Satellite sur une corde ou des systèmes de câbles spatiaux

En ce qui concerne les systèmes de câbles spatiaux, ils rappellent généralement les ascenseurs spatiaux et autres structures cyclopéennes qui, s'ils sont construits, seront dans un avenir très lointain. Mais peu de gens savent que des expériences avec le déploiement de câbles dans l'espace ont été menées à plusieurs reprises, avec des objectifs différents, et ce dernier a fini par échouer au début de février de cette année.


Gemini 11 connecté par un câble à la cible d'Agen, photo de la NASA.

Comment sur le HTV-KITE le câble dans la cale a été coupé

Expérience HTV-KITE présentée par l'artiste, photo par JAXA

Le 27 janvier, le cargo HTV-6 s'est désamarré de l'ISS. Mais au lieu de prendre immédiatement le dernier voyage dans l'étreinte ardente de l'atmosphère, le navire s'est déplacé sur une orbite inférieure de 360x370 km. Le HTS-6 n'a pas pu interférer avec l'ISS. Il était prévu que dans les 24 heures après le désamarrage, le camion déploierait un câble de sept mètres et commencerait un programme hebdomadaire d'expériences. Mais, selon les médias, le centre de contrôle de mission au sol n'a pas pu recevoir de confirmation de la séparation de la cargaison terminale du navire - il semble qu'au moins une des quatre écluses ne s'est pas ouverte. Pour tester le département, les ingénieurs ont voulu utiliser une caméra spécialement installée et des dispositifs optiques intégrés des systèmes de proximité et d'accueil. L'Agence spatiale japonaise n'a pas publié de mises à jour officielles sur l'état de l'expérience, mais selon une interview avec ses représentants des médias, la confirmation de la séparation du fret terminal n'a jamais été reçue. Le vol du navire n'a pas été prolongé, donc samedi le centre de contrôle au sol a envoyé une commande pour couper le câble afin que le câble éventuellement déployé n'interfère pas avec les opérations à la sortie de l'orbite. Si le câble bougeait même, alors après la coupe, il serait remarqué comme un objet séparé des moyens de contrôle de l'espace. Malheureusement, rien de nouveau n'a été enregistré en orbite, ce qui signifie que la cargaison ne s'est pas vraiment séparée du navire. Et qu'en fait, vouliez-vous vérifier dans l'expérience HTV-KITE?


Équipement d'expérimentation HTV-KITE, JAXA Photo

L'idée de l'expérience était très belle. Un câble métallique de 720 m de long avec une charge d'extrémité de vingt kilogrammes a été installé sur le cargo. Le poussoir à ressort était censé fournir une vitesse de déroulement initiale de 1 mètre par seconde. Des réflecteurs ont été installés sur la charge finale, ce qui serait visible pour la caméra supplémentaire et le système optique standard pour la convergence et l'amarrage du navire. Ce sont les capacités du système d'amarrage qui ont déterminé la longueur maximale du câble - les ingénieurs ont voulu connaître exactement la position de la charge finale et la distance à celle-ci. Après avoir atteint une longueur de 710 mètres, un frein mécanique était censé se mettre en marche, ce qui arrêterait le déroulement du câble. Un câble métallique entièrement déployé avec un revêtement conducteur spécial deviendrait un très long conducteur et pourrait interagir avec la magnétosphère terrestre. Et voici venu la partie amusante. La cathode à émission de champ devait créer une différence potentielle entre la cargaison et le navire. De là, un courant commencerait à circuler le long du câble, ce qui, en interagissant avec le champ magnétique terrestre, devrait provoquer la force de Lorentz, freiner le navire et la cargaison.



Le résultat aurait dû être un système simple qui ne nécessite pas de contrôle de l'orientation dans l'espace et consomme un minimum d'énergie pour éliminer les débris spatiaux de l'orbite. Dans le cas général, le flux de courant dans le câble peut être inversé et accéléré, augmentant l'orbite en raison d'un gaspillage d'électricité, mais les ingénieurs japonais n'étaient intéressés que par la descente de l'orbite. La disposition des appareils et leur fonctionnement sont clairement présentés dans la vidéo de novembre de la JAXA. Il n'y a que du texte japonais, mais d'après les images presque tout est clair.

Lourdeur discrète chez Gemini 11

Cibler "Agen" après séparation du câble. Photos de la NASA

Historiquement, la première expérience a eu lieu à Gemini 11 (astronautes Pete Conrad et Richard Gordon) en septembre 1966. L'une des tâches secondaires de la mission était de raccorder manuellement un câble de trente mètres à la cible d'Agen et, après le désamarrage, de voir comment deux objets connectés en orbite se comportent. Au début, le pilote Gemini Conrad a essayé de mettre le faisceau en mode de stabilisation gravitationnelle de sorte que la cible soit en dessous, le navire au-dessus et le câble tendu. Mais cela n'a pas fonctionné - en essayant de se disperser de 30 mètres, des oscillations ont commencé. Mais la tâche de créer une petite sévérité par rotation du ligament n'a pas posé de problème. Le câble qui s'est plié en premier s'est redressé et en tournant à 55 ° par minute, le faisceau a créé 0,00015 (selon d'autres sources 0,00078) g. L'homme ne l'a pas ressenti, mais les choses flottant autour de la cabine se sont progressivement installées au fond de la capsule.


Un tas de "au boulot", le câble est tendu. Photos de la NASA

En plus des photographies, les astronautes ont filmé une vidéo, et les oscillations et la rotation sont clairement visibles dessus (à partir de 10:45)

Plan Sunrise sophistiqué

Le schéma du système de câble "Sunrise"

Un schéma beaucoup plus complexe a été développé en URSS pour l'un des vols du navire Voskhod. Après être entré en orbite et se séparer de la troisième étape, le navire y resterait attaché par un câble. Ensuite, l'étape consistait à allumer les moteurs à combustible solide pour diverger à une vitesse de 10 mètres par seconde. Pour amortir les éventuelles fluctuations, ils allaient mettre en scène leur propre système de contrôle avec des moteurs d'orientation (c'était à l'origine avec le navire). Se déplaçant d'un kilomètre, l'étape ralentirait le déroulement du câble et inclurait un autre ensemble de moteurs pour tourner à une vitesse de 2 tours par minute, créant une gravité de 0,003 Terre. Ensuite, sur le navire, un système de transfert serait activé, déployant le navire afin que les astronautes pressent l'accélération vers les sièges, et non l'inverse. Et enfin, pour créer la gravité lunaire, le treuil tirerait le câble, réduisant la longueur du faisceau et, selon la loi de conservation de l'impulsion angulaire, accélérant la rotation. Mais cette conception n'a pas volé dans l'espace - les navires Voskhod ont cessé de voler après la longue mission Cosmos-110 avec des chiens, et le système n'a pas pu être transféré à Soyouz, donc le projet a finalement été fermé.

Défaillances TSS-1 ambitieuses

Expérience TSS-1 par l'artiste, photo de la NASA

Des expériences sur corde à la NASA et à l'agence spatiale italienne ont été proposées dans les années 1970, mais seulement vingt ans plus tard ont mûri pour une mise en œuvre pratique. En 1992, pour vérifier la stabilisation par la méthode du gradient gravitationnel , ainsi que pour étudier le plasma proche de la Terre et les processus qui se produiront sur la charge terminale et dans le câble, la navette Atlantis est allée dans l'espace (mission STS-46). Selon le plan, le câble devait tourner jusqu'à vingt kilomètres, mais cela n'a pas pu être fait. Le déroulement du câble s'est bloqué à 78 mètres, puis, lorsque le problème a été résolu, le câble a de nouveau coincé à 256 mètres, et il n'a pas pu être déplacé plus loin. Mais les données obtenues sur une si petite base de données se sont avérées prometteuses et l'expérience a été répétée sur la navette Columbia en 1996 lors de la mission STS-75.


Le tout début du déroulement du câble, photo de la NASA

Au début, tout s'est bien passé et, très lentement, le câble a été déroulé jusqu'à 19 kilomètres des vingt prévus, l'équipement a enregistré trois fois plus de courant que prévu par les modèles de calcul, mais le câble s'est brisé soudainement. Puis, déjà au sol, il s'est avéré qu'en train de se dérouler, des bulles de gaz ont commencé à éclater dans l'isolation du câble. L'atmosphère libérée près du conducteur de 3500 volts est devenue un plasma et a fermé le câble à la ferme d'équipement expérimental. Le court-circuit résultant a fait fondre une partie du câble, le cassant. Malgré l'échec formel, lors du déroulement du câble, de nombreuses données intéressantes ont été collectées - la physique du comportement des systèmes de câbles, des données sur l'environnement plasma et la différence de potentiel dans le câble.

Vidéo de l'expérience (à partir de 14h45).

Bombe sur une corde et survie en laisse

Expérience SEDS par un artiste, photo de la NASA

En 1993 et ​​1994, la NASA a mené trois expériences réussies, ajoutant des systèmes de câbles à l'étage supérieur du lanceur Delta-II. Le câble a commencé à se dérouler après la séparation de la charge utile principale, lorsque l'étape est devenue une poubelle inutile. Dans les expériences SEDS et SEDS-2, un câble de 20 km de long a été déroulé. La cargaison est descendue, par conséquent, en raison de l'effet du gradient gravitationnel, le ligament a commencé à tourner, en maintenant une direction verticale vers le centre de la Terre. En raison de la rotation, la vitesse de la charge par rapport à la Terre était inférieure à la vitesse de la marche.Par conséquent, lorsque le câble a été coupé, la charge s'est déplacée vers le chemin de descente de l'orbite et la marche a légèrement augmenté. Dans la première expérience, le calcul s'est avéré exact, et un employé spécialement dirigé vers le lieu supposé de la chute de la cargaison a pu photographier sa combustion dans l'atmosphère. Dans la deuxième expérience, la charge n'a pas été abandonnée. Il est sorti avec un morceau de câble trois jours plus tard, et le morceau restant avec la marche a volé pendant plusieurs mois. Et enfin, dans la troisième expérience PMG, avec l'aide d'un câble de cinq mètres relativement court, la capacité d'extraire de l'électricité de la magnétosphère, de freiner et d'accélérer, fournissant de l'énergie au câble a été testée avec succès.

En 1996, le démonstrateur technique TiPS a déployé un câble de 4 km de long sur lequel deux satellites ont survolé la Terre pendant dix ans, cinq fois mieux que les calculs. Cette mission a montré que la rupture rapide du SEDS-2 était très probablement un accident, et vous pouvez voler sur un câble pendant une longue période. Mais l'expérience ATEx qui a suivi n'a pas eu de chance - en raison du comportement inattendu du câble lors du déroulement, il a été accidentellement lâché après seulement 18 mètres.

Une expérience menée par l'Agence européenne YES en 1997 n'a même pas commencé à dérouler le câble car il a été placé sur la mauvaise orbite. Mais dix ans plus tard, YES2 est devenu une expérience très intéressante, qui s'est soldée par un succès, mais selon des données indirectes.


Déroulement du câble YES2 selon l'artiste

Une petite capsule "Fotino" avec protection thermique a été installée sur l'appareil scientifique russe "Photon-M3".


À gauche se trouve l'équipe de développement, à droite se trouve le placement de la capsule sur le Photon-M3

Le câble devait être déroulé en deux étapes - 3400 mètres et 31,7 kilomètres. Une fois le câble complètement déroulé, il serait coupé et le Fotino irait atterrir dans une certaine région du Kazakhstan. Cependant, après l'expérience, le véhicule de descente n'a pas pu être trouvé. Les données du treuil ont été endommagées en raison d'un mauvais fonctionnement de l'équipement, mais lors de leur décodage, il a été possible d'établir que le câble était néanmoins déroulé sur toute sa longueur et tombé au bon moment. Le Fotino n'a pas été trouvé en orbite, et le Foton-M3 a reçu l'accélération attendue, et son orbite a légèrement augmenté. Ainsi, "Fotino" est descendu avec succès de l'orbite le long du bon chemin. Ce qui lui est arrivé ensuite est inconnu. Il pourrait brûler dans l'atmosphère (la capsule était également expérimentale) ou se noyer dans la mer d'Aral (la trajectoire est passée non loin). Mais, malgré la perte de l'atterrisseur, l'expérience a réussi et le record de longueur de câble n'a pas encore été battu.


La trajectoire "Fotino" sur le câble en fonction des données décryptées. Sur la droite est le mont Everest pour l'échelle. Photos de l'ESA

Animation de mission. La trajectoire réelle dans la figure ci-dessus a coïncidé avec celle attendue.

Les oursons ne sont pas loin derrière

Expérience MAST vue par l'artiste

Les petits cubsats relativement bon marché sont devenus des supports attrayants pour les expériences sur les câbles, mais jusqu'à présent, les missions se sont soldées par des accidents. Dans une expérience MAST très intéressante, trois nanosatellites devaient être utilisés - deux divergeaient à une distance de 1 km sur un câble, et le troisième devait rouler dessus. Malheureusement, après sa mise en orbite, seul le troisième satellite a pu communiquer, et malgré le logiciel qui était censé déployer le câble même s'il n'y avait pas de connexion, il n'a été libéré que d'un mètre au lieu d'un kilomètre. L'expérience japonaise STARS en 2009 a également échoué à libérer le câble en raison d'une défaillance du mécanisme de verrouillage. Dans une expérience ultérieure, STARS-II n'a pas réussi à obtenir la confirmation de la libération du câble. D'une part, un faisceau de deux cubsats est sorti en orbite plus rapidement que les autres cubsats lancés par la même fusée. D'un autre côté, la photographie télescopique depuis la Terre les montrait comme un seul objet, pas deux. Et enfin, le nanosatellite estonien ESTCube-1 en 2013 n'a tout simplement pas réussi à dérouler le câble.

Plans russes, annulés et non

Illustrations de projets russes, photo de RSC Energia

Dans la seconde moitié des années 90, RSC Energia a développé des projets de systèmes de câbles utilisant des stations orbitales - Tros-1, Tros-1A. Dans la première expérience, ils voulaient connecter la station Mir et le navire Progress avec un câble de 20 km. Après un certain temps, le câble serait coupé, «Progress» irait sur une orbite plus basse et «World» - sur une plus haute. Dans l'expérience Tros-1A, ils voulaient augmenter la longueur du câble à 50 km, dans ce cas, Progress sortirait de l'orbite, et Mir monterait de 10 km et économiserait 400 kg de carburant pour maintenir l'orbite. En outre, le projet Tpoc-Rapunzel a été développé conjointement avec l'Agence spatiale européenne. Aucun de ces projets n'a été mis en œuvre. Cependant, l'idée de câbles dans l'espace n'a pas été complètement rejetée. Il s'avère que les plans pour le segment russe de l'ISS incluent l' expérience Tros-MSTU avec le déploiement d'un câble de 5 km de Progress. L'expérience a été incluse dans le plan en 2009 et était prévue en 2016. Malheureusement, après 2014, il n'y a plus de nouvelles, mais je n'ai pas non plus pu trouver d'informations sur son annulation.

Toupie très appliquée

Des conceptions simples avec de petites charges et des câbles très courts sont largement utilisées en astronautique pour ralentir ou arrêter la rotation. Le fait est que la stabilisation par rotation est un moyen très simple et souvent utilisé pour maintenir la position souhaitée dans l'espace. Mais pour que des outils comme une caméra fonctionnent, il est préférable d'arrêter la rotation, ou du moins de la ralentir. Pour ce faire, la loi de conservation de la quantité de mouvement angulaire est utilisée - si vous commencez à dérouler des câbles sous la charge d'un satellite ou d'une fusée en rotation, sa rotation ralentira.

Expérience au sol.



Sur une fusée géophysique (à partir de 1:26).

Suivez le fil

En général, l'utilisation de câbles dans l'espace peut être utile. Les expériences ont montré qu'avec leur aide, il est possible d'étudier la magnétosphère terrestre, de construire une orientation en fonction du gradient gravitationnel, de retirer les débris spatiaux de l'orbite, de générer de l'électricité ou, à l'inverse, d'accélérer pour maintenir ou augmenter l'orbite. Dans le même temps, bien que la priorité des systèmes de câbles soit assez faible, ces tâches sont résolues par d'autres moyens familiers. La marginalité de la technologie, comme cela s'est produit, par exemple, avec des dirigeables ou des autogires, attire une variété de monstres qui pensent avoir trouvé un brillant avenir pour l'astronautique dans les systèmes de câbles et créer des projections irréalistes comme le système Terre-Lune avec une base sur la lune et des élingues de câbles sur les orbites des deux corps célestes . Les investissements requis dans de tels projets sont des ordres de grandeur supérieurs à ce que l'humanité est prête à dépenser dans l'espace, vous ne devez donc pas vous attendre à leur mise en œuvre dans les décennies à venir. Mais les systèmes de câbles expérimentaux commenceront certainement plus loin et, en plus d'arrêter les systèmes de rotation, de petits systèmes d'application avec une mécanique relativement simple et des câbles pas très longs apparaîtront.