الأقمار الصناعية على حبل أو أنظمة الكابلات الفضائية

عندما يتعلق الأمر بأنظمة الكابلات الفضائية ، فإنها عادة ما تتذكر المصاعد الفضائية والهياكل السيكلوبانية الأخرى ، والتي إذا تم بناؤها ، فستكون في مستقبل بعيد جدًا. لكن قلة من الناس يعرفون أن التجارب على نشر الكابلات في الفضاء أجريت بشكل متكرر ، مع أهداف مختلفة ، وانتهت الأخيرة مع مرور الوقت بالفشل في بداية فبراير من هذا العام.


تم توصيل برج الجوزاء 11 بواسطة كابل إلى هدف أجين ، صورة وكالة ناسا.

كيف على HTV-KITE تم قطع الكبل في التعليق

تجربة HTV-KITE كما قدمها الفنان ، صورة JAXA

في 27 يناير ، انطلقت سفينة الشحن HTV-6 من محطة الفضاء الدولية. ولكن بدلاً من القيام بالرحلة الأخيرة على الفور إلى العناق الناري في الغلاف الجوي ، انتقلت السفينة إلى مدار أقل من 360x370 كم. لم يستطع HTS-6 التدخل في محطة الفضاء الدولية الموجودة عليه. كان من المتوقع أن تقوم الشاحنة خلال 24 ساعة بعد فك الإرساء بنشر كابل بطول سبعة أمتار وبدء برنامج أسبوعي للتجارب. ولكن ، وفقًا لتقارير وسائل الإعلام ، لم يتمكن مركز التحكم في المهمة الأرضية من تلقي تأكيد لفصل البضائع النهائية عن السفينة - يبدو أن واحدًا على الأقل من الأقفال الأربعة لم يفتح. لاختبار القسم ، أراد المهندسون استخدام كاميرا مثبتة خصيصًا وأجهزة بصرية مدمجة لأنظمة الإرساء والقرب. لم تُصدر وكالة الفضاء اليابانية تحديثات رسمية عن حالة التجربة ، ولكن وفقًا لمقابلة مع ممثلي وسائل الإعلام ، لم يتم تأكيد تأكيد فصل البضائع النهائية. لم تطول رحلة السفينة ، لذلك أرسل مركز التحكم الأرضي يوم السبت أمرًا بقطع الكابل حتى لا يتداخل الكابل المحتمل نشره مع العمليات في طريق الخروج من المدار. إذا تحرك الكابل حتى ، فسيتم ملاحظته بعد قطعه كجسم منفصل لوسيلة التحكم في الفضاء الخارجي. لسوء الحظ ، لم يتم تسجيل أي شيء جديد في المدار ، مما يعني أن الشحنة لم تنفصل حقًا عن السفينة. وما الذي أردت التحقق منه في تجربة HTV-KITE؟


معدات اختبار HTV-KITE ، صور JAXA

كانت فكرة التجربة جميلة جدا. تم تركيب كابل معدني بطول 720 متر مع حمولة نهائية عشرين كيلوغرامًا على سفينة الشحن. كان من المفترض أن يوفر دافع النابض سرعة أولية للفك تبلغ 1 متر في الثانية. تم تثبيت العاكسات على الحمل النهائي ، والذي سيكون ملحوظًا للكاميرا الإضافية والنظام البصري القياسي لتقارب السفينة وإرساءها. كانت قدرات نظام الإرساء هي التي تحدد الحد الأقصى لطول الكبل - أراد المهندسون معرفة موقع الحمل النهائي والمسافة إليه بالضبط. بعد الوصول إلى طول 710 أمتار ، كان من المفترض أن يتم تشغيل فرامل ميكانيكية ، الأمر الذي سيوقف فك الكابل. سيصبح الكبل المعدني الموسع بالكامل مع طلاء موصل خاص موصلًا طويلًا جدًا ويمكن أن يتفاعل مع الغلاف المغناطيسي للأرض. وهنا جاء الجزء الممتع. كان الكاثود مع الانبعاثات الميدانية لخلق فرق محتمل بين البضائع والسفينة. من هذا ، سيبدأ تيار في التدفق على طول الكابل ، والذي ، عند التفاعل مع المجال المغناطيسي للأرض ، يجب أن يتسبب في قوة لورنتز ، كبح السفينة والبضائع.



يجب أن تكون النتيجة نظامًا بسيطًا لا يتطلب التحكم في التوجيه في الفضاء ويستهلك الحد الأدنى من الطاقة لإزالة الحطام الفضائي من المدار. في الحالة العامة ، يمكن عكس التدفق الحالي في الكبل وتسريعه ، مما يرفع المدار بسبب هدر الكهرباء ، لكن المهندسين اليابانيين كانوا مهتمين فقط بالنزول من المدار. يظهر ترتيب الأجهزة وتشغيلها بوضوح في فيديو نوفمبر من JAXA. لا يوجد سوى نص ياباني ، ولكن كل شيء واضح من الصور.

ثقل غير مزعج في الجوزاء 11

الهدف "Agen" بعد فصل الكابل. صور وكالة ناسا

تاريخيا ، كانت التجربة الأولى في الجوزاء 11 (رواد الفضاء بيت كونراد وريتشارد جوردون) في سبتمبر 1966. كانت إحدى المهام الثانوية للمهمة هي ربط كابل بطول 30 مترًا يدويًا بهدف Agen ، وبعد إلغاء الإرساء ، انظر كيف يتصرف جسمان متصلان في المدار. في البداية ، حاول الطيار جيميني كونراد وضع الحزمة في وضع استقرار الجاذبية بحيث يكون الهدف أدناه ، والسفينة أعلاه ، وتمدد الكابل. لكن هذا لم ينجح - عند محاولة التفريق بمقدار 30 مترًا ، بدأت التذبذبات. لكن مهمة إنشاء شدة صغيرة عن طريق دوران الرباط لم تسبب أي مشاكل. الكبل الذي انحنى أولًا استقامة ، وتحول 55 درجة في الدقيقة ، خلقت الحزمة 0.00015 (وفقًا لمصادر أخرى 0.00078) جم. لم يشعر الرجل بذلك ، لكن الأشياء العائمة حول المقصورة استقرت تدريجيًا إلى أسفل الكبسولة.


حفنة من "في العمل" ، كابل مشدود. صور وكالة ناسا

بالإضافة إلى الصور ، قام رواد الفضاء بتصوير مقطع فيديو ، وتظهر التذبذبات والدوران بوضوح (من 10:45)

خطة شروق متطورة

مخطط نظام كابل "شروق"

تم تطوير مخطط أكثر تعقيدًا في الاتحاد السوفييتي لإحدى رحلات سفينة فوسخود. بعد دخول المدار والانفصال عن المرحلة الثالثة ، ستبقى السفينة مرتبطة بها بواسطة كابل. ثم كانت الخطوة هي تشغيل محركات الوقود الصلب للتباعد بسرعة 10 أمتار في الثانية. لإخماد التقلبات المحتملة ، كانوا سيضعون نظام التحكم الخاص بهم مع محركات التوجيه على المسرح (كان في الأصل مع السفينة). عند تحريك الكيلومتر ، ستبطئ الخطوة من فك الكبل وتتضمن مجموعة أخرى من المحركات للدوران بسرعة 2 دورة في الدقيقة ، مما يخلق جاذبية 0.003 الأرض. ثم على متن السفينة ، سيتم تنشيط نظام النقل ، ونشر السفينة بحيث يضغط رواد الفضاء على التسارع إلى المقاعد ، وليس العكس. وأخيرًا ، لإنشاء جاذبية قمرية ، فإن الونش يسحب الكابل ، ويقلل من طول الحزمة ، ووفقًا لقانون الحفاظ على الزخم الزاوي ، يسرع الدوران. لكن هذا التصميم لم يطير إلى الفضاء - توقفت سفن فوسخود عن الطيران بعد مهمة كوزموس -110 الطويلة مع الكلاب ، ولم يكن بالإمكان نقل النظام إلى سويوز ، لذلك تم إغلاق المشروع في النهاية.

فشل TSS-1 الطموح

تجربة TSS-1 للفنان ، صورة وكالة ناسا

تم اقتراح تجارب الحبل في وكالة ناسا ووكالة الفضاء الإيطالية في السبعينيات ، ولكن بعد عشرين عامًا فقط نضجت إلى التنفيذ العملي. في عام 1992 ، للتحقق من الاستقرار بطريقة التدرج الثقالي ، وكذلك لدراسة البلازما القريبة من الأرض والعمليات التي ستحدث على الحمل النهائي وفي الكابل ، ذهب مكوك أتلانتس إلى الفضاء (المهمة STS-46). وفقًا للخطة ، كان من المفترض أن يتحول الكابل حتى عشرين كيلومترًا ، ولكن هذا لا يمكن القيام به. توقف فك الكبل عند 78 مترًا ، ثم ، عندما تم إصلاح المشكلة ، تم تعليق الكبل مرة أخرى عند 256 مترًا ، ولا يمكن تحريكه أكثر. لكن البيانات التي تم الحصول عليها على قاعدة البيانات الصغيرة هذه كانت واعدة ، وتم تكرار التجربة على المكوك كولومبيا في عام 1996 في مهمة STS-75.


بداية فك الكابل ، صور وكالة ناسا

في البداية ، سار كل شيء على ما يرام ، وببطء شديد ، تم فك الكبل حتى 19 كيلومترًا من العشرين المخطط لها ، وسجلت المعدات ثلاثة أضعاف التيار الذي كانت تتوقعه نماذج الحساب ، ولكن بعد ذلك انقطع الكابل فجأة. ثم ، على الأرض بالفعل ، اتضح أنه في عملية تفكيك فقاعات الغاز بدأت تنفجر في عزل الكابل للكابل. أصبح الجو المحرر بالقرب من موصل 3500 فولت بلازما وأغلق الكابل إلى مزرعة المعدات التجريبية. صهرت الدائرة القصيرة الناتجة جزءًا من الكابل ، وكسرته. على الرغم من الفشل الرسمي ، أثناء فك الكابل ، تم جمع الكثير من البيانات المثيرة للاهتمام - فيزياء سلوك أنظمة الكابلات ، والبيانات عن بيئة البلازما والفرق المحتمل في الكبل.

فيديو للتجربة (من 2:45).

قصف على حبل والبقاء على المقود

تجربة SEDS للفنان ، صورة وكالة ناسا

في عامي 1993 و 1994 ، أجرت ناسا ثلاث تجارب ناجحة ، بإضافة أنظمة الكابلات إلى المرحلة العليا من مركبة الإطلاق Delta-II. بدأ الكابل في الاسترخاء بعد فصل الحمولة الرئيسية ، عندما أصبحت الخطوة قمامة غير مجدية. في تجارب SEDS و SEDS-2 ، تم فك كابل بطول 20 كم. انتقلت الشحنة إلى أسفل ، ونتيجة لتأثير التدرج الثقالي ، بدأ الرباط في الدوران ، مع الحفاظ على اتجاه رأسي إلى مركز الأرض. نظرًا للدوران ، كانت سرعة الحمل بالنسبة إلى الأرض أقل من سرعة الخطوة ، لذلك ، عندما تم قطع الكابل ، انتقل الحمل إلى مسار النزول من المدار ، وارتفعت الخطوة أعلى قليلاً. في التجربة الأولى ، تبين أن الحساب دقيق ، ويمكن للموظف الموجه خصيصًا إلى المكان المفترض لسقوط الشحنة تصوير احتراقها في الغلاف الجوي. في التجربة الثانية ، لم يتم إسقاط الحمل. لقد خرج بقطعة كابل بعد ثلاثة أيام ، وطارت القطعة المتبقية مع الدرج لعدة أشهر. وأخيرًا ، في تجربة PMG الثالثة ، بمساعدة كبل قصير نسبيًا يبلغ طوله خمسة أمتار ، تم اختبار القدرة على استخراج الكهرباء من الغلاف المغناطيسي والكبح والتسارع ، وإمداد الطاقة للكابل بنجاح.

في عام 1996 ، نشر المتظاهر الفني TiPS كبلًا بطول 4 كم طار فيه قمرين صناعيين حول الأرض لمدة عشر سنوات ، أفضل بخمس مرات من الحسابات. أظهرت هذه المهمة أن كسر سريع لـ SEDS-2 كان على الأرجح حادثًا ، ويمكنك الطيران على كابل لفترة طويلة. لكن تجربة ATEx التالية لم تكن محظوظة - نظرًا للسلوك غير المتوقع للكابل أثناء الفك ، تم إسقاطه عن طريق الخطأ بعد 18 مترًا فقط.

تجربة من قبل الوكالة الأوروبية YES في عام 1997 لم تبدأ في فك الكابل بسبب حقيقة أنه تم وضعه في المدار الخطأ. ولكن بعد عشر سنوات ، أصبحت YES2 تجربة مثيرة للغاية ، انتهت بالنجاح ، وإن كان ذلك وفقًا للبيانات غير المباشرة.


فك كابل YES2 من وجهة نظر الفنان

تم تركيب كبسولة صغيرة من "Fotino" مع الحماية الحرارية على الجهاز العلمي الروسي "الفوتون- M3".


على اليسار يوجد فريق التطوير ، على اليمين هو وضع الكبسولة على الفوتون- M3

كان سيتم فك الكابل على مرحلتين - 3400 متر و 31.7 كيلومتر. بعد أن تم فك الكابل تمامًا ، سيتم قطعه ، وسيذهب Fotino إلى الأرض في منطقة معينة من كازاخستان. ومع ذلك ، بعد التجربة ، لم يتم العثور على مركبة الهبوط. تعرضت البيانات من الونش للتلف بسبب التشغيل غير السليم للمعدات ، ولكن عندما تم فك تشفيرها ، كان من الممكن إثبات أن الكابل مع ذلك لم يتم لف طوله بالكامل وسقط في الوقت المناسب. لم يتم العثور على Fotino في المدار ، وتلقى Foton-M3 التسارع المتوقع ، وارتفع مداره قليلاً. لذا ، نزل "Fotino" بنجاح من المدار على طول المسار الصحيح. ما حدث له بعد ذلك غير معروف. يمكن أن يحترق في الغلاف الجوي (كانت الكبسولة تجريبية أيضًا) أو يغرق في بحر آرال (المسار لم يمر بعيدًا). ولكن ، على الرغم من فقدان جهاز الهبوط ، كانت التجربة ناجحة ، ولم يتم كسر الرقم القياسي لطول الكابل حتى الآن.


مسار "Fotino" على الكابل حسب البيانات المشفرة. على اليمين يوجد جبل إفرست على نطاق واسع. صور وكالة الفضاء الأوروبية

الرسوم المتحركة المهمة. تزامن المسار الحقيقي في الشكل أعلاه مع المتوقع.

الأشبال ليسوا بعيدين عنهم

تجربة MAST في رأي الفنان

أصبحت الكوبسات الصغيرة والرخيصة نسبيًا شركات جاذبية لتجارب الكابلات ، لكن المهام حتى الآن انتهت بالحوادث. في تجربة MAST المثيرة للاهتمام ، كان من المقرر استخدام ثلاثة سواتل نانوية - اثنان متباعدان على مسافة كيلومتر واحد على كابل ، والثالث يجب أن يركب عليه. لسوء الحظ ، بعد إطلاقه في المدار ، كان القمر الصناعي الثالث فقط قادرًا على الاتصال ، وعلى الرغم من البرنامج الذي كان من المفترض أن ينشر الكابل حتى لو لم يكن هناك اتصال ، تم إطلاقه متر واحد فقط بدلاً من كيلومتر واحد. فشلت تجربة STARS اليابانية في عام 2009 أيضًا في تحرير الكبل بسبب فشل آلية القفل. في تجربة لاحقة ، فشل STARS-II في الحصول على تأكيد لإطلاق الكابل. من ناحية ، غادرت مجموعة من اثنين من الكوبسات المدار بشكل أسرع من الكوبسات الأخرى التي أطلقها نفس الصاروخ. من ناحية أخرى ، أظهر التصوير التلسكوبي من الأرض كشيء واحد ، وليس اثنين. وأخيرًا ، لم يتمكن الساتل النانوي الإستوني ESTCube-1 في عام 2013 من فك الكابل.

الخطط الروسية ألغيت ولا

الرسوم التوضيحية للمشاريع الروسية ، صورة RSC Energia

في النصف الثاني من التسعينات ، طورت RSC Energia مشاريع أنظمة الكابلات باستخدام المحطات المدارية - Tros-1 و Tros-1A. في التجربة الأولى ، أرادوا توصيل محطة مير والسفينة بروجرس بكابل طوله 20 كم. بعد مرور بعض الوقت ، سيتم قطع الكابل ، وسيتوجه "Progress" إلى مدار أدنى ، و "World" - إلى مدار أعلى. في تجربة Tros-1A ، أرادوا زيادة طول الكابل إلى 50 كم ، في هذه الحالة ، سيخرج بروغرس من المدار ، وسيصعد مير 10 كم ويوفر 400 كجم من الوقود للحفاظ على المدار. بالإضافة إلى ذلك ، تم تطوير مشروع Tpoc-Rapunzel بالاشتراك مع وكالة الفضاء الأوروبية. لم يتم تنفيذ أي من هذه المشاريع. ومع ذلك ، لم يتم التخلص من فكرة الكابلات في الفضاء تمامًا. اتضح أن خطط الجزء الروسي ISS تشمل تجربة Tros-MSTU مع نشر كابل 5 كم من Progress. تم تضمين التجربة في الخطة في عام 2009 وتم التخطيط لها في عام 2016. لسوء الحظ ، بعد عام 2014 لم ترد أي أخبار عنها ، لكنني لم أتمكن أيضًا من العثور على معلومات حول إلغائها.

تطبيق الغزل الأعلى

تستخدم التصاميم البسيطة ذات الأحمال الصغيرة والكابلات القصيرة جدًا على نطاق واسع في رواد الفضاء لإبطاء أو إيقاف الدوران. والحقيقة هي أن التثبيت عن طريق الدوران هو طريقة بسيطة جدًا وغالبًا ما تستخدم للحفاظ على الموضع المطلوب في الفضاء. ولكن لكي تعمل أدوات مثل الكاميرا ، من الأفضل إيقاف الدوران ، أو على الأقل إبطائه. للقيام بذلك ، يتم استخدام قانون الحفاظ على الزخم الزاوي - إذا بدأت في فك الكابلات بحمل من قمر صناعي دوار أو صاروخ ، فسوف يتباطأ دورانه.

تجربة أرضية.



على صاروخ جيوفيزيائي (من 1:26).

اتبع الخيط

بشكل عام ، يمكن أن يكون استخدام الكابلات في الفضاء مفيدًا. أظهرت التجارب أنه من خلال مساعدتها ، من الممكن دراسة الغلاف المغناطيسي للأرض ، وبناء اتجاه وفقًا لتدرج الجاذبية ، وإزالة الحطام الفضائي من المدار ، وتوليد الكهرباء ، أو على العكس ، تسريع الحفاظ على المدار أو زيادته. في الوقت نفسه ، بينما تكون أولوية أنظمة الكبلات منخفضة للغاية ، يتم حل هذه المهام بطرق أخرى مألوفة. تجذب هامشية التكنولوجيا ، كما حدث ، على سبيل المثال ، مع المناطيد أو الطائرات الحربية ، مجموعة متنوعة من النزوات الذين يعتقدون أنهم وجدوا مستقبلًا مشرقًا لرواد الفضاء في أنظمة الكابلات ويخلقون إسقاطات غير واقعية مثل نظام الأرض والقمر مع قاعدة على القمر ورافعات الكابل في مداري الأجسام السماوية. . إن الاستثمارات المطلوبة في مثل هذه المشاريع هي أوامر بحجم أعلى مما يمكن للبشرية أن تنفقه على الفضاء ، لذلك لا يجب أن تتوقع تنفيذها في العقود القادمة. لكن أنظمة الكابلات التجريبية ستبدأ بالتأكيد أكثر من ذلك ، بالإضافة إلى إيقاف أنظمة الدوران ، ستظهر أنظمة تطبيق صغيرة بميكانيكا بسيطة نسبيًا وليست كابلات طويلة جدًا.