close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

YES2

код для вставкиСкачать
Тросовые орбитальные маневры и европейский космический эксперимент YES2
ТРОСОВЫЕ ОРБИТАЛЬНЫЕ МАНЕВРЫ
И ЕВРОПЕЙСКИЙ КОСМИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ YES2
Информационные материалы
25 сентября 2007 года был проведен европейский космический эксперимент YES2
по спуску с орбиты возвращаемой капсулы FOTINO, установленной на спутнике
"Фотон-М", с помощью 30-километрового троса. В эксперименте предполагалось
отвести капсулу на тросе от спутника вниз и вперед и в процессе маятникового качка
троса назад в момент прохождения им вертикального положения отделить капсулу. В
результате этого капсула должна была перейти на низшую орбиту, войти в атмосферу и
приземлиться на парашюте в заданном районе. Эксперимент закончился неудачей, так
как трос был выпущен всего на 8 км, после чего его выпуск самопроизвольно
прекратился и после отделения капсулы она не смогла войти в атмосферу на первом
витке. В настоящее время капсула совершает свободный полет по низкой околоземной
орбите и место ее посадки определить пока невозможно. В настоящих
информационных материалах приводятся описания теоретических основ тросовых
орбитальных маневров, истории и состояния работ в этой области, экспериментального
оборудования и методики проведения эксперимента YES2, фактического хода и
результатов его выполнения, а также анализ возможных причин его неудачи.
Тросовые орбитальные маневры
Одним из многих направлений практического применения тросовых систем [1-5]
является выполнение орбитальных маневров космических аппаратов (КА) без затрат
топлива, за счет обмена кинетическим моментом между двумя связанными тросом КА.
Причина этого эффекта заключается в том, что движение обоих КА в тросовой связке,
летящей по круговой орбите в устойчивом вертикальном положении, не является
кеплеровым. Верхний КА имеет избыток, а нижний - недостаток скорости по
сравнению с теми скоростями, которые они имели бы в свободном полете, не будучи
связаны тросом. Поэтому при разделении тросовой
системы путем отрезания или отцепки троса
верхний КА как бы получит разгонный импульс и
перейдет на высшую орбиту, а нижний КА -
тормозной импульс и перейдет на низшую орбиту.
При этом суммарный кинетический момент двух
КА почти не изменится - он останется примерно тем
же, какой эти КА имели в состыкованном
положении до их разведения на тросе. Параметры
новых орбит КА будут зависеть от соотношения их
масс, но в любом случае разность высот между
перигеем орбиты верхнего КА и апогеем орбиты
нижнего КА будет примерно равна длине троса, а
разность высот между апогеем орбиты верхнего КА
и перигеем орбиты нижнего КА будет равна
примерно семи длинам троса (рис. 1).
Если от достаточно массивного базового КА, летящего по круговой орбите,
отвести вниз на длинном тросе малый КА существенно меньшей массы, а затем трос
отцепить, малый КА перейдёт на орбиту, апогей которой станет ниже орбиты базового
КА примерно на одну длину троса, а перигей - ниже нее примерно на семь длин троса.
Аналогично, если малый КА отвести на тросе вверх, перигей его новой орбиты станет
на одну длину троса выше орбиты базового КА, а апогей - на семь длин троса выше нее
L
~7
×L
L
~7
×L
Рис.
1
2
(рис. 2). Такая схема тросового
орбитального маневра, когда трос
отцепляется в статическом вертикальном
положении системы, получила в
англоязычной литературе название
"висячей отцепки" ("hanging release").
Такие же орбитальные маневры можно
выполнить с помощью троса почти вдвое
меньшей длины, если использовать
схему "маховой отцепки" ("swinging
release"). В этом случае малый КА
отводится на тросе либо вперёд и
немного вниз, либо назад и немного
вверх, после чего тросовая система
совершает одно качание в направлении
угловой орбитальной скорости, и в
момент прохождении ею вертикального
положения трос отцепляется (рис. 3).
Длину троса можно уменьшить в
несколько раз, если выполнять
орбитальный маневр по схеме
"вращательной отцепки" ("rotating
release") - когда отцепка троса
выполняется при быстром (намного
быстрее угловой орбитальной скорости)
вращении связки (рис. 4). Следует
однако заметить, что при качании или
вращении тросовой системы
существенно увеличиваются нагрузки на
трос, вследствие чего его придется
сделать почти во столько же раз толще,
во сколько и короче, поэтому выигрыш в
массе троса получится совсем
незначительным. Кроме того,
динамические схемы тросовых
орбитальных маневров обладают и
другими недостатками: так, в случае маховой отцепки очень трудно точно совместить
по времени моменты нахождения тросовой системы в нужной точке орбиты,
прохождения ею вертикального положения и отцепки троса, а для вращательной
отцепки потребуется так или иначе затратить энергию на закрутку системы.
История и состояние работ
Начало работам по тросовому спуску капсул со спутника "Фотон" было положено
ещё в 1991 году, когда немецкие специалисты из фирмы Kayser Threde GmbH вступили
во взаимодействие со специалистами Самарского ЦСКБ по проекту RAPUNZEL [6, 7].
Эти проектом предусматривался спуск с орбиты возвращаемой капсулы RAPUNZEL
(впоследствии - капсулы MIRKA), устанавливаемой на спутнике "Фотон", с помощью
30-километрового троса по схеме hanging release. Капсула имела форму шара
диаметром 635 мм и массой 50 кг. Трос, сплетенный из полиэтиленового волокна
Dyneema (аналога Spectra 1000), при диаметре 1,2 мм имел массу 33 кг. В качестве
устройства выпуска троса предполагалось использовать безынерционную катушку с
H
L
6
×L
Опорная орбита
Перигей
Апогей
Развертывание
в вертикальное
положение
H
L
6
×L
Опорная орбита
Перигей
Апогей
Развертывание
в вертикальное
положение
Рис.
2
H
L
13
×L
Опорная орбита
Перигей
Апогей
Развертывание
«вверх и назад»
и качок вперёд
H
L
13
×L
Опорная орбита
Перигей
Апогей
Развертывание
«вверх и назад»
и качок вперёд
Рис.
3
H
L
>> L
Опорная орбита
Перигей
Апогей
Развертывание
с быстрой
закруткой
H
L
>> L
Опорная орбита
Перигей
Апогей
Развертывание
с быстрой
закруткой
Рис.
4
3
управляемым фрикционным тормозом, регулирующим натяжение выпускаемого троса
в зависимости от его текущей длины и скорости выпуска по заданному закону. После
6-часового развертывания тросовой системы планировался ее 10-часовой полет с
проведением динамических исследований. Затем тросовую систему следовало
разделить путем отрезания троса с помощью пироножей от спутника и капсулы, в
результате чего капсула должна была перейти на низшую орбиту, войти в атмосферу и
приземлиться на парашюте в заданном районе.
В это же время в РКК "Энергия" была начата разработка проекта космического
эксперимента "Трос-1" [8], в котором предполагается отработать снижение орбиты
корабля типа "Прогресс", отводимого от орбитальной станции вниз на тросе длиной
20 км, по схеме hanging release. Трос диаметром 3 мм и массой 70 кг изготовлен из
синтетического волокна СВМ (аналога кевлара) и имеет прочность на разрыв не менее
3000 Н при номинальной силе его натяжения в развернутой тросовой системе около
500 Н. Для управляемого выпуска троса предполагается использовать устанавливаемую
в грузовом отсеке корабля лебедку с вращающимся барабаном и автоматизированным
электроприводом, а для закрепления конца троса в стыковочном узле станции -
специальное устройство сцепки-расцепки. После 4,5-часового развертывания тросовой
системы предполагается ее двухсуточный полет, в котором будут исследоваться ее
орбитальное и относительное движение, включая маятниковые, поперечные и
продольные колебания, а также физические явления на борту станции в условиях
искусственной тяжести. Затем тросовая система будет разделена путем выбрасывания
устройства сцепки-расцепки из стыковочного узла станции и последующего отрезания
троса от корабля, в результате чего станция слегка повысит свою орбиту, а корабль
перейдёт на низшую орбиту, после измерения параметров которой будет спущен по
штатной схеме с затоплением в заданном районе Мирового океана.
Как развитие этих работ была намечена разработка проекта космического
эксперимента "Трос-1А" [5], в котором предполагается осуществить полный спуск
корабля "Прогресс" с орбиты с его затоплением с помощью троса длиной до 60 км. При
положительных результатах этих экспериментов предполагается начать разработку
проекта штатной транспортной тросовой системы в составе орбитальной станции [5],
обеспечивающей многократные тросовые спуски грузовых кораблей и других объектов
с одновременным подъемом орбиты станции. По предварительным оценкам, создание и
эксплуатация такой системы позволили бы почти полностью устранить необходимость
доставки на станцию топлива для поддержания ее орбиты.
В марте 1993 года американские специалисты успешно провели космический
эксперимент SEDS-1 [9], в котором был осуществлен сброс с орбиты груза массой
26 кг, установленного на последней ступени ракеты-носителя Delta-2, с помощью
20-километрового троса по схеме swinging release. Трос диаметром 0,78 мм с погонной
массой 0,56 кг/км был изготовлен из полиэтиленового волокна Spectra 1000. Для его
выпуска использовалась безынерционная катушка с активным фрикционным тормозом,
управляющим выпуском троса без обратной связи, разработанная Дж. Кэроллом. После
развертывания тросовой системы и отцепки троса от ступени груз вместе с тросом
сошел с орбиты, вошел в атмосферу и сгорел в ней.
В 1994 году специалисты РКК "Энергия" вместе с немецкими специалистами из
фирмы Kayser Threde GmbH предложили объединить проект RAPUNZEL с проектом
эксперимента "Трос-1" [10]. В эксперименте "Трос-Rapunzel" предполагалось сначала
отвести от станции "Мир" вниз на 20-километровом тросе корабль "Прогресс", а затем
от корабля отвести вниз на 40-километровом тросе возвращаемую капсулу. Затем
путем последовательного разделения такой двойной тросовой системы можно было
отработать как спуск капсулы на Землю, так и снижение орбиты корабля по схеме
hanging release.
4
Затем в течение нескольких лет европейскими специалистами разрабатывались
проекты Space Mail и Star Track по тросовому спуску возвращаемых баллистических
капсул с борта Международной космической станции по схеме swinging release [11]. К
этим работам была привлечена и РКК "Энергия", которая взаимодействовала с
европейскими специалистами по проекту TARGET [12] в части баллистического
обеспечения тросового спуска капсул "Радуга" с корабля "Прогресс" по той же схеме. В
ходе этих работ выявился такой принципиальный недостаток схемы swinging release,
как существенное снижение точности посадки капсулы вследствие погрешностей,
накопленных в процессе развертывания тросовой системы. За последний десяток лет
решению этой проблемы за рубежом было посвящено множество теоретических работ,
в частности, диссертация Ф. Циммермана [13].
В апреле 1998 года американскими специалистами был успешно проведен
космический эксперимент SEDSAT-1, аналогичный ранее проведенному эксперименту
SEDS-1, но отличавшийся использованием схемы hanging release, увеличением длины
троса до 30 км и применением обратной связи в схеме управления его выпуском. После
развертывания тросовой системы в вертикальное положение и отцепки троса груз
также вошёл в атмосферу и сгорел в ней. Одним из важных результатов экспериментов
SEDS-1 и SEDSAT-1 стала удачная натурная отработка устройств выпуска троса,
разработанных Дж. Кэроллом. Однако в конце 90-х годов программа экспериментов с
тросовыми системами в США была приостановлена.
В настоящее время в РКК "Энергия" работы по тросовым системам также
фактически приостановлены, хотя некоторые новые проекты предлагаются на
инициативной основе. В частности, следует отметить проект экспериментальной
тросовой системы с атмосферным зондом [14] и проект запуска малых спутников с
борта корабля "Прогресс" с помощью длинного троса [15]. Но для реализации этих
проектов требуется даже не столько финансирование и организация работ, сколько в
первую очередь политическая воля руководства.
Проект эксперимента YES2
Проект европейского космического эксперимента YES2 (Young Engineers
Satellites - Спутники Молодых Инженеров) разрабатывался с 2002 года в рамках
образовательной программы Европейского космического агентства учеными и
студентами России, Великобритании, Греции, Италии, Голландии и Германии. Целью
эксперимента YES2 была демонстрация технологии оперативного возвращения на
Землю небольших полезных нагрузок при помощи тросовой системы (так называемая
технология "космической почты" - SpaceMail). В эксперименте предполагалось
продемонстрировать спуск с орбиты с посадкой на Землю в заданном районе
возвращаемой баллистической капсулы Fotino, устанавливаемой на спутнике
"Фотон-М", с использованием троса длиной 30 км по схеме swinging release.
Планировалось отвести капсулу на тросе от спутника вниз и вперед и в процессе
маятникового качка троса назад в момент прохождения им вертикального положения
отделить капсулу. В результате этого капсула должна была перейти на низшую орбиту,
войти в атмосферу и приземлиться на парашюте в заданном районе.
Экспериментальное оборудование, разработанное в основном голландскими
специалистами, включало в себя:
· трос длиной 30 км, диаметром 0,5 мм и массой около 5 кг, изготовленный из
полиэтиленового волокна Dyneema (плотность 1270 кг/м
3
, предел прочности
6,4×10
8
Па), имеющий расчетную прочность на разрыв около 100 Н;
· спускаемая капсула FOTINO с парашютной системой и радиомаяком системы
ARGOS диаметром около 400 мм и массой около 6 кг;
5
· устройство для сбора данных и для осуществления операции расцепки MASS
массой около 8 кг;
· блок FLOYD, включающий в себя собственно устройство выпуска троса,
систему управления всем экспериментом, а также интерфейс энергообеспечения,
массой около 22 кг.
Это экспериментальное
оборудование предполагалось установить
на внешней поверхности отсека с
химическими источниками тока спутника
"Фотон-М". При развертывании тросовой
системы блок FLOYD, оставаясь на борту
спутника, должен был выпускать трос, на
конце которого находились капсула
FOTINO вместе с устройством MASS. На
рис. 5 показано расположение
экспериментального оборудования в
процессе развертывания тросовой
системы: 1 - устройство MASS;
2 - спутник "Фотон-М"; 3 - выпускаемый
трос; 4 - блок FLOYD; 5 - капсула
FOTINO. Таким образом, капсула с
устройством MASS, отходя от спутника
под действием внешних (гравитационной,
центробежной и кориолисовой) сил,
должна была тянуть за собой трос,
выпускаемый установленным на спутнике
блоком FLOYD в соответствии с
заданным законом торможения выпуска.
Перед началом эксперимента с тросовой системой спутник «Фотон-М»
необходимо было перевести в режим гравитационной стабилизации (полет в
положении, когда продольная ось космического аппарата ориентирована вдоль местной
вертикали). После включения аппаратуры YES-2 по циклограмме должно было
произойти отталкивание сцепки MASS+FOTINO с помощью пружинных толкателей и
начаться программно-контролируемый выпуск троса, проходящий в два этапа. На
первом этапе длительностью около 80 минут трос должен быть выпущен до длины
3,45 км. Далее должна следовать фаза удерживания (длительностью несколько минут),
во время которой будет возможность оценить текущее состояние тросовой системы,
провести синхронизацию реальной динамики троса с расчетной - с целью обеспечения
необходимых условий приземления капсулы в заданном районе. Затем должен быть
выполнен второй этап выпуска троса на его полную длину 30 км - продолжительность
этого этапа равна примерно 1 часу. По завершении развертывания полностью
выпущенный трос переходит в режим маятниковых колебаний в плоскости орбиты по
отношению к спутнику "Фотон-М" - и согласно таймеру в заданный момент времени
должно произойти отделение капсулы FOTINO от блока MASS. Это позволит получить
значение перигея новой орбиты капсулы примерно на порядок меньше, чем при
простом отделении на расстоянии длины троса в его статическом вертикальном
положении, что гарантирует переход капсулы на траекторию спуска со входом в
атмосферу. Спустя примерно 10 минут должна произойти отсечка троса с блоком
MASS от спутника "Фотон-М" - эта часть тросовой системы должна безопасно
разойтись со спутником и вскоре сгореть в земной атмосфере. Конструкция капсулы
FOTINO разработана для выполнения задачи успешного прохождения плотных слоев
1
Рис.
5
6
атмосферы и приземления: капсула входит в атмосферу, по достижении высоты 5 км
должен открыться парашют и капсула должна совершить посадку в районе полигона
для посадки пилотируемых кораблей в Казахстане. Специальные мероприятия по
поиску этой капсулы не планировались. Тем не менее, точное место ее приземления
могло быть определено с помощью радиомаяка системы ARGOS, находящегося внутри
капсулы и передающего сигнал на спутники ARGOS. Продолжительность всего
эксперимента должна была составит примерно 7 часов, из них фазы развертывания
тросовой системы, движения выпущенного троса, отделения капсулы FOTINO с
последующим ее полетом по траектории спуска - примерно 3 часа.
На рис. 6 показана схема выполнения эксперимента
YES2: 6 - отведение капсулы FOTINO с устройством
MASS на тросе, выпускаемом блоком FLOYD, от
спутника "Фотон-М" вниз на расстояние 3,45 км;
7 - отведение капсулы FOTINO с устройством MASS на
тросе, выпускаемом блоком FLOYD, от спутника
"Фотон-М" вниз и вперед на полную длину троса 30 км;
8 - качок тросовой системы назад в плоскости орбиты до
вертикального положения; 9 - отделение капсулы
FOTINO от устройства MASS и ее переход на орбиту с
уменьшенным перигеем; 10 - вход капсулы FOTINO в
плотные слои атмосферы; 11 - приземление капсулы
FOTINO на парашюте в заданном районе.
Специалист ЦНИИМаш Константин Ёлкин перед
началом эксперимента заявил: "Эксперимент YES2
является очень смелым. Несмотря на то, что он
базируется на выводах многочисленных теоретических
работ, на анализе результатов ранее ставившихся в
космосе экспериментов с тросами, на наземных расчетах
и проверках функционирования основных систем
оборудования, полной уверенности в том, что в космосе
все будет так, как предполагали на Земле, до последней
секунды окончания эксперимента не должно быть.
Слишком много факторов, не поддающихся заранее
учету и наземному моделированию."
Ход выполнения эксперимента YES2
Спутник "Фотон-М" ʋ 3 был запущен 14 сентября 2007 года в 15:00 ракетой-
носителем среднего класса "Союз" и выведен на орбиту с параметрами: максимальная
высота - 304 км; минимальная высота - 262 км; наклонение орбиты к плоскости
экватора - 63°; период обращения - 90,42 минуты. Масса спутника - 6535 кг, масса
научной аппаратуры, предназначенной в основном для экспериментов по технологии
материалов и биотехнологии - до 700 кг. Продолжительность полета спутника - 12
суток и одни сутки резервные, проведение эксперимента YES2 планировалось на
завершающем этапе полета спутника 25 сентября в 8:47.
25.09.07 в 12:27:38 РИА "Новости" со ссылкой на неназванного представителя
российского ЦУПа передало следующую информацию об успешном выполнении
эксперимента: "Капсулу с орбиты вернули на Землю при помощи троса.
Микрокапсулу Fotino с первыми результатами экспериментов на спутнике "Фотон-М3",
который находится на орбите с 14 сентября, во вторник вернули из космоса на Землю
на специальном 30-километровом тросе, сообщил представитель российского Центра
управления полетами. "Микрокапсула успешно приземлилась в запланированном
Рис.
6
7
месте", - сказали в Центре. При полете "Фотона" впервые была опробована европейская
система возвращения с орбиты легких грузов. Специальная капсула под названием
Fotino сначала отделилась от биоспутника, затем спустилась на 30-километровом тросе
из полиэтилена, а после его автоматической обрезки на парашюте произвела посадку в
заданном районе."
Однако вскоре последовало следующее сообщение ИТАР-ТАСС со ссылкой на
руководителя полета научной орбитальной лаборатории "Фотон-М3" Николая
Соколова о полном провале эксперимента: "Испытание "космической почты"
закончилось полным провалом. Специалисты российского Центра управления
полетами (ЦУП) сегодня днем провели уникальный эксперимент YES-2 по испытанию
системы "космической почты", который, к сожалению, закончился неудачей. "В 08:47
по московскому времени, как и было запланировано, капсула Fotina "отстрелилась" от
спутника "Фотон" и начала спуск на специальном 30-километровом тросе", - сообщил
руководитель полета научной орбитальной лаборатории "Фотон-М3" Николай Соколов.
Надувная (? - НШ) 36-килограммовая (? - НШ) капсула Fotina с полезным грузом
спускается на Землю на суперлегком тросе из полиэтиленового волокна - дайнима.
Этот материал не только легок, но и очень прочен: 30-километровый трос диаметром
всего полмиллиметра при собственном весе в 5 кг способен выдержать груз в
несколько сотен килограммов (? - НШ). После спуска с орбиты на высоту 30 км
капсула, в идеале, должна была отсоединиться от троса и начать спуск в заданную
точку планеты. Сам же трос должен был сгореть в плотных слоях атмосферы. Однако
все пошло не так, как ожидалось. "Скорость развертывания троса была не 12 м/с, как
планировалось, а только 5 м/с, поэтому 30-километровый трос отмотался всего на
8,5 км, и точка посадки капсулы изменилась", - пояснил Соколов. Следовательно,
констатировал ученый, "космическая посылка" приземлилась (? - НШ) в нерасчетном
районе. В настоящее время специалисты проводят расчет места приземления капсулы,
отмечает ИТАР-ТАСС."
Затем эту информацию подтвердил "Интерфакс": "Спуск капсулы со спутника
"Фотон-М" завершился неудачей. Совместный российско-европейский эксперимент по
спуску на тросе с орбиты микрокапсулы Fotino завершился неудачей, заявил во вторник
руководитель полета космического аппарата "Фотон-М" Николай Соколов. "В
принципе эксперимент прошел неудачно. Почему вместо 12 метров в секунду трос
начал раскручиваться со скоростью 5 метров в секунду, а потом вообще остановился -
это вопрос к Европейскому космическому агентству. Российский ЦУП все команды
аппарату выдавал вовремя и четко", - сказал Соколов. Он не исключил, что аппарат
Fotino мог остаться на орбите и превратиться в космический мусор.
По его словам, космический аппарат "Фотон-М" находился во время проведения
эксперимента на орбите с высотой 260-300 км. Трос с микрокапсулой Fotino
развернулся на 8 км, в связи с чем она не вошла в атмосферу Земли и, может быть,
сейчас продолжает полет по орбите. Соколов добавил, что к определению
местонахождения микрокапсулы привлечены специалисты и средства
Росаэронавигации. Радиомаяк, установленный внутри микрокапсулы, по его словам,
должен был начать работу в тот момент, когда микрокапсула находилась бы на высоте
5 км над Землей, а отсутствие радиосигнала затрудняет поиск Fotino.
Несмотря на то, что эксперимент в целом прошел неудачно, Cоколов отметил, что
развертывание троса на 8,5 км из запланированных 30 все же является рекордом, так
как ранее наилучшим результатом являлось раскручивание троса на 4,5 км (? - НШ)."
По полученным в эксперименте данным европейские специалисты построили
реконструкцию траектории движения капсулы FOTINO с устройством MASS
относительно спутника "Фотон-М" в связанной с ним орбитальной системе координат
(рис. 7). На рисунке видно, что после отталкивания капсулы от спутника вниз она в
течение примерно четверти витка (20-25 минут) совершала почти свободное
8
относительное движение - вниз и вперед.
По-видимому, на этом этапе (до длины
почти 1 км) трос выпускался блоком
FLOYD свободно, без торможения. Затем
траектория отхода капсулы от спутника
резко меняется, приближаясь к местной
вертикали, что свидетельствует о начале
регулируемого торможения выпуска
троса. На длине 3,5 км ясно видна
остановка выпуска троса и начало его
маятниковых колебаний. Затем выпуск
троса продолжается, и капсула отходит от
спутника вниз и вперед. На длине 8,5 км,
когда угол между тросом и местной
вертикалью составляет примерно 30°,
происходит неожиданное прекращение
выпуска троса. После этого тросовая
система входит в маятниковые колебания,
совершая качок назад, а затем начиная
качок вперед. В ходе этого обратного
качка при угле отклонения троса от вертикали около 20° происходит отделение
капсулы FOTINO от устройства MASS.
Комментируя результаты эксперимента YES2, представитель ЦНИИМаш
Константин Ёлкин заявил "Интерфаксу-АВН", что Россия намерена продолжить
эксперименты по спуску грузов с орбиты с помощью тросов. "Проведение
экспериментов с тросами необходимо продолжать. И в России существуют подобные
предложения, например эксперимент "Вулкан-МК", "Трос-1" и "Трос-2", - сказал
К. Ёлкин. По его словам, их планируется провести с борта Международной
космической станции, однако эксперименты пока не включены в план космических
исследований на ближайшее время. Отработка тросовых систем поможет в выполнении
таких задач, как спуск с орбиты грузов без затраты топлива, получение электроэнергии
из электромагнитного поля Земли, размещение на орбите сети исследовательских
зондов. К. Ёлкин добавил, что эксперимент со спуском на 30-километровом тросе
микрокапсулы FOTINO, разработанный европейскими и самарскими студентами, сам
по себе стал дерзкой разработкой. "Европейское космическое агентство шло на этот
риск сознательно, т.к. из около 20 проведенных в мире подобных экспериментов с
тросами, только около 60% из них прошли в целом успешно, 40% своих целей не
достигли", - сказал К. Ёлкин. Он добавил, что ранее СССР и Россией эксперименты с
тросами не проводились.
Пересмотр результатов эксперимента YES2
Спустя полтора месяца после проведения эксперимента YES2 стали появляться
осторожные сообщения о том, что тросовая система всё же была развернута на полную
длину троса, и после отделения капсула вошла в атмосферу на первом же витке.
Основанием для такого вывода стал тот странный факт, что после проведения
эксперимента ни капсула FOTINO, ни блок MASS с тросом никем не были обнаружены
в космосе. Так, вечером 25 сентября космическое командование США NORAD не
выдало ожидавшихся двустрочных элементов орбит отделившихся фрагментов
спутника "Фотон-М" (объект 07040). При этом, правда, осталось неясным, какими
техническими средствами и в какой области околоземного космического пространства
специалисты NORAD пытались найти эти блоки - и пытались ли вообще. Кроме того,
Рис.
7
9
капсула FOTINO так и не была обнаружена на Земле, и более того, не были
зарегистрированы сигналы установленного в ней радиомаяка системы ARGOS,
который должен был автоматически заработать на высоте 5 км. Тем не менее,
разработчики проекта эксперимента YES2 считают возможным рассматривать эти
факты как основание для пересмотра результатов эксперимента в более благоприятную
сторону.
9 ноября 2007 года на сайте Роскосмоса появилась "хорошая новость" о том, что
при испытаниях космической почты спускаемая капсула FOTINO отошла от спутника
"Фотон-М" на полную длину тросовой системы: "По предварительным данным, в
сентябре в ходе полета российского КА "Фотон-М3" при испытаниях европейской
космической тросовой системы капсула "Фотино" отошла от него не на 8,5 км, как
считалось ранее, а на полную длину троса - 30 км. Об этом ИТАР-ТАСС сообщил
8 ноября глава постоянного представительства Европейского космического агентства в
Москве Кристиан Файхтингер".
"Мы пока заняты анализом всех доступных нам данных. Это не только данные от
самого эксперимента, но и других экспериментов, позволяющие судить о положении
элементов и динамических характеристиках системы, - сообщил Файхтингер. "Работа
идет полным ходом, но она еще не завершена. Однако предварительно мы понимаем,
что наши первоначальные предположения об отходе капсулы "Фотино" от КА "Фотон"
всего на 8,5 км, скорее всего, ошибочны" - сообщил он ИТАР-ТАСС.
По словам Файхтингера, "есть свидетельства в пользу того, что капсула в
действительности отошла от КА "Фотон" на полную длину троса - 30 км. Это пока
предварительная информация, и мы не хотели бы раньше времени с уверенностью об
этом заявлять, пока сами не убедимся окончательно. Возможно, все дело в
неправильных показаниях датчика, замеряющего скорость развертывания и длину
выпущенного троса".
Как сообщил представитель ЕКА, "по телеметрическим данным все выглядело
так, будто скорость развертывания уменьшилась, а затем развертывание вообще
прекратилось после выхода 8,5 км троса". "В пользу нашего предварительного вывода о
развертывании троса на полную длину свидетельствует также тот факт, что капсула
"Фотино" так и не была обнаружена ни американскими, ни российскими средствами
контроля космического пространства. То есть после перерезания троса капсула вошла в
атмосферу, что от нее и требовалось, - заметил Файхтингер, - Никаких следов капсулы
на Земле также не обнаружено. Не было и никаких радиосигналов от ее радиомаяка".
По его словам, "программой эксперимента не предусматривался поиск капсулы на
Земле, но все же такие попытки предпринимались. Возможно, возвращение капсулы на
Землю состоялось в стороне от ожидаемого района, что связано с нештатным режимом
работы системы управления экспериментом, не получавшей корректных данных о
скорости развертывания троса".
Несмотря на то, что эксперимент прошел не по плану, европейские специалисты
считают, что "была получена ценнейшая информация о динамике тросовой системы в
условиях космического полета, о работе системы развертывания троса". На рис. 8-12
представлены результаты пересмотренной реконструкции развертывания тросовой
системы по измерениям, сделанным в эксперименте YES2. На рис. 8 слева показана
траектория относительного движения отводимой на тросе капсулы FOTINO в
орбитальной системе координат, связанной со спутником "Фотон-М" на начальном
этапе развертывания тросовой системы, а справа - на всем протяжении развертывания.
Чёрной линией показан результат упрощенной реконструкции, а желтой - результат
уточненного моделирования. На рис. 9 показано изменение скорости выпуска троса:
красной линией - заданное, а черной - реконструированное. На рис. 10 представлены в
сравнении траектории относительного движения капсулы: красной линией - заданная, а
черной - реконструированная. На рис. 11 показано изменение числа витков троса,
10
сматываемых с катушки (коричневыми точками представлены более точные данные,
чем представленные черными точками). На рис. 12 показано изменение силы
натяжения троса: красной сплошной линией - заданное, красной пунктирной -
номинальное при отсутствии торможения, черной и серыми - различные
реконструкции.
Рис.
8
Рис.
9
11
Рис.
10
Рис.
11
12
Причины неудачи эксперимента YES2
Наиболее очевидной причиной неудачи эксперимента YES2 стала внезапная
самопроизвольная остановка выпуска троса устройством FLOYD. Не зная его
конкретной конструкции, принципа действия и алгоритма управления, трудно
однозначно определить причину этой остановки. Можно, однако, с большой долей
вероятности предположить, что это устройство представляло собой безынерционную
катушку с управляемым фрикционным тормозом, осуществляющим торможение
выпуска троса путем непосредственного контактного воздействия на него с
регулированием силы натяжения выпускаемого троса в зависимости от его текущей
длины и скорости выпуска по заданному алгоритму. При этом планируемая скорость
выпуска троса могла достигать примерно 12 м/с, а сила его натяжения в конце выпуска
- около 1,7 Н, то есть тепловая мощность, выделяемая фрикционным тормозом, могла
составить около 20 Вт. Возможно, в другой ситуации непредусмотренный перегрев в
устройстве выпуска троса мог бы стать причиной неполадок в его работе. Однако
фактически на длине троса до 8,5 км скорость его выпуска была существенно меньше
расчетной - 5 м/с вместо 12 м/с, при этом выделяемая в фрикционном тормозе тепловая
мощность была на порядок меньше указанной выше, что не могло привести к
перегреву.
Судя по нерасчетной скорости выпуска троса, неполадки в работе устройства
FLOYD наблюдались ещё до того, как произошла внезапная остановка его работы.
Возможно, эта остановка явилась просто логическим следствие указанных неполадок,
хотя не исключена и не зависящая от этого причина. Причиной же нерасчетной работы
устройства выпуска троса может быть как закладка ошибочного алгоритма управления,
что маловероятно, так и неправильная отработка этого алгоритма в механических
узлах, в первую очередь в фрикционном тормозе, что намного более вероятно. Надо
сказать, что вообще точное управление силой натяжения выпускаемого троса, особенно
на очень низком уровне - долей ньютона, и особенно при большой скорости его
выпуска - в несколько метров в секунду, - задача технически довольно сложная и плохо
поддающаяся как расчету, так и наземной экспериментальной отработке. И здесь
Рис.
12
13
нужно быть готовым к тому, что управление выпуском троса при таких условиях будет
сопровождаться довольно значительными погрешностями.
Если же заранее иметь в виду эти погрешности управления выпуском троса, то
нельзя не видеть принципиального недостатка схемы тросового орбитального маневра
swinging release. Как уже было сказано, в этой схеме необходимо достаточно точно
совместить по времени 3 события: разделение тросовой системы должно произойти в
момент, когда система будет находиться в нужной точке орбиты, и в этот же момент
развертывание тросовой системы должно быть завершено и она должна, совершая
качок, проходить вертикальное положение. Если совмещение первых двух событий не
представляет особых трудностей, то приурочить к этому же моменту времени нужное
текущее состояние тросовой системы почти невозможно - ввиду указанных выше
погрешностей процесса ее развертывания. Как показал эксперимент YES2, фактическая
длительность развертывания тросовой системы может в разы отличаться от расчетной,
и к моменту нахождения системы в нужной точке орбиты она будет занимать совсем не
то положение, которое требуется для спуска объекта с орбиты с его достаточно точной
посадкой в заданном районе.
Для решения этой проблемы есть два основных пути. Европейские специалисты
уже много лет пытаются всеми возможными средствами и способами обеспечить
достаточно точное управление развертыванием тросовой системы, не отказываясь
принципиально от схемы swinging release. Мы со своей стороны предлагаем отказаться
от этой схемы и вернуться к схеме hanging release, тем более, что преимущества схемы
swinging release представляются нам весьма сомнительными, недостатки же ее -
очевидными. Обычно в качестве преимущества схемы swinging release указывают то,
что для осуществления тросового орбитального маневра требуется трос почти в 2 раза
меньшей длины, чем при схеме hanging release. На это можно возразить, что из-за
увеличенных нагрузок на трос при качке этот трос приходится делать существенно
толще - и тогда выигрыш в объеме и массе троса сводится практически к нулю. В то же
время при схеме hanging release разделение тросовой системы можно выполнить в
любой нужный момент после завершения ее развертывания, что не требует жесткого
обеспечения требуемой длительности этого процесса.
Источники информации
1.Bekey I. Tethers open new space options // Astronautics and Aeronautics.- 1983.-
V. 21, ʋ 4.- P. 32-40.
2.Осипов В.Г., Шошунов Н.Л. В космосе... на тросе // Наука в России. - 1996. -
ʋ 1. - С. 28-33.
3.Cosmo M.I., Lorenzini E.C., Tethers in Space Handbook.- 3d ed.- Cambridge
(Massachusetts): Smithsonian Astrophysical Observatory, 1997.- 234 p.
4.Осипов В.Г., Шошунов Н.Л. Космические тросовые системы: история и
перспективы // Земля и Вселенная. - 1998. - ʋ 4. - С. 19-29.
5.Осипов В.Г., Шошунов Н.Л. Орбитальные тросовые системы: между прошлым и
будущим // Биржа интеллектуальной собственности. - Т. 3. - 2004. - ʋ 9. - С. 33-41.
6.Kessler C., Balakin V.L., Fehlbier C., Hahn T., Horstmann C., Reb S., Sabath D.,
Wittmann G. RAPUNZEL - Rope Attached Piggyback Unit Zooming on Environmental Data
at Low Cost.- DGLR-91-176, Berlin, September 1991.
7.Kessler C., Krischke M., Schmitt G., Sabath D., Schachmistov V., Balakin V.L.
RAPUNZEL, seilgefesselte Nutzlastrueckfuerung mit der Mikrorueckkehrkapsel MIRKA.-
DGLR-92-03-151, Bremen, October 1992.
8.Осипов В.Г., Сурин Д.М., Шошунов Н.Л., Коровин В.В. Проект эксперимента с
тросовой системой на Международной космической станции // Труды XXXII
14
общественно-научных чтений, посвященных памяти Ю.А.Гагарина, г. Гагарин
Смоленской обл., 9-12 марта 2005 г.
9.Doty P., Rupp C., Smith H. First and second flights of the Small Expendable Deployer
System // AIAA Paper, 1995.- ʋ 4075.- 10 p.
10.Kessler C., Krishke M., Sabath D., Osipov V.G., Schoschunov N.L.
TROS-RAPUNZEL: A new application for RAPUNZEL in combination with the MIR station
// AIAA Paper.- 1994.- ʋ IAF-94-A.3.022.- 13 p.
11.Ockels W.J., van der Heide E.J., Kruijff M. "Space Mail" and Tethers: sample return
capability for Space Station Alpha // AIAA Paper.- 1995.- ʋ IAF-95-T.4.10.- 13 p.
12.Perino M.A., Merlina P., Licata R., Graf E., Degtyarenko G. TARGET - A promising
tethered capsule re-entry demonstration mission // 47th International Astronautical Congress,
IAF-96-V.2.05, Beijing, China, October 1996.
13.Zimmermann F. Optimierung der seilgestuetzten Rueckkehrmission einer gelenkten
Wiedereintrittskapsel. Dissertation, Universitaet Stuttgart, ISBN 3-935511-02-7, UFO Atelier
fuer Gestaltung & Verlag GbR, Allensbach, 2001.
14.Беляев М.Ю., Осипов В.Г., Сурин Д.М., Цветков В.В., Шошунов Н.Л.
Экспериментальная тросовая система с атмосферным зондом // Труды XLI чтений,
посвященных разработке научного наследия и развитию идей К.Э.Циолковского.
Секция "Проблемы ракетной и космической техники". (г. Калуга, 12-14 сентября
2006 г.) Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2007. С. 150-163.
15.Осипов В.Г., Хумонен С.А., Шошунов Н.Л. Запуск малых спутников с борта
корабля "Прогресс" с помощью длинного троса // XLII научные чтения памяти
К.Э.Циолковского. Калуга, 17-21 сентября 2007 г.
16.Интернет-сайт Young Engineer's Satellite 2.
17.Интернет-сайт Федерального космического агентства.
18.Сообщения РИА "Новости", ИТАР-ТАСС, Интерфакс.
Старший научный сотрудник,Н.Л.Шошунов
кандидат технических наук
Автор
shoshunov
Документ
Категория
Статьи
Просмотров
368
Размер файла
968 Кб
Теги
yes2
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа