Space tether - Space tether - Wikipedia

Umělecké pojetí satelitu s postrojem

Vesmírné postroje jsou dlouhé kabely, které lze použít k pohonu, výměně hybnosti, stabilizaci a ovládání postoje, nebo udržování relativní polohy složek velkého rozptýleného satelitu /kosmická loď senzorový systém.^[1] V závislosti na cílech mise a nadmořské výšce vesmírný let pomocí této formy pohon kosmické lodi se předpokládá, že je výrazně levnější než použití vesmírných letů raketové motory.

Hlavní techniky

Tether satelity mohou být použity pro různé účely, včetně výzkumu tetherový pohon, přílivová stabilizace a dynamika orbitální plazmy. Ve vývoji je pět hlavních technik využití kosmických postrojů:^[2][3]

Elektrodynamické postroje

Elektrodynamické postroje se používají především k pohonu. Jedná se o vodivé postroje, které vedou proud, který může generovat buď tah nebo táhnout od a planetární magnetické pole, v podstatě stejným způsobem jako elektrický motor dělá.

Tethery pro výměnu hybnosti

Mohou to být buď rotující postroje, nebo nerotující postroje, které zachytí přicházející kosmickou loď a poté ji později vypustí na jinou oběžnou dráhu s jinou rychlostí. Lze použít postroje pro výměnu hybnosti orbitální manévrování, nebo jako součást vesmírného dopravního systému planetární povrch-na-oběžnou dráhu / oběžnou dráhu na únikovou rychlost.

Uvázaná formace létá

To je obvykle a nevodivé tether, který přesně udržuje nastavenou vzdálenost mezi více vesmírnými vozidly létajícími ve formaci.

Elektrická plachta

Forma solární bouře plachta s elektricky nabitým postroje který bude tlačen hybností slunečního větru ionty.

Univerzální systém orbitální podpory

Koncept pro zavěšení objektu z postroje obíhajícího ve vesmíru.

Bylo navrženo mnoho využití vesmírných postrojů, včetně nasazení jako vesmírné výtahy, tak jako skyhooks a za provádění orbitálních přenosů bez pohonných hmot.

Dějiny

Konstantin Tsiolkovskij kdysi navrhla věž tak vysokou, že sáhla do vesmíru, aby ji tam mohla držet rotace Země. V té době však neexistoval žádný realistický způsob, jak to postavit.

V roce 1960 další Rus, Jurij Artsutanov, psal podrobněji o myšlence tahového kabelu, který má být nasazen z geosynchronní satelit, dolů směrem k zemi a nahoru, aby byl kabel vyvážený.^[4] To je vesmírný výtah myšlenka, typ synchronního postroje, který by rotoval se zemí. Avšak vzhledem k tehdejší materiálové technologii to bylo také pro Zemi nepraktické.

V 70. letech Jerome Pearson samostatně pojal myšlenku vesmírného výtahu, někdy označovaného jako synchronní postroj,^[5] a zejména analyzoval a lunární výtah který může projít Body L1 a L2, a bylo zjištěno, že je to možné s tehdy existujícími materiály.

V roce 1977 Hans Moravec^[6] a později Robert L. Vpřed zkoumal fyziku nesynchronních skyhooks, také známý jako rotující skyhooks, a provedl podrobné simulace zúžených rotujících postrojů, které mohly vybrat objekty a umístit je na Měsíc, Mars a další planety, s malou ztrátou nebo dokonce s čistým ziskem energie.^[7][8]

V roce 1979 NASA zkoumal proveditelnost této myšlenky a dal směr studiu uvazovaných systémů, zejména uvazovaných satelitů.^[1][9]

V roce 1990 navrhl E. Sarmont nerotující orbitální Skyhook pro vesmírný dopravní systém Země-orbita / orbita-k-únikové rychlosti v dokumentu nazvaném „Orbitující skyhook: cenově dostupný přístup do vesmíru“.^[10][11][12] V tomto konceptu a suborbitální nosná raketa by letěl na spodní konec Skyhooku, zatímco kosmická loď směřující na vyšší oběžnou dráhu nebo se vracející z vyšší oběžné dráhy by používala horní konec.

V roce 2000 NASA a Boeing považován za HASTOL koncept, kdy rotující tether by unesl užitečné zatížení z hypersonického letadla (při polovině orbitální rychlosti) do obíhat.^[13]

Mise

Obrázek tetherového satelitu americké námořní laboratoře TiPS. Je ukázána nasazená pouze malá část 4 km postroje.

A tether satelit je družice připojen k dalšímu pomocí vesmírného postroje. Byla vypuštěna řada satelitů, které testují tetherové technologie s různou mírou úspěchu.

Typy

Existuje mnoho různých (a překrývajících se) typů tetheru.

Otočné postroje pro výměnu hybnosti

Hybnost Výměnné postroje jsou jednou z mnoha aplikací pro vesmírné postroje. Tethery pro výměnu hybnosti přicházejí ve dvou typech; rotující a nerotující. Rotující postroj vytvoří řízenou sílu na koncové hmoty systému v důsledku odstředivého zrychlení. Zatímco se systém upoutání otáčí, objekty na obou koncích upoutání budou zažívat nepřetržité zrychlování; velikost zrychlení závisí na délce provazu a rychlosti otáčení. K výměně hybnosti dochází, když se během otáčení uvolní koncové těleso. Přenos hybnosti na uvolněný objekt způsobí, že rotující postroj ztratí energii, a tím i rychlost a nadmořskou výšku. Nicméně pomocí elektrodynamický tether tlačení, nebo iontový pohon systém se poté může znovu posílit s malými nebo žádnými výdaji spotřební reakční hmoty.

Skyhook

Rotující a přílivově stabilizovaný skyhook na oběžné dráze

Skyhook je teoretická třída oběžné dráhy tetherový pohon zamýšlel zvednout užitečné zatížení do vysokých nadmořských výšek a rychlostí.^{[14][15][16][17][18]} Návrhy skyhooků zahrnují designy, které používají řetězy točící se nadzvukovou rychlostí k zachycení vysokorychlostního užitečného zatížení nebo letadel ve vysoké nadmořské výšce a jejich umístění na oběžnou dráhu.^[19]

Elektrodynamika

Zobrazuje se středně detailní pohled pořízený 70mm fotoaparátem Vázaný satelitní systém rozvinutí.

Elektrodynamické postroje jsou dlouhé vodivé vodiče, například jeden z vodičů a tether satelit, které mohou fungovat na elektromagnetických principech jako generátory, převedením jejich Kinetická energie na elektrická energie, nebo jako motory, převádějící elektrickou energii na energii kinetickou.^[1] Elektrický potenciál je generován napříč vodivým postrojem jeho pohybem přes magnetické pole Země. Volba kovu dirigent použití v elektrodynamickém postroji je určeno řadou faktorů. Mezi primární faktory obvykle patří vysoká elektrická vodivost a nízko hustota. Mezi sekundární faktory, v závislosti na aplikaci, patří cena, pevnost a teplota tání.

V dokumentárním filmu byl profilován elektrodynamický postroj Sirotci z Apolla jako technologie, která měla být použita k udržení ruské vesmírné stanice Mir na oběžné dráze.^[20][21]

Formace létání

Jedná se o použití (obvykle) nevodivého postroje k připojení více kosmických lodí. Navrhovaný experiment z roku 2011 ke studiu této techniky je Tethered Experiment for Mars Inter-Planetary Operations (TEMPO³).

Univerzální systém orbitální podpory

Příklad možného uspořádání pomocí univerzálního orbitálního podpůrného systému.

Teoretický typ nerotujícího upoutaného satelitního systému, je to koncept poskytování vesmírné podpory věcem zavěšeným nad astronomickým objektem.^[22] Orbitální systém je spojený hmotový systém, kde horní nosná hmota (A) je umístěna na oběžné dráze kolem daného nebeského tělesa tak, že může nést zavěšenou hmotu (B) ve specifické výšce nad povrchem nebeského tělesa, ale nižší než (A).

Technické potíže

Stabilizace gravitačního gradientu

Popis sil přispívajících k udržení vyrovnání gravitačního gradientu v systému uvázání

Místo toho, aby se otáčely jeden za druhým, mohou být postroje také udržovány rovně díky malému rozdílu v gravitační síle po jejich délce.

Nerotační upínací systém má stabilní orientaci, která je vyrovnána podél lokální vertikály (země nebo jiného tělesa). To lze pochopit kontrolou obrázku vpravo, kde byly dvě kosmické lodě ve dvou různých výškách spojeny pomocí postroje. Normálně by každá kosmická loď měla gravitační rovnováhu (např_g1) a odstředivé (např_c1) síly, ale když jsou svázány provázkem, tyto hodnoty se začnou navzájem měnit. K tomuto jevu dochází, protože bez postroje by hmota vyšší nadmořské výšky cestovala pomaleji než hmota nižší. Systém se musí pohybovat jedinou rychlostí, takže provaz musí proto zpomalit spodní hmotu a zrychlit horní. Odstředivá síla uvázané horní části těla se zvýší, zatímco v dolní výšce těla se sníží. Výsledkem je dominantní odstředivá síla horní části těla a gravitační síla dolní části těla. Tento rozdíl v silách přirozeně vyrovnává systém podél lokální vertikály, jak je vidět na obrázku.^[23]

Atomový kyslík

Objekty na nízké oběžné dráze Země jsou vystaveny znatelné erozi z atomového kyslíku v důsledku vysokého orbitální rychlost s nimiž molekuly narazí, stejně jako jejich vysoká reaktivita. To by mohlo rychle narušit postroj.^[24]

Mikrometeority a vesmírný odpad

Jsou náchylné jednoduché jednopramenné postroje mikrometeoroidy a vesmírné haraburdí. Od té doby bylo navrženo a testováno několik systémů ke zlepšení odolnosti proti úlomkům:

• Spojené státy Naval Research Laboratory úspěšně letěl 6 km dlouhý provaz o průměru 2-3 mm s vnější vrstvou opletení Spectra 1000 a jádrem z akrylové příze.^[25] Tento satelit, Tether Physics and Survivability Experiment (TiPS), byl vypuštěn v červnu 1996 a zůstal v provozu více než 10 let, konečně zlomil v červenci 2006.^[26]
• Dr. Robert P. Hoyt patentoval vytvořenou kruhovou síť tak, aby se kmeny odříznutého vlákna automaticky přerozdělovaly kolem přerušeného vlákna. Tomu se říká a Hoytether. Hoytethers má teoretickou životnost desítek let.
• Vědci s JAXA navrhli také síťové postroje pro své budoucí mise.^[27]

Velké kusy haraburdí by stále sekaly většinu postrojů, včetně zde uvedených vylepšených verzí, ale ty jsou aktuálně sledovány na radaru a mají předvídatelné oběžné dráhy. Tether mohl být kroutit, aby se vyhnul známým kusům haraburdí, nebo trysky používané ke změně oběžné dráhy, aby se zabránilo kolizi.^{[Citace je zapotřebí ]}

Záření

Záření, včetně UV záření, má tendenci degradovat uvázané materiály a snižovat životnost. Postroje, které opakovaně procházejí Van Allenovy pásy mohou mít výrazně nižší život než ti, kteří zůstávají na nízké oběžné dráze Země nebo jsou drženi mimo zemskou magnetosféru.

Konstrukce

Vlastnosti užitečných materiálů

Složení tetheru TSS-1R [NASA].

Vlastnosti a materiály tetheru jsou závislé na aplikaci. Existují však některé společné vlastnosti. Aby bylo dosaženo maximálního výkonu a nízkých nákladů, bylo by nutné postroje vyrobit z materiálů s kombinací vysoké pevnosti nebo elektrické vodivosti a nízké hustoty. Všechny vesmírné postroje jsou citlivé na vesmírné úlomky nebo mikrometeroidy. Proto budou návrháři systémů muset rozhodnout, zda je nebo není ochranný povlak potřebný, a to i ve vztahu k UV a atomový kyslík. Probíhá výzkum s cílem posoudit pravděpodobnost kolize, která by poškodila postroj.^{[Citace je zapotřebí ]}

Pro aplikace, které vyvíjejí na tah velké síly v tahu, musí být materiály silné a lehké. Některé současné designy tetheru používají krystalické plasty, jako např ultra vysokomolekulární polyethylen, aramid nebo uhlíkové vlákno. Možný budoucí materiál by byl uhlíkové nanotrubice, které mají odhad pevnost v tahu mezi 140 a 177 GPa (20,3-25,6 milionu psi) a prokázaná pevnost v tahu v rozmezí 50-60 GPa pro některé jednotlivé nanotrubice. (A počet dalších materiálů získá 10 až 20 GPa v některých vzorcích v nanoměřítku, ale převést takové síly do makro měřítka bylo dosud náročné, protože od roku 2011 byla lana na bázi CNT řádově méně silná, ještě ne silnější než konvenčnější uhlíková vlákna na tom měřítko).^[28][29][30]

U některých aplikací se předpokládá, že tahová síla na postroji bude menší než 65 newtonů (15 lbf)^[31] Výběr materiálu v tomto případě závisí na účelu poslání a konstrukčních omezeních. Elektrodynamické postroje, jako jsou ty, které se používají na TSS-1R,^{[je zapotřebí objasnění ]} může používat tenké měděné vodiče pro vysokou vodivost (viz EDT ).

Existují návrhové rovnice pro určité aplikace, které lze použít jako pomůcku pro designéry při identifikaci typických veličin, které řídí výběr materiálu.

Rovnice vesmírného výtahu obvykle používají „charakteristickou délku“, L_C, který je také známý jako „samonosná délka“ a je délkou nezúženého kabelu, který může podporovat v konstantní hodnotě 1 G gravitační pole.

${ displaystyle L_ {c} = { frac { sigma} { rho g}}}$,

kde σ je mez napětí (v jednotkách tlaku) a ρ je hustota materiálu.

Hypersonické rovnice Skyhook používají „specifickou rychlost“ materiálu, která se rovná maximální tangenciální rychlosti, které může rotující obruč dosáhnout bez porušení:

${ displaystyle V = { sqrt { frac { sigma} { rho}}}}$

U rotujících postrojů (rotátorů) se jako hodnota používá „charakteristická rychlost“ materiálu, což je maximální rychlost špičky, které může rotující nezúžený kabel dosáhnout bez přetržení,

${ displaystyle V_ {c} = { sqrt { frac {2 sigma} { rho}}}}$

Charakteristická rychlost se rovná specifické rychlosti vynásobené druhou odmocninou dvou.

Tyto hodnoty se používají v rovnicích podobných raketová rovnice a jsou analogické se specifickou rychlostí impulsu nebo výfuku. Čím vyšší jsou tyto hodnoty, tím efektivnější a lehčí může být tether ve vztahu k užitečným nákladům, které mohou nést. Nakonec však bude hmotnost upínacího pohonného systému na dolním konci omezena dalšími faktory, jako je ukládání hybnosti.

Praktické materiály

Zahrnutí určitých položek do tohoto seznamu právě probíhá sporný. Přečtěte si příslušnou diskusi k článku diskusní stránka. (Dubna 2014)

Navrhované materiály zahrnují Kevlar, ultra vysokomolekulární polyethylen,^{[Citace je zapotřebí ]} uhlíkové nanotrubice a Vlákno M5. M5 je syntetické vlákno, které je lehčí než Kevlar nebo Spectra.^[32] Podle Pearsona, Levina, Oldsona a Wykese ve svém článku „The Lunar Space Elevator“, stuha M5 o šířce 30 mm a tloušťce 0,023 mm, by byla schopná unést 2000 kg na měsíční povrch. Rovněž by bylo schopno pojmout 100 nákladních vozidel, každé o hmotnosti 580 kg, rovnoměrně rozmístěných po celé délce výtahu.^[5] Další materiály, které lze použít, jsou uhlíková vlákna T1000G, Spectra 2000 nebo Zylon.^[33]

Tvar

Zužující se

U gravitačně stabilizovaných postrojů může být upínací materiál zúžen tak, aby se překročila délka samonosnosti, takže plocha průřezu se mění s celkovou zátěží v každém bodě podél délky kabelu. V praxi to znamená, že struktura centrálního postroje musí být silnější než špičky. Správné zúžení zajišťuje, že napětí v tahu v každém bodě kabelu je přesně stejné. U velmi náročných aplikací, jako je vesmírný výtah Země, může zužování snížit nadměrné poměry hmotnosti kabelu k hmotnosti užitečného zatížení.

Tloušťka

U rotujících postrojů, které nejsou významně ovlivněny gravitací, se také liší tloušťka a je možné ukázat, že plocha A je dána jako funkce r (vzdálenost od středu) následovně:^[34]

${ displaystyle A (r) = { frac {Mv ^ {2}} {TR}} mathrm {e} ^ {{ frac { delta} {T}} { frac {v ^ {2}} {2}} vlevo (1 - { frac {r ^ {2}} {R ^ {2}}} vpravo)}}$

kde R je poloměr upoutání, v je rychlost vzhledem ke středu, M je hmotnost špičky, ${ displaystyle delta}$ je hustota materiálu a T je návrhová pevnost v tahu (Youngův modul děleno bezpečnostním faktorem).

Hmotnostní poměr

Graf poměru hmotnosti lana k užitečnému zatížení versus rychlost špičky v násobcích charakteristické rychlosti materiálu

Integrace plochy pro získání objemu a vynásobení hustotou a dělení hmotností užitečného zatížení dává poměr hmotnosti užitečného zatížení k hmotnosti tetheru:^[34]

${ displaystyle { frac {M} {m}} = { sqrt { pi { frac { delta} {T}} { frac {V ^ {2}} {2}}}} mathrm { e} ^ { left ({ frac { delta} {T}} { frac {V ^ {2}} {2}} right)} mathrm {erf} left ({ sqrt {{ frac { delta} {T}} { frac {V ^ {2}} {2}}}} vpravo)}$

kde erf je normální pravděpodobnost chybová funkce.

Nechat ${ displaystyle V_ {r} = V / V_ {c} ,}$,

${ displaystyle V_ {c} = { sqrt { frac {2T} { delta}}}}$

pak:^[35]

${ displaystyle { frac {M} {m}} = { sqrt { pi}} V_ {r} mathrm {e} ^ {{V_ {r}} ^ {2}} mathrm {erf} ( {V_ {r}})}$

Tuto rovnici lze porovnat s raketová rovnice, který je úměrný jednoduchému exponentu na rychlosti, spíše než rychlosti na druhou. Tento rozdíl účinně omezuje delta-v, které lze získat z jednoho tetheru.

Nadbytek

Kromě toho musí být tvar kabelu konstruován tak, aby odolal mikrometeoritům a vesmírné haraburdí. Toho lze dosáhnout použitím redundantních kabelů, jako je Hoytether; redundance může zajistit, že je velmi nepravděpodobné, že by se více redundantních kabelů poškodilo poblíž stejného bodu kabelu, a proto může na různých částech kabelu před selháním dojít k velmi velkému celkovému poškození.

Pevnost materiálu

Fazole a rotátory jsou v současné době omezeny silou dostupných materiálů. Ačkoli plastová vlákna s velmi vysokou pevností (Kevlar a Spectra ) umožňují rotátorům vytrhávat hmoty z povrchu Měsíce a Marsu, rotátor z těchto materiálů se nemůže zvednout z povrchu Země. Teoreticky vysoké létání, nadzvukový (nebo nadzvukový ) letadlo mohlo dodat užitečné zatížení rotačnímu stroji, který se krátce ponořil do horní atmosféry Země na předvídatelných místech v tropickém (a mírném) pásmu Země. Od května 2013 jsou všechny mechanické řetězy (orbitální a výtahy) pozastaveny, dokud nejsou k dispozici silnější materiály.^[36]

Zachycení nákladu

Zachycení nákladu pro rotátory je netriviální a jeho neúspěch může způsobit problémy. Bylo navrženo několik systémů, jako jsou střelecké sítě na náklad, ale všechny přidávají váhu, složitost a další poruchový režim. Bylo však dosaženo alespoň jedné laboratorní ukázky funkčního systému drapáku.^[37]

Délka života

V současné době jsou nejpevnějšími materiály v tahu plasty, které vyžadují ochranu proti UV záření a (v závislosti na oběžné dráze) erozi atomovým kyslíkem. Likvidace odpadní teplo je obtížné v vakuum, tak přehřátí může způsobit selhání nebo poškození tetheru.

Řízení a modelování

Nestabilita kyvného pohybu

Elektrodynamické postroje rozmístěné podél místní vertikální polohy („závěsné postroje“) mohou trpět dynamickou nestabilitou. Kolísavý pohyb způsobuje, že se amplituda vibrací uvázání vytváří působením elektromagnetické interakce. Jak se doba mise zvyšuje, může toto chování ohrozit výkon systému. Během několika týdnů by elektrodynamické postroje na oběžné dráze Země mohly vytvářet vibrace v mnoha režimech, protože jejich oběžná dráha interaguje s nepravidelnostmi v magnetických a gravitačních polích.

Jedním z plánů, jak ovládat vibrace, je aktivně měnit proud uvázání, aby se potlačil růst vibrací. Elektrodynamické postroje lze stabilizovat snížením jejich proudu, když by napájel oscilace, a zvyšováním, když je proti oscilacím. Simulace prokázaly, že to může řídit vibrace uvázání.^{[Citace je zapotřebí ]} Tento přístup vyžaduje senzory k měření vibrací upoutání, které mohou být buď inerciální navigační systém na jednom konci postroje nebo satelitní navigace systémy namontované na postroji, které na konci přenášejí své polohy do přijímače.

Další navrhovanou metodou je použití spřádacích elektrodynamických postrojů namísto zavěšených. Gyroskopický efekt poskytuje pasivní stabilizaci, čímž se zabrání nestabilitě.

Záchvaty

Jak již bylo zmíněno dříve, vodivé postroje selhaly z neočekávaných proudových rázů. Neočekávané elektrostatické výboje mít ořezaná pouta (např. viz Tethered Satellite System Reflight (TSS ‑ 1R) na STS ‑ 75 ), poškozená elektronika a manipulační zařízení se svařovaným postrojem Je možné, že magnetické pole Země není tak homogenní, jak se domnívali někteří inženýři.

Vibrace

Počítačové modely často ukazují, že lana mohou prasknout v důsledku vibrací.

Mechanické zařízení pro manipulaci s postroji je často překvapivě těžké a má komplexní ovládání tlumení vibrací. Ten tunový horolezec, který navrhl Dr. Brad Edwards pro svůj vesmírný výtah, může detekovat a potlačit většinu vibrací změnou rychlosti a směru. Horolezec může také opravit nebo rozšířit postroj tím, že točí více pramenů.

Mezi vibrační režimy, které mohou být problémem, patří skákání přes švihadlo, příčné, podélné a kyvadlo.^[38]

Tethery jsou téměř vždy zúžené, a to může výrazně zesílit pohyb na nejtenčí špičce způsobem podobným bičům.

Jiné problémy

Tether není sférický objekt a má značný rozsah. To znamená, že jako rozšířený objekt není přímo nastavitelný jako bodový zdroj, a to znamená, že těžiště a centrum gravitace obvykle nejsou barevně uspořádány. Zákon inverzního čtverce tedy neplatí, s výjimkou velkých vzdáleností, na celkové chování postroje. Dráhy tedy nejsou úplně kepleriánské a v některých případech jsou vlastně chaotické.^[39]

S bolus konstrukce, rotace kabelu v interakci s nelineárními gravitačními poli nalezenými na eliptických drahách může způsobit výměnu orbitálního momentu hybnosti a momentu rotace hybnosti. Díky tomu může být predikce a modelování extrémně složité.

Viz také

• HVĚZDY-II
• Pohon kosmické lodi
• Raketový start bez rakety
• Orbitální prsten - místo umělého prstence na oběžné dráze Země

Reference

externí odkazy

Text

• ProSEDS, pohonný experiment na bázi tetheru
• Skupina zvláštních projektů
• Přehled tetheru NASA
• Tetherers Unlimited Incorporated
• Příručka „Tethers In Space“ M. L. Cosmo a E. C. Lorenzini, třetí vydání, prosinec 1997
• Zpráva NASA IAC o orbitálních systémech
• SpaceTethers.com, applet simulátoru vesmírného postroje
• USA National Public Radio - Space Tethers: Slinging Objects in Orbit?
• ESA - projekt YES2
• ESA - Studenti během mise Foton testují „vesmírnou poštovní službu“
• Vesmírná show # 531 Robert P. Hoyt pojednává o vesmírných poutech vesmírná show
• Stránka NASA na TSS-1R
• NASA Tether Origami
• Nový vědecký článek
• Experiment fyziky upoutávek a přežití
• Tetherers Unlimited • Publikace
• Příručka Tethers in Space (PDF)
• Tethers in Space, demonstrace pohonu bez pohonu na oběžné dráze ISBN  978-90-8891-282-5

Video

• Video animace vysvětlující, jak může ethernet fungovat