Satellit an einem Seil oder Raumkabelsystemen

Wenn es um Weltraumkabelsysteme geht, erinnern sie sich normalerweise an Weltraumaufzüge und andere zyklopische Strukturen, die, wenn sie gebaut werden, in sehr ferner Zukunft liegen werden. Nur wenige Menschen wissen, dass Experimente mit dem Einsatz von Kabeln im Weltraum wiederholt mit unterschiedlichen Zielen durchgeführt wurden. Letztere scheiterten mit der Zeit Anfang Februar dieses Jahres.


Zwillinge 11 über ein Kabel mit dem Agen-Ziel verbunden, NASA-Foto.

Wie beim HTV-KITE wurde das Kabel im Laderaum abgeschnitten

HTV-KITE-Experiment, wie vom Künstler präsentiert, Foto von JAXA

Am 27. Januar wurde das Frachtschiff HTV-6 von der ISS abgedockt. Aber anstatt sofort die letzte Reise in die feurige Umarmung der Atmosphäre zu unternehmen, bewegte sich das Schiff in eine niedrigere Umlaufbahn von 360 x 370 km. HTS-6 konnte die ISS nicht stören. Es wurde erwartet, dass der LKW innerhalb von 24 Stunden nach dem Abdocken ein sieben Meter langes Kabel einsetzen und ein wöchentliches Versuchsprogramm starten würde. Medienberichten zufolge konnte das bodengestützte Missionskontrollzentrum jedoch keine Bestätigung für die Trennung der Terminalladung vom Schiff erhalten - es scheint, dass mindestens eine der vier Schleusen nicht geöffnet wurde. Um die Abteilung zu testen, wollten die Ingenieure eine speziell installierte Kamera und eingebaute optische Geräte der Proximity- und Docking-Systeme verwenden. Die Japan Space Agency gab keine offiziellen Updates zum Stand des Experiments heraus, aber laut einem Interview mit ihren Medienvertretern wurde die Bestätigung der Trennung der Terminalladung nie erhalten. Der Flug des Schiffes wurde nicht verlängert, daher sandte das Bodenkontrollzentrum am Samstag einen Befehl zum Abschneiden des Kabels, damit das möglicherweise eingesetzte Kabel den Abstieg aus der Umlaufbahn nicht beeinträchtigt. Wenn sich das Kabel überhaupt bewegte, würde es nach dem Schneiden als separates Objekt der Kontrollmittel für den Weltraum wahrgenommen. Leider wurde im Orbit nichts Neues aufgezeichnet, was bedeutet, dass sich die Ladung nicht wirklich vom Schiff trennte. Und was wollten Sie eigentlich im HTV-KITE-Experiment überprüfen?


HTV-KITE Experimentiergerät, JAXA Foto

Die Idee des Experiments war sehr schön. Auf dem Frachtschiff wurde ein 720 m langes Metallkabel mit einer Endlast von 20 kg installiert. Der Federschieber sollte eine anfängliche Abwickelgeschwindigkeit von 1 Meter pro Sekunde liefern. An der Endlast wurden Reflektoren installiert, die sich für die zusätzliche Kamera und das optische Standardsystem zum Konvergieren und Andocken des Schiffs bemerkbar machen würden. Es waren die Fähigkeiten des Docking-Systems, die die maximale Kabellänge bestimmten - die Ingenieure wollten die Position der Endlast und den Abstand dazu genau wissen. Nach Erreichen einer Länge von 710 Metern sollte sich eine mechanische Bremse einschalten, die das Abwickeln des Kabels stoppen würde. Ein vollständig expandiertes Metallkabel mit einer speziellen leitenden Beschichtung würde zu einem sehr langen Leiter und könnte mit der Erdmagnetosphäre interagieren. Und hier kam der lustige Teil. Die Kathode mit Feldemission sollte eine Potentialdifferenz zwischen der Ladung und dem Schiff erzeugen. Daraus würde ein Strom entlang des Kabels fließen, der in Wechselwirkung mit dem Erdmagnetfeld die Lorentz-Kraft verursachen und das Schiff und die Ladung bremsen sollte.



Das Ergebnis sollte ein einfaches System sein, das keine Kontrolle der Orientierung im Weltraum erfordert und ein Minimum an Energie zum Entfernen von Weltraummüll aus der Umlaufbahn verbraucht. Im allgemeinen Fall kann der Stromfluss im Kabel umgekehrt und beschleunigt werden, wodurch die Umlaufbahn aufgrund einer Verschwendung von Elektrizität angehoben wird. Japanische Ingenieure waren jedoch nur an einem Abstieg aus der Umlaufbahn interessiert. Die Anordnung der Geräte und ihre Bedienung werden im November-Video von JAXA deutlich. Es gibt nur japanischen Text, aber auf den Bildern ist fast alles klar.

Unauffällige Schwere bei Gemini 11

Ziel "Agen" nach Trennung des Kabels. NASA-Fotos

Historisch gesehen war das erste Experiment im September 1966 bei Gemini 11 (Astronauten Pete Conrad und Richard Gordon). Eine der sekundären Aufgaben der Mission bestand darin, ein 30 Meter langes Kabel manuell an das Agen-Ziel anzuschließen und nach dem Abdocken zu sehen, wie sich zwei verbundene Objekte im Orbit verhalten. Zuerst versuchte der Pilot Gemini Conrad, das Bündel in den Gravitationsstabilisierungsmodus zu versetzen, so dass das Ziel unten, das Schiff oben und das Kabel gespannt war. Dies funktionierte jedoch nicht - beim Versuch, sich um 30 Meter zu zerstreuen, begannen Schwingungen. Die Aufgabe, durch Rotation des Bandes eine geringe Schwere zu erzeugen, verursachte jedoch keine Probleme. Das Kabel, das sich zuerst bog, richtete sich gerade und drehte sich um 55 ° pro Minute. Das Bündel erzeugte 0,00015 (nach anderen Quellen 0,00078) g. Der Mann spürte das nicht, aber die Dinge, die in der Kabine schwebten, setzten sich allmählich auf den Boden der Kapsel.


Ein Haufen "bei der Arbeit", das Kabel ist gespannt. NASA-Fotos

Zusätzlich zu den Fotos haben Astronauten ein Video gedreht, auf dem Schwingungen und Rotationen deutlich sichtbar sind (ab 10:45 Uhr).

Anspruchsvoller Sonnenaufgangplan

Das Schema des Kabelsystems "Sunrise"

In der UdSSR wurde ein viel komplexeres Schema für einen der Flüge des Voskhod-Schiffes entwickelt. Nach dem Eintritt in die Umlaufbahn und der Trennung von der dritten Stufe würde das Schiff durch ein Kabel daran gebunden bleiben. Dann bestand der Schritt darin, Festbrennstoffmotoren einzuschalten, um mit einer Geschwindigkeit von 10 Metern pro Sekunde zu divergieren. Um mögliche Schwankungen zu dämpfen, wollten sie ein eigenes Steuerungssystem mit Orientierungsmotoren auf die Bühne bringen (ursprünglich mit dem Schiff). Wenn Sie sich einen Kilometer bewegen, verlangsamt der Schritt das Abwickeln des Kabels und umfasst einen weiteren Satz Motoren zum Drehen mit einer Geschwindigkeit von 2 Umdrehungen pro Minute, wodurch eine Schwerkraft von 0,003 Erde erzeugt wird. Dann würde auf dem Schiff ein Transfersystem aktiviert, das das Schiff entfaltet, so dass die Astronauten die Beschleunigung auf die Sitze drücken und nicht umgekehrt. Und schließlich, um die Mondgravitation zu erzeugen, würde die Winde am Kabel ziehen, die Länge des Bündels verringern und gemäß dem Gesetz der Erhaltung des Drehimpulses die Rotation beschleunigen. Dieses Design flog jedoch nicht in den Weltraum - die Voskhod-Schiffe hörten nach der langen Cosmos-110-Mission mit Hunden auf zu fliegen, und das System konnte nicht nach Sojus übertragen werden, sodass das Projekt schließlich geschlossen wurde.

Ehrgeizige TSS-1-Fehler

TSS-1-Experiment des Künstlers, NASA-Foto

Seilversuche bei der NASA und der italienischen Weltraumbehörde wurden bereits in den 1970er Jahren vorgeschlagen, reiften jedoch erst zwanzig Jahre später zur praktischen Umsetzung. Um die Stabilisierung mit der Gravitationsgradientenmethode zu überprüfen sowie das erdnahe Plasma und die Prozesse an der Endlast und im Kabel zu untersuchen, ging das Atlantis-Shuttle 1992 in den Weltraum (Mission STS-46). Nach dem Plan sollte das Kabel bis zu zwanzig Kilometer lang sein, aber das war nicht möglich. Das Abwickeln des Kabels blieb bei 78 Metern hängen. Als das Problem behoben war, blieb das Kabel bei 256 Metern wieder hängen und konnte nicht weiter bewegt werden. Die in einer so kleinen Datenbank erhaltenen Daten erwiesen sich jedoch als vielversprechend, und das Experiment wurde 1996 auf dem Shuttle Columbia auf der STS-75-Mission wiederholt.


Der Anfang des Kabelabwickelns, NASA-Foto

Zuerst lief alles gut, und sehr langsam wurde das Kabel bis zu 19 Kilometer von den geplanten zwanzig abgewickelt. Die Ausrüstung zeichnete dreimal so viel Strom auf, wie von den Berechnungsmodellen erwartet wurde, aber dann brach das Kabel plötzlich. Dann, bereits am Boden, stellte sich heraus, dass beim Abwickeln Gasblasen in der Kabelisolierung des Kabels zu platzen begannen. Die freigesetzte Atmosphäre in der Nähe des 3500-Volt-Leiters wurde zu einem Plasma und schloss das Kabel zur Versuchsanlagenfarm. Der resultierende Kurzschluss schmolz einen Teil des Kabels und brach es. Trotz des formalen Versagens wurden beim Abwickeln des Kabels viele interessante Daten gesammelt - die Physik des Verhaltens von Kabelsystemen, Daten zur Plasmaumgebung und die Potentialdifferenz im Kabel.

Video des Experiments (ab 2:45).

Bombe an einem Seil und Überleben an der Leine

SEDS-Experiment des Künstlers, NASA-Foto

In den Jahren 1993 und 1994 führte die NASA drei erfolgreiche Experimente durch, bei denen Kabelsysteme zur oberen Stufe der Delta-II-Trägerrakete hinzugefügt wurden. Das Kabel begann sich nach dem Trennen der Hauptnutzlast abzuwickeln, als die Stufe zu unbrauchbarem Müll wurde. In den SEDS- und SEDS-2-Experimenten wurde ein 20 km langes Kabel abgewickelt. Die Ladung bewegte sich nach unten, daher begann sich das Band aufgrund des Gravitationsgradienten zu drehen und behielt eine vertikale Richtung zum Erdmittelpunkt bei. Aufgrund der Rotation war die Geschwindigkeit der Last relativ zur Erde geringer als die Geschwindigkeit der Stufe. Als das Kabel abgeschnitten wurde, bewegte sich die Last auf die Flugbahn des Abstiegs aus der Umlaufbahn und die Stufe stieg etwas höher an. Im ersten Experiment erwies sich die Berechnung als genau, und ein Mitarbeiter, der speziell auf den vermeintlichen Ort des Sturzes der Ladung ausgerichtet war, konnte ihre Verbrennung in der Atmosphäre fotografieren. Im zweiten Experiment wurde die Last nicht fallen gelassen. Drei Tage später kam er mit einem Stück Kabel heraus, und das verbleibende Stück flog zusammen mit der Stufe mehrere Monate lang. Und schließlich wurde im dritten PMG-Experiment mit Hilfe eines relativ kurzen fünf Meter langen Kabels die Fähigkeit erfolgreich getestet, sowohl Strom aus der Magnetosphäre zu extrahieren als auch zu bremsen und zu beschleunigen und das Kabel mit Energie zu versorgen.

1996 setzte der technische Demonstrator von TiPS ein 4 km langes Kabel ein, auf dem zwei Satelliten zehn Jahre lang um die Erde flogen, fünfmal besser als Berechnungen. Diese Mission hat gezeigt, dass der schnelle Bruch von SEDS-2 höchstwahrscheinlich ein Unfall war und man lange Zeit mit einem Kabel fliegen kann. Das anschließende ATEx-Experiment hatte jedoch kein Glück - aufgrund des unerwarteten Verhaltens des Kabels beim Abwickeln wurde es nach nur 18 Metern versehentlich fallen gelassen.

Ein Experiment der Europäischen Agentur YES aus dem Jahr 1997 begann nicht einmal, das Kabel abzuwickeln, da es in die falsche Umlaufbahn gebracht wurde. Zehn Jahre später wurde YES2 zu einem sehr interessanten Experiment, das, wenn auch nach indirekten Daten, zum Erfolg führte.


Abwickeln des YES2-Kabels aus Sicht des Künstlers

Auf dem russischen wissenschaftlichen Apparat „Photon-M3“ wurde eine kleine „Fotino“ -Kapsel mit Wärmeschutz installiert.


Links ist das Entwicklungsteam, rechts ist die Platzierung der Kapsel auf dem Photon-M3

Das Kabel sollte in zwei Schritten abgewickelt werden - 3400 Meter und 31,7 Kilometer. Nachdem das Kabel vollständig abgewickelt war, wurde es abgeschnitten und der Fotino landete in einer bestimmten Region Kasachstans. Nach dem Experiment konnte das Abstiegsfahrzeug jedoch nicht gefunden werden. Die Daten von der Winde wurden durch unsachgemäßen Betrieb der Ausrüstung beschädigt, aber als sie dekodiert wurden, konnte festgestellt werden, dass das Kabel dennoch auf seine volle Länge abgewickelt und zum richtigen Zeitpunkt fallen gelassen wurde. Der Fotino wurde nicht im Orbit gefunden, und der Foton-M3 erhielt die erwartete Beschleunigung, und sein Orbit stieg leicht an. Also ist „Fotino“ erfolgreich auf dem richtigen Weg aus der Umlaufbahn gekommen. Was als nächstes mit ihm geschah, ist unbekannt. Es könnte in der Atmosphäre ausbrennen (die Kapsel war auch experimentell) oder im Aralsee ertrinken (die Flugbahn verlief nicht weit). Trotz des Verlusts des Landers war das Experiment erfolgreich und der Kabellängenrekord wurde noch nicht gebrochen.


Die Flugbahn "Fotino" auf dem Kabel nach entschlüsselten Daten. Auf der rechten Seite befindet sich der Mount Everest. ESA-Fotos

Missionsanimation. Die reale Flugbahn in der obigen Abbildung stimmte mit der erwarteten überein.

Jungen sind nicht weit dahinter

MAST-Experiment aus Sicht des Künstlers

Kleine und relativ billige Cubsats sind zu attraktiven Trägern für Kabelexperimente geworden, aber Missionen endeten bisher mit Unfällen. In einem sehr interessanten MAST-Experiment sollten drei Nanosatelliten verwendet werden - zwei divergierten in einer Entfernung von 1 km auf einem Kabel, und der dritte musste darauf fahren. Leider konnte nach dem Start in die Umlaufbahn nur der dritte Satellit kommunizieren, und trotz der Software, die das Kabel bereitstellen sollte, auch wenn keine Verbindung bestand, wurde es nur einen Meter anstelle eines Kilometers freigegeben. Das japanische STARS-Experiment im Jahr 2009 konnte das Kabel aufgrund eines Ausfalls des Verriegelungsmechanismus ebenfalls nicht lösen. In einem nachfolgenden Experiment konnte STARS-II keine Bestätigung für die Freigabe des Kabels erhalten. Einerseits verließ ein Bündel von zwei Cubsats die Umlaufbahn schneller als andere Cubsats, die von derselben Rakete abgefeuert wurden. Auf der anderen Seite zeigte die Teleskopfotografie von der Erde sie als ein Objekt, nicht als zwei. Und schließlich gelang es dem estnischen Nanosatelliten ESTCube-1 im Jahr 2013 einfach nicht, das Kabel abzuwickeln.

Russische Pläne, annulliert und nein

Illustrationen zu russischen Projekten, Foto von RSC Energia

In der zweiten Hälfte der 90er Jahre entwickelte RSC Energia Kabelsystemprojekte mit Orbitalstationen - Tros-1, Tros-1A. Im ersten Experiment wollten sie die Mir-Station und das Progress-Schiff mit einem 20 km langen Kabel verbinden. Nach einiger Zeit wurde das Kabel abgeschnitten, "Fortschritt" ging in eine niedrigere Umlaufbahn und "Welt" in eine höhere. Im Tros-1A-Experiment wollten sie die Länge des Kabels auf 50 km erhöhen. In diesem Fall würde Progress die Umlaufbahn verlassen und Mir würde 10 km aufsteigen und 400 kg Kraftstoff sparen, um die Umlaufbahn aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus wurde das Tpoc-Rapunzel-Projekt gemeinsam mit der Europäischen Weltraumorganisation entwickelt. Keines dieser Projekte wurde umgesetzt. Die Idee der Kabel im Weltraum wurde jedoch nicht vollständig verworfen. Es stellt sich heraus, dass die Pläne für das russische ISS-Segment das Tros-MSTU- Experiment mit dem Einsatz eines 5 km langen Kabels von Progress beinhalten. Das Experiment wurde 2009 in den Plan aufgenommen und 2016 geplant. Leider gibt es nach 2014 keine Neuigkeiten mehr, aber ich konnte auch keine Informationen über seine Stornierung finden.

Sehr applizierter Kreisel

Einfache Konstruktionen mit kleinen Lasten und sehr kurzen Kabeln werden in der Astronautik häufig verwendet, um die Rotation zu verlangsamen oder zu stoppen. Tatsache ist, dass die Stabilisierung durch Rotation eine sehr einfache und häufig verwendete Methode ist, um die gewünschte Position im Raum beizubehalten. Damit Werkzeuge wie eine Kamera funktionieren, wird die Drehung am besten gestoppt oder zumindest verlangsamt. Zu diesem Zweck wird das Gesetz der Erhaltung des Drehimpulses angewendet. Wenn Sie Kabel mit Last von einem rotierenden Satelliten oder einer rotierenden Rakete abwickeln, verlangsamt sich deren Rotation.

Bodenexperiment.



Auf einer geophysikalischen Rakete (ab 1:26).

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Im Allgemeinen kann die Verwendung von Kabeln im Weltraum nützlich sein. Die Experimente zeigten, dass es mit ihrer Hilfe möglich ist, die Magnetosphäre der Erde zu untersuchen, eine Orientierung entsprechend dem Gravitationsgradienten aufzubauen, Weltraummüll aus der Umlaufbahn zu entfernen, Elektrizität zu erzeugen oder umgekehrt zu beschleunigen, um die Umlaufbahn aufrechtzuerhalten oder zu vergrößern. Während die Priorität von Kabelsystemen recht niedrig ist, werden diese Aufgaben auf andere, vertraute Weise gelöst. Die Marginalität der Technologie, wie sie beispielsweise bei Luftschiffen oder Gyroplanes der Fall ist, zieht eine Vielzahl von Freaks an, die glauben, sie hätten eine glänzende Zukunft für die Astronautik in Kabelsystemen gefunden und unrealistische Projektionen wie das Erd-Mond-System mit einer Basis auf dem Mond und Kabelschlingen in den Umlaufbahnen beider Himmelskörper erstellt . Die erforderlichen Investitionen in solche Projekte sind um Größenordnungen höher als die Ausgaben der Menschheit für den Weltraum. Sie sollten daher nicht damit rechnen, dass sie in den kommenden Jahrzehnten umgesetzt werden. Experimentelle Kabelsysteme werden jedoch definitiv weiter beginnen, und zusätzlich zum Stoppen von Rotationssystemen werden kleine Anwendungssysteme mit relativ einfacher Mechanik und nicht sehr langen Kabeln erscheinen.