Особливості орбітальної риболовлі
Японська космічна вантажівка HTV-7, яка вирушила до МКС у суботу, привезе на станцію «прототип космічного ліфта» - два наносупутники, сполучені тросом. Експерименти з тросовими системами проводяться на орбіті вже десятки років, і хоча вони в більшості випадків були не дуже успішними, люди знову і знову намагаються влаштувати «риболовлю» на орбіті. Редакція спробувала з'ясувати, для чого можуть бути корисні троси в космосі, і якою була історія спроб зробити з ними щось корисне на практиці.
Космічні ліфти - «блакитна мрія» для всіх, хто фантазує про космос. Про ті ж вуглецеві нанотрубки багато людей вперше почули саме в контексті побудови космічного ліфта - адже для його будівництва потрібен трос з дуже високою питомою міцністю.
Але подібний проект, якщо і буде коли-небудь реалізований, то дуже і дуже нескоро. Навіть якщо уявити, що у нас прямо зараз з'являться всі технології, необхідні для побудови такої колосальної споруди, її масштаби і можлива вартість не дозволять їх реалізувати в наскільки-небудь осяжні терміни. Наприклад, всі матеріали для будівництва троса і ліфта доведеться звичайним способом (адже ліфта ще немає!) підняти на геостаціонарну орбіту, а мова йде про десятки тисяч тонн. Але в реальному світі проблеми починаються ще на стадії технологій - і цю стадію людство долатиме ще багато років.
Серед можливих проблем космічного ліфта, наприклад, вплив атмосферних вітрів і мікрометеоритів. Більше того - будь-який космічний апарат або фрагмент космічного сміття, орбіта якого проходить повз ліфт, являє собою величезну загрозу для проекту. Але, з іншого боку, це все меркне на тлі необхідних для побудови цієї вавилонської вежі технологій і ресурсів.
Втім, не обов'язково розглядати космічний ліфт тільки для Землі. Будівництво такої споруди на Місяці буде значно простіше з точки зору міцності і маси використовуваних матеріалів через набагато меншу гравітацію і вплив на ліфт з боку атмосфери, якої на Місяці немає. На менш великих космічних тілах складність і можлива вартість проекту починають лавиноподібно знижуватися. Але для того, щоб людство користувалося місячним космічним ліфтом, треба для початку якось перемістити людей на Місяць.
Коли ми пускаємося в розлогі міркування про космічні ліфти, навіть в найоптимістичнішому сценарії мова йде про кінець XXI століття, якщо не пізніше, і будь-які експерименти і розрахунки подібних конструкцій в наш час, по суті, безглузді і є не більш ніж романтичною їжею для розуму. Хоча в 2014 році японська корпорація Obayashi заявила, що до 2050 року побудує космічний ліфт, але в такі заяви віриться з дуже великими труднощами. Водночас, осяжні перспективи застосування тросів у космосі є вже в наші дні. Для чого ж вони потрібні?
Штучна гравітація, гальмо та джерело енергії
Троси найкраще підходять для створення штучної гравітації за рахунок відцентрової сили. Обертання станції на тросі з вантажем дозволить створити невелику штучну гравітацію. Вперше це було виконано в 1966 році в рамках місії «Джеміні-11». Експеримент був успішно проведений, при цьому була створена мікрогравітація менше 1/1000 g. Людина її відчути не може, але предмети в кабіні космічного апарату з часом притиснулися до стіни.
Нашу планету оточує магнітне поле, і якщо ми помістимо в це поле довгий провідник, по якому пустимо струм, на нього почне діяти сила Лоренца. Цю силу можна використовувати як для розгону космічних апаратів і підйому їх орбіти, так і для зводу з неї. Це може стати одним із витончених способів позбавлення від космічного сміття або підтримки орбіт супутників і станцій без використання звичайних двигунів. Цілком можливо, що в осяжному майбутньому такий спосіб може бути прийнятий на озброєння. Принаймні, він виглядає адекватно на тлі інших проектів зі збору та зведення космічного сміття з орбіти.
У США в 1990-ті роки була проведена цікава серія експериментів з космічними тросами. NASA використовувала для експериментів частини останнього ступеня ракети-носія Delta-II після відділення корисного навантаження. Так, в дослідах SEDS і SEDS-2 довгий 20-кілометровий трос використовувався для того, щоб розкрутити систему з двох об'єктів, в результаті направивши один з них на більш високу орбіту, а другий - спустити з неї. Вантажі розкручувалися за рахунок різниці в гравітації на різних висотах після розмотки троса. Перший експеримент повністю вдався, а в другому трос передчасно обірвався.
Експерименти «OEDIPUS-A» і «OEDIPUS-C» з тросами довжиною 958 і 1174 метрів проведені в 1989 і 1995 роках. У першому експерименті вимірювалися електромагнітні поля полярних сяйв, а в другому проводилися вимірювання механіки і стабілізації тросових систем. Дані були використані для уточнення математичних і комп'ютерних моделей.
На кінцях довгого провідного тросу при орбітальному русі створюється різність потенціалів, і трос можна використовувати як джерело енергії. Проведений 1993 року експеримент PMG показав можливість вилучення енергії з троса, а також розгону і гальмування за допомогою нього. При цьому використовувався досить короткий за космічними мірками трос довжиною всього в 500 метрів.
У 1996 році апарат TiPS розгорнув трос довжиною 4 кілометри, на якому два пов'язаних ним супутники десять років перебували на орбіті. Це показало потенційну надійність і довговічність подібних систем. Було продемонстровано стійкість троса до впливу мікрометеорних частинок. Втім, наступний експеримент ATEx було припинено після розмотки троса на 18 метрів через його нештатну поведінку.
Цього ж року на шатлі «Колумбія» розмотали трос-провідник на 19 кілометрів для експериментів з витяганням і подачею електроенергії в трос. При цьому отримані значення струму були в рази вище очікуваних і розрахованих перед польотом.
Експеримент у прямому сенсі слова обірвався вкрай цікавим чином - бульбашки повітря з ізоляції кабелю лопнули, і вивільнена нікчемна кількість газу виявилася достатньою, щоб утворити плазмову хмару, по якій пройшло коротке замикання, яке призвело до розплавлення і обриву троса, а дорогий супутник був при цьому втрачений. Навіть короткого опису події вистачає для того, щоб уявити, скільки несподіваних проблем у найбільш непередбачуваних місцях може проявитися в ході космічних експериментів.
Астронавт Річард Гордон повертається на борт корабля «Джеміні-11»
NASA
Спробуй розмотатися
Розмотати трос у космосі дуже непросто. Сили тяжкості немає, точки опори також немає, тому для розмотки потрібно, щоб хтось або щось постійно витягувало цей трос. Зазвичай для цього використовують вантаж, який відштовхують, після чого він починає витягувати трос за собою, а трос в цей час синхронно розмотується. Будь-яка розсинхронізація загрожує провалом експерименту - навіть при дуже малому ривку по тросу пройдуть коливання, а вантаж може розвернутися і полетіти в зовсім інший бік.
На Землі ми завжди можемо покластися на силу тертя об'єктів про поверхню планети, опір повітря або води, а в космосі навіть найменші коливання розсіюються з великою неохотою. Трос повинен бути міцним і дуже довгим - але при цьому легким, оскільки кожен зайвий кілограм на орбіті є недозволеною розкішшю.
Рекорд довжини космічного троса належить вітчизняному науковому супутнику «Фотон-М3» і його компаньйону «Фотіно». Трос був розмотаний на 31,7 кілометра, після чого був планово обрізаний. Але сам експеримент не зовсім вдався - «Фотіно», який повинен був приземлитися в районі Казахстану, так і не був знайдений. Експериментальна капсула або згоріла в атмосфері, або вкрай невдало приводнилася - цього ми не можемо знати точно. Запуск відбувся в 2007 році і рекорд довжини троса не побитий досі.
22 вересня планується запуск чергового тросового експерименту - виведений мікросутник повинен розділитися на дві половинки, з'єднані металевим тросом. Експеримент проводять японські вчені. Заявляється, що експеримент повинен допомогти в розробці майбутніх космічних ліфтів.
«Джеміні-11», поєднаний тросом з модулем «Аджена»
NASA