Космический трос длиной в километр испытывает бестопливное движение
Космическая миссия США направлена на демонстрацию технологий, которые когда-нибудь могут помочь очистить космический мусор
Космический мусор угрожает безопасности космонавтов и оборудования на орбите. Предоставлено: НАСА.
Огромное облако космического мусора, содержащее более 23 000 предметов размером более 10 сантиметров в настоящее время, в настоящее время движется вокруг Земли со средней скоростью около 36 000 километров в час. А поскольку такие компании, как SpaceX и OneWeb, планируют запустить десятки тысяч новых спутников в течение следующих нескольких лет, этот опасный беспорядок, вероятно, будет представлять все большую угрозу для космических миссий и астронавтов. Одним из возможных решений может быть электродинамическая привязь, устройство, которое может помочь предотвратить превращение будущих спутников в затонувшие корабли. Военно-морская исследовательская лаборатория США планирует испытать эту технологию в ближайшие несколько недель.
В начале ноября эксперимент Tether Electrodynamic Propulsion CubeSat (TEPCE), уже находящийся на орбите, должен начать движение под пристальным взглядом телескопов на гавайском острове Мауи. Земная команда управления ждет идеального 10-минутного периода на рассвете или в сумерках, когда тусклый солнечный свет обеспечит наилучший возможный обзор вовлеченного космического корабля размером с обувную коробку. Как только команда запускает процесс, TEPCE должен разделиться на два одинаковых мини-спутника, соединенных тросом длиной в километр и толщиной в несколько нитей зубной нити. Если развертывание проходит гладко, миссия может наблюдать, как привязь взаимодействует с магнитным полем Земли в ионосфере (где большая часть космического мусора вращается), чтобы изменить скорость и орбиту спутников; результаты могут позволить будущему космическому кораблю перемещаться по орбите вокруг Земли, не неся при этом громоздкого химического топлива.
«Другими словами, это парусный корабль космоса», - говорит Энрико Лоренцини, профессор инженерного управления энергопотреблением в университете Падуи в Италии, который не участвует в миссии TEPCE. Но вместо ветра технология электродинамической привязи движется благодаря физическим законам, которые управляют электрическими и магнитными полями. Трос в ионосфере Земли - верхний слой атмосферы, заполненный заряженными частицами, такими как свободные электроны и положительные ионы, - может собирать электроны на одном конце и излучать их на другом, генерируя электрический ток через себя. Взаимодействия электрифицированного троса с магнитным полем Земли создают импульс, известный как сила Лоренца, который толкает трос в перпендикулярном направлении.
Несколько компонентов TEPCE работают вместе для создания необходимого тока.После разделения каждый из двух мини-спутников развертывает пятиметровую стальную ленту, которая может собирать свободные электроны из ионосферы. Каждый спутник также имеет вольфрамовую нить, которая использует энергию от бортовых солнечных батарей для нагрева, пока не достигнет температуры, при которой он может испускать эти электроны. Это создает ток, который проходит от коллектора электронов на одном спутнике через привязь к эмиттеру электронов на другом.
Иллюстрация TEPCE с развернутой привязью.
Поскольку каждый привязанный сателлит содержит оба компонента, ток может течь в любом направлении - в зависимости от того, на каком конце тетра собирает электроны, а какой выпускает их. Когда ток течет в одном направлении, сила Лоренца толкает в направлении, противоположном движению космического корабля, создавая сопротивление, которое в конечном итоге замедляет спутник и уменьшает его орбитальную высоту. Проведите ток в противоположном направлении, и направление силы Лоренца также изменится, создавая тягу вместо сопротивления. Результирующее увеличение скорости может помочь поддерживать или увеличивать орбитальную высоту, позволяя выполнять более сложные маневры, не требуя дополнительного топлива.
Эта миссия будет сосредоточена на тестировании фундаментальных технологий, а не на перемещении спутников на значительные расстояния; сила Лоренца, генерируемая TEPCE, будет небольшой из-за слабого электрического тока и использования солнечных батарей, которые едва обеспечивают достаточную мощность для обычной лампочки. По этой причине планировщики миссий не ожидают, что наземные радары и телескопы смогут легко обнаружить небольшие изменения скорости привязи. Таким образом, команда будет работать над измерением текущего тока привязи и проверять позиционные данные от приемников GPS на каждом спутнике.
«Фактический маневр, чтобы продемонстрировать, что орбита действительно изменилась, требует гораздо большего тока, чем мы можем течь», - говорит Шеннон Коффи, главный исследователь TEPCE в Военно-морской исследовательской лаборатории в Вашингтоне, округ Колумбия. «Так что это эксперимент, чтобы показать , что у нас есть все части, работающие на электродинамическую систему. "
Мощность (и цели) TEPCE ограничены по размеру - команде пришлось собрать всю встроенную электронику, датчики, устройства развертывания привязей и другие механизмы в два одинаковых спутника с общей емкостью около 3000 кубических сантиметров, что примерно вдвое меньше футбольного объема. мяч. Используя такие крошечные спутники, часто называемые CubeSats, планировщики миссий сохранили затраты на запуск на низком уровне и получили больше возможностей для TEPCE для полета в космос в качестве дополнительной полезной нагрузки. В июне 2019 года TEPCE отправился на борт ракеты SpaceX Falcon Heavy.«TEPCE продемонстрирует электродинамическое тяговое движение в условиях чрезвычайно жесткого объема и веса», - говорит Гонсало Санчес-Арриага, инженер-аэрокосмический специалист и астрофизик из Университета Карлоса III в Мадриде в Испании, который не участвует в текущей миссии. Санчес-Арриага отмечает, что эта технология не нова; По его словам, 1990-е годы стали «золотым десятилетием привязанностей с точки зрения уровня финансирования и миссий», проводимых космическими агентствами. В целом, миссии успешно развернули более 65 километров привязей, продемонстрировав, что они могут производить как тягу, так и мощность. Но финансирование и интерес прекратились после того, как НАСА отменило особенно амбициозную миссию из-за трагической гибели космического корабля "Колумбия" в 2003 году.
Теперь TEPCE входит в новую волну космических миссий, тестирующих улучшенные версии этой технологии, и то, как она может помочь удалить космический корабль на пенсии. Санчес-Арриага возглавляет отдельный проект под названием «Электродинамическая привязь» для пассивного расходного комплекта без дорбита (E.T.PACK), финансируемый Европейской комиссией. Эта миссия направлена на то, чтобы проверить, как привязь, прикрепленная к будущим спутникам, могла бы использоваться в качестве пассивного тормоза, который в конце своей жизни сбивает мертвые или выведенные из эксплуатации космические корабли.
Успешная демонстрация TEPCE также может проложить путь для более крупного космического корабля. Аэрокосмическая компания Star Technology and Research, расположенная в Маунт-Плезанте, штат Южная Каролина, разрабатывает аппарат под названием электродинамический элиминатор мусора (EDDE), который предназначен для работы в качестве орбитального буксира: он может захватывать мертвые спутники или космический мусор с помощью сетей и механическое устройство несколько сродни перчатке ловца. Эта компания помогла спроектировать компоненты электронного коллектора и эмиттера для миссии TEPCE и рассматривает текущий тест как предшественник EDDE. «По сути, это мини-тест EDDE, потому что он основан на нашем космическом корабле EDDE», - говорит Джером Пирсон, инженер по аэрокосмической технике и президент Star Technology and Research.
Как только привязь TEPCE развернута, отсчет времени до конца миссии начинается немедленно. Это потому, что длинный трос создаст дополнительное сопротивление, которое приведет к сгоранию космического корабля в атмосфере Земли в течение приблизительно 60 дней. Но если все пойдет хорошо, жертвенный конец TEPCE может ознаменовать начало новой эры в разрушении орбиты Земли и сохранении доступа человечества к космосу.
