В России создается космическая праща

«Космическая станция», 1957 г. Как видим, уже на заре эры освоения космоса было очевидно, что без тросовых систем не обойтись.
Рисунок Александра Шомбурга

Еще в романтический период космонавтики художники, иллюстрируя космическую фантастику, рисовали межпланетные корабли самых разнообразных форм. Среди сферических, конических и торовых конструкций, больше напоминающих велосипедные колеса, на фоне звездной бездны вращались гигантские «гантели». Но в 1972 году советский ученый В.В. Белецкий показал, что при управляемом перемещении грузов изменяются параметры орбиты «гантели», точнее, ее центра масс. Это объясняется тем, что гравитация по-разному действует на разнесенные в пространстве грузы. Здесь работает тот же градиент силы тяготения, который вызывает приливы на Земле.

Итак, управляемая деформация габаритов протяженного космического объекта позволяет изменять его орбиту. Конечно, связывать разнесенные в пространстве грузы должен не стержень, поскольку это нечто достаточно жесткое и массивное. Для практики же нужны такие качества, как легкость, прочность и одновременно значительная протяженность связующего элемента. Как вы уже догадались, речь идет о тросовых космических системах.

Интересный вариант такой тросовой системы разрабатывает ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН, доктор технических наук Игорь Сидоров. Тема его работы – «Принципиальная возможность использования тросовых систем для реализации гравитационных маневров в окрестности планеты». Под планетой, конечно, подразумевается не только Земля. Чтобы проект Сидорова осуществить «не в принципе, а в металле», необходимо развернуть на нескольких околоземных орбитах целую группировку тросовых систем, каждая из которых спроектирована для выполнения конкретной задачи. Свои тросовые системы, в отличие от жестких «гантелей», Игорь Михайлович называет «пращами».

Космическая праща состоит из двух блоков, связанных высокопрочных тросом длиной в сотни километров. Для изменения габаритов системы на концевых блоках установлены электродвигатели и мощные источники электроэнергии. К блокам пристыкованы съемные контейнеры. На орбите праща вращается относительно центра масс или раскачивается маятником около радиуса-вектора, направленного к центру Земли.

Когда электродвигатели на одном или сразу двух концах пращи подтягивают трос, механическая энергия системы возрастает; при отпускании троса в аккумуляторы поступает электрическая энергия. Приращение механической энергии может расходоваться на изменение скорости вращения пращи и орбитальной скорости ее центра масс, что и приводит к изменению параметров орбиты. При этом существенное значение имеет направление вращения пращи.

Кроме того, тросовые системы позволяют передавать энергию от одного космического объекта другому. Когда орбитальная станция представляет собой пращу, ее стыковка с космическим кораблем возможна при подходе обоих объектов к точке контакта с существенно разными скоростями центров масс, лишь были бы равными скорости соединяемых концевых блоков. Корабль-праща может, приняв некий груз с концевого блока станции, вновь состыковать его с этим блоком, предварительно сообщив избыток механической энергии, который и передается праще-станции. Главное, чтобы движение объектов происходило в одной плоскости и на корабле был источник энергии.

Возможно даже использование механической энергии Луны. Когда Луна в апогее, при сближении с ней орбита пращи испытывает значительное возмущение, и увеличение ее большой полуоси приводит к приращению энергии тросовой системы. Эту «дельту» энергии система передает другой праще группировки.

Полученная энергия может быть использована для изменения параметров орбиты или аккумулирована в электрической форме.

Результаты теоретических исследований Сидорова выглядят заманчиво. Еще бы – космические полеты без расходования рабочего тела! Но тросовые системы интересуют не только теоретиков. За прошедшие годы в нашей стране и за рубежом накопился некоторый практический опыт.

«Вообще тросовые системы имеют давнюю предысторию, – рассказывает старший научный сотрудник РКК «Энергия», заместитель технического руководителя консорциума «Космическая регата», кандидат технических наук Олег Сапрыкин. – Еще Королев предполагал осуществить на орбите тросовую связку двух «Востоков». Американцы, отрабатывая систему сближения и стыковки кораблей «Джемини» с ракетой «Аджена», также использовали тросовую систему. Дважды тросовый эксперимент проводился на шаттле, правда, не очень удачно. На корабле монтировалась пусковая установка, на которой находился спутник итальянского производства с электрореактивными плазменными двигателями. Но первый эксперимент был неудачным – трос заклинило, и шаттл отстрелил систему. Второй эксперимент прервался из-за разряда, пережегшего трос».

Делалась попытка провести тросовый эксперимент и на станции «Мир». Это было в последний период ее пребывания на орбите. Для поддержания «Мира» на орбите высотой 350 км достаточно было силы всего в 2 ньютона. Тогда к российской стороне и обратился со своим проектом американский изобретатель Джозеф Кэрролл, руководитель фирмы Tether Application, который ранее успешно разворачивал на орбите два троса длиной по двадцать километров. В его экспериментах спутник был привязан к последней ступени ракеты-носителя.

В проекте Джо Кэрролла речь шла об электродинамической тросовой системе. Ведь металлический трос, летящий вокруг Земли со скоростью около 8 км/с – это не что иное, как проводник в магнитном поле нашей планеты. В такой системе возникает сила Ампера, которая действует на каждую частицу троса, изменяясь по величине и направлению в зависимости от того, в каком полушарии Земли находится система. Регулируя ток в проводнике, можно регулировать эту силу, и, управляя ею, изменять орбиту космических объектов. Именно это и предполагалось делать со станцией «Мир», поднимая орбиту не двигателями «Прогрессов», а тросовой системой.

Был проработан интересный вариант развертывания этой системы на «Мире», в том числе с использованием в качестве второго груза системы перемещения космонавта – того самого «космического мотоцикла», на котором Александр Серебров летал вокруг станции, связанный с нею тросом длиной в несколько десятков метров. «Были выпущены чертежи конструкторской документации, достигнута ясность в ряде частных моментов, но┘ В конце 2000 года наверху приняли решение станцию затопить, и эксперимент не состоялся», – поясняет Олег Сапрыкин.

Вообще тросовая система – вещь сложная и требует многих исследований. Однако дело стоит того. Особенно перспективны «небесные пращи» на орбитах вокруг больших планет, обладающих мощным магнитным полем. Проблемы с реализацией тросовых систем у каждой страны свои: американцы отказались использовать их из-за технических сложностей, а у нас дела забуксовали из-за безденежья. Но при наличии желания и воли эти препятствия преодолимы.

═

Один из вариантов развертывания электродинамической тросовой системы (ЭДТС). SEDS – система упаковки непроводящего троса; СПК – противовес, в качестве которого, например, может быть использована система передвижения космонавтов.