Солнечная система




 
Солнечная система - общие вопросы
Солнечная система
  Энергия Космоса
"Общие вопросы"
Главная
"Солнечная энергия СЭС"
"Космические связки ЭДС"
Энергия космоса для Земли

Электродинамические связки - "ЭДС"

    Каждый космический корабль должен нести с собой все источники энергии: химическое ракетное топливо, батареи фотоэлементов или ядерные реакторы. Пополнение запасов энергии - доставка ее источников с Земли - дорогое удовольствие. Для поддержания Международной космической станции (МКС) на орбите заданной высоты (360 км) в течение 10 лет потребуется 77 тонн топлива. Если доставка на орбиту обходится минимум в $7 тыс. примерно за каждые 0,5 кг, то для поддержания заданных параметров МКС потребуется $1,2 млрд. Если бы станция включала в себя электродинамическую связку (ЭДС), потребляющую 10% вырабатываемой на станции энергии, то для поддержания высоты орбиты потребовалось бы всего 17 тонн топлива. А изменение угла наклона орбиты - операция, требующая большого расхода химического топлива, - стало бы менее энергоемким.

    Связка представляет собой систему, в которой две массы соединены гибким тросом. Если кабель проводит электрический ток, то конструкция становится электродинамической. В отличие от обычных систем, где с помощью химических или электрических тяговых двигателей осуществляется обмен импульсами между космическим кораблем и ракетным топливом, в ЭДС он происходит между космическим аппаратом и вращающейся планетой за счет магнитного поля. Связки давно интересовали энтузиастов космоса. Константин Циолковский и Артур Кларк рассматривали их как космические лифты, способные доставлять людей с поверхности Земли на орбиту. В середине 1960-х гг. прошли испытания 30-метровых связок, которые должны были создать силу притяжения для астронавтов. Позднее был проведен еще ряд экспериментов. Исследователи столкнулись с проблемой, связанной с высоким напряжением, воздействующим на ЭДС в условиях космоса. Пока не решена задача устойчивости связок и не найден метод гашения тех типов колебаний, к которым склонны ЭДС.
    Тем не менее многие уверены, что применение электродинамических конструкций не ограничивается низкими околоземными орбитами (НОО) и межпланетными полетами. ЭДС смогут удерживать спутники на заданных орбитах и вырабатывать электроэнергию с более высоким КПД, чем топливные элементы.

ЭДС
Создание тока: при движении провод-ника в магнитном поле на заряженные частицы в этом проводнике действует сила, которая перемещает их, создавая ток. В ЭДС-системах это явление используется для генерации электри-ческого тока, который, в свою очередь, испытывает силу, которая препятствует движению проводника.
Ток от внешнего источника: Включение батареи в цепь может вызвать ток, противоположный индуцируемому. В результате сила, действующая на систему, изменит направление. В ЭДС этот эффект используется для создания тяги. (На схемах показан электронный ток, его направление противоположно направлению, принятому в технике.)
Космические и орбитальные связки (принцип работы ЭДС)
На низких орбитах движение привязи в магнитном поле Земли индуцирует в ней электронный ток, направленный в сторону к Земле (слева). Со стороны магнитного поля на него действует сила, направленная навстречу движению, создавая торможение. Это уменьшает кинетическую энергию связки и понижает ее орбиту. Если обратить направление тока в привязи (с помощью солнечной батареи или иного источника энергии), то на противоположное изменится и направление действующей на привязь силы (справа), которая в данном случае будет совпадать с направлением движения, так что сила будет увеличивать кинетическую энергию связки и, следовательно, высоту ее орбиты.
ЭДС

    На объект, находящийся на стабильной орбите, действуют две взаимно противоположные силы: центробежная, обусловленная орбитальным движением, и сила притяжения планеты. В центре массы тела они уравновешивают друг друга, и наблюдатель на борту находится в условиях нулевого тяготения, или свободного падения, не ощущая никаких ускорений. Для двух спутников или объектов, находящихся на разных орбитах и соединенных между собой гибкой привязью, которая делает их единой системой - связкой, силы гравитационного притяжения планеты и центробежная также остаются уравновешенными в центре масс связки, т. е. в точке, находящейся посередине между двумя объектами. Но они оказываются неуравновешенными в самих спутниках. По мере удаления от планеты сила притяжения уменьшается, а центробежная возрастает, и их равнодействующая направлена в сторону от планеты, оттягивая спутник от нее. И наоборот, по мере приближения к планете разность этих сил притягивает к ней спутник.
    В итоге объект на более низкой орбите, движущийся с большей скоростью, тащит другой за собой подобно буксиру. При этом импульс более удаленного от планеты объекта увеличивается за счет импульса спутника, ближайшего к ней. Поскольку спутники стремятся разойтись в противоположные стороны, привязь всегда оста­ется натянутой. Непроводящие привязи делаются обычно из легких и прочных материалов вроде кевлара (углеродное волокно) или спектры (spectra - полиэтилен высокой прочности). Сила натяжения привязи невелика - обычно от 5 до 50 Н для не вращающихся систем.
    Связка имеет только одно равновесное положение, при котором она ориентирована в радиальном по отношению к планете направлении, называемом местной вертикалью. При любом отклонении создается момент сил, стремящийся вернуться к равновесию, в результате чего система начинает колебаться подобно маятнику. Такой тип стабилизации использовался в 1975 г. в спутнике GEOS-3, который был осна­щен жестким стержнем длиной в несколько метров, направленным к Земле. Разность сил, действующих на две массы, ученые называют градиентом тяготения. Пассажиры космических аппаратов будут ощущать слабое воздействие, увлекающее их от Земли на более удаленном спутнике и притягивающее их к ней на ближайшем. На НОО с высотами от 200 до 2000 км от Земли привязь длиной 50 км создаст искусственное тяготение около 0,01g (1% от силы тяготения на поверхности Земли), при котором астронавты не будут ходить по кораблю, но принять душ смогут. Наличие выраженных верха и низа, несомненно, лучше полной невесомости. Данный метод создания искусственного тяготения в отличие от других не требует, чтобы спутники обращались друг относительно друга.
    Электродинамическая связка из алюминия, меди или иного проводника может работать как электрический генератор: при движении проводника в магнитном поле на заряженные частицы действует электродинамическая сила, перпендикулярная направлению движения и магнитному полю. Так при перемещении связки с запада на восток в магнитном поле Земли, расположенном с юга на север, на электроны в проводнике привязи будет действовать сила, направленная к Земле. Привязь обменивается электронами с ионосферой и, захватывая свободные электроны у положительно заряженного конца (анода, или коллектора), испускает их у отрицательно заряженного (катода, или эмиттера), имеющего заряд. Ионосфера, проводящая электричество, замыкает цепь, и возникает непрерывный ток, который может служить источником энергии для бортовых систем. Низкоорбитальный спутник с привязью в 20 км сможет генерировать мощность около 40 кВт, достаточную для работы научного оборудования, обслуживаемого людьми.
    В 1970-х гг. Марио Гросси (Mario Grossi) из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже и Джузеппе Коломбо (Giuseppe Colombo) из Падуанского университета в Италии впервые начали изучать возможности ЭДС. В космос было запущено 16 экспериментальных устройств с проводящими и непроводящими привязями. В первых связках тефлоновый чулок полностью изолировал проводящую часть привязи, а анодом служил большой проводящий шар. Однако такие аноды оказались неэффективными коллекторами электронов. В 1990-х гг. NASA и Итальянское космическое агентство запустили два варианта связанных спутников с 20-км привязью, в которых электроны собирались металлическим шаром.

Искусственная гравитация ЭДС
Для любого объекта на стабильной орбите центробежная сила в точности компенсируется гравитационной силой притяжения. В центре масс связки они уравновешиваются, но в более удаленном от планеты шаре центробежная сила больше силы притяжения, и пассажир ощущает воздействие планеты. Она является формой искусственного тяготения. В более близком к планете шаре все наоборот.
Космические и орбитальные связки (принцип работы ЭДС)
Составной снимок, показывающий реально запущенную связку ATЕx в полуразвернутом состоянии. Использование связок: область низких околоземных орбит заполнена десятками тысяч объектов, которые сгорают, попадая в плотные слои атмосферы. Развертывание связок на космических аппаратах - простой и недорогой способ ускорить их падение.
Космические связки ЭДС

    Однако исследователи столкнулись с рядом трудностей. Отри­цательный заряд, скапливающийся вокруг большого сферического анода, тормозит прибывающие электроны подобно тому, как узкая дверь создает толпу, когда люди спешат покинуть помещение. Решением проблемы может стать применение "голой" привязи, имеющей геометрию тонкого цилиндра. Если значительную часть привязи оставить неизолированной, она будет собирать электроны практически по всей длине. Привязь может и не быть проволокой круглого сечения: такой же ток способна собирать тонкая лента, которая будет еще намного легче.
    Все ЭДС могут увеличивать или уменьшать орбитальную скорость. В магнитном поле на провод с током действует сила, направление которой определяется известным правилом правой руки. Если связка перемещается по низкой околоземной орбите с запада на восток, то электроны в привязи двигаются к Земле, и эта сила направлена навстречу орбитальному движению аппарата. Поэтому ЭДС испытывает сопротивление движению, подобному аэродинамическому, которое и понижает орбиту системы. Данное обстоятельство, несомненно, заинтересует специалистов, занимающихся очисткой околоземного пространства от космического мусора. Сегодня вокруг Земли обращается несколько тысяч объектов, космических аппаратов и спутников, из которых около 1500 имеют массы больше 100 кг. Аэродинамическое торможение способствует постепенному понижению орбит до тех пор, пока тела не сгорают в плотных слоях атмосферы. Типичные объекты сходят с орбит с высотами около 200 км в течение нескольких дней, с 400 км - за несколько месяцев, а на орбитах с высотами порядка 1000 км могут просуществовать около 2000 лет.
    Если запущенный спутник несет ЭДС, которая может быть развернута к концу срока его работы, или если робот-манипулятор сможет захватывать обломки и доставлять их на обращающуюся по орбите связку, то эффект торможения последней можно будет использовать для ускорения входа этих объектов в плотные слои атмосферы (см. рис. ниже). Напротив, обращение направления тока в ЭДС на низкой околоземной орбите (с помощью фотоэлементов или иного источника питания) вызовет противоположный эффект. На такую систему будет действовать сила, направленная в сторону движения ЭДС по орбите, аналогичная тяге вместо торможения, вызывая повышение орбиты. Такие "тяговые" ЭДС могут использоваться в качестве "буксиров" для перевода полезных грузов с НОО на более высокую орбиту или для противодействия ее снижению.
    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.

Запуски космических и орбитальных связок (работальные ЭДС)
ЭДС около Юпитера
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
ЭДС
Запуски космических и орбитальных связок (работальные ЭДС)

    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.


Солнечная ЭНЕРГИЯ          Космические СВЯЗКИ


Apple HDMI адаптер недорого в 1-cable
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru