках таблетки и...
-
Черные дыры - Освоение космоса
О черных дырах узнали в 1960-х годах. Оказалось, что если бы наши глаза могли видеть только рентгеновское излучение, то звездное небо над нами выглядело...
-
Проблемы освоения космоса - Проблемы и перспективы освоения космоса
Злободневность постановки этой проблемы достаточно очевидна. Полеты человека на околоземных орбитах помогли нам составить истинную картину поверхности...
-
Решение актуальных задач управления с течением времени нуждается в поиске и разработке все более новых теоретических и подтвержденных на практике методов...
-
Причины и принцип движения Луны относительно Земли не значительно отличаются от движения Земли относительно Солнца, смотри Раздел 3. Принципиальная схема...
-
Долговременные орбитальные станции - Освоение космоса
Важным направлением советской программы космических исследований является создание долговременных орбитальных станций. В 1977г. вышла на орбиту летающая...
-
В дальний космос - Освоение космоса
Возможности научных экспериментов по изучению Вселенной за пределами атмосферы Земли поистине неисчерпаемы. Однако для длительного пребывания человека в...
-
Истоки российской космонавтики - Прорыв России в Космос
Выход человечества в космос - закономерный процесс исторического развития: в нем отражена вечная потребность людей познавать тайны природы, искать новые...
-
Начало космической эры - Мы первыми шагнули в космос
И так через 40 лет после того как был найден проект летательного аппарата, созданный Кибальчичем, 4 октября 1957 г. бывший СССР произвел запуск первого в...
-
Гелиоцентрическая система мира - Николай Коперник и его открытия
Размышляя о Птолемеевой системе мира, Коперник поражался ее сложности и искусственности, и, изучая сочинения древних философов, особенно Никиты...
-
НАШ БОЛЬШОЙ ДОМ - СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА - Космонавтика: прошлое, настоящее, будущее
Однако индустриализацией космоса космонавтика отнюдь не исчерпывается. Просто есть вещи, которые нужно делать для физического выживания, а есть, говоря...
-
Земля - Строение Солнечной системы
Землям - третья от Солнца планета Солнечной системы, крупнейшая по диаметру, массе и плотности среди планет земной группы. Чаще всего упоминается как...
-
Для решения задачи по сбору мусора предлагается создание специального космического корабля - космического сборщика мусора (КСМ), который на околоземной...
-
Становление гелиоцентрического мировоззрения - Гелиоцентрические системы мира
3. В древности кроме Аристарха Самосского негеоцентрические идеи высказывались пифагорейцами Филолаем (считавшим, что все планеты и солнце вращаются...
-
Опасность, исходящая от астероидов и комет - Опасности космоса
К Земле постоянно настойчиво стремятся посланцы вечности - астероиды и всевозможные кометы. Наибольшую тревогу у ученых вызывает астероид "Апофиз",...
-
Здесь рассматривается межорбитальная транспортная система по своему построению аналогичная той, что исследована в работах [1, 2], однако дополнительно...
-
Стратегиям удержания КА на ограниченных орбитах (гало-орбитах, орбитах Лиссажу и прочих) посвящены многие статьи. В данном разделе приведены краткие...
-
Стратегиям удержания КА на ограниченных орбитах (гало-орбитах, орбитах Лиссажу и прочих) посвящены многие статьи. В данном разделе приведены краткие...
-
Формирование звезд и галактик - Происхождение Космоса и Солнечной системы
Научные основы космогонии были заложены еще Н. Ньютоном, который показал, что равномерное распределение вещества в пространстве является неустойчивым и...
-
ЗАКЛЮЧЕНИЕ, СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ - Происхождение Космоса и Солнечной системы
Мы знаем строение Вселенной в огромном объеме пространства, для пересечения которого свету требуются миллиарды лет. Но пытливая мысль человека стремится...
Тросовая система в космосе