Rymdtjuder

Space Tethers  är långa tjuder som kan användas för framdrivning, momentumutbyte, stabilisering och attitydkontroll, eller för att upprätthålla den relativa positionen för komponenterna i ett stort satellit-/rymdfarkostsystem med spridda sensorer. Beroende på målen och flyghöjden anses rymdfärd som använder denna form av framdrivning av rymdfarkoster teoretiskt sett vara betydligt billigare än rymdfärd som endast använder raketmotorer .

Grundläggande metoder

Tether-satelliter kan användas för en mängd olika ändamål, inklusive studier av thrusters, tidvattenstabilisering och orbital plasmadynamik. Fem viktiga metoder för att använda rymdtjuder är under utveckling.

Elektrodynamiska kablar används främst för att generera dragkraft. Det är ledande kablar som med hjälp av ström kan generera dragkraft eller motstånd mot det planetariska magnetfältet, ungefär som en elmotor gör.

Dessa kan vara antingen snurrande tjuder eller icke-roterande tjuder som tar tag i en inkommande rymdfarkost och sedan släpper den i en annan omloppsbana med en annan hastighet. Momentumutbytesförband kan användas för manövrering i omloppsbana eller som en del av ett planetariskt yta-till-omlopp/omloppsbana-till-avgång rymdtransportsystem.

Detta är vanligtvis en icke-ledande tjuder som exakt upprätthåller ett förutbestämt avstånd mellan flera rymdfarkoster som flyger i formation.

En variant av ett solsegel med elektriskt laddade tjuder som genererar fart genom att trycka bort solvindjoner.

Koncept för att hänga ett föremål i en bunden bana i rymden.

Många tillämpningar har föreslagits för rymdförband, inklusive utplacering som rymdhissar, som skyhooks och för att utföra orbitalöverföringar utan användning av drivmedel.

Historik

Konstantin Tsiolkovsky föreslog en gång ett torn så högt att det nådde ut i rymden så att det skulle hållas där av jordens rotation . Men vid den tiden fanns det inget realistiskt sätt att bygga en.

1960 publicerade Komsomolskaya Pravda en artikel av Yuri Artsutanov som beskriver idén om en dragkabel som ska dras från en geosynkron satellit ner till jorden och uppåt, för att hålla kabeln balanserad [1] . Detta är idén med en rymdhiss , en typ av synkront tjuder som roterar med jorden. Men med tanke på den tidens materialteknologi var detta också opraktiskt på jorden.

På 1970-talet kom Jerome Pearson självständigt på idén om en rymdhiss, ibland kallad en synkron tjuder, och analyserade i synnerhet en månhiss som kunde passera genom punkterna L1 och L2, och det visade sig att detta var redan möjligt med material som fanns på den tiden.

1977 undersökte Hans Moravec och senare Robert Forward fysiken hos icke-synkrona himmelska skyhooks, även kända som roterande himmelska skyhooks, och utförde detaljerade simuleringar av koniska roterande tjuder som kunde lyfta föremål från ytan och placera dem på månen , Mars , och andra planeter, med liten förlust eller till och med en nettoökning av energi.

1979 undersökte NASA genomförbarheten av denna idé och gav vägledning till studiet av bundna system, särskilt bundna satelliter.

1990 föreslog E. Sarmont en icke-roterande Orbital Skyhook för ett rymdtransportsystem med jord-till-omloppshastighet och utgångshastigheter i artikeln "Orbital Skyhook: Access to Space". I det här konceptet skulle en sub- orbital bärraket flyga mot den nedre änden av Skyhook, medan en rymdfarkost på väg till eller återvända från en högre bana skulle använda den övre änden.

År 2000 övervägde NASA och Boeing HASTOL - konceptet , där en roterande tjuder bar nyttolaster från ett hypersoniskt flygplan (med halva omloppshastigheten) in i omloppsbana [2] .

Uppdrag

En tjudersatellit är en satellit som är ansluten till en annan rymdtjuder. Ett antal satelliter har sänts upp för att testa tether-teknologier, med varierande grad av framgång.

Typer

Det finns många olika (och överlappande) typer av tjuder.

Pulsväxlingskablar, roterande

Pulsväxlingstjuder är en av många användningsområden för rymdtjuder. Momentumväxlingsterar är av två typer; roterande och icke-roterande. Den roterande kabeln kommer att skapa en kontrollerad kraft på de slutliga massorna av systemet på grund av centrifugalacceleration. Medan tjudrasystemet roterar kommer föremål i vardera änden av tjudet att uppleva konstant acceleration; Mängden acceleration beror på kabelns längd och rotationshastigheten. Utbytet av momentum sker när ändkroppen släpps under rotation. Överföring av momentum till det släppta föremålet kommer att göra att det snurrande tjuret förlorar energi och därför förlorar hastighet och höjd. Men med hjälp av elektrodynamisk framdrivning eller jonframdrivning kan systemet sedan förstärka sig självt med lite eller inget slöseri med reaktionsmassa.

Orbital Skyhook

En roterande och tidvattenstabiliserad skyhook i omloppsbana.

En skyhook är en teoretisk klass av kretsande tjuder utformade för att lyfta nyttolaster till höga höjder och hastigheter. Skyhook-förslagen inkluderar projekt som använder tjuder som roterar med hypersoniska hastigheter för att ta tag i höghastighetsnyttolaster eller flygplan på hög höjd och skjuta upp dem i omloppsbana.

Elektrodynamisk kabel

Elektrodynamiska tjuder är långa ledande ledningar, såsom de som används från en tjudersatellit, som kan fungera enligt elektromagnetiska principer som generatorer genom att omvandla sin kinetiska energi till elektrisk energi eller som motorer genom att omvandla elektrisk energi till kinetisk energi. En elektrisk potential genereras genom en ledande kabel när den rör sig genom jordens magnetfält. Valet av en metallisk ledare för användning i en elektrodynamisk tjuder bestäms av många faktorer. Huvudfaktorerna är vanligtvis hög elektrisk ledningsförmåga och låg densitet. Sekundära faktorer, beroende på applikationen, inkluderar kostnad, styrka och smältpunkt.

Dokumentären Orphans of Apollo elektrodynamisk tethering som en teknik som skulle användas för att hålla den ryska rymdstationen Mir i omloppsbana.

Tether formation, flygande

Detta är användningen av en (vanligtvis) icke-ledande tjuder för att koppla ihop flera rymdfarkoster. Ett experiment som föreslogs 2011 för att studera denna teknik är Tethered Experiment for Interplanetary Operations on Mars (TEMPO³).

Universal Orbital Support System

En teoretisk typ av icke-roterande tjudrat satellitsystem, detta är ett koncept för att tillhandahålla rymdstöd för saker som hänger ovanför ett astronomiskt objekt. Ett orbitalsystem är ett system av kopplade massor där en övre stödmassa (A) placeras i omloppsbana runt en given himlakropp så att den kan upprätthålla en viktad massa (B) på en viss höjd över himlakroppens yta, men lägre än (A).

Tekniska svårigheter

Tyngdgradientstabilisering

Beskrivning av de krafter som bidrar till att upprätthålla inriktningen av gravitationsgradienten i selesystemet.

Förutom att rotera kan kablar också vara raka på grund av den lilla skillnaden i tyngdkraften längs deras längd.

Det icke-roterande tjursystemet har en stabil orientering som är inriktad längs den lokala vertikalen (marken eller en annan kropp). Vanligtvis har varje rymdfarkost en tyngdkraftsbalans (t.ex. Fg1) och centrifugal (t.ex. Fc1), men när de är kopplade börjar dessa värden förändras i förhållande till varandra. Detta fenomen uppstår eftersom en massa på hög höjd kommer att röra sig långsammare än en massa på lägre höjd utan tjuder. Systemet måste röra sig med samma hastighet, så kabeln måste sakta ner den nedre massan och accelerera den övre. Centrifugalkraften hos den bundna överkroppen ökas, medan den lägre höjdkraften reduceras. Detta gör att överkroppens centrifugalkraft och underkroppens gravitationskraft är dominerande. Denna skillnad i kraft anpassar naturligtvis systemet till den lokala vertikalen, som visas i figuren.

Atomiskt syre

Objekt i låg omloppsbana om jorden utsätts för märkbar erosion från atomärt syre på grund av molekylernas höga anslagshastighet i omloppsbanan samt deras höga reaktivitet. Detta kan snabbt förstöra tjudet.

Mikrometeoriter och rymdskräp

Enkla enkelsträngade tjuder är mottagliga för mikrometeoriter och rymdskräp. Sedan dess har flera system föreslagits och testats för att förbättra motståndskraften mot kontaminering:

• US Naval Research Laboratory har framgångsrikt lanserat en 6 km lång kabel med en diameter på 2-3 mm med ett Spectra 1000 yttre mantelskikt och en kärna av akrylgarn. Denna satellit, Physics and Survivability Experiment (TiPS), lanserades i juni 1996 och förblev i tjänst i 10 år innan den slutligen misslyckades i juli 2006.
• Dr. Robert Hoyt har patenterat ett konstruerat cirkulärt nät så att spänningarna från den klippta tråden automatiskt omfördelas runt den trasiga tråden. Detta kallas Hoytether ( engelska  Hoytether ). Hoytesers lever teoretiskt i årtionden.
• JAXA - forskarna har också föreslagit nätverkskopplingar för sina framtida uppdrag.

Stora bitar av skräp kan fortfarande skära igenom de flesta tjuder, inklusive de förbättrade versionerna som listas här, men spåras för närvarande på radar och har förutsägbara banor. Tjudet kan vickas för att undvika kända skräpbitar, eller så kan propellerna användas för att ändra omloppsbana för att undvika kollision.

Anteckningar

1. ↑ Artsutanov Yury . "I rymden - på ett elektriskt lok"  : gas .. - " Komsomolskaya Pravda ", 1960. - 31 juli. (ryska)
2. ↑ Thomas J. Bogar. Hypersonic Airplane Space Tether Orbital Launch System: Fas I Slutrapport (inte tillgänglig länk) . NASA Institute for Advanced Concepts (7 januari 2000). Arkiverad från originalet den 24 juli 2011. (obestämd) 

I bibliografiska kataloger	J9U : 987007563913605171 LCCN : sh2004007603