вернёмся в библиотеку?

«Земля и Вселенная» 1994 №1




Космонавтика

«Знамя» над Землей

В. С. СЫРОМЯТНИКОВ,
доктор технических наук
Е. Н. РЯБКО
НПО «Энергия», консорциум «Космическая регата»


В НАЧАЛЕ НОВОЙ ЭРЫ

Вся жизнь на наше планете неразрывно связана с космосом и целиком зависит от влияния Солнца, Луны, космических лучей и множеств других явлений. Воздействовать на них человечество пока не в силах, но оно уже пытается поставить их на службу себе, хотя познание космоса и проникновение в его не ограниченные пределы только-только начинаются. Теперь, наконец, для человека настала пора выйти в истинно трехмерно космическое пространство, что, как предсказывал К. Э. Циолковский, будет иметь немаловажное практическое значение поскольку земных ресурсов стало явно недостаточно для обеспечения безграничного распространения жизни.

Уже появились новые области производств, связанные с космической промышленностью, многие технологии, разработанные при создании орбитального комплекса многоразовой транспортной системы «Спейс Шаттл», внедряются в земные производства. Эти технологии, да и сам космос, уже становятся одним из самых ценных ресурсов современной цивилизации. Поэтому на первый план выдвигаются следующие направления работы и исследований:

— создание орбитальных международных комплексов;

— доставка и возврат грузов по межорбитальным трассам;

— организация производства на околоземных орбитах;

— освоение Луны;

— космическое освещение и создание других энергетических систем.

Решением этих задач уже многие годы занимаются ученые и инженеры передовых стран мира, однако практическое применение разработок происходит слишком медленно, несмотря на то, что в отрасль вносятся огромные капиталовложения как государственные, так и частные. В их числе «энергетическое» направление и освещение из космоса — одно из главных.

ПАРУСА И ОТРАЖАТЕЛИ

Мечта о рукотворном ночном светиле зародилась еще в 20—30-е годы. Наш соотечественник Ф. А. Цандер, известный своими многочисленными трудами в области космонавтики, предложил выводить на орбиту космические зеркала (отражатели), передающие световую энергию Солнца на поверхность Земли для непосредственного использования. Однако в силу многих причин тогда идея не привлекла особого внимания ученых и инженеров, лишь отдельные энтузиасты продолжали работать в этом направлении. Среди них были немецкий профессор Г. Оберт и его ученик К. Эрике, внесшие огромный вклад в теоретические основы будущих космических систем. Затем идея оказалась на многие годы забытой...

Лишь в настоящее время появились технические возможности реализации этих когда-то фантастических идей; нынешний уровень развития ракетно-космической техники уже позволяет выводить на орбиту полезные грузы в несколько десятков тонн и разворачивать там по-настоящему крупногабаритные конструкции.

Так выглядит солнечный парусный корабль из проекта консорциума «Космическая регата»

Дополнительным импульсом развития работ по созданию таких сооружений площадью в несколько гектаров послужил конкурс, объявленный в 1989 г. юбилейной комиссией Конгресса США. В рамках конкурса, названного «Колумб-500», организаторы призвали к созданию солнечных парусных кораблей для проведения космической регаты и приуроченной к 500-летию открытия Америки.

Россия также включилась в подготовку этого уникального мероприятия. Среди всего разнообразия представленных на конкурс проектов особой оригинальностью конструкторского решения, минимальной массой и простотой управления отличалась концепция, предложенная российским участником — консорциумом «Космическая регата», созданным ведущими предприятиями космической отрасли России во главе с НПО «Энергия». В его задачи входят организация и финансирование работ по таким направлениям:

— солнечный парусный корабль;

— система космического освещения;

— ретрансляция энергии теле-радиосвязи;

— очистка космоса от технологических осколков.

К сожалению, конкурс не получил дальнейшего развития, и разработка солнечных парусов не была доведена до практической реализации. Лишь консорциум «Космическая регата» упорно продолжал начатые разработки, и к юбилейным торжествам в Америке на околоземную орбиту был выведен грузовой транспортный корабль «Прогресс-М» с первым в истории солнечным парусом на борту, который был успешно развернут в космосе 4 февраля 1993 г.

СОЛНЕЧНЫЙ ПАРУСНЫЙ КОРАБЛЬ

При разработке концепции принципиально нового средства передвижения в космосе консорциум «Космическая регата» основывался на технических требованиях, сформулированных юбилейной комиссией: солнечные парусные корабли (СПК) после вывода на начальную стартовую орбиту должны развернуть свои паруса и, управляя ими, начать, постепенный разгон по спиральной траектории. Далее они должны были облететь Луну и, выйдя на траекторию перелета к Марсу, достичь его поверхности или совершить пролет вблизи планеты. Но что же из себя представляет такой аппарат?

Солнечный парусный корабль — это космический аппарат нового типа с массой в несколько сотен килограммов и площадью парусов в несколько гектаров, движущийся под действием солнечного света, разгоняемый и управляемый автономно, без затрат рабочего тела двигателя. Его конструкция имеет два кольцевых бескаркасных, вращающихся в разные стороны пленочных паруса, поддерживающих свою форму под действием центробежных сил. Управляется и ориентируется корабль за счет использования гироскопических сил.

Проделанная работа показала уникальность и сложность поставленных задач, среди которых можно отметить такие:

— создание конструкции развернутого паруса большой площади;

— управление ориентации паруса в пространстве;

— баллистический расчет движения под действием давления солнечного света;

— необходимость создания бортовой аппаратуры при малом лимите массы.

Эти и многие другие проблемы удалось решить; результатом работы стала совершенно новая конструкция корабля с оригинальной компоновкой и укладкой пленки большой площади.

Основными элементами парусника являются центральный вал (ЦВ), парус основной (ПО) и парус управляемый (ПУ), приборный контейнер (ПК).


Траектория перелета солнечного парусного корабля от Земли к Марсу. Разгон корабля производится только с использованием давления солнечного ветра. Цифрами обозначено взаимное расположение объектов в одни и те же моменты времени

Центральный вал - несущая основа конструкции, включающая приводы вращения парусов и управления ориентацией, элементы электропитания устройства складывания и развертывания и другие механизмы. Каждый из парусов состоит из нескольких сегментов, соединенных тросами с барабанами, установленными на ЦВ. По наружному периметру все сегменты соединены между собой. ПУ способен изменять свою конфигурацию:

внутренние края отдельных сегментов, образующих кольцо, смещаются поочередно в разные стороны в осевом направлении; это смещение можно равномерно менять, регулируя «конусность» для изменения момента относительно поперечных осей. Дополнительно можно закручивать внутренние края сегментов, придавая кольцу винтообразность, при этом создается внешний момент относительно предельной оси. Регулирование осуществляется приводами четных и нечетных сегментов. Таким образом, парус позволяет компенсировать возмущения, накопленные от действия внешних сил, чтобы обеспечить устойчивость и управляемость системы в течение всего полета.

Навигационная и другая служебная аппаратура размещена в приборном контейнере, соединенном с центральным валом, стабилизированным относительно вращающихся парусов. Работа бортового комплекса управления основана на использовании бесплатформенной инерциальной навигационной системы, в основе которой — бортовая цифровая вычислительная машина. Электропитание на борту поддерживается с помощью солнечных батарей. Корабль выводится сначала ракетой-носителем на начальную низкую околоземную орбиту высотой около 200 км. Затем при помощи разгонного блока он переводится на стартовую орбиту высотой в несколько тысяч километров. Продолжительность этих операций составит около 48 ч, после чего производится развертывание парусов, и под действием солнечного света корабль начинает разгон по спиральной траектории. Управляя ориентацией паруса, добиваются превращения орбиты в эллиптическую с постоянно возрастающим апогеем. Длительность разгона к Луне в этом случае составит около 120 сут. Время старта, а затем и операции в ходе разгона выбирается так, чтобы парусник вышел в заданную область гравитационного поля Луны. Это позволит решить следующую задачу — перевести СПК на траекторию межпланетного полета к Марсу. Взаимное расположение Земли и Марса на этом этапе тоже подбирается так, чтобы вначале уменьшить период гелиоцентрической орбиты («торможение»), а затем афелий орбиты увеличить, чтобы достичь орбиты Марса («разгон»). Суммарное время, требуемое СПК для достижения Марса, составит около 2,5 лет.

Участок траектории солнечного парусника, участвующего в «космической гонке» к Марсу. На завершающей стадии одного из спиральных витков орбиты, по которой он удаляется от Земли, парусник входит в сферу воздействия Луны, совершает гравитационный маневр в ее поле тяготения и, ускорившись, переходит на траекторию межпланетного перелета


ЭКСПЕРИМЕНТ «ЗНАМЯ»

Параллельно с разработками солнечного парусного корабля консорциум «Космическая регата» совместно с НПО «Энергия» вел разработку аппарата для осуществления эксперимента «Знамя», который должен был подтвердить правильность выбранных конструктивных решений и возможность развертывания паруса большого диаметра в условиях космоса. В основу этого эксперимента легли следующие принципы: использовать с минимальной доработкой в качестве базы орбитальный грузовой корабль «Прогресс-М» с его уникальными возможностями, причем сделать это без ущерба для решения основных задач полёта комплекса «Мир»; использовать при разработке программы эксперимента средства управления, передачи информации и наблюдения Центра управления полетами;

максимально использовать опыт и методы наземной отработки космических конструкций.

Задачами эксперимента стали:

— отработка развертывания крупногабаритного бескаркасного пленочного отражателя — солнечного паруса, формируемого центробежными силами;

— исследование устойчивости паруса, параметров колебаний при различных возмущениях;

— проверка возможности поворота паруса на большие углы и его использование в качестве радио- и светоотражателя.

Конфигурация корабля определялась тем, что агрегат развертывания отражателя (АРО) должен располагаться на месте стыковочного механизма, демонтируемого после стыковки корабля «Прогресс-М» с орбитальным комплексом «Мир». АРО состоит из барабана с восемью катушками, с намотанным на каждую из них сектором пленки ПЭТФ толщиной 5 мкм, металлизированной алюминием, привода развертывания и привода вращения, а также привода шарнира, обеспечивающего угловые наклоны отражателя в пределах ±3° со скоростью 0,4 град/сек. В развернутом положении скрепленные между собой по внешнему диаметру (20 м) сектора образуют кольцо, вращающееся вокруг продольной оси корабля с угловой скоростью 1 рад/с.


Схема проведения эксперимента по подсветке ночной поверхности Земли (программа «Знамя»)

Корабль «Прогресс-М», на котором был проведен эксперимент, доставил на станцию «Мир» научную аппаратуру, топливо, питание и другие расходуемые материалы. Оборудование для эксперимента прибыло на орбиту с ним же. За трое суток до начала эксперимента космонавты установили на место АРО. Перед расстыковкой экипаж осуществил окончательные электрические проверки АРО, теле- и фотосъемку установки и испытаний агрегата.


На карте показан путь светового пятна по поверхности Земли в ходе эксперимента «Знамя»

Эксперимент «Знамя» начался 4 февраля 1993 г. в 3 ч 42 мин по московскому времени. Момент его начала выбирался так, чтобы обеспечить оптимальные режимы для теле- и фоторегистрации процесса раскрытия паруса и его дальнейшей поведения в процессе эксперимента. Угол между плоскостью орбиты отражателя и направлением на Солнце составлял 34°.

В ходе эксперимента корабль «Прогресс-М» поддерживал ориентацию, при которой продольная ось корабля был приблизительно перпендикулярна плоскости орбиты (при этом пленочный отражатель находился в плоскости орбиты). Это было вызвано стремлением уменьшить влияние аэродинамического сопротивления на сам корабль и на парус. Все работы выполнялись на освещенной части орбиты.

При проведении эксперимента «Новый свет» — составной части эксперимента «Знамя» — «Прогресс-М» был сориентирован таким образом чтобы отраженный солнечный свет направлялся в подспутниковую точку. На ночной поверхности Земли пятно должно было наблюдаться экипажем со станции «Мир» в течение 6 мин. Траектория движения пятна отраженного солнечного света по ночной поверхности Земли проходила через Лион, Берн, Мюнхен, Прагу, Лодзь, Брест, Гомель.

Космический корабль «Прогресс-М» после разворачивания на нем солнечных парусов в проекте «Третье светило» (проектный вариант)

Эксперимент «Знамя» продолжался в течение четырех орбитальных витков «Прогресса-М». На первом витке были проведены следующие операции: расстыковка корабля и станции, боковой маневр, отход корабля на 160 м от станции, развертывание отражателя и полет в пределах видимости комплекса. На втором витке выполнялись повороты корабля «Прогресс-М» с отражателем на малые углы. На третьем витке разворот корабля достиг 112°, т. е. он занял исходную ориентацию для начала эксперимента «Новый свет». На четвертом витке этот эксперимент был успешно проведен. После этого АРО был отстрелен от корабля, и эксперимент закончился. Анализ переданной на Землю телевизионной и телеметрической информации показал, что эксперимент «Знамя» прошел успешно. Впервые на орбите развернут крупногабаритный пленочный отражатель, формируемый центробежными силами, решены проблемы разворачивания отражателя и управления его положением в пространстве, подтверждены основные конструктивные принципы и расчетные методики, взятые за основу при проектировании системы. Было доказано, что заложенные в программу эксперимента и осуществленные идеи могут служить базой для разработок нового направления при создании крупногабаритных конструкций для ретрансляции энергии, теле- и радиосвязи, освещению отдельных районов Земли, очистки космоса от технологического «мусора», а также для межпланетных перелетов под солнечным парусом и созданию крупных антенн в космосе для разведки полезных ископаемых и других задач.

Полученные результаты показывают, что можно создавать и применять в народном хозяйстве и в науке подобные системы гораздо большей площади, в том числе разрабатываемые сейчас консорциумом «Космическая регата» во главе с НПО «Энергия».

СИСТЕМА КОСМИЧЕСКОГО ОСВЕЩЕНИЯ

Земля непрерывно получает около 2x1014 кВт солнечной энергии. Человек для своих потребностей осваивает все новые и новые источники энергии, но достигнутый им на сегодняшний день уровень ее потребления составляет лишь 0,005% приходящей от Солнца. Ближайшее же к Земле космическое пространство пропускает через себя несоизмеримо большее количество энергии. Так, в границах 4-часовой круговой орбиты (высотой 6400 км) эта величина втрое, а в пределах геостационарной орбиты в 45 раз превышает величину энергии, падающей на Землю.

Идеи о том, как использовать эту энергию, появлялись еще до начала космической эры, а с развитием ракетной и космической техники эти проекты стали разрабатываться с уже гораздо большей степенью детальности.

Практические попытки утилизации бесполезно убегающих гигаватт начались с появлением первых солнечных батарей на борту космических аппаратов. Однако эффективность такого преобразования солнечной энергии очень низка, даже если она преобразуется на самом КА и не передается на Землю. Например, солнечные батареи станции «Мир» мощностью 10 кВт окупят энергетические затраты на их запуск только через 100 лет работы! Очевидно, что нужны другие, с энергетической точки зрения более эффективные конструкции.

Принципиально наиболее эффективной будет непосредственная, без промежуточного преобразования, передача световой энергии на Землю. С помощью космических рефлекторов (КР) она будет направляться в нужную область земного шара в заданный момент времени. Она может использоваться непосредственно (для освещения, фотосинтеза и т. п.) или преобразовываться в другие виды (электрическую, тепловую).

В зависимости от стоящей задачи могут потребоваться различные уровни освещенности. Наименьшие требования предъявляются к системам подсветки для создания общего невысокого уровня освещенности в темное время суток, поэтому такая задача кажется наиболее очевидной и простой в реализации и именно с нее логично начать всю практическую работу с тем, чтобы, во-первых, освоить новую технологию, а во-вторых, получить первые наглядные результаты. Какими же должны быть КР для решения подобной задачи? Исследования позволили рассчитать размеры космических отражателей в зависимости от их высоты над Землей и расчетного уровня освещенности.

Из расчетов видно, что даже для того, чтобы создать относительно невысокий уровень освещенности, нужны рефлекторы диаметром в сотни метров, а это означает, что конструкторам придется освоить принципиально новые решения и создать специфический класс космических аппаратов, не похожих ни на один из предыдущих. Помимо проблем проектирования и строительства возникают и новые технологические трудности: нужно освоить процессы развертывания крупногабаритных отражателей с площадями до нескольких квадратных километров; научиться управлять ориентацией рефлектора, обладающего огромным моментом инерции; создать конструкцию и аппаратуру в сверхлегком исполнении. Если технологические задачи будут решены, то реальными становятся три направления работ:

— создание одиночного рефлектора;

— объединение рефлекторов в систему, обеспечивающую освещение районов, расположенных вдоль выбранных трасс;

— конечная цель программы — развертывание глобальной системы КР.

Успешное выполнение эксперимента «Знамя» стало первым шагом к реализации этой программы. Вторым может стать новый проект консорциума «Космическая регата» — эксперимент «Третье светило».

«ТРЕТЬЕ СВЕТИЛО»

Проект предусматривает создание и развертывание в космосе крупногабаритного отражателя, который, видимо, станет прототипом космических аппаратов нового поколения.

Модифицированный грузовой корабль «Прогpecc-М», выполнив основную задачу по доставке на борт комплекса «Мир» топлива и «сухого» груза, на втором этапе своего полета станет базой для проведения новых экспериментов с отражателем, диаметр которого на этот раз достигнет уже 70 м. Целями программы станут:

— опробование на орбите концепции управления крупногабаритными гибкими конструкциями в виде большого спаренного гироскопа;

— проведение эксперимента по подсветке заданного района ночной поверхности Земли отраженным солнечным светом;

— определение характеристик отраженного света на Земле и из космоса;

— проведение экспериментов по исследованию возможности использования конструкции в качестве отражателя электромагнитного излучения в радио— и других диапазонах.

В отличие от эксперимента «Знамя», в ходе этой программы планируется провести подсветку заданного района и поддерживать световое пятно в этом месте в течение определенного времени.

Будем надеяться, что успешное завершение и этой программы откроет новые пути в мировой космонавтике и энергетике.