Хорошая идея никогда не умирает, даже если о ней долго не поступает новостей. Если даже ей суждено было появиться преждевременно, она обязательно возродится во второй раз. А то и в третий, в четвёртый…. Идеи использовать тросы в космических транспортных системах насчитывают уже три поколения. До поры, до времени, однако, практический интерес к подобным идеям проявляли только писатели-фантасты. Так, в 1978 году Артур Кларк написал получивший широчайшую известность роман о «космическом лифте» - «Фонтаны рая», опубликованный в журнале «Техника – Молодёжи» в 1980 году. Ему же принадлежит и идея «полулифта» - протянутого из-за геостационарной орбиты не до самой поверхности Земли, а лишь на половину расстояния.

Известны две транспортные космические системы, о которых К.Э.Циолковский писал в 1895 году в своей работе «Грёзы о Земле и небе»: это космический лифт и центробежный ускоритель.

В 1960 году идея космического лифта была более основательно разработана Ю.Н.Арцутановым. Согласно его проекту, сооружение космического лифта целесообразно выполнять следующим образом:

с борта спутника, находящегося на геостационарной орбите, по направлению к Земле выпускается трос, который в конце концов достигает поверхности Земли. Чтобы сбалансировать вес троса, в противоположную сторону со спутника запускается другой трос.

По оценкам Арцутатанова, для изготовления троса космического лифта должны быть использованы материалы втрое легче алюминия с прочностью 17 кН/мм2. Такими материалами современная техника не располагает. И это делает реализацию подобных проектов делом отдалённого будущего.

Теоретические возможности создания подобных материалов, однако, существуют. Например, трос из гипотетического материала постоянного сечения с кристаллической решёткой на основе углерода может обладать прочностью до 400 кН/мм2.

Как известно, чем прочнее и легче волокна троса, тем больше его разрывная длина. Так, стальная проволока, если ее подвесить над поверхностью Земли, разрывается уже при длине 20—50 км, углеродные волокна — 100—140 км, волокна кевлар — около 200 км, кварцевая нить — 280 км. Но в действительности и 280 км не предел.

Представим трос, свисающий вертикально со спутника на круговой орбите. Натяжение такого троса определяется не полной силой тяжести, как у поверхности Земли, а лишь «микротяжестью» — разностью между силой тяжести и «центробежной силой»,

возникающей при вращении на орбите. Ускорение «микротяжести» неодинаково для разных точек троса: оно тем больше, чем больше отличается радиус орбиты данной точки от радиуса орбиты спутника. На низких орбитах «микротяжесть» на конце троса длиной 20 км составляет 0,9% от тяжести, а на конце стокилометрового троса — 4,5%.

Следовательно, максимальное натяжение намного меньше полного веса троса. Поэтому его разрывная длина на орбите существенно превосходит разрывную длину у Земли. Так, на низких орбитах для стальной проволоки это 300—500 км, для углеродных волокон — 700—800,км, для волокна кевлар — около 1000 км, для кварцевой нити — 1200 км.

С «лунным лифтом» Цандера посложнее. Но из материала, сравнимого по прочности с кварцевой нитью, его уже можно сделать постоянным в сечении. А вот чтобы соорудить таким «земной лифт», потребуется «суперпроволока», достигающая такой прочности, которая теоретически ожидается у алмаза с идеальной кристаллической решеткой.

Надо сказать, что в космосе у длинных тросов есть безжалостный враг — микрометеориты. Круглый трос диаметром 2 мм и длиной 100 км представляет собой мишень с поверхностью около 60 м2. Хотя иные космические аппараты имеют значительно большую поверхность, опасность для троса неизмеримо выше. Ведь чтобы перебить одно или несколько его волокон, достаточно тех малых «песчинок», которые не страшны космическому кораблю. А чем мельче микрометеориты, тем мощнее их потоки в космическом пространстве.

Вот как предполагается изготовить такой космический трос:

он будет представлять собой целое инженерное сооружение. В середину уложен легкий направляющий жгут из волокон номекс. На нем медная оплетка, по которой будет протекать электрический ток, и накладывается изоляцля из тефлона. В следующем слое располагаются высокопрочные волокна кевлар, которые будут нести основную механическую нагрузку. Сверху — «рубашка» из номекса, устойчивого к действию ультрафиолетового излучения.

Время жизни этого троса оценивается в несколько лет. Хуже обстоит дело со вторым 100-километровым тросом, он может прожить лишь несколько месяцев.

А вот трос, связующий поверхность Луны с космической станцией, расположенной в окрестности коллинеарной точки либрации, не попадает в область выживания. Но и тут можно найти выход. Вместо троса, имеющего круглое сечение, взять плоскую ленту. Микрометеориты будут прошивать ее не обрывая. Тросы не выдерживают даже короткое время, а ленты толщиной 0,01 мм просуществуют не менее года.

С помощью электропроводящих тросов в космосе можно осуществлять в высшей степени интересные эксперименты (они запланированы на первый полет американского орбитального самолета с привязным спутником в 1991 году).

Как же они будут происходить? Грузовой отсек орбитального самолета открыт. В нем находится лебедка и приемная штанга длиной около 10 м. Спутник на тросе выпущен вверх. Из него в разные стороны выдвинуты электрические датчики. С точки зрения действия на спутник микротяжести, его расположение вверху ничем не отличается от нижней позиции. Но в верхнем положении меньше будет аэродинамическое торможение, поскольку плотность воздуха там меньше.

Можно ли пропускать по такому тросу постоянный ток? Казалось бы, нет. Контур не замкнут. Но ведь он движется в проводящей ионосферной плазме. Ток, текущий по тросу, может замыкаться через окружающую среду. Для этого на концах троса должны быть установлены специальные контактные устройства.

В качестве контакторов предлагается использовать полые катоды. Они хорошо зарекомендовали себя (в расчете на тросовую систему) в диапазоне токов от 0,1 до 40 А. Конечно, сам трос должен быть покрыт изоляцией, чтобы предотвратить стекание заряда по всей его поверхности.

Возникающее в плазме неравновесное распределение заряда породит глобальные ионосферные токи, которые и замкнут электрический контур. Это показывают расчёты и косвенно – некоторые наземные эксперименты. Когда по тросу пускают ток, получают …электрическую машину. Как известно, на проводник с током со стороны магнитного поля действует сила Ампера. Кроме того, трос пересекает линии магнитного поля, и в нём, по законам электродинамики, наводится ЭДС индукции. У небесного динамо два режима: тяги и генерации. В первом бортовая электроустановка совершает работу против ЭДС индукции; действующая на трос сила Ампера ускоряет орбитальное движение. В результате, производимая на борту электроэнергия переходит в механическую энергию орбитального движения. В режиме генерации наоборот, ЭДС совершает полезную работу в бортовой электросистеме, а сила Ампера тормозит орбитальное движение. Электричество на борту вырабатывается из механической энергии орбитального движения.

Геомагнитная индукция относительно невелика. Зато скорость движения — космическая, да и длина троса немалая. Произведение этих трех величин дает очень большие значения ЭДС индукции. Так, в тросе длиной 20 км на низкой орбите индуцируется около 4 кВ! При вполне реальном токе в 10 А мощность тросового генератора достигнет 40 кВт. Огромная прибавка в бортовом электропитании!

Выгодно комбинировать режимы тяги и генерации. При входе в тень Земли солнечные батареи перестают вырабатывать энергию. В этот период можно включить тросовый генератор. На освещенной стороне можно переключиться в режим тяги и восполнить потери энергии орбитального движения в тени. КПД перевода механической энергии в электрическую и обратно при таких операциях оценивается очень высока - 90—95%.

Не менее важно и то, что, пропуская по тросу ток, можно постепенно изменить все элементы орбиты без затрат химического топлива.

Чем больше ток в тросе, тем больше сила тяги или мощность генерации. Однако есть предел ее роста, определяется он не столько электрическими характеристиками системы, сколько ее динамическими свойствами. Оказывается, если ток превосходит некоторое критическое значение, система начинает сильно раскачиваться силами Ампера. Наступает электромагнитный флаттер. Последствия его опасны: раскачавшийся трос ослабляется, и движение становится неуправляемым. Так что не стоит переступать эту черту.

ВЫСОТНАЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА

Идея Дж. Коломбо о зондировании атмосферы с помощью привязного спутника за последнее время также заметно обогатилась.

Орбитальный самолет движется на высоте около 220 км грузовым отсеком вниз. Через приемную штангу трос уходит от него к шаровому зонду до высоты около 120 км. Сопротивление воздуха отклоняет трос с зондом назад. Ориентация последнего обеспечивается парой аэродинамических стабилизаторов.

Зачем вообще нужно зондирование? Дело в том, что атмосфера на высотах 50—150 км недоступна для непосредственного исследования. Для самолетов эти слои слишком разрежены, для спутников — слишком плотны. Метеорологические ракеты могут находиться в них считанные минуты. А полет привязного зонда длится много часов.

Только с помощью зонда в натурных условиях можно изучать аэродинамические характеристики перспективных моделей спускаемых космических аппаратов. Недаром поэтому описанную систему называют еще высотной аэродинамической трубой.

Ну, и само собой разумеется, с низколетающего привязного зонда можно получать снимки земной поверхности с лучшим разрешением. Можно делать стереоскопические снимки, когда одно изображение получается с зонда, а другое — с орбитального самолета.

Во всех случаях возникает естественное желание «зарыться» поглубже в атмосферу. Но и здесь природа установила естественный предел. Непреодолимый барьер находится на высоте около 110 км. При погружении ниже этого уровня система начинает сильно раскачиваться аэродинамическими силами. На этот раз мы имеем дело с аэродинамическим флаттером, который не менее опасен, чем электромагнитный.

Так же трос можно использовать и в следующих не менее важных целях:

1. В 1985 году Дж.Пирсон придумал привязной парус, который спускается с орбитального самолёта в верхние слои атмосферы. По замыслу автора, с его помощью не только тормозить, но и ходить галсами.

2. В 1984 году появилась идея лунного «несинхронного лифта». Он образуется связкой двух тел, которая вращается вокруг своего центра масс и движется по орбите так, что в точке максимального приближения к Луне нижнее тело зависает над её поверхностью (совпадают линейные скорости) и может принять груз.

3. П.Пензо и Х.Майер предложили совершать облёт вокруг астероида при помощи троса. По их идее, с пролетающего космического аппарата выстреливается гарпун, который внедряется в поверхность.Заякоренный таким образом спутник разворачивается, обрезает трос и уносится дальше,оставляя гарпун с исследовательской аппаратурой.

4. «Космический эскалатор» состоит из нескольких вертикальных связок. Груз сначала доставляется на нижнее тело первой, подымается вдоль троса, затем в момент сближения перемещается на нижнее тело второй, поднимается вдоль её троса и т.п..

Ещё в 1969 году Ю.Н.Арцутанов предложил не привязывать лифт к земной поверхности, а так подобрать соотношение орбитального движения и вращение связки двух спутников вокруг общего центра масс, чтобы в какой-то момент нижний спутник на короткое время «зависал» у поверхности Земли в заданный момент времени, забирал груз и выводил его на орбиту. В 1975 году эта система была повторно предложена американцем Гансом Моравеком под названием «несинхронный космический лифт». Идея использования космического троса была реализована в 1966 году в связке кораблей «Джемини— Аджена» (ленточное соединение); в 1981 – 1983 годах в американо- японских экспериментах с зондирующими ракетами; планировалось использовать в полётах орбитального самолёта с привязным спутником на 1987 – 1990 годы (был отменён из-за аварии «Челенджера».