Связки и суборбитальные тросы 1 км
Связки и суборбитальные тросы 1 км
Потребляя энергию от привязи, спутник теряет высоту и требует дополнительного подталкивания, тогда как топливные элементы непосредственно превращают энергию топлива в электроэнергию. Так за что бороться?
Дело в том, что связка имеет более высокий КПД. Сочетание ЭДС с ракетой позволяет при том же расходе топлива получить больше электрической энергии, чем топливные элементы. В ЭДС генерируемая мощность равна работе, совершаемой магнитным полем за единицу времени, т. е. произведению силы торможения на скорость движения спутника относительно замагниченной ионосферы. На низких околоземных орбитах скорость составляет около 7,5 км/с. Энергия же, поставляемая ракетным двигателем, равна половине произведения силы тяги на скорость истечения продуктов сгорания (в ракетах на жидких водороде и кислороде она достигает 5 км/с). На практике это означает, что сочетание привязи и ракетного двигателя позволяет получить втрое больше энергии. Топливные элементы, в которых также используются водород и кислород, не имеют такого преимущества.
Система ЭДС - ракетный двигатель может потреблять значительно меньше топлива, чем эквивалентные топливные элементы. Использование электродинамической связки позволяет экономить горючее только при работе более 5-10 дней.
Связки у Юпитера
Замагниченная ионосфера Юпитера, как и земная, вращается вместе с планетой. Она простирается на 35 800 км от Земли и на 88 500 км над верхней границей облачного слоя Юпитера.
На стационарной орбите вокруг Юпитера космический аппарат обращается вокруг планеты с той же скоростью, что и ионосфера. Если ЭДС опускается ниже, где скорость движения замагниченной плазмы меньше скорости его движения, возможно и получение электроэнергии, и возникновение тормозящей силы. Если космический аппарат находится выше стационарной орбиты, где скорость движения замагниченной плазмы больше скорости его движения, возможно и получение электроэнергии и тягового усилия.
Согласно принципам орбитальной механики наиболее эффективными точками приложения тягового или тормозящего усилия на орбите становится ближайшая к планете (периапсида) и наиболее удаленная (апоапсида) точка. Если точка лежит ниже стационарной орбиты, то действует сила торможения, если она находится выше - то ускорение.
Предположим, что космическая связка приближается к Юпитеру со скоростью 6 км/с. Если включить ЭДС-систему тогда, когда связка будет пролетать на высоте стационарной орбиты, то можно будет на несколько сотен метров в секунду уменьшить скорость и вынести связку на вытянутую эллиптическую орбиту. Для этого достаточно привязи длиной в несколько десятков километров.
Если включать ЭДС вблизи периапсиды, чтобы создать силу торможения и держать ее выключенной на остальном пути, орбита станет менее вытянутой и будет приближаться к круговой. Приложив сравнительно небольшие электродинамические силы, можно будет посетить каждый из четырех самых крупных спутников Юпитера (от самого удаленного, Каллисто, до самого близкого, Ио) менее чем за год.
Включение ЭДС в апоапсиде, лежащей выше стационарной орбиты, позволит поднять периапсиду, лежащую ниже настолько, чтобы она оказалась за пределами стационарной орбиты. Тогда тягу можно будет включать в периапсиде, постепенно увеличивая высоту апоапсиды. Толчок может вывести аппарат на траекторию возвращения к Земле. Вращение Юпитера позволит получить энергию, необходимую для выполнения описанных маневров. Таким образом ЭДС может существенно уменьшить стоимость экспедиции.
Чтобы космические связки могли работать на орбитах вокруг Земли, Юпитера и других небесных тел, нужно решить ряд важных технических задач. Конструкторам предстоит разработать способы развертывания связок и защиты их элементов от влияния разности потенциалов между привязью и ионосферой. Кроме того, необходимо научиться гасить различные колебания в ЭДС. Все эти задачи выполнимы, и ученые надеются, что не в столь отдаленном будущем связки помогут ученым добиться новых успехов в освоении космического пространства.
ЗАПУСКИ СВЯЗОК
Название системы
Год запуска
Орбита
Длина привязи
Организация
Gemini 11
1967
НОО
30 м
NASA
Gemini 12
1967
НОО
30 м
NASA
H-9M-69
1980
Суборбитальная
< 500 м
NASA
S-520-2
1981
Суборбитальная
< 500 м
NASA
Charge -1
1983
Суборбитальная
500 м
NASA /ISAS (Япония)
Charge -2
1984
Суборбитальная
500 м
NASA/ISAS (Япония)
Oedipus-A
1989
Суборбитальная
958 м
NRC (Канада) / NASA
Charge-2B
1992
Суборбитальная
500 м
NASA / ISAS (Япония)
TSS-1
1992
НОО
< 500 м
NASA / Итальянское космич. агентство
SEDS-1
1993
НОО
20 км
NASA
PMG
1993
НОО
500 м
NASA
SEDS-2
1994
НОО
20 км
NASA
Oedipus-C
1995
Суборбитальная
1 км
NASA / NRC (Канада)
TSS-1R
1996
НОО
19,6 км
NASA /Итальянское космич. агентство
TiPS
1996
НОО
4 км
NRO / NRL
ATEx
1999
НОО
6 км
NRL
Примечание:
НОО - низкая околоземная орбита;
NRO - National Reconnaissance Office (Национальное разведывательное управление США)
ОБ АВТОРАХ:
Энрико Лоренцини (Enrico Lorenzini) и Хуан Санмартин (Juan Sanmartl'n) уже десять лет занимаются исследованиями космических связок. Лоренцини работает в Гарвард-Смитсонианском астрофизическом центре в Кембридже, где с 1995 г. возглавляет группу, которой до этого руководили Марио Гросси (Mario Grossi) и Джузеппе Коломбо (Giuseppe Colombo). В 1980 г. он защитил диссертацию по астронавтике в Пизанском университете в Италии. Санмартин - профессор физики Мадридского политехнического университета в Испании.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА:
- In-Orbit Experimentation with the Small Expendable-Tether Deployment System. E. C. Lorenzini and J. A. Caroll in ESA Journal, Vol. 15, No. 1, pages 27 - 33; 1991.
- Bare Wire Anodes for Electrodynamic Tethers. J. R. Sanmartl'n, M. Martinez-Sanchez and E. Ahedo in Journal of Propulsion and Power, Vol. 9, No. 3, pages 353-360; 1993.
- Tethers in Space Handbook. M. L. Cosmo and E. C. Lorenzini. Third edition. Smithsonian Astrophysical Observatory, 1997.
Доступно на http://cfa-www.harvard.edu/spgroup/handbook.html - Overview of Future NASA Tether Applications. L. Johnson, B. Gilchrist, R. D. Estes and E. Lorenzini in Advances in Space Research, Vol. 24, No. 4, pages 1055 - 1063; 1999.
- Active Charging Control and Tethers. J. R. Sanmartl'n in Environment Spatial: Pre'vention des Risques Lie's aux Phe'nome'nes de Charge - Space Environment: Prevention of Risks Related to Spacecraft Charging. CNES/ONERA course, Toulouse, 2002. Ce'padue's E'ditions, 2002.