Применение тросовых систем для выполнения транспортных операций в космическом пространстве
В предлагаемом Вашему вниманию докладе излагаются результаты, которые основаны на работах, выполненных ранее нашим коллективом, по применению тросовых систем. Имеется в виду разработка универсальной платформы, предназначенной для автоматического монтажа грузов, подвешенных к подъемному механизму, строительному крану или вертолету. Другое направление - это разработка управляемой свободно летающей платформы, которая должна выполнять транспортные операции в окрестности орбитальной космической станции. Одним из этапов этих работ явилось изготовление действующего макета свободно летающей платформы. Макет подвешивается на тросе, и таким образом моделируется облет платформой имитатора орбитальной станции.
Опыт, полученный в этих работах, позволяет выдвинуть в определенной степени амбициозный проект использования тросовых систем для выполнения полетов в космическом пространстве. Стимулом для проведения подобной работы послужили следующие соображения.
Современная ракетная техника близка к пределам своих технических возможностей. Дальнейшее освоение космического пространства требует решения таких проблем, как создание постоянно действующих баз на Луне, а в перспективе и на Марсе, создание орбитальной станции на геостационарной орбите и т. д. Однако возможность реализации этих задач наталкивается на совершено невыполнимые требования к габаритам потребных технических систем и объемам экономических и финансовых затрат.
Действительно, параметры лучшей из созданных к настоящему времени ракет, а именно ракеты 'Энергия", таковы, что на поверхность Луны может быть доставлен груз, вес которого составляет 0.3-0.5% от стартового веса изделия, равного 2400т. Транспортное средство с такими параметрами не пригодно для обеспечения постоянно действующей базы на Луне. Если сравнить проектируемую ракету "Ангара", в тяжелом варианте, с ракетой "Протон", то при одинаковом стартовом весе "Ангара" должна выводить на орбиту вес около 28т, а "Протон" выводит 22т. Так как "Протон" "старше" на 40 лет, то это подтверждает вывод, что нет основания рассчитывать на то, что "Ангара" даст существенное улучшение технических параметров ракетных систем.
В то же время можно привести следующее простое рассуждение. Допустим, каким- либо образом с поверхности Земли на поверхность Луны был доставлен груз весом Р и одновременно груз такого же веса Р (это может быть лунный грунт) доставлен обратно с Луны на Землю. Если отвлечься от задачи доставки груза в заданный пункт и решать задачу обмена эквивалентными по массе грузами, то при выполнении такого обмена распределение масс между Землей и Луной не изменяется и в принципе для этого не требуется затраты энергии. Большинство транспортных задач, которые необходимо решать при эксплуатации существующих космических систем, а также при реализации перспективных проектов, относится к типу задач обмена. Действительно, при обслуживании лунной базы имеется неограниченный запас балласта для обмена на полезный груз, доставляемый на Луну. При обслуживании группировки связных спутников, геостационарных или низкоорбитальных, более разумно было бы не выводить новые спутники взамен выбывших из строя, а заменять отработавший свой ресурс спутник на новый. При обслуживании орбитальных станций, после завершения их строительства, основные транспортные операции - это экспедиции посещения и снабжения станции расходуемыми материалами. В этом случае происходит практически эквивалентный по массе обмен грузами.
Так как небесные тела находятся под действием консервативных сил, то теоретически перемещение в космическом пространстве требует меньших затрат энергии, чем передвижение по поверхности Земли, где преобладают диссипативные силы. Было бы соблазнительно организовать движение по принципу сжатой пружины, т. е. когда при полете в одну сторону как бы происходило сжатие условной пружины, а при обратном движении пружина бы разжималась.
Тросовые системы, принцип действия которых рассматриваются в данном докладе, должны выполнять роль этой пружины.
Были рассмотрены различные предварительные варианты тросовых систем, предназначенные для размещения в ближнем космосе, на геостационарной орбите и вблизи поверхности Луны и Марса. Принцип действия во всех этих схемах практически одинаков.
В первой части доклада излагается принцип действия тросовых систем, где он применяется к более общей задаче создания постоянно действующей транспортной трассы, предназначенной для вывода объектов за пределы земного тяготения и, в частности, достижения поверхности Луны. Работа составляющих подсистем проекта и предварительный анализ необходимых научно-технических решений рассматривается во второй части доклада на более конкретном примере. В этой части излагается предложение по оснащению орбитальной станции МКС тросовой системой.
1. Принцип построения транспортной трассы с применением тросовых систем для вывода грузов за пределы земного тяготения.
При выполнении транспортных операций по обмену грузами на удаленных от Земли орбитах предлагается использовать тросовую систему в виде пращи. Праща представляет собой два концевых блока, связанных между собой тросом. Система вращается в плоскости орбиты вокруг центра масс. Схема пращи приведена на рис 1.
Концевой блок представляет собой объект, комплектация подсистем которого почти совпадает с соответствующими системами универсальной платформы, предназначенной для установки строительных конструкций, а также с системами свободно летающей платформы. Он включает в себя импульсные двигатели тягой 50-200кг с запасом топлива, системы автономной ориентации объекта, а именно бесплатформенную систему ориентации (БИНС), акселерометры и систему астрокоррекции. В процессе развертывания пращи взаимное положение концевых блоков определяется на основе показаний позиционно-чувствительного оптического датчика, который измеряет компоненты вектора направления на световой репер. Задача развертывания троса, т.е. приведения пращи в рабочее состояние, рассмотрена во второй части доклада.
Покажем принципиальную схему функционирования тросовой системы, предназначенной для вывода КА вне пределов земного тяготения путем их обмена в пунктах контакта. Для решения этой задачи в данном варианте должна быть создана постоянно действующая тросовая система из двух пращей. Плоскость орбиты обеих пращей располагается в плоскости экватора. Схема расположения пращей показана на рис. 2.
В качестве примера приводятся численные значения параметров для одного из вариантов тросовой системы. Принимается, что праща симметрична, т.е. вес концевых блоков одинаков. Центр масс пращи 1 движется по круговой орбите с высотой 450км. Длина радиуса пращи, т.е. расстояние от центра масс до концевого блока, - 250км. Окружная скорость концевого блока относительно центра масс - 1800м/с. При этом на концевой блок действует центробежная сила, которая создает перегрузку равную 1.3. При данных параметрах на протяжении полного периода обращения концевых блоков относительно центра масс значение перегрузки меняется на 2-3%. В качестве высокопрочного материала троса принимается углеродное волокно "торнел-40". Если принять, что вес каждого концевого блока равен 5т, то при запасе прочности 2.5 вес троса для пращи 1 равен 60т. Скорость концевого блока в нижней точке Ар1 цикла вращения вокруг центра масс на высоте 200км равна 5840м/с, скорость в верхней точке Ср1 цикла вращения на высоте 700км равна 9440м/с.
Праща 2 выведена на эллиптическую орбиту, так что перигей орбиты, по которой движется центр масс, равен 27000км, а апогей - 30000км. Радиус пращи 2 равен 200км. Окружная скорость - 1450м/с. Перегрузка на концевом блоке -1.05. Вес троса равен 30т.
--
Математические модели тросовой системы
Для математического описания движения тросовой системы использовались математические модели различной степени сложности.
Модель а) - тросовая система представляется в виде стержня с двумя грузами на концах.
Модель в) - тросовая система представляется в виде двух грузов, находящихся в поле тяготения планеты, связанных невесомым растяжимым тросом. Уравнения движения составляются для грузов; сила натяжения пропорциональна удлинению троса.
Модель с) учитывает вес троса. Трос представляется в виде N точечных масс, связанных отрезками невесомого растяжимого троса. Соответствующее число уравнений движения в этой модели равно 6N. Рассматривалось число точечных масс N= 50-100.
Качественные результаты анализа различных режимов движения тросовой системы при использовании этих моделей удивительным образом оказываются близкими друг к другу. Моделирование колебания троса показывает, что в установившемся режиме параметры движения остаются неизменными на протяжении длительного времени.
1.2 Выполнение транспортной операции по обмену грузами.
Предполагается, что к концевому блоку пращи1 пристыкован космический аппарат КА2, который должен служить обменным грузом . Так как концевой блок находится под перегрузкой, величина которой равна 1.3, то стыковочный узел представляет собой крюк или перекладину, на котором висит КА2. Задача состоит в том, чтобы в нижней точке контакта Ар1 (рис. 2) обменять КА2 на новый объект КА1, доставленный ракетой-носителем.
К моменту подхода концевого блока к точке Ар1 в эту же зону ракетой доставляется КА2. Ракета выводит КА2 на высоту 200км над поверхностью Земли и сообщает ему горизонтальную скорость 5840м/с, что почти на 2000м/с меньше, чем круговая скорость на этой высоте. Вблизи точки Ар1 КА2 отделяется от ракеты и, корректируя свое движение собственными двигателями, выходит в зону контакта. Горизонтальные скорости двух тел в момент контакта совпадают и равны 5840м/с. Динамическая схема контакта в этом случае существенно отличается от схемы стыковки космических аппаратов. Наиболее близкая аналогия - это полеты цирковых гимнастов. Динамика контакта КА с концевым блоком пращи будет показана несколько позже.
После зацепления груза КА2 за стыковочный узел концевого блока происходит отделение КА1. Если веса КА1 и КА2 равны, то моделирование динамики процесса показывает, что продольные колебания троса практически не возбуждаются. При неполном совпадении веса обменных грузов возбуждаются продольные колебания троса, амплитуда которых пропорциональна относительной разнице весов КА1 и КА2. После отделения КА1 совершает спуск в атмосфере так, как скорость отделения 5840м/с. Если КА1 - это спускаемый аппарат, то тросовая система существенно облегчает условия спуска, так как начальная скорость оказывается на 2000м/с меньше, чем если бы спуск происходил по традиционной схеме.
Концевой блок вместе с КА1 совершает Ґ оборота вокруг центра масс пращи1 и отделяется в верхней точке Ср1. Скорость в момент отделения составляет 9440м/с, и поэтому КА1 выходит на эллиптическую орбиту, так что перигей орбиты касается траектории концевого блока пращи 1, апогей достигает траектории концевого блока пращи 2. Далее праща 2, в свою очередь, выводит КА на траекторию, выходящую за пределы земного тяготения. При проходе через тросовую систему равновесного груза в обратном направлении параметры движения пращей возвращаются к исходному положению. Необходимо, чтобы на соответствующих эллиптических орбитах находились обменные грузы.
На примере простой математической модели а) покажем, как при зацеплении груза за концевой блок пращи изменяется скорость орбитального движения центра масс. На рис. 3 приведена эпюра скоростей пращи в процессе вращения относительно центра масс Оп1. При зацеплении КА за концевой блок в нижней фазе вращения центр масс перемещается в точку Оп2 и как следует из рис. 3 скорость центра масс уменьшается. Для пращи 1 весом 60т. и окружной скоростью концевого блока относительно центра масс контакт с КА весом 5т замедляет орбитальную скорость на 150м/с. То же самое замедление происходит и при отделении КА в верхней фазе вращения. При обратном прохождении груза через пращу скорость орбитального движения соответственно увеличивается.
Некоторый опыт анализа показывает, что необязательно при каждом обмене грузами в пунктах контакта стремиться к равновесному обмену. Наоборот, неравный обмен дает больше вариантов выбора трассы полета. Важно соблюсти интегральный баланс веса для двусторонних потоков за определенное время.
Подобным образом можно создать транспортную трассу для обмена связных спутников на геостационарной орбите. С этой целью на соответствующую орбиту должна быть выведена праща 3. Тросовая система для обмена грузами с геостационарной орбитой будет состоять из пращи 1 и пращи 3.
Установка пращей на удаленные орбиты выполняется следующим образом. Праща развертывается на близкой к поверхности Земли орбите, на концевой блок ракетой-носителем доставляется разгонный модуль с запасом топлива. Тяга двигателей этого модуля, подвешенного к концевому блоку, сообщает центру масс пращи импульс скорости, необходимый для перелета пращи на заданную орбиту. Тяга двигателей должна быть направлена по вектору скорости центра масс; режим работы двигателей - это периодическая функция с периодом, равным периоду вращения пращи.
Результаты математического моделирования подобных маневров показывают, что праща представляет удобный для управления летательный аппарат: в полете она стабилизирована вращением; простота стыковочного узла позволяет несколькими порциями доставлять топливо для разгона, к тому же нет проблем с запуском двигателей в невесомости, так как концевой блок постоянно находится под действием центробежной силы.
1.3 . Обмен грузами с поверхностью Луны при использовании пращи "Л", выведенной на круговую орбиту вблизи поверхности Луны.
Праща "Л" развертывается около Земли, а затем переводится в окрестность Луны, где устанавливается на круговой орбите (рис, 4). Параметры пращи следующие. Высота над поверхностью Луны круговой орбиты, по которой движется центр масс пращи, около 200км, круговая скорость на этой высоте - 1590м/с, радиус пращи - 200км, окружная скорость около центра масс - 1585м/с. При выбранных таким образом параметрах скорость концевого блока относительно поверхности Луны в нижнем положении цикла вращения равна нулю. Контакт будет проходить на высоте 1-2км над поверхностью. Ракета с обменным грузом должна стартовать вертикально вверх и после обмена грузами в точке контакта опуститься на прежнее место. Суммарные затраты импульса скорости на эту операцию оцениваются 100-150м/с.
2. Предложения по оснащению МКС тросовой системой.
В этом варианте тросовая система является многофункциональной т. е. наряду с транспортными задачами может выполнять и другие задачи.
Разработка подобной системы это сложный научно-технический проект. В процессе исследования нами рассматривались только принцип действия системы, динамика движения и предложения по возможным алгоритмам управления. Что касается задач разработки элементов конструкции и выбора соответствующих высокопрочных материалов, то мы ограничились только оценками возможностей реализации этих систем.
Дальнейшее изложение сопровождается некоторыми иллюстративными результатами расчетов с той целью, чтобы можно было оценить конкретный выигрыш за счет применения тросовых систем и дать оценку геометрических и весовых размеров.
Предполагается, что МКС движется по круговой орбите на высоте 450км. Период обращения - около 5600с; вес станции - 400т. К нижней поверхности станции предлагается прикрепить длинный трос снабженный концевым блоком. В начальном положении трос должен располагаться вдоль радиуса - вектора по направлению к поверхности Земли, как показано на рис.5.
2.1 Задача развертывания троса в заданное положение
В процессе развертывания по мере удлинения троса выполняется программное торможение скорости концевого блока. Тяга двигателей коррекции концевого блока должна быть направлена по вектору скорости орбитального движения.
Предполагается, что концевой блок при полном развертывании достигнет высоты 180км от поверхности Земли (положение А на рис.5), т. е. длина троса составит 270км. Скорость концевого блока равна 7320м/с, что на 480м/с меньше, чем круговая скорость на этой высоте.
При точном выполнении программы торможения на протяжении всего времени развертывания трос располагается вдоль радиуса - вектора. Ошибки работы исполнительных органов корректируются двигателями концевого блока таким образом, чтобы направление на световой репер, которое определяется оптическим позиционно-чувствительным датчиком, совпадало с направлением радиуса вектора. В начале процесса развертывания небольшое натяжение троса создается двигателями концевого блока, затем появляется постоянно действующая сила натяжения троса. При полном развертывании натяжение троса создает на концевом блоке перегрузку равную 0.12, т. е. если вес блока равен 10т, то натяжение составит 1.2т. Программный расход топлива на развертывание троса с концевым блоком весом 10т около 1т.
На следующем этапе трос приводится в колебательное движение в плоскости орбиты. Двигатели концевого блока сообщают блоку дополнительный импульс скорости 510м/с в направлении противоположном вектору орбитальной скорости, как это показано на рис. 6. Режим колебаний тросовой системы несколько напоминает процесс колебания маятника в поле действия сил гравитации, хотя и имеются существенные отличия. При данных параметрах максимальная высота подъема концевого блока над поверхностью Земли (положение В на рис.6) равна 320км, а угол отклонения от положения равновесия - 55 градусов. Скорость блока в нижней фазе колебания (в точке А) относительно поверхности Земли равна 6810м/с . В процессе колебания на блок дополнительно действует центробежная сила; в итоге в точке А блок испытывает перегрузку 0.31 и сила натяжения троса составляет 3.1т. По мере приближения блока к точке В перегрузка уменьшается и в точке В она равна 0.03. Далее блок в режиме колебания двигается в обратном направлении, но перегрузка продолжает уменьшаться и достигает минимума 0.01-0.005 в точке Вm на высоте 300км от поверхности Земли. При дальнейшем движении к точке равновесия С перегрузка увеличивается и достигает максимальной величины 0.08 в точке С. Скорость блока относительно Земли в точке С при движении в прямом направлении составляет 7830м/с. При прохождении блоком положения равновесия в обратном направлении (точка А) и в прямом направлении (точка С) перегрузка отличается в 4 раза. Процесс колебания справа от положения равновесия происходит симметрично. Полный период одного цикла колебания маятника составляет около 4500с.
2.2 Выполнение транспортной операции по обмену грузами
Рассмотренная схема подвески троса к МКС, назовем ее вариант1, может быть использована при выполнении обмена КА2, в начальный момент времени пристыкованного к МКС, на КА1 , который доставляется в зону контакта ракетой - носителем. При этом обмен КА2 на КА1 совершается в точке А, в нижней фазе колебания маятника при его обратном движении. Ракета выводит КА1 на высоту 180км с горизонтальной скоростью 6810м/с. Концевой блок вместе с подвешенным к нему КА1 совершает Ґ цикла колебаний и в точке С при прямом движении маятника КА1 отделяется от концевого блока. Скорость КА1 в этот момент времени 7830м/с, что несколько больше, чем круговая скорость на этой высоте. Таким образом тросовая система, подвешенная к МКС по варианту 1, сообщает КА1 дополнительную скорость 1000м/с.
Однако данный вариант подвески троса обладает существенными недостатками.
а). В нижнем положении концевой блок достигает высоты 180км, где существенное влияние начинает оказывать сопротивление атмосферы. Трос длиной 270км при круглом сечении имеет большую величину Sm . Как показано в работах по тросовым системам, для защиты от метеоритной опасности следует использовать трос в виде ленты, что увеличивает Sm. На протяжении 2-3 периодов колебания маятника воздействие атмосферы на трос не существенно, но тросовая система рассматривается как объект длительного существования, и за это время потери скорости за счет сопротивления атмосферы становятся очень большими. Сокращение длины троса уменьшает влияние сопротивления атмосферы, но это уменьшает и эффективность тросовой системы.
в). В варианте 1 груз выводится тросовой системой на орбиту высотой около 200км и для стыковки с МКС необходим дополнительный импульс скорости 170м/с. Такой же величины импульс тратится при переходе с круговой орбиты МКС на орбиту контакта с концевым блоком.
с). При контакте груза с концевым блоком в положении С (рис6) возбуждаются продольные колебания, на устранение которых также тратится топливо.
Для устранения перечисленных недостатков в качестве основного предлагается подвеска троса к МКС по варианту 2.
В этом варианте трос прикрепляется к верхней поверхности МКС. Положение равновесия троса направлено по радиусу - вектору от поверхности Земли ,т. е. в направлении противоположном тому, которое рассматривалось в варианте 1. Трос совершает колебания, как показано на рис 7. Параметры маятника при верхнем расположении практически совпадают с параметрами маятника нижнего расположения. Максимальная высота подъема концевого блока 720км. В варианте верхнего расположения маятника влияние сопротивления атмосферы становится несущественным.
Предполагается, что транспортные операции на МКС выполняются через определенные промежутки времени, не чаще, чем несколько раз в месяц, а основное время тросовая система находится в выжидательном режиме. При этом тросовая система совершает колебания с параметрами, которые указаны выше. В этом режиме концевой блок свободен и груз к нему не подвешен. Вес самого концевого блока сравнительно невелик, например, меньше, чем 0.5т. Следовательно, в выжидательном режиме запас прочности тросовой системы составляет от 5 до 10.
Схема транспортной операции по обмену КА1, состыкованного с МКС, на КА2, который доставляется с Земли, в варианте 2 следующая.
КА1 отделяется от МКС, двигатели КА1 сообщают ему импульс скорости порядка 3-5м/с, и объект движется в зону контакта примерно вдоль круговой орбиты станции, как показано на рис 8. Время полета до контакта при таких скоростях может быть 6-10 часов. В соответствующий момент времени, когда концевой блок, двигаясь по направлению часовой стрелки, проходит положение равновесия С2, двигатели концевого блока сообщают ему дополнительный импульс скорости 50м/с. Так как концевой блок свободен от груза, то расход топлива на этот импульс эквивалентен расходу топлива, необходимого для придания КА1 импульса 15-20м/с. После получения дополнительной скорости режим колебания концевого блока изменяется, и он двигается по кругу, пересекая орбиту МКС на высоте 450км. В этой зоне относительная скорость движения концевого блока направлена по радиусу к Земле и равна 10-15м/с. Натяжение троса соответствует перегрузке 0.005. Далее происходит контакт концевого блока с КА1. Так как перегрузка в момент контакта мала, то продольные колебания троса практически не возбуждаются. После зацепления груза продолжается движение концевого блока по кругу, как изображено на рис. 8. В момент прохождения нижней точки А2 происходит обмен КА1 на КА2, как это было показано выше для варианта 1. Скорость движения концевого блока с грузом относительно поверхности Земли в точке А для варианта 2 составляет 6760м/с, что на 50м/с меньше, чем для варианта 1. Соответственно уменьшается конечная скорость выведения КА2 ракетой -носителем. Перегрузка в точке А2 несколько возрастает и составляет 3.4.
Далее движение концевого блока с КА2 продолжается и при достижении высоты, близкой к высоте орбиты МКС, в положении В2 происходит отделение КА2. Для реализации стыковки КА2 с орбитальной станцией достаточно сообщить КА2 импульс скорости порядка 3-5м/с. Опыт рассмотрения задачи управления свободно летающей платформы показывает, что КА2 можно отцепить в такой точке в зоне прохождения высоты 450км, что дополнительный импульс скорости не понадобится, и КА2 сам придет на контакт с МКС. Однако это эффекты второго порядка малости.
После отделения концевой блок без груза движется к верхнему положению равновесия С2. Чтобы перевести систему в выжидательный режим, необходимо сообщить концевому блоку тормозящий импульс скорости 50м/с.
Таким образом вариант 2 тросовой системы при решении задачи обмена равных по весу грузов экономит 1200м/с при доставке КА на МКС и около 200м/с при обратном возвращении КА на этапе перехода с круговой орбиты на орбиту контакта с концевым блоком. Реализация варианта 2 устраняет перечисленные выше недостатки а), в), с).
Особенностью варианта 2 является переворот станции при решении транспортной задачи. Период полного обращения станции вокруг оси, нормальной к плоскости орбиты, равен 6000-7000с, т.е. почти 2 часам. Возможна подвеска троса, которая не приводит к перевороту станции, но при этом усложняется управление угловой ориентацией объекта. Окончательный выбор варианта подвески потребует дополнительного исследования.
2.3 Предварительная оценка характеристик тросовой системы.
В качестве высокопрочного материала выбрано углеродное волокно "Торнел-40". Сечение троса выбирается переменным по длине, так чтобы обеспечить постоянный запас прочности. Принимается, что максимальное значение натяжения троса в 2,5 раза меньше усилия, при котором происходит разрыв троса, т.е. запас прочности равен 2.5. Сечение троса увеличивается от 0.15см2 вблизи концевого блока до 0.2см2 около МКС. При длине троса 270км и весе концевого блока вместе с подвешенным к нему грузом в 10т. суммарный вес троса составляет 8-9т. Для МКС подобный вес не может рассматриваться как очень большой.
2.4 Динамика процесса контакта КА с концевым блоком.
В данном случае рассматривается задача контакта в плоскости орбиты. Решение пространственной задачи несколько более сложнее, но управление строится на основе тех же методов. Схема контакта показана на рис. 9. Траектории сближения объектов показаны в орбитальной системе координат с началом в ожидаемой точке контакта К. Если движение происходит без ошибок по номинальным траекториям, то за начало координат принимается текущее положение КА. При учете ошибок измерения и при отклонении от номинала работы двигателей КА концевой блок и КА приближаются с разных сторон к точке К, как показано на рис. 9. Траектория движения концевого блока в зоне контакта в заданной системе координат это циклоида, для которой точка возврата совпадает с точкой К. Траекторию движения КА можно с некоторым приближением описать параболой.
В процессе сближения с помощью позиционно-чувствительного оптического датчика КА наблюдается световой репер установленный на концевом блоке. По этим данным в каждый момент времени опроса информации tk =tk-1 + T0 уточняются параметры циклоиды и определяются координаты ее точки возврата, в которой должен произойти контакт. Кроме того в моменты времени tk определяется ожидаемое значение времени, когда произойдет контакт. На основе решения краевой задачи КА наводится на точку контакта К таким образом, чтобы в ожидаемое время контакта подойти к этой точке с почти нулевой скоростью.
Концевой блок находится под действием силы натяжения троса, которая придает блоку ускорение w направленное вдоль оси y на рис. 9. При реализации контакта в положении А величина w =3.1м/с2. При подходе к точке возврата К скорость блока направленная вниз уменьшается , в точке К блок на мгновение останавливается и затем поднимается вверх. Нетрудно показать, что концевой блок на протяжении 0.5 секунд находится вблизи точки возврата К на удалении от нее менее 0.1м. Этого времени вполне достаточно для срабатывания механических захватов.
Метод решения задачи управления движением КА в зоне контакта с концевым блоком почти полностью повторяет метод управления процессом посадки свободнолетающей платформы на посадочное место орбитальной станции. Как упоминалось в начале доклада, решение этой задачи послужило одним из поводов к разработке данного проекта.
Наряду с задачами доставки на орбитальную станцию грузов путем обмена, оснащение МКС тросовой системой позволяет решать ряд других задач.
2.5 Вывод на эллиптические орбиты малых спутников с борта МКС
Вариант верхнего расположения маятника позволяет использовать МКС как базу для вывода со станции на эллиптические орбиты и обратного возвращения шлейфа малых спутников. С этой целью от МКС отделяется малый спутник КАм и после придания ему дополнительного импульса скорости 5-7м/с направляется на контакт с концевым блоком в положении В2 рис8, далее происходит зацепление КАм за концевой блок и в положении С2 объект отделяется на высоте720км со скоростью 8490м/с. После отделения КАм выходит на орбиту с перигеем 720км и апогеем 6500км. Аналогичным образом можно обеспечить обратное возвращение спутника с высокоэллиптической орбиты на МКС.
2.6 Использование тросовой системы для коррекции орбиты МКС.
При эксплуатации МКС периодически будет возникать необходимость в коррекции ее орбиты, например для компенсации сопротивления атмосферы. На орбитальную станцию "Мир" для этой цели грузовым кораблем "Прогресс" доставлялось примерно 1.5т. топлива, что при общем весе корабля в 7-7.5т. очень неэкономно. Для сравнения, у ракет вес топлива составляет 93-94% от стартового веса.
При использовании тросовой системы для коррекции орбиты станции космический аппарат с топливом КАр может быть доставлен не на саму станцию, а на концевой блок. Далее используя двигатели КАр, подвешенного к концевому блоку можно осуществить необходимый разгон МКС. При реализации разгона должны быть выполнены следующие условия. Тяга двигателей КАр направлена по вектору орбитальной скорости и режим включения двигателей должен быть периодической функцией с периодом равным периоду колебания маятника, т.е. около 4500с. Достаточно включения двигателей на протяжении одного периода колебаний. В этом случае при расходе топлива весом Р на концевом блоке станция получает тоже самое приращение скорости, как если бы топливо весом Р было бы израсходовано двигателями коррекции установленными на орбитальной станции. Так как контакт КАр с концевым боком требует простого стыковочного устройства, то возможна разработка специального разгонного блока, для которого отношение веса топлива к сухому весу будет примерно таким же как и для ракеты. Отметим, что для такого объекта упрощается задача угловой стабилизации так, как в состоянии, когда он подвешен к концевому блоку, он находится под действием силы натяжения троса.
2.7 Использование троса с концевым блоком для создания альтернативной системы угловой ориентации МКС.
На рис. 10 схематично показан один из возможных вариантов подвески троса к корпусу МКС. а1, а2 это растяжки, с1 несущий трос, пунктиром показана линия действия силы натяжения троса, 0с это центр масс МКС. При такой подвески натяжение троса создает возмущающий момент, Так как натяжение троса вблизи станции в соответствующих фазах колебания превышает 4т, то гироскопическая система ориентации не справится с задачей компенсации таких возмущений. Поэтому предлагается в местах крепления растяжек В1 и В2 установить привода, которые могут подтягивать или отпускать трос. На рис. 10а показано, как в результате изменения длины растяжек возмущающий момент меняет знак по сравнению с рис. 10. Это означает, что момент, который создает сила натяжения троса, является управляющим и при соответствующем выборе алгоритма управления приводами можно обеспечить угловую стабилизацию объекта в плоскости орбиты. Постановка еще двух растяжек позволит управлять ориентацией МКС по крену. Если бы трос не совершал колебаний и располагался по направлению радиуса вектора, то натяжение троса не смогло бы обеспечить угловую ориентацию по рысканию. Но показано, что в режиме колебания маятника можно построить управление работой приводов таким образом, чтобы обеспечить трехосную ориентацию МКС.
Построение системы ориентации основано на том, что натянутый трос создает опорную ось в пространстве.
Проведем оценку требуемой мощности приводов, которые подтягивают растяжки. Внешние возмущающие силы действующие на МКС в течение полета медленно меняющиеся функции, градиент изменения которых определяется периодом обращения около Земли. Как было сказано выше, период колебания маятника близок к периоду обращения. Оценка показывает, что скорость подтягивания растяжки не превосходит 1-2см/с. При максимальном натяжении в 1.5-2т. мощность привода 0.1-0.2 квт, что соответствует мощности бытовой электролампы.
2.8 Тросовая система на МКС как разгонный блок
Тросовую систему в варианте 2 можно использовать как разгонный блок для вывода КА на высокоэллиптические орбиты, минуя орбитальную станцию. Достаточно КА2 отделить не в точке В2, а в верхнем положении С2(рис. 8). Суммарный импульс скорости за счет тросовой системы будет равен 2350м/с. Однако использовать для серийного запуска космических объектов тросовую систему совместно с МКС нецелесообразно. Во первых, наклонение орбиты МКС в 510 приводит к вековому возмущению плоскости орбиты в результате действия второго члена разложения потенциала земного тяготения. Так как необходимо организовать двусторонний поток грузов, то встает проблема совмещения плоскостей орбит различных КА. Во вторых, на МКС должно решаться много других задач.
Для вывода КА в дальний космос представляется целесообразным создавать тросовые системы другого типа, основанные на использовании пращи.
Заключительные положения.
Результаты анализа различных вариантов тросовых систем, которые проводились в течение длительного времени, позволяют сделать достаточно радикальные выводы о перспективах развития этого направления. Как было показано выше для функционирования транспортной коммуникации необходимо иметь вдоль трассы необходимый запас обменных грузов. Чем больше вес этих грузов, тем больше пропускная способность трассы. С этой точки зрения естественные небесные тела могут рассматриваться, как составные элементы транспортных трасс и их масса может служить обменным фондом. Масса одного небесного тела обладает определенным потенциалом по отношению к другому телу.
На рис. 11 схематично показано распределение импульсов скорости, которые сообщаются грузам при их проходе транспортной трассы на траектории полета от Земли до Луны. Транспортная трасса, основанная на применении тросовых систем, начинается для рассмотренного варианта параметров от уровня vr =5800м/с. До этого уровня КА доставляется или ракетой носителем или авиационно-космической транспортной системой. Далее тросовая система состоящая из пращи1 и пращи2 доставляет КА на уровень в vp1 = 9400м/с и vp2 =11200м/с соответственно. Верхний уровень vp2 соответствует выходу КА на границу земного тяготения. На обратном скате потенциальной кривой праща "Л" спускает КА на поверхность Луны, что соответствует уровню vл =8900м/с.
Представляет определенные трудности задача прохождения с помощью тросовой системы зоны равного тяготения на трассе Земля - Луна. Теоретически можно построить траекторию движения, которая позволит совершать обмен без затрат энергии. Однако т.к. это возможно только при определенном расположении орбит, то ожидание этого расположения может нанести ограничения на время перелета. По всей видимости, следует отступить от пунктуального соблюдения чистоты идеи и пойти на использование при перелете этой зоны корректирующих импульсов скорости, за счет работы двигателей КА. Затраты скорости не должны превосходить 100м/с. При рассмотрении принципиальной схемы распределения импульсов скорости оставим вопрос о корректирующих импульсах за скобками.
На рис. 11 показана также схема размещения вдоль трассы буферных грузов, которые должны обмениваться при выполнении транспортной операции. В данном варианте груз G1 находится в зоне1на эллиптической орбите, перигей которой касается орбиты пращи1, а апогей достигает до орбиты пращи2. В зоне 2 перигей орбиты груза G2 расположен вблизи орбиты пращи2, а апогей находится на большом расстоянии от Земли. В зоне Л перигей орбиты груза Gл касается орбиты пращи 'Л', а апогей также находится на большом удалении. Для большей гибкости транспортной системы следует вывести несколько спутников с обменным грузом на орбиты с близкими друг другу параметрами.
Принцип действия транспортной трассы с использованием тросовой системы напоминает насос, который качает полезный груз, начиная с уровня vr= 5800м/с до поверхности Луны. В обратном направлении лунный грунт закачивается на уровень первого контакта при vr = 5800м/с. Действительно если полезный груз G2 находится на орбите в зоне 2, то его можно спустить на поверхность Луны, а на это место вывести лунный грунт того же веса G2л. Далее лунный грунт из зоны 2 спускается на уровень 5800т/с а на его место в зону 2 доставляется новый полезный груз того же веса. Цикл можно повторять столько раз сколько необходимо для доставки нужного количества полезного груза. Пропускная способность трассы за один цикл работы определяется весом концевого блока.
Подобная трасса может быть проложена и на Марс, причем основная часть трассы до зоны 2, показанная на рис. 11,совпадает с трассой на Луну. Если использовать в качестве обменного груза грунт со спутников Марса, то его потенциал по отношению к поверхности Земли выше чем лунный грунт. Порог, который надо преодолеть грунту со спутников, чтобы выйти за пределы тяготения Марса, равен всего 500-700м/с.
Транспортная трасса, основанная на использовании тросовых систем, начинается от уровня vr = 5800м/с. Этот уровень можно понизить, если увеличить вес троса праши1 или использовать более прочный материал для троса. При значениях vr= 5000-5500м/с, для вывода груза в точку первого контакта, следует в основном использовать авиационно-космическую систему.
Надо иметь ввиду, что движения по орбитам искусственных и естественных небесных тел, которые образуют транспортную трассу, приводят к непрерывному изменению конфигурации системы. Все это осложняет задачу слежения за элементами транспортной системы, а также задачу выбора траектории движения груза. В принципе, на протяжении всего времени эксплуатации, каждый груз будет двигаться по своей траектории и среди всех возможных траекторий не будет точно повторяющихся. Это приводит к трудностям управления в задаче реализации контакта КА с концевыми блоками.
В итоге можно сделать вывод, что использование тросовых систем трансформирует проблему освоения космического пространства из области энергетических задач в область информационно-управленческих. При движении в космическом пространстве нужно использовать постоянно действующие силы и не идти наперекор им.