автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Антенные и телекоммуникационные космические средства связи на базе динамических тросовых систем

ВЕДЕНИЕ.

1; ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ, РАЗРАБОТОК И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОГРАММ ПО КОСМИЧЕСКИМ ТРОСОВЫМ СИСТЕМАМ.

2. КОСМИЧЕСКИЕ ТРОСОВЫЕ СИСТЕМЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВОЗМУЩАЮЩИХ ФАКТОРОВ ОРБИТАЛЬНОГО ПОЛЕТА

2.1. Анализ взаимодействия тросовых систем с космической средой.

2.1.1. Вводные пояснения.

2.1.2. Взаимодействие тросовых систем с внешней средой.

2.1.3 Взаимодействие тросовых систем с окружающей природной средой.

2.2. Основные характеристики и особенности космических тросовых систем при функционировании на низких орбитах.

2.2.1. Космические тросовые системы традиционных обычных типов.

2.2.2. Электродинамические квазистатические КТС

2.2.3. Атмосферные КТС.

3. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АНТЕННЫХ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ КОСМИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ СИСТЕМ

СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ НА НИЗКИХ ОРБИТАХ.

3.1. Основные сведения, особенности и виды решаемых задач и предоставляемых услуг низкоорбитальной спутниковой связью.

3.2. Технико-экономический анализ вариантов построения спутниковых систем связи.

3.3. Параметрический анализ.

3.4. Анализ и обоснование низкоорбитальной структуры антенных и телекоммуникационных космических средств связи

3.5. Теоретическое обоснование общего принципа построения и функционирования антенных и телекоммуникационных космических средств связи на базе динамических тросовых систем,.

4. АНТЕННЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ СВЯЗИ НА НИЗКИХ ОРБИТАХ НА БАЗЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ТРОСОВЫХ СИСТЕМ.

4.1. Общие сведения об орбитальных антеннах для НССС на базе тросовых систем.

4.2. Спутниковые динамические тросовые рамочные антенны для СНЧ-диапазона радиоволн.

4.3. Математическое моделирование конфигураций контура спутниковой динамической тросовой рамочной антенны

4.4.Расчет электрических характеристик спутниковой динамической тросовой рамочной антенны.

4.5 Оценка излучения спутниковых динамических тросовых рамочных антенн

4.5.1. Электрическое поле замкнутой кольцевой петли при различных вариантах возбуждения.

4.5.2. Варианты возбуждения кольцевой петли.

4.5.3. Остронаправленное излучение кольцевых рамочных антенн со встроенными фазовращателями.

4.6. Технология электродинамического управления ориентацией и стабилизацией орбитальной динамической тросовой рамочной антенны.

4.6.1. Условия равновесия динамического контура тросовой антенны с током.

4.6.2. Частные случаи управления динамическим антенным контуром и некоторые оценки.

4.6.3. Стабилизация динамического антенного контура ТС.

5. ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СВЯЗИ, ВЕЩАНИЯ И РЕТРАНСЛЯЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БОЛЬШИХ КОСМИЧЕСКИХ ПЛАТФОРМ НА БАЗЕ

ДИНАМИЧЕСКИХ ТРОСОВЫХ СИСТЕМ.

5. 1. Обзор концепций и программ разработок космических платформ.

5.2. Общие понятия, задачи и проблемы.

5.3. Обоснование перспектив применения БКП в спутниковых системах связи, вещания и ретрансляции.

5.4. Обоснование выбора орбиты БКП.

5.5. Варианты низкоорбитальных БКП на базе тросовых систем.

В последние годы возрос интерес к применению тросов в спутниковых антенных и телекоммуникационных системах и устройствах космической связи.

Космические тросовые системы (ТС) являются важным компонентом очередного этапа развития космонавтики. Они представляют собой бурно развивающееся в последние годы направление космической науки и техники и дают основание говорить о принципиально новом классе систем, обладающих своеобразием механического и электродинамического поведения, а также многообразием решаемых с их помощью задач [1].

В отношении обработки информации ТС представляет уникальную возможность рациональной архитектуры средств сбора, преобразования и распределения данных внутри самой ТС. Подсистемы сбора-преобразования (сжатия, кодирования, записи и трансляции) информации разного рода могут размещаться в разных местах гибких связей (ГС), например, на нижней платформе (геофизическое оборудование), на модуле лифта (опытно-технологическое и диагностическое оборудование), на орбитальной космической станции (научные, медицинские и многие другие комплексы), на верхней платформе (астрономические телескопы), что сводит к минимуму взаимное влияние этих подсистем. Одновременно ГС (с оптоволоконными и электрическими кабелями) объединяет все подсистемы, обеспечивая протекание между ними требуемых информационных потоков, их централизацию (например, через главный процессор ОКС) и окончательную обработку. Таким образом, ТС служит естественной базой для построения различных, в том числе иерархических, разветвленных информационных систем высокого уровня организации.

Особенность ТС в отношении передачи (ретрансляции) информации состоит в том, что проводящая ГС, а также ее отдельные участки сами могут служить приемными и передающими антеннами весьма широкого частотного диапазона (в зависимости от эффективной длины ГС или ее участка). Протяженные ГС позволяют создавать фазированные антенные линии или решетки (в случае ТС рамочной структуры). Регулируя фазовый сдвиг последовательно расположенных антенных элементов, можно получать различные картины "радиоподсветки" поверхности: кольцевую или точечную. Крупногабаритные космические антенны можно формировать также с помощью статических или динамических контуров (проводящих нитей или лент), например, располагая околокруговые контуры разного диаметра в конической, параболической или иной конфигурации. Управление взаимным положением контуров осуществимо либо посредством связанных с ними модулей, либо за счет электродинамического взаимодействия при наличии тока в контурах.

Следует также отметить, что электродинамические ТС могут иметь и отрицательное влияние на системы космической связи, вызывая прямо или косвенно (через возмущения плазмы) помехи на пути распространения радиоволн. Истинные масштабы такого влияния, однако, нуждаются в специальном изучении.

Проводимые в МТУСИ под руководством В.И. Куркина исследования (включая некоторые простейшие эксперименты) по ТС с динамическими ГС, указывают на качественно новые возможности таких ТС для задач, принципиально не решаемых уже известными ТС [2-8]. В двух последних НИР [7,8] принимала участие в качестве исполнителя автор диссертации. В этом новом классе космических ТС с динамическими ГС, по которому МТУСИ имеет мировой приоритет и солидный научный задел, могут быть реализованы крупногабаритные системы антенного типа со значительным разнообразием рабочих характеристик (широким спектром возможных частот, сложными и оперативно перестраиваемыми диаграммами направленности на базе комбинаций различных форм, числа и размеров ГС-контуров), которые могут использоваться для космической связи, высокоинформативной (стерео-, синтезированно и т.п.) радиолокации планет и иных объектов, фундаментальных исследований по плазменно-волновой физике и др. [9,10].

В рассматриваемых системах возникает ряд необычных и интересных механических и физических явлений, имеющих важное значение как с теоретической, так и прикладной точек зрения, что представляет несомненный интерес для исследователей и разработчиков в области теории гибкой нити, небесной механики, электродинамики, механики космической техники, теории управления и др. [11].

Наибольший интерес представляет исследование космических протяженных, динамических систем с распределенной инфраструктурой. Космические ТС, построенные с использованием динамических квазиодномерных структурных элементов, являются новым приоритетным перспективным отечественным направлением космической науки и техники. Они существенно дополняют традиционные ТС и позволяют эффективно решать целый круг перспективных задач, недоступных для ТС с малоподвижными (относительно связанных космических объектов (КО)) гибкими связями, в особенности на околоземных орбитах, в частности, для низкоорбитальных систем спутниковой связи (НССС) [12].

Интерес, проявляемый к НССС, вызван тем, что, во-первых, относительная близость к Земле таких систем даёт непосредственные преимущества в быстродействии связи, в потребной энергетике радиолиний, в разрешающей способности мониторинговых и радиолокационных средств и т.п. Во-вторых, снижаются затраты на выведение, развёртывание и периодическое обслуживание (включая замену) систем и их компонентов. В-третьих, в областях существенных концентраций космической плазмы и напряженностей геомагнитного поля (до высот -2000 км и даже несколько выше) возможно освоение новых принципов связи и проведение многочисленных исследований ионосферы и магнитосферы Земли - последнее особенно эффективно с помощью электродинамических ТС, которые могут одновременно решать широкий комплекс информационных задач

Несмотря на большое, с первого взгляда, потребное число спутников в НССС оказывается, что это число в несколько раз меньше того, при котором имели бы место одинаковые затраты на построение НССС и эквивалентной (по информационной напряжённости) геостационарной спутниковой системы, причём последняя не даёт, в отличие от НССС, глобального покрытия Земли. Кроме того, как нетрудно показать, с низких высот (h) на единицу поверхности Земли можно передавать поток информации, принципиально больший (примерно в ( H/h )2 раз), чем с высоких орбит (Н) - при той же мощности и усилении передающих антенн.

Развитие НССС, обслуживающих большие потоки данных между наземными и космическими источниками и потребителями информации, предопределяет интерес к крупногабаритным приёмо-передающим орбитальным комплексам достаточно высокой мощности и избирательности. При этом, специального рассмотрения заслуживают низкоорбитальные системы связи и мониторинга, которые могут использовать как традиционные частотные диапазоны, так и область СНЧ и ОНЧ волн, распространяющихся по ионосферным волноводам между спутником и поверхностью Земли. Предварительные исследования показывают, что эффективным средством передачи и приёма сигналов в широком диапазоне частот могут служить крупногабаритные антенны, составленные из элементарных кольцеобразных "рамок" (с диаметром, порядка 102.103 ' м), располагаемых в плоских и пространственных конфигурациях. По критерию "масса/прочность" предпочтение должно быть отдано конструкциям "рамок", где контуры формируются динамическими гибкими элементами (ДГЭ).

Важным достоинством антенн с ДГЭ (особенно на низких орбитах) является возможность управления их ориентацией путём совместного действия лоренцовых и гироскопических распределённых нагрузок на ДГЭ - при наличии, постоянной компоненты тока вдоль ДГЭ и регулировании контурной скорости ДГЭ в соответствии с током и мгновенным вектором геомагнитной индукции.

В то же время применение контурного движения нити в КТС, как было сказано выше, открывает новые принципиальные возможности, вытекающие из особенностей динамики гибких нитей, движущихся вдоль своих криволинейных контуров, которые формируются в условиях орбитального полета (под действием гравитационно-градиентных и инерционных силовых полей).

В космосе наиболее существенной особенностью контурного движения нити троса4 конту!

КА не попер< или, упраш и о е в

Не: V И Т

Для реализации

ЛЛ ¥ ТТ1 m ПЛ гг» ттпт1мг01тт1я tttitvi ft о ТТЛ п» ютт типа лебедок - по о; работы (например, п такой ТС должно бы связи на борту КА, ci лебедку.

Динамическая "вдоль себя" со скорс условии v » or, где данное условие отве1^ "нечувствителен" к rj силам одного с ними

На рис.В.2 покг крупногабаритной ор«

Рис. В.1. Схема контурного движения нити (троса) в космосе два устройства [хронизации их 1ым элементом »дуемой гибкой гу и подачи на ем (движением вую форму при I низких орбит [ случае контур тощим на ГС, и гального полета

Рис. В.2. ДГЭ в условиях орбитального полета

На рис.В.2 показан КА 4 на орбите вокруг Земли. Средства 2, 3 запуска и электропитания ДГЭ 1 могут быть размещены в специальном модуле КА и выполненными со всеми необходимыми элементами управления. ДГЭ 1 может служить крупногабаритной антенной для радиолокации и связи (с диаметром кольцевого контура 100. 1000 м и более), а также структурным элементом некоторого сложного орбитального комплекса. Существенным обстоятельством является возможность управления формой и ориентацией ДГЭ 1 за счёт его электродинамического взаимодействия с геомагнитным полем при пропускании по ДГЭ постоянного или медленно меняющегося тока.

Весьма актуальна в настоящее время проблема создания высокоэффективных космических телекоммуникационных систем (КТКС) в связи с быстрым ростом потоков информации коммерческого, научного и специальных назначений при ограниченных возможностях существующих космических средств как в части их энергетических и информационно-пропускных мощностей, так и в части традиционно отводимых для них областей размещения в космическом пространстве: геостационарная и 12-ти часовые орбиты ("перенаселённость" орбит). В свете сказанного и ввиду высокой стоимости КТКС существенную конкуренцию им ныне составляют наземные (трансконтинентальные) оптоволоконные линии связи. Последние, однако, не могут решить всего круга задач по информационному охвату планеты, ближнего и дальнего космоса. Кроме того, преимущества наземных высокопропускных линий связи значительны лишь постольку, поскольку КТКС в настоящее время ещё не овладели оптическим диапазоном несущих частот (лазерными каналами обмена информацией). Одна из принципиальных трудностей здесь состоит в искривлении лучей при их прохождении через атмосферу от наземных источников к космическим ретрансляторам (непопадание лучей в зоны удалённых ретрансляторов). Один из путей повышения эффективности КТКС состоит в развёртывании низкоорбитальных спутниковых сетей, обеспечивающих глобальный или широкопоясный охват поверхности планеты. Здесь снимается ограничение на места размещения спутников: практический диапазон высот их орбит простирается от -1000 км до 10000 км и более. Возникающие при этом технические трудности (слежение, сопровождение, перенацеливание антенн) существенно компенсируются близостью спутников к планете, что значительно снижает требования к энергетическим и массово-габаритным характеристикам антенн (либо при тех же характеристиках даёт более высокий информационный полезный выход). Потребное число спутников в сетях (> 10), хотя и более велико, но при комплексном подходе к оценкам достоинств и недостатков оказывается вполне приемлемым (учитывая затраты на выведение, замену, ремонт и обслуживание и т.д.). Однако, чтобы в полной мере использовать достоинство низкоорбитальных КТКС, требуются исследования и новые технические решения в части конструктивного исполнения их элементов. В состав такой КТКС должно входить несколько орбитальных комплексов, образующих сеть глобального или широкопоясного обзора планеты.

В полной мере достоинства НССС могут реализоваться на базе мощных многоцелевых больших космических платформ (БКП), в которых различные аппаратурные модули были бы надёжно изолированы от взаимных влияний в радиоэлектронном (помехи) и динамическом смысле - и в то же время находились бы в тесном структурной и информационно/энергетическом взаимодействии друг с другом и/или с централизованными системами платформы. Выполнить такие требования (которые приводят к характерным габаритам платформ 102104 м) - с приемлемыми массой конструкций и чистотой проведения вспомогательных операций (формостабилизации, ориентации и т.д.}- практически могут только ТС со статическими и динамическими гибкими элементами.

Упомянутые гибкие элементы, выполняя прежде всего структурные функции («гибкого каркаса»), одновременно служат проводниками энергии и информации, средствами управления ориентацией платформы, антеннами, зондами и т. д. Собственная структура гибких элементов ТС может быть достаточно сложной: многослойной (многопроводной) с вмонтированными в ннх микросхемами, пьезо- и термоэлементами и т.д. Тем самым достигается высокая степень синергизма самой несущей конструкции платформы - при сравнительно небольшой её массе.

Для образования единой орбитальной информационной сети целесообразно охватить все платформы НССС лазерной межспутниковой связью - как наиболее информационно емкой, не встречающей естественных препятствий и осуществляемой на сравнительно небольших расстояниях.

Комплекс проблем, стоящих перед рассматриваемым типом ТС, можно охарактеризовать как поиск оптимальных решений во взаимосвязи структурно-динамических и информативно-пропускных параметров систем. Здесь необходимы исследования фундаментального характера: в части картин приёма-излучения радиоволн сложными крупногабаритными ТС; прохождения радиоволн через ионосферу и магнитосферу (в частности, по "ионосферным волноводам"); помех, создаваемых ТС на пути распространения электромагнитных излучений; вторичных эффектов функционирования информационных ТС.

Предложения по формированию отечественной программы космических исследований до 2042 г. обсуждаются в [40]. Анализу проблем космической техники, задачам, которые стоят перед ней (в том числе, применение тросов), к способам их решения посвящена монография [41]. Описание облика космонавтики XXI столетия (в том числе, орбитальные тросовые транспортные системы, информационные космические протяженные комплексы) содержит монография [42].

В настоящее время для решения на базе ДТС проблем специальной спутниковой связи, телекоммуникационных систем и устройств, а также информационных технологий, актуальны следующие задачи, которые исследуются в диссертации:

• Развертывание крупногабаритных космических антенн высокой мощности и направленности (с поперечником 1-10 км), с возможностью их требуемой переориентации в пространстве (что обеспечивается в существенной мере взаимодействием антенного витка с магнитным полем планеты).

• Создание орбитальных сооружений (больших космических платформ БКП для систем спутниковой связи и телекоммуникаций) на базе ДГЭ (возможно, конструктивно совмещенных с антеннами).

• • Качественно улучшенное управление ориентацией/стабилизацией крупногабаритных объектов, в частности, динамической тросовой рамочной антенны и системы связанных орбитальных платформ для наблюдения и ретрансляции информации, в которых ДГЭ могут выполнять параллельные функции механических энергонакопителей и «внутренних передатчиков информации». Актуальность темы исследования подтверждается тем, что работа проводилась по Программе фундаментальных и прикладных исследований вузов связи Российской Федерации в рамках двух НИР «Аспект-МТУСИ» (2000г. и 2001г.), НИР «ТЕХНО-ТРОС» (составная часть комплексной темы «КОРУНД», этап 07, Государственный контракт №851-0600/02) и соответствует приоритетам развития космических средств связи, вещания и ретрансляции Федеральной космической программы ФКП-2005.

Целью диссертационной работы является научное обоснование и разработка принципов построения и функционирования перспективных низкоорбитальных антенных и телекоммуникационных космических средств связи на базе динамических тросовых систем.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Анализ взаимодействия тросовых систем с космической средой и их основных характеристик и особенностей при функционировании на низких орбитах.

2. Анализ и обоснование низкоорбитальной структуры антенных и телекоммуникационных космических средств связи.

3. Обоснование общего принципа построения и функционирования антенных и телекоммуникационных космических средств связи на базе динамических тросовых систем.

4. Исследование и разработка принципов построения и функционирования, механических и электрических характеристик, технологии электродинамического управления ориентацией и стабилизацией динамической тросовой рамочной антенны для связи на низких орбитах.

5. Исследование и разработка принципов построения и функционирования, обоснование перспектив применения, выбора орбиты, габаритов, функционально-конструктивной компоновки и функционального взаимодействия телекоммуникационных космических средств связи, вещания и ретрансляции с использованием больших космических платформ на базе статических и динамических тросовых систем.

Научная новизна обусловлена тем, что в решаемых с помощью динамических тросовых систем задачах используются качественно новые подходы к осуществлению космических операций, а именно:

• использование электропроводных гибких элементов одновременно в качестве структурно-управляющих, энергообеспечивающих и приемопередающих средств;

• построение крупногабаритных связок приемо-передающих модулей (субплатформ) в заданных .пространственных конфигурациях, с минимальным взаимовлиянием антенн и их централизованным энерго- и информационным обменом.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Антенные и телекоммуникационные низкоорбитальные космические средства связи с существенно расширенными функциональными возможностями могут быть созданы на базе динамических тросовых систем на основе сочетания принципов механического и электродинамического формообразования и стабилизации в пространстве.

2. Разработаны и научно обоснованы принципы построения и функционирования низкоорбитальных динамических тросовых рамочных антенн и БКП для телекоммуникационных космических средств связи, вещания и ретрансляции.

3. Определены устойчивые конфигурации петли гибкой нити, используемой в качестве динамической тросовой рамочной антенны в условиях орбитального полета, и выполнен расчет ее электродинамических характеристик.

4. Исследовано электрическое поле замкнутой кольцевой петли, возбуждаемой противофазными и синфазными методами.

5. Решены задачи создания остронаправленного излучения с использованием неподвижной и динамической кольцевых антенн.

6. Разработана технология электродинамического управления ориентацией и стабилизацией динамической тросовой рамочной антенны.

7. Научно обоснованы выбор низкой орбиты, габаритов и конструктивно-функциональнального построения БКП на базе динамических тросовых систем для телекоммуникационных космических средств связи, вещания и ретрансляции.

Результаты диссертационной работы использованы в ЦНИИМаш при выполнении НИР «ТЕХНО-ТРОС» (составная часть комплексной темы «КОРУНД», этап 07, Государственный контракт №851-0600/02) и приведены в НТО «Анализ технической реализуемости и оценка технико-экономических показателей тросовых комплексов МКС».

Выполненные исследования являются составной частью работ, проведенных МТУСИ по Программе фундаментальных и прикладных исследований вузов связи Российской Федерации и вошли в отчеты по двум темам: «Разработка и исследование методов и средств управления космическими информационными системами» (№3802/00) и «Разработка перспективных концепций телекоммуникационных систем на базе комплексов с протяженными гибкими элементами» (№3802/01). В отчетных материалах по указанным НИР были использованы научные результаты, полученные лично автором при подготовке диссертационной работы.

Факты реализации результатов работы подтверждены соответствующими актами.

Результаты, полученные в диссертации, имеют существенное значение для создания нового типа перспективных космических средств связи, функционирующих на околоземных орбитах, в частности, для разработки-динамической тросовой рамочной антенны, обеспечивающей глобальную радиосвязь с подводными, подледными и подземными объектами в особых условиях среды и создающей помехи (в случае необходимости) в системах космической и ионосферной связи. Для телекоммуникационной системы глобального охвата Земли и околоземного пространства создание и применение БКП на базе тросовых систем должно привести к качественному преобразованию всей космической инфраструктуры в области спутниковой связи, вещания и ретрансляции, сделав ее более органичной, экологически чистой и информационно насыщенной.

В первой главе по информационным отечественным и зарубежным материалам проведен обзор, систематизированы и обобщены исследования, разработки и научно-технические программы в области КТС за последние 30 лет и вытекающие отсюда научные и прикладные задачи данной диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены КТС при воздействии возмущающих факторов орбитального полета и основные характеристики и особенности КТС при функционировании на низких орбитах.

В третьей главе изложены общие принципы построения и функционирования антенных и телекоммуникационных космических средств для систем спутниковой связи на низких орбитах.

В четвертой главе рассматриваются антенные космические средства для связи на низких орбитах на базе динамических тросовых систем.

В пятой главе рассмотрены телекоммуникационные космические средства связи, вещания и ретрансляции с использованием больших космических платформ на базе динамических тросовых систем.

Основные результаты и предложения, полученные в ходе работы над диссертацией, докладывались и опубликованы в виде тезисов докладов Международного форума информатизации (МФИ), Всероссийской молодежной научной конференции (Гагаринские Чтения), НТК профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ. На основе полученных результатов опубликована статья в издании «Наукоемкие технологии», депонированы статьи в ЦНТИ Информсвязь, сделаны доклады на заседаниях кафедры РМ МТУСИ.

Всего по теме диссертационной работы опубликовано 19 научных работ. Их них 1 статья в открытой печати, 4 тезисов Международного форума информатизации, 4 тезиса Всероссийской молодежной научной конференции, 4 тезисов НТК МТУСИ, депонировано 6 статей. Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. На основе сочетания принципа механического и электродинамического формообразования и стабилизации в пространстве на базе динамических тросовых систем могут быть созданы низкоорбитальные антенные и телекоммуникационные космические средства связи с существенно расширенными функциональными возможностями

2. Низкочастотные тросовые рамочные антенны КА для связи с труднодоступными (подземными) и подвижными погруженными (подводными) объектами могут быть построены на базе динамических тросовых систем, регулирование движения которых и питание производится посредством специальных модулей, связанных с КА.

3. Метод математического моделирования динамики контурного движения гибкой нити, используемой в качестве антенны в условиях орбитального полета КА, позволяет определить устойчивые конфигурации контура петли и получить полную картину действия сил на петлю гибкой нити в различных положениях координатных осей.

4. Расчет электрических характеристик спутниковой тросовой рамочной антенны может быть выполнен по найденному распределению тока методом наведенных ЭДС. Можно показать, что такая антенна излучает как симметричный электрический вибратор, диаграмма направленности которого имеет вид восьмерки.

5. Для определения качественных оценок излучения тросовых рамочных антенн могут использоваться противофазный и синфазный методы возбуждения.

6. Остронаправленное излучение с помощью кольцевых тросовых антенн может быть осуществлено при введении в линию возбуждения фазовращателей.

7. Электродинамическое управление ориентацией и стабилизацией спутниковой динамической тросовой рамочной антенны обеспечивает различные равновесные положения антенны в орбитальной системе координат.

8. Перспективным является использование тросовых систем в качестве функциональных и структурных элементов низкоорбитальных БКП для телекоммуникационных космических средств связи и ретрансляции.

1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ, РАЗРАБОТОК И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОГРАММ ПО КОСМИЧЕСКИМ ТРОСОВЫМ

СИСТЕМАМ

Космическая тросовая система (КТС) - это комплекс искусственных космических объектов (спутников, кораблей, грузов), соединенных длинными тонкими гибкими элементами (тросами, кабелями, шлангами), совершающий орбитальный полет. В наиболее простом виде - это связка двух космических аппаратов, соединенных тросом длиной в десятки или даже сотни километров. Сложные тросовые системы могут иметь много космических объектов, соединенных тросами в форме замкнутых колец, древовидных образований, объемных многогранников. Космические тросовые системы -новые, нетрадиционные структуры, создаваемые человеком в космосе, - позволяют выполнять задачи, которые невозможно, нецелесообразно или неэкономично решать с помощью существующих средств космической техники.

Тросовые системы отличаются тремя основными особенностями от космических аппаратов традиционного типа.

Первая - большая протяженность, обеспечивающая устойчивое вертикальное положение системы на орбите, причем на концах системы создается малая искусственная тяжесть. Соединенные тросом аппараты имеют недостаток или избыток орбитальной скорости, а их движение выполняется с одним периодом обращения на разных высотах.

Вторая особенность - гибко изменяемая конфигурация, возможность изменения длины тросов путем их выпуска и втягивания. Это позволяет регулировать взаимное положение и ориентацию аппаратов, присоединять и отцеплять другие объекты от тросов, передвигать по ним грузы.

Третье отличие - активное взаимодействие электропроводного троса с внешней средой, в первую очередь, с магнитным полем и ионосферой Земли, обеспечивающее функционирование системы в генераторном, двигательном, электропередающем и излучательном режимах.

В зависимости от того, какая из этих особенностей преобладает у данной тросовой системы, какое свойство используется при эксплуатации, проекты таких систем можно разделить на три типа, У "статических" систем в процессе эксплуатации количество и длины тросов, количество и массы объектов, их взаимное положение и ориентация остаются постоянными. Ко второму типу относятся "динамические" системы, существенно изменяющие количество и длину тросов, количество и массу объектов, их взаимное положение и ориентацию. "Электромагнитные" системы снабжены электропроводными изолированными тросами с плазменными контакторами на концах и активно взаимодействуют с магнитным полем и ионосферой Земли.

Существует много различных проектов тросовых систем и способов их практического применения в космосе. Несколько лет назад, нами была предложена классификация способов применения тросовых систем на низких околоземных орбитах по 3-м уровням: по типу используемой тросовой системы, по виду решаемой технической задачи и по конкретной реализации способа. База данных включает в себя около сотни известных способов и их возможных модификаций.

Статические тросовые системы могут использоваться в исследованиях дальнего космоса, околоземного пространства, атмосферы и поверхности Земли с помощью протяженных измерительных систем (например, интерферометров с очень большой базой, равной длине троса), датчиков геофизических полей, разнесенных или распределенных вдоль троса и опускаемых на тросе на низкие высоты атмосферных зондов. На космических аппаратах в составе таких систем можно проводить различные эксперименты и технические операции (медико-биологические исследования, производство веществ и материалов, выращивание растений) в специфических условиях микрогравитации (от тысячных до десятых долей g) и отсутствия собственной внешней атмосферы вокруг аппаратов. Используя архитектурный принцип построения тросовых систем, в космосе можно будет создавать сложные сооружения больших размеров, например, космические электростанции, поселения, заводы, оранжереи.

Динамические тросовые системы могут использоваться для выполнения орбитальных маневров космических аппаратов без затрат топлива - либо путем ч отведения аппарата на тросе с последующей его отцепкой, либо захватом и подтягиванием аппарата тросом. Например, если от орбитальной станции отвести вниз на тросе длиной около 50 км грузовой корабль и затем отделить его, корабль сойдет с орбиты и упадет на Землю, а станция повысит свою орбиту, не затрачивая на это ни капли топлива. На лифтах, движущихся по тросам, предполагается перемещать грузы и экипажи, а используя поворотную штангу с выходящим с конца тросом, ориентировать в пространстве висящий на тросе аппарат.

Электромагнитные тросовые системы могут вырабатывать за счет использования части кинетической энергии орбитального движения системы электроэнергию мощностью до 1 МВт. Электроэнергией, получаемой от бортового генератора, можно поддерживать или медленно повышать высоту орбиты тросовой системы без затрат топлива. Используя некоторые электродинамические эффекты, возможно с минимальными потерями передавать электроэнергию по длинному тросу между разнесенными космическими аппаратами. Трос в качестве передающей антенны позволяет осуществлять эффективное излучение радиоволн низкочастотных диапазонов - этот принцип найдет применение в глобальных системах космической связи.

Пожалуй, не существует такой области космической деятельности, где тросовые системы не могли бы найти эффективного применения. Более того, некоторые операции в космосе могут выполняться только при их использовании. Внедрение технологий таких систем способно изменить весь облик будущих космических средств.

Российские ученые заложили основы концепции тросовых систем как одного из перспективных направлений развития космической техники.

Впервые такие системы и способы их применения в космосе были описаны в 1895 г. К.Э. Циолковским в "Грезах о Земле и небе". Для создания искусственной тяжести К.Э. Циолковский предложил использовать вращающуюся связку обитаемой станции и балластной массы, соединенных цепью длиной 500 м, а для перемещения грузов в космосе - цепочку, выпускаемую и втягиваемую лебедкой.

В 1910 г. Ф.А, Цандер выдвинул проект "космического лифта" с 60 000-км тросом, протянутым с поверхности Луны к Земле. Под действием гравитационных и центробежных сил такой трос будет постоянно натянут, и по нему, как по канатной дороге, можно транспортировать грузы.

В 20-30-е гг. идеи К.Э. Циолковского нашли отражение в проектах вращающейся тросовой космической станции Ю.В. Кондратюка и в фантастических романах А. Беляева "Звезда КЭЦ" и "Прыжок в ничто". Идеи Ф.А. Цандера о космическом лифте были развиты в 60-70-е гг. в работах Ю.Н. Арцутанова, предложившего проект троса, протянутого с поверхности Земли на геостационарную орбиту и в проекте тросового "космического ожерелья Земли" Г.Г. Полякова.

В 1965 г. в РКК "Энергия" (бывшая ЦКБМ) под руководством С.П. Королева началась подготовка к первому в мире космическому эксперименту с тросовой системой. Разработанный проект "Союз-ИТ" предусматривал создание искусственной тяжести на космическом корабле "Союз", соединенном километровым стальным тросом с последней ступенью ракеты-носителя, путем приведения этой связки во вращение. Но после кончины С.П. Королева проект был закрыт, и работы по тросовым системам в РКК "Энергия" возобновились только через 20 лет.

Таким образом, в середине 60-х гг. наша страна лидировала по работам в области космических тросовых систем. Для дальнейшего развития этих работ имелись все предпосылки и условия. Однако в последующие годы из-за отсутствия заинтересованности руководства в продолжении этих разработок инициатива была перехвачена специалистами США.

Практический интерес к КТС вновь обнаружился в 1970-х г.г., в эпоху стремительного проникновения человека в околоземный космос, практические опыты с простейшими КТС: выход в космос А.А.Леонова с использованием страховочного фала; эксперимент по закрутке связки КК "Джемини" со ступенью "Аджена-Д" — сопровождались исследованиями по динамике и управлению системами с гибкой связью (ГС), в которых был получен ряд важных результатов, заложивших основы математически строгой теории КТС. Тогда же (в середине и конце декады 70-80 гг.) были высказаны и активно обсуждались новые идеи по многочисленным прикладным аспектам КТС — как ближней, так и более отдалённой перспективы.

По-видимому, один из первых "пакетов" предложений по КТС был сформирован сотрудниками Смитсонианской астрофизической обсерватории (США) в связи с идеей привязного ИСЗ, буксируемого за ВКС Space Shuttle на тросе длиной ~ 100 км. В результате ряда изысканий по контрактам с NASA, ВВС и другими организациями были выявлены следующие основные области эффективного применения КТС:

- Сверхдлинноволновая локация подводных объектов (Х.Альфвен, 1973 г.), включая и подлёдные области у полюсов;

- Геофизические и планетологические исследования (магнито- и градиометрия, аэрономия, мониторинг суши и океана) с высокою степенью разрешения и информативности - при буксировке привязанного ИСЗ на высоте 110 - 130 км (высота ВКС-буксировщика > 200 км);

- Исследования в области космической радиосвязи, плазменно-волновых процессов в ионосфере и магнитосфере, с охватом широкой области частот и типов волн: радио-, плазменно-акустических, сдвиговых (альфвеновских), свистящих атмосфериков, ОНЧ и т.д., - с частотами от долей Гц до нескольких МГц и выше;

- Генерирование электроэнергии для нужд различных КА за счёт взаимодействия электропроводных изолированных кабель-тросов с геомагнитным полем и плазмой (при индуцированных напряжениях порядка 200 В/км и реальных токах 1-50 А), а также реализация тяговых электрических КТС (тяга порядка 1 - 10 Н) для коррекции орбиты КА,

Данные предложения, инициаторами которых явились Дж. Коломбо и М. Гросси (США) с другими сотрудниками обсерватории, относятся к периоду 1972-74 гг. Последующий этап, 1974-76 гг., ознаменовался установлением тесных контактов между специалистами США (NASA) и Италии (PSN/CNR), что привело к середине 1980-х гг. к созданию лётного образца долговременной (активный срок около 38 час) КТС с привязным ИСЗ, развёртываемым в двух конфигурациях: верхней (программа TSS -1) и нижней (TSS-2), соответственно на длину ГС 20 км и 100 км. Первый полёт был намечен на конец 1992 г. или начало 1993 г. и должен быть посвящен электродинамическим и магнито-плазмо-физическим исследованиям. Второй полёт, примерно через 1-1,5 года после первого, должен касаться исследований в верхней атмосфере (высота ~ 120-130 км) - с помощью привязного ИСЗ, снабженного аэродинамическим оперением. Головная фирма по данной КТС в США: Martin - Marietta, в Италии Aeritalia.

Комплексными разработками по основным направлениям КТС (всего к 1983 г. было выделено около 13 направлений) были охвачены все главные космические научно-исследовательские центры США - под эгидой центра им. Маршалла, а также ведущие университеты США и некоторых других стран (в частности, университет в Падуе, Италия).

Совместные работы по КТС ведутся и с Японией. В период 1985-90 гг. было осуществлено три баллистических полёта малой электродинамической КТС по программам CHARGE-1, 2, 3, а также OEDIPUS. Длина проволочного проводника между материнским и дочерним модулями КТС достигала - от полёта к полёту - 450-980 м. Были получены, несмотря на небольшую продолжительность активного полёта КТС (~ 300 с), важные данные о характеристиках ионосферы, структуре электрического и магнитного полей, параметрах пассивного и активного (при работе электронной пушки на одном из модулей) приёма-излучения радиоволн. Данные охватывают диапазон высот от 150 до 500 км и получены при разных длинах ГС между модулями. В ходе полётов был также успешно отработан процесс развёртывания ГС на полную длину, который осуществлялся при помощи импульсных реактивных двигателей на дочернем модуле КТС и контролировался телекамерой на материнском модуле.

Примерно с конца 1980-х гг. разработка и реализация прикладных аспектов КТС стали существенным элементом космических программ Италии, ФРГ и Японии (и, разумеется, были зафиксированы в планах европейского космического агентства ESA).

Основное направление работ по КТС в Италии: создание многофункциональных привязных платформ для исследований по космической технологии (процессы в микрогравитации), в области спутниковых телекоммуникаций, гео- и астрофизики, аэрономии и др.

Основное направление работ по КТС в ФРГ: реализация некоторых видов транспортных операций, основанных на энергообменном принципе (подробнее, см. ниже), как-то: взаимодействие посредством ГС между КС "Гермес" и платформой MTFF (типа "Эврики") с целью заметного изменения орбит обоих КА; спуск на Землю возвращаемых капсул - путём их отвода на ГС от орбитального носителя (на длину 50-100 км) и последующей отцепки. Разрабатываются различные конструкции соответствующих КТС (в частности, на базе капсул TOPAS и Courrier), изучаются вопросы интеграции КТС с платформами будущих модификаций ("Био-Эврика", "Астро-Эврика" и др.).

Основное направление работ по КТС в Японии: исследования по космической радио- и магнито-плазменной физике (продолжительность работ по упомянутым программам CHARGE и OEDIPUS); по воздействию СВЧ излучения на ионосферно-атмосферную среду (для этой цели разработана КТС с антенной и ректенной-мишенью, удаляемыми вдоль местной вертикали на ~1 км друг от друга), по зондированию атмосферы в диапазоне высот 350-100 км ("гирлянда" датчиков на тросе длиной 100 км, которая последовательно размещается в областях: 350-250, 250-159 и 200-100 км - в последнем случае предусмотрена компенсация торможения двигателями ИСЗ-буксировщика "гирлянды").

Во всех программах по КТС неизменное внимание уделяется их электродинамическому аспекту, т.к. помимо высокой эффективности электромеханического преобразования (на уровне мощностей до 100 КВт - 1 МВт, при к.п.д. 0,85-0,9) здесь решается широкий круг фундаментальных проблем магнитосферной физики, многие из которых представляют собой "белые пятна". Более десяти лет в США ведутся интенсивные исследования по взаимодействию КТС с геомагнитным полем и плазмой - как теоретические, так и экспериментальные. В частности, на наземных плазменно-вакуумных установках отрабатываются различные типы плазменных контакторов ("полый катод", "кольцевая чаша" и др. - ряд из них имеют прототипами отечественные разработки в области ЭРД). Разработана серия лётных экспериментов (на 1993 и последующие гг.) по малоразмерным (длиной 1-10 км) электродинамическим КТС.

Достаточно давно (середина-конец 1970-х гг.) были осознаны значительные преимущества КТС в области транспортных космических операций: в ближайшей перспективе - для осуществления межорбитальных манёвров КА с умеренной энергонапряжённостью (AVX = 0,5 - 1 км/с, что соответствует изменениям высот орбит до + 103 - 104 км/, а в более отдалённой перспективе - для старта с поверхности Луны, малых небесных тел и даже с Земли (Д Vx = 1,5 - 8 км/с, при длине КТС ~103 - 104 км ).

Начало работ в области тросовых систем за рубежом связано с именем итальянского ученого Дж. Коломбо, разработавшего в 60-70-х гг. (совместно с работавшим в США итальянским специалистом М. Гросси) многочисленные проекты их практического применения в космосе и активно выступавшего за развитие такого направления. В частности, ими выдвинуты идеи электромагнитной тросовой системы и привязного атмосферного зонда, нашедшие в 90-х гг. практическое воплощение в итало-американских проектах "TSS-Г hTSS-2".

Реализации проектов-'TSS" способствовала поддержка директора одного из подразделений NASA И. Беки, организовавшего в 1983 г. первую рабочую встречу специалистов по этой проблеме. После этого состоялись международные конференции по проблемам космических тросовых систем, проходившие в 1986 г. в Арлингтоне (США), в 1987 г. в Венеции, в 1989 г. в Сан-Франциско и в 1995 г. в Вашингтоне. На последней конференции выступили специалисты из США, Канады, Италии, Германии, Испании, Франции, Австрии, Японии и Китая.

В конце 1966 г. были проведены два американских эксперимента на пилотируемых кораблях "Джемини" - они соединялись 30-м синтетическими лентами с ракетной ступенью "Аджена". В первом эксперименте связка космических объектов вращалась вокруг общего центра масс, а во втором - в устойчивом вертикальном положении.

В рамках американо-японской программы в 1980-85 гг. были осуществлены четыре запуска на высоту 328 км зондирующих ракет. В ходе полета полезный груз удалялся на электропроводном тросе на 400 м (серия экспериментов "CHARGE"). В первых двух экспериментах тросы удалось выпустить только на длину 30 м и 65 м. В двух последних - тросы были, выпущены полностью, что позволило выполнить исследования электродинамики тросовой системы. Итало-американский эксперимент "TSS-1" был проведен в 1992 г. Предполагалось отвести от корабля "Атлантис" итальянский привязной спутник на электропроводном тросе длиной 20 км и выполнить электродинамические и радиофизические исследования. Привязной спутник разрабатывала итальянская фирма "Aeritalia" (Alenia Spazio), а привязную систему - американская фирма "Martin Marietta". Вследствие зажима троса в лебедке его удалось выпустить всего на 265 м, после чего трос был втянут обратно.

В феврале 1996 г. в ходе полета корабля "Спейс Шаттл" (Земля и Вселенная, 1996, № 6, с. 47-50) сделана попытка повторить такой эксперимент (TSS-R). Теперь трос размотали почти на всю длину, однако он неожиданно оборвался ("пережегся") из-за короткого замыкания, вероятная причина - механическое повреждение изоляции. Из-за аварии дорогостоящий итальянский спутник вместе с тросом ушел на другую орбиту и был потерян. Тем не менее, в экспериментах серии "TSS" была проведена часть запланированных электродинамических исследований, в частности, в эксперименте "TSS-1R" в тросе был достигнут ток силой 0,5 А.

Еще два американских эксперимента "SEDS-1" и "SEDS-2" выполнены в 199394 гг. От последней ступени ракеты-носителя "Дельта-2" отводились полезные грузы на тросах длиной 20 км, выпускаемых с помощью катушек, разработанных американским специалистом Дж. Кэрроллом. В первом эксперименте отрабатывался безрасходный спуск груза с орбиты, а во втором - развертывание тросовой системы в вертикальное положение. В 1993 г. также с использованием ракеты "Дельта-2" проведен эксперимент "PMG" с электропроводным тросом длиной 500 м, позволивший исследовать некоторые эффекты электродинамики данной системы.

Канадские эксперименты "OEDIPUS-А" и "OEDI-PUS-C" с тросами длиной I км проведены в 1989 и 1995 гг. В мае 1996 г. состоялся запуск двух американских аппаратов морской разведки с тросом длиной 4 км (эксперимент "TIPS"). Программой длительного полета предполагается исследовать стойкость троса к воздействию метеорных частиц.

После проведения экспериментов "TSS-1" и "TSS-1R" (затраты составили почти миллиард долларов) пересмотрена программа работ США в области тросовых систем. Планировавшийся эксперимент "TSS-2" с атмосферным зондом, опускаемым вниз с корабля "Спейс Шаттл" на 100-км тросе, был отменен. А другие эксперименты в космосе вначале были ограничены проектами, не превышающими по стоимости 10 млн долларов, а затем вообще прекращены. В расписании полетов кораблей "Спейс Шаттл" до конца 2003 г. эксперименты с тросовыми системами не предусмотрены.

------------К настоящему времени за рубежом выполнено 16 космических экспериментов с тросовыми системами, из них 8 американских, 4 американо-японских, 2 американо-итальянских и 2 канадских эксперимента (см. таблицу 1.1.).

Таблица 1.1

Зарубежные космические эксперименты с тросовыми системами

НАЗВАНИЕ ВРЕМЯ СТРАН АППАРАТЫ ТРОС РЕЗУЛЬТАТ

I. AGENA-1 1966 США Корабль "Джемини" + Ступ. РН Синт. лента 30 м +■ Неупр. Связка была приведена во

2. AGENA-2 1966 США Корабль "Джемини" + Ступ. РН Синт. лента 30 м + Неупр. Развернута в вертикальное

3. CHARGE-1 1980 США -f- Высот, ракета "Ят" + Полезн. груз 75 Кабель 400 м + Неупр. катушка Неудачно: трос выпущен на 35

4. CHARGE-2 1981 США + Япония Высот, ракета "Ят" + Полезн. груз 75 Кабель 400 м + Неупр. катушка Неудачно: трое выпущен

5. CHARGE-3 1983 США + Япония Высот, ракета "Ят" + Полезн. груз 75 Кабель 400 м + Неупр. катушка Проведены электродинам.

6. CHARGE-4 1985 США + Япония Высот, ракета "Ят" + Полезн. груз 75 Кабель 400 м + Неупр. катушка Проведены электро динам.

7. OEDIPUS-А 1989 Канада 2 субспутника Кабель 958 м t Неупр -. катушка Подробности не сообщались

8. TSS-1 август 1992 США + Италия МТКК "Спейс Шаттл" + Кабель 20 км + Сложная лебедка Неудачно -: трос выпущен

9. SEDS март 1993 США Ступень "Дельта-2" + Полезн. груз "20 Трос 20 км + Неупр. катушка Тросовый орбитальный

10. PMG июнь 1993 tm Ступень "Дельта-2" + Полеэн. Груз 20 Кабель 500 м + Неупр. катушка Ток в тросе до 0J А

11. SEDS-2 март 1994 США Ступень "Дельта-2" + Трос 20 км + Развернута в вертикальное

12.0EDIPUS-C январь 1995 Канада 2 субспутника Кабель 958 м + Неупр. катушка Подробности не сообщались

13. TSS-1R февраль 1996 США + Италия МТКК "Спейс Шаттл" + Кабель 20 км + Сложная лебедка Ток в тросе до 1 А, обрыв

14. TIPS июнь 1996 США 2 субспутника Трос 4 км + Неупр. катушка Исследования стойкости

15. SEDSAT-1 апрель 1998 США Ступень "Дельта-2" + Полезн. груз 20 Трос 30 км + Управл. катушка Тросовый орбитальный

16. АТЕХ 1 март 1999 США 2 субспутника, 27 и 12 кг Лента 6 км + Неупр. катушка Исследования стойкости

В СССР были созданы научные школы, занимающиеся теоретическими исследованиями космических тросовых систем. С конца 60-х гг. эти исследования велись, главным образом, в Институте прикладной математики (ИПМ) АН СССР такими крупными учеными, как В.В. Белецкий, В.А. Сарычев, Садов В.А., а несколько позже (с 1980 г.) - в Институте машиностроения (ИМАШ) АН СССР Е.М. Левиным. Результаты многолетних исследований были обобщены в изданной в 1990 г. монографии [13].

Основные концепции транспортных КТС в современном их виде были предложены в нашей стране, что отражено в изобретениях А.В. Андреева [14,15,16]. В основу концепций таких КТС положен знерго/импульсно -обменный принцип взаимодействия КА через ГС - гравитационно-ориентированную или быстровращающуюся. Через ГС, соединяющую на время один и другой КА, обладающие разными орбитами, происходит "перекачка" энергии-импульса от одного к другому, вследствие чего орбита по крайней мере одного из КА изменяется нужным образом без использования реактивных двигателей.

Указанные концепции транспортных КТС прочно утвердились ныне в космических программах ведущих стран, в частности - они близки к практической реализации для таких задач, как спуск капсул с ОКС и платформ на Землю; поддержание орбиты ОКС "Фридом" (США) в заданном диапазоне высот при организации её обслуживаний с помощью ВКС Space Shuttle (последний взаимодействует с ОКС через трос) и при обслуживании космического буксира OTV с борта самой станции (также при посредстве троса). Проект подобного рода разрабатывался и у нас, в отношении ОКС "Мир" и КК "Прогресс".

Следует упомянуть и экзотические проекты гигантских "космических лифтов" - синхронных и несинхронных, теоретически допускающих прямой подхват" полезной нагрузки (ПН) с поверхности Земли и её «катапультирование» на околоземную или, даже, гиперболическую орбиту.

Исследования механики тросовых систем с начала 1970-х гг. ведутся в Московском государственном авиационно-технологическом университете (МГАТУ, бывший МАТИ) под руководством В.А. Иванова и Ю.С. Ситарского. В последние годы подобные исследования начаты в Московском авиационном институте (Г.В.Малышев, В.М.Кульков), Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана (В.И.Усюкин, В.В.Коровин), Военной инженерной космической академии им. Н.А. Можайского (В.И.Щербаков, С.В.Кадайтес, А.В.Вепрук). Изучением электродинамики и радиофизики тросовых систем и других научно-прикладных задач занимаются в ЦНИИ машиностроения (В.И.Лукьященко, Г.Р.Успенский, В.В.Борисов, С.В.Федоров, К.С.Елкин, В.В.Семенченко, В.О.Прудкогляд, А.В.Даниленко и др.), Институте радиотехники и электроники РАН (В.В.Акиндинов, С.М.Еремин, И.В.Лишин), Центральном НИИ военно-космических сил (В.В.Войналович, К.Ю.Упоров), 4ЦНИИ МО РФ (Г.И.Чабров), МФТИ.

В РКК "Энергия" активные работы по космическим тросовым системам возобновились в 1987 г (В.Г.Осипов, Н.Л.Шошунов). Они были направлены на освоение и применение таких систем в рамках пилотируемых космических станций[ 17]. Разработанная концепция развития отечественных работ в этой области предусматривает следующее. На первом этапе - проведение на орбитальных станциях серии космических экспериментов с тросовыми системами "Трос-1", "Трос-1 А", "Вулкан" и "Трос-2". В перспективе - создание и опытная эксплуатация на новой орбитальной станции тросовых систем транспортного, энергетического и исследовательского назначения. В отдаленном будущем предполагается создание орбитального пилотируемого комплекса с многофункциональным использованием технологий тросовых систем. Ряд работ по исследованию вращающихся сложных тросовых систем был выполнен под руководством В.М.Мельникова.

В последнее время проводится работа по тросовым системам с участием иностранных специалистов. В Самарском авиационном институте и Центральном специальном конструкторском бюро (ЦСКБ) совместно с немецкими фирмами ведется разработка проекта эксперимента с привязной капсулой "Rapunzel" на спутнике "Фотон". В ЦНИИМаш по гранту NASA разработан проект двойной электродинамической тросовой системы ТЭДОС на корабле "Прогресс-М".

В РКК "Энергия" во взаимодействии с европейскими специалистами разрабатывается проект возвращения баллистических капсул и грузовых кораблей с пилотируемой станции при помощи длинных тросов. В 1994 г. в сотрудничестве с немецкой фирмой "Kayser Threde" был создан проект совместного эксперимента "Tpoc-Rapunzel", затем по заказу Европейского космического агентства (ESA) прорабатывался эксперимент тросового спуска капсулы "Радуга".

В последние годы в НПО машиностроения совместно с Институтом земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн разрабатывался проект эксперимента на станции "Алмаз", где предполагалось отвести на тросе платформу с аппаратурой для геофизических исследований (Е.А.Зайцев, В.Ф.Матвеев, В.А.Модестов, А.Е.Резников). В НПО им. С.А. Лавочкина разрабатываются проекты марсианского тросового генератора на базе межпланетной станции "Фобос" и тросовой системы для обслуживания орбитальной станции на базе спутника "Прогноз". Институтом, космических исследований РАН предложен проект тросовой системы в форме тетраэдра для исследования электрических и магнитных полей в околоземном пространстве (С.И.Климов и др.).

В Московском техническом университете связи и информатики (МТУСИ) с 1986 г. под руководством В.И. Куркина ведутся исследования космических тросовых систем с контурным движением ( с "бегущими вдоль себя» тросами).

Проведение этих исследований было вызвано тем, что известные типы КТС обладают существенными функциональными недостатками:

- ограниченными возможностями управления относительным движением связанных объектов (ввиду того, что прямолинейный трос имеет лишь одну контролируемую степень свободы: "выпуск-подтягивание" объекта вдоль троса); узким классом орбитальных сооружений, создаваемых на базе КТС (в основном, доступны лишь одно- или двумерные структуры, располагаемые в орбитальной плоскости);

- недостаточной эффективностью применения КТС в качестве антенно-фидерных устройств (здесь имеют место ограниченный выбор диаграмм направленности и принципиальные трудности с ориентацией этих диаграмм в заданных направлениях).

Преодолеть отмеченные выше недостатки позволяет ряд новых концепций КТС, разработанных в МТУСИ и подвергнутых предварительным исследованиям на предмет осуществимости и эффективности. Эти концепции основаны не на "обычных тросах", а на "бегущих вдоль себя" гибких элементах (тросах, нитях, лентах и др.), режим движения которых близок к известному случаю, так называемому, твёрдо-контурного движения гибкой нити. Скорости контурного движения таких гибких элементов типично составляют 10-100 м/с и реализуются установленными на связанных объектах устройствами типа скоростных лебёдок. Благодаря специфическим условиям космического полёта, у КТС с "бегущими" гибкими элементами появляются исключительные и весьма полезные возможности для существенного повышения эффективности управления и разнообразия создаваемых на базе КТС конструкции.

Впервые применение контурного движения нити в орбитальных тросовых системах было предложено в работе [18], где исследовалось квазиконтурное движение нити с грузом и движение груза по осям координат. Дальнейшее развитие этих исследований содержится в [19], где указаны новые принципиальные возможности, вытекающие из особенностей динамики гибких нитей, движущихся вдоль своих криволинейных контуров, которые формируются в условиях орбитального полета. Здесь же приведены примеры тросовых систем с контурным движением гибких нитей, которые могут быть развернуты как в плоскости орбиты, так и вне плоскости орбиты.

КТС, создаваемые на базе динамических гибких элементов (ДГЭ), будем называть "КТС/ДГЭ". Данные системы способны решать задачи, принципиально недоступные для обычных КТС, а также и для многих других типов космических систем. Такими задачами являются следующие: Развёртывание крупногабаритных космических антенн высокой мощности и направленности (с поперечником 1-10 км), с возможностью их требуемой переориентации в пространстве (что обеспечивается в существенной мере взаимодействием антенного витка с магнитным полем планеты. Создание сверхлёгких орбитальных сооружений (больших космических платформ) на базе ДГЭ (возможно, конструктивно совмещённых с антеннами). Активное информационно - насыщенное исследование ионосферы и магнитосферы планеты путём развёртывания на орбитах токопроводящих элементов (в том числе, коллекторных и эмиттерных) разнообразных форм и габаритов.

Качественно улучшенное управление ориентацией/стабилизацией крупногабаритных объектов, в частности, системы связанных орбитальных платформ для наблюдения и ретрансляции информации, в которых ДГЭ могут выполнять параллельные функции механических энергонакопителей и "внутренних передатчиков информации".

Робототехнические операции на орбите, с существенно расширенным множеством допустимых траекторий перемещения рабочих объектов -вследствие качественно улучшенной управляемости этих объектов с помощью ДГЭ, которые в этом случае приобретают функции, свойственные манипуляторам (с несколькими контролируемыми степенями свободы). Разработка новых космических технологий: экструзия на орбите ДГЭ в виде различных конструктивных элементов (волокон, лент, труб к др.) с одновременным формированием из них определённых типов космических объектов- используя высокую управляемость, присущую ДГЭ.

Разрабатываемые в МТУСИ КТС/ДГЭ представляются новым многообещающим направлением в. космонавтике, существенно дополняющим и развивающим «магистральную» концепцию КТС. Для практической реализации ряда КТС/ДГЭ не требуется принципиально новых технологий и материалов - многие элементы можно заимствовать из обычных КТС, а также из некоторых земных областей.

С другой стороны, КТС/ДГЭ открывают широкие возможности для применения в них новейших научно-технических достижений: в области управления сложными нежёсткими системами (включая средства искусственного интеллекта), в области активных распределённых систем (например, механических- с распределёнными массивами датчиков/приводов, а также радиотехнических и информационных), новых исполнительных органов, энерго-двигательных устройств, оригинальных приборов для научных исследований и др.

Полностью был подготовлен в 1987 г. МТУСИ совместно с НПО "Энергия" и Тушинским электромеханическим заводом эксперимент по исследованию динамики замкнутых гибких элементов в условиях невесомости на ОКС "Мир". Система запуска и скоростного движения ДГЭ (предполагалось использовать кассеты с набором различных типов ДГЭ) с приводом манипулятора, генерирующим различные воздействия на ДГЭ, могла работать в автоматическом режиме по заданной программе испытаний и в полуавтоматическом режиме при участии оператора, согласно программе конкретного эксперимента. Только резкое сокращение финансирования в то время на космические исследования не позволили осуществить этот эксперимент.

В результате проводимых в МТУСИ исследований получены приоритетные теоретические и практические результаты для создания уникальных космических технологий и систем в области спутниковых средств связи и телекоммуникаций, навигации, управления, стабилизации и др., защищенные авторскими свидетельствами и патентами, не имеющие аналогов в мировой науке и технике.

В "НИР Индеец - ГКНО" (1991-92 г.) МТУСИ совместно с центром "Союзнаука" и МАИ исследованы возможности использования тросовых систем при создании автономного малогабаритного субспутника, способного длительное время (5-7 лет) сопровождать спутник-гид на удалении 100 км на орбитах от 200 до 4000 км. Полученные данные легли в основу концепции малого ИСЗ (МИСЗ) и системы управления им с борта орбитальной станции. По заданию Института космических исследований АН СССР исследована возможность создания гибких нестационарных тепловых излучателей для систем терморегулирования научной космической аппаратуры. Разработаны и рассчитаны варианты схемного и конструктивного исполнения систем отвода тепла на базе динамического гибкого ленточного контура. В НИР « Поиск» (1995 г.), выполненного МТУСИ совместно с ИРЭ РАН, исследована проблема создания быстроразворачиваемых антенных систем для передачи информации от источников электромагнитных волн в ионосфере Земли к приемным устройствам, находящимся в диссипативных средах. Рассмотрены принципы построения космических связей с подводными и подземными объектами на базе тросовых систем. Предложена новая концепция многомодульной орбитальной платформы с динамическими гибкими структурными элементами, предназначенная для систем спутниковой связи на низких орбитах. Разработаны новые концепции космических робототехнических систем на базе динамических КТС.

Выполненные в МТУСИ в последние годы (1997-2002 гг.) фундаментальные поисковые и теоретические исследования, оценка технического уровня известных космических тросовых систем, анализ состояния и тенденций их развития позволили предложить и разработать еще ряд новых космических технологий и систем для использования в областях связи, информатики и научных исследованиях.

По данным НАСА существует ряд применений гигантским кабелям или «тросам» в космических исследованиях. Наверное, самое смелое из них - это катапультирование груза между Марсом и Землей. Эта тема была главной на симпозиуме в Пасадене, Калифорния, посвященном перспективным технологиям движения в космосе, спонсором которого было НАСА. В наши дни, когда орбитальная инженерия развивается по принципу «быстрее, дешевле», самые что ни на есть фантастические концепции космического движения рассматриваются серьезно.

Система космической эвакуации на базе тросовой системы (рис. 1.1.) служит средством переправки мелкогабаритных космических грузов со Станции на Землю без использования КА. Полезный груз (как например, реактивы, полученные технические данные и.т.д.) будет спускаться вдоль троса с космической станции. Затем привязной груз будет спускаться в атмосферу по такой траектории, чтобы достичь верхних слоев атмосферы менее, чем за полорбиты. При входе в атмосферу откроется управляемый парашют, замедляющий его скорость спуска для более мягкого приземления. Время, необходимое для спуска груза на тросе - приблизительно 3 часа. Плюс дополнительно 1 час 15 минут для входа груза в атмосферу после его отсоединения от троса. К преимуществам системы космической эвакуации на базе тросовой системы относят меньшую чувствительность к массе полезного груза и отсутствие потребности в тормозной ракете как плюс с точки зрения безопасности.

Базовый модуль, несущий на борту устройства для исследования атмосферы (рис. 1.2.) используется для измерения пространственного геофизического градиента Одномерный массив зондов спускается с КА или космической станции в атмосферу для одновременного сбора данных в ее разных слоях. Гирляндовидная конфигурация может оказаться очень удобной для измерений на небольших высотах, требующих одновременного сбора информации в различных точках атмосферы. Высокая степень согласованности измерений по времени является важным достоинством такой системы.

Аэродинамическое оборудование для проведения исследований на базе тросовых систем (рис. 1.3.) собирает аэродинамическую информацию с помощью летательных аппаратов разных аэродинамических форм на высотах прядка 90 км.

Аппарат для непрерывных аэродинамических измерений (рис. 1.4.) разработан для получения статистической исследовательской информации в условиях реального газа без влияния ограничений, присущих аэродинамической трубе в земных условиях. Привязной исследовательский аппарат должной аэродинамической формы выпускается из КА для сбора данных о свободном молекулярном, переходном режиме и установившемся режиме течения частиц в верхнем слое. Изучение характеристик свободного потока, измерение взаимодействий между газовыми средами с различным составом, определение поля течения (распределения скоростей и давления в потоке газа) и нахождение результирующего вектора поля должно быть выполнено.

Одним из возможных применений тросовых систем может стать определение гравитационной волны от таких источников, как двойные звезды, пульсары, и сверхновые звезды. Система (рис. 1.5.) состоит из двух грузов, закрепленных на концах троса, и пружинного механизма посередине него. По мере вращения грузов вокруг Земли, гравитационные волны вызывают колебания грузов. Эти колебания передаются пружинному устройству, снабженному датчиком. Анализируя колебания датчика и их частоту, определяют гравитационную волну. Предварительные вычисления были проведены в Смитсониевской Астрофизической лаборатории, Калтеке, и в Московском Государственном Университете. Такой детектор гравитационных волн будет работать в частотном диапазоне от 10-100 МГц, что недостижимо для Земных детекторов из-за сейсмических помех. Если в этом диапазоне существуют гравитационные волны, такая простая система как пружинный тросовый детектор окажется очень полезной.

Рис. 1.2. Базовый модуль, несущий на борту устройства для исследования атмосферы

Рис.1.3. Аэродинамическое оборудование для проведения исследований на базе тросовых систем

Космический аппарат на

Тросовый парус (рис. 1.6.) используется для изменения угла наклона орбиты таких объектов, как КА или спутник. Гиперзвуковое несущее тело, закрепленное на тросе за КА используется для генерации боковых сил для изменения угла наклона орбиты системы. Несущее тело может перемещаться с одного борта КА на другое во время прохождения по орбите, выпускаться и убираться по мере надобности.

Эта концепция может также использоваться для тестирования материалов, из которых изготавливается трос, техники управления тросом и управления аэродинамическими структурами при работе на больших высотах.

Космические структуры с подвесным резервуаром. Использование подвесного резервуара КА для формирования самостоятельных структур в космосе - еще один из способов применения троса (рис. 1.7.).

Тросы используются для разделения структур, состоящих из подвесных резервуаров. Последние могут использоваться как «космическая станция» или как структурный элемент, входящий в состав Космической станции. Скорее всего, эта концепция станет базой для развития концепции развертывания тросовых систем.

Гелиоцентрический альфвеновский двигатель для межпланетной транспортировки (рис.1.8.). Использование электромагнитного взаимодействия троса, обладающего свойствами проводника, с магнитными полями планет может стать источником движения для межпланетных перемещений. Изолированный проводящий трос, присоединенный к космическому кораблю и замыкаемый с обоих концов плазменными контакторами, является источником движения в двух направлениях. Ток, наводимый в тросе магнитным полем солнечного ветра, используется для зарядки ионных двигателей. Взаимодействие между током в тросе и магнитным полем может также стать причиной движения или торможения. Возможности реализации такой системы и управления ею пока не были доказаны.

Рис. 1.6. Тросовый парус

Солнечный ветер представляет собой намагниченную плазму, выбрасываемую от Солнца по спиральной траектории с угловой скоростью около 400 км/с. Напряженность магнитного поля солнечного ветра составляет 5х Ю-5 Гауссов, что возбуждает электрическое поле напряженностью 2 В/км, по наблюдениям с борта межпланетного КА. Если проводящий трос, соединенный с КА и замкнутый с обоих концов плазменными замыкателями, будет двигаться в направлении электрического поля, наведенная электромагнитодвижущая сила вызовет электрический ток. Этот ток может питать ионные генераторы движения. Величину тока можно увеличить использованием суперпроводных материалов для троса (эта система была предложена Хансом Альфвеном в 1972 г.).

Рис. 1.7. Космические структуры с подвесным резервуаром.

Рис. 1.8. Гелиоцентрический альфвеновский двигатель для межпланетной транспортировки

Система может использоваться при движении по спиральной траектории от Солнца или в направлении к нему, или при выходе из эклиптической орбиты. Теоретически, такой КА может достичь скорости солнечного ветра 400 км/с. Использование электромагнитных взаимодействий между тросовой системой со свойствами проводника и солнечным ветром позволит сократить время перелета между планетами и позволить транспортировку больших грузов.

Тросовая система транспортирования Земля—Луна (рис. 1.9.). Основное назначение тросовой системы транспортирования Земля-Луна — перемещение вещества с лунной орбиты на земную. Вещество (например, лунный грунт), находящееся на лунной орбите, забирается Лунноорбитальной Тросовой Станцией (ЛТС), половина его передается на Транспортный КК (ТКК), который осуществляет транспортировку на Тросовую Станцию земной орбиты, где оно передается на Тросовую Станцию обработки материалов (ТСОМ). ТКК затем возвращается на Луну за следующей партией материала.

Тросовая транспортная система Марс—Луна (рис. 1.10.). Увод управляемых человеком КА с низкой орбиты Марса или вывод их на низкую орбиту Марса, используя тросовые системы, закрепленные на спутниках Марса, в настоящее время является предметом исследований компании Tethers Unlimited.

Тросы большой длины (из материала прочности Кевлара или даже лучше него) прикрепляются в двух местах к Фобосу и Деймосу для транспортировки КА и других грузов между Низкой орбитой Марса и внешним пространством без затрат топлива. Например, КА поднимается с помощью троса с Низкой орбиты Марса, освобождается, а затем захватывается тросовой системой Фобоса. Затем груз транспортируется вверх по развернутой тросовой системе и освобождается. Такой же процесс повторяется на Деймосе, и в результате груз покидает Марс. Процесс может повторяться многократно.

Рис.1.10. Тросовая транспортная система Марс-Луна Вращающаяся платформа для управления гравитацией (Тросовая платформа). Вращающаяся платформа для управления гравитацией является базой для создания простой и доступной лаборатории управления переменной гравитацией. В такой лаборатории возможно было бы создавать искусственную гравитацию с уровнем g от 1 и выше, находясь на Земной орбите.

На рис. 1.11. показана тросовая платформа, состоящая из двух частей. Части ее соединены тросом длиной 10 км, способным разматываться и сматываться. На одной части такой структуры размещаются солнечные батареи, вспомогательные подсистемы и механизм вращения троса. На другой находятся два управляемых людьми модуля и топливный мотор. Искусственная гравитация создается в управляемом людьми модулем при вытягивании троса и запуске мотора, вращающего всю систему вокруг центра масс (солнечные батареи играют роль противовеса). Изменяя длину троса осуществляют контроль гравитацией.

Антенны низко- и сверхнизкочастотного диапазона (рис. 1.12.). Предлагается использование орбитальных электродинамических тросовых систем для генерирования низкочастотных и сверхнизкочастотных волн для глобальной связи. Такая тросовая система (рис. 1.12.) представляет собой изолированный проводящий трос, соединенный с космическим кораблем и замыкаемый с двух сторон плазменными контактами.

Изменения тока, пропускаемого по тросу, позволят генерировать низкочастотные и сверхнизкочастотные волны для телекоммуникационных нужд. При длине троса 20100 км и токе порядка 10А возможна передача сигнала порядка 1 В ночью (и 0,1 В днем) сквозь ионосферу. Такая тросовая антенна может иметь автономный источник питания (ток получаемый при движении сквозь магнитное поле Земли) или питаться от внешних источников, размещенных на борту КА. На текущий момент недостаточно изучены среды распространения волн (ионосфера на низких орбитах, нижние слои атмосферы, океан), необходимо провести более детальный анализ структуры помех при передаче-приеме сигнала, а также оптимального размещения наземных станций, рассмотреть возможность мобильных приемных станций.

Концепция тросовой платформы

Катушка троса

Массивы солнечных батарей модуль мотор

Вытяжной трос

Обитаемый модуль km магнитосфера

Рис. 1.11. Вращающаяся платформа для управления гравитацией

Тросовая платформа).

Длинновоновая антенна на А Земной орбите магнитосфера ионосфера

Рис.1.12. Антенны низко- и сверхнизкочастотного диапазона Тросовые спутниковые системы (ТСС) — это совместный проект США и Италии. В состав системы входит стыковочный модуль, созданный американской стороной и спутник, сконструированный в Италии, причем оба модуля предназначены для многоразового использования. Модуль вывода на орбиту ТСС был собран в расширенной космической лаборатории, научное оборудование размещается в специализированном центре космического оборудования, находящемся в грузовом отсеке орбитальной станции, а сам спутник связан со стыковочным модулем тросовой системой, обладающей свойствами проводника.

Полная интегрированная ТСС установлена на космической орбитальной станции Шаттл, как показано на рис. 1.13. Все рабочие характеристики ТСС представлены в таблице 1.2.

Модуль вывода на орбиту способен выполнять два вида взаимосвязанных заданий, связанных с электродинамикой и аэродинамикой. Особенность модуля вывода на орбиту заключается в его свойстве приостанавливать и регулировать вывод спутника на орбиту таким образом, чтобы спутник находился в пределах средних высот прежде, чем достигнет предела размотки троса. Модуль вывода на орбиту позволяет оперировать спутником массой до 500 кг. Спутник выводится на орбиту из лонжерона диаметром 12 метров, который находится на стыковочном модуле (рис. 1.14). Перед выводом спутника на орбиту модуль вывода на орбиту имеет электрическую связь со спутником посредством пары отрывных разъемов. Сам спутник предназначен для многоразового использования и способен вмещать в себя грузы с различными рабочими параметрами.

Батарея спутника

Платформа доступа

Размещение научного оборудования

Спутник

И-|/ Мотор Катушка

Опорная спутника конструкция

Усовершенствованный мультиплексор-демультиплексор Направление полета

Устройство развертывания (внутри опорной конструкции)

Рис. 1.13. Полная интегрированная ТСС

Таблица. 1.2

Характеристики тросовой спутниковой системы

Параметр Спутник Модуль

Общая макс, масса (кг) 500 6120 (Общий вес TSS1)

Вес научного оборуд. (кг) От 60 до 80 500

Объем грузового отсека Возможны варианты (1.6 м в диаметре) Возможны варианты(5расе1аЬ MDM Pallet)

Температура (°С) Thermal Control То Возможны варианты 50 (Пассивный) Возможны варианты 5 Cold plates <S) 1500

Для научного оборудования (Ватт)

Мощность:

Средняя (Ватт) 50 1750

Макс. (Ватт) 100 3000

Энергия (Ватт) от 900 до 2000

Возможны варианты

Данные:

Telemetry (Кб/с) 16 32

Commands (Кб/с) 2 2

Рабочая высота (км) Свыше 130 До 100 (для троса)

Наклон орбиты 28.5° 28.5°

Длительность программы (время развертывания) Обычно 38 часов

Спутник включает в себя сервисный модуль, модуль для размещения двигателя, и грузовой отсек.

В развернутом виде

Рис. 1.14. Стыковка тросового модуля со спутником Сервисный модуль состоит из несущей конструкции и модуля тросовой системы, устройства терморегулирования, измерения и контроля высоты, телеметрических параметров, встроенного модуля управления данными, устройства электропитания и имеет на борту инженерное оборудование. Научные эксперименты включают в себя измерения электрического и магнитного полей, энергии заряженных частиц и спектральные характеристики, а также измерения магнитного поля постоянного тока. Механизмы, связанные с динамикой и плазмой тросовой системы, разработаны, так же, как и серия экспериментов, связанных с электромагнитной эмиссией троса, базирующихся на земных исследованиях. Список этих экспериментов и список лиц, ответственных за их проведение, приведен в таблице 1.3.

Трос, обладающий проводниковыми свойствами, имеет длину 20 км и состоит из 5 отдельных слоев (Рис. 1.15).

ОБОЛОЧКА ИЗ МАТЕРИАЛА HOMEKC

ПРОВОДНИК

ТЕФЛОНОВЫИ ИЗОЛЯТОР

КЕВЛАР

ПОКРЫТИЕ ИЗ HOMEKC С ЗАЩИТОЙ АТОМОВ КИСЛОРОДА

Рис. 1.15. Структура проводящего троса Спутник весом в 500 кг будет постепенно «выпускаться» из модуля вывода на орбиту вверх от Земли, закрепленный на тросе длиной 20 км на протяжении приблизительно 36 часов, отводимых на эту операцию (Рис. 1.16).

Спутник выводится на орбиту где-то через 6-7 часов после начала операции. Затем он удерживается на высоте 20 км (от Орбитального модуля) на протяжении 10 часов и возвращается обратно на КА через 15 часов с остановкой на высоте 2,4 км.

Вторым экспериментом является запуск ТСС для демонстрации процессов отпускания и возвращения крупногабаритного спутника из КА, и параллельно для сбора информации по динамике троса в процессе отпускания и получения моделей управления, проверки работоспособности оборудования, а также получения стационарных данных об атмосферных и аэротермодинамических характеристиках реального газа в условиях свободного молекулярного потока. Спутник выпускается вниз из КА на длину 100 км троса, не обладающего свойствами проводника с покрытием из кевлара. Хотя спутник и трос должны находятся в свободном молекулярном потоке на протяжении всего эксперимента, ожидается, что побочные факторы ограничат допустимую высоту приблизительно 130 км (Рис. 1.17).

Рис. 1.17. Аэродинамическое применение троса Модуль вывода на орбиту малой протяженности (рис. 1.1 8) представляет собой легкую вращающуюся конструкцию, разработанную для вывода на орбиту груза, закрепленного на 20-ти метровом тросе, который впоследствие перерезается и больше не используется. Основными целями является изучение динамики развертывания троса и проверка рабочих характеристик модуля.

В фундаментальном и прикладном аспектах особое значение имеют электродинамические ТС (ЭДТС) - столь же многообещающие, сколь и малоизученные в реальных условиях взаимодействия с околоземной магнитно-плазменной средой.

Для российской науки и техники данное направление тем более естественно, что в свое время были проделаны большие и успешные (что подтверждено многочисленными летными экспериментами) работы по плазменно-ионным (электронным) источникам, которые составляют базу самого существенного элемента ЭДТС: активных плазменных контакторов (ПК). Как известно, отечественная физическая наука также далеко продвинута в области исследований космической плазмы.

Значительный прогресс в понимании процессов взаимодействия ЭТС с ионосферой должны внести эксперименты по программам «Вулкан-Ш» и «Вулкан-КТ» (в составе орбитального комплекса «Алмаз»).

Электронное оборудование

2 кг>

Полезная ш нагрузка или / спутник (23 кг)

Система развертывания (14 кг")

Рис. 1.18.Система развертывания троса

Эти эксперименты (рис.1.19-1.21) предусматривают всестороннее изучение работы в реальных условиях полета ПК различного типа — с одновременной высокоинформативной диагностикой состояния плазмы в окрестности соответствующих КА и элементов ЭДТС. Технической особенностью данных- экспериментальных средств является использование, наряду с кабель-тросом, раздвижных штанг и/или ферм (длиной от 20 до 200 м), что упрощает и повышает надежность развертывания и управления ЭДТС (с учетом опыта разработок и успешной эксплуатации на орбите длинномерных трансформируемых конструкций). Концепция и приборный состав вышеуказанных экспериментальных ЭТС, в целом, являются более адекватным решаемой задаче, чем в случае системы TSS-1.

Коллективом специалистов ЦНИИМаш, РКК «Энергия», НПО им. Лавочкина, ИКИ, ИРЭ и ИЗМИР РАН, НИИПМЭ МАИ выполнены работы по проведению натурного эксперимента по ЭДТС с привязным малым диагностическим КА для проведения комплексных исследований особенностей функционирования ЭДТС (рис. 1.22).

Проведенные к настоящему времени космические эксперименты (программа TSS, эксперимент PMG и др.) продемонстрировали возможности ЭДТС, но в то же время пока не получено надежных экспериментальных данных, которые позволили бы планировать практическое использование ЭДТС в ближайшем будущем. Вследствие этого актуальна постановка летного эксперимента с ЭДТС на базе штатного транспортного корабля «Прогресс-М» после выполнения им основных задач по обслуживанию пилотируемой станции - этот эксперимент получил название «Вулкан-МКА». Основной целью эксперимента «Вулкан-МКА» является проведение исследований достижимых эксплуатационных характеристик ЭДТС с активными контакторными устройствами, обеспечивающими замыкание токовых цепей в ионосфере.

Характеристики экспериментального оборудования «Вулкан-МКА»:

- масса экспериментальной аппаратуры и агрегатов тросовой системы, включая МКА (до 110 кг) и систему развертывания троса — 250 кг;

- продолжительность эксперимента — 5-10 суток;

- длина развернутой тросовой системы - до 5 км;

- ожидаемая величина тока в тросе ЭДТС — до 5 Ампер.

Система развертывания троса — безинерционный привод; контакторные устройства - электроплазменный генератор типа «ЭПИКУР» разработки ЦНИИМаш; в состав оборудования также входят: программируемый источник напряжения, комплекс плазменно-волновой диагностической аппаратуры, размещаемый как на борту «Прогресс-М», так и на борту МКА, аппаратура навигационного обеспечения типа «ГЛОНАСС» (рис.1.22-1.25).

Эксперимент призван подтвердить выгоды использования ЭДТС в составе перспективных космических комплексов — прежде всего, в составе Международной Космической Станции [53,54,55].

Подготовка и проведение экспериментов по ТС с динамическим гибкими элементами (ДГЭ) также имеет важное научно-прикладное и приоритетное значение. Для создания полномасштабных лётных образцов таких ТС (с размерами ^ 10" м), однако, необходима предварительная разработка средств скоростной протяжки ДГЭ (для контурных скоростей ~ 10 - 50 м/с) и вспомогательных систем: развертывания/запуска ДГЭ, свёртывания/ торможения ДГЭ, а также специальных элементов и алгоритмов блоков управления ТС/ДГЭ.

НопраЬление полета I so

СХЕМА ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРОСОВОЙ СИСТЕМЫ (ТЭДОС)

Энергомодуль

ПК

Двухпро водный кабель-трос обеспечивает возможность электропередачи отСГТУ (в режимах с ПК и без ПК)

Замыкание токовых цепей в ТЭДОС через плазменные контакторы (ПК) с ионосферой

Однопро водный кабель-трос L = 10 км, Е„„-Д°2кВ. Ptol- до 20 кВт (для Г, - 10 А)

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЭДОС

Скорость орбитального движения - V ( ~ 7,7 км/сек)

Э.д.с. индукции - Е = [V В) L

Генерируемая электрическая мощность - Ptot = I, Е

Прогнозируемый уровень достижимой величины тока в проводнике (определяется свойствами контакторов) -I, ~ 10 А

Сила торможения -Fd=I, [L В]

Сила тяги - F, = 12 [L В] (Источник - энергоустановка, генерирующая э.д.с. навстречу э-д.с. индукции)

Рис. 1.22. Схема электродинамической тросовой системы

Выдвижение из отсека и отделение компакт-блока от ТК "Прогресс-М"

L = 1 км m = 100 кг

Развертывание верхнего звена ТЭДОС

Основные задачи 1-го этапа программы:

- измерение вольт-амперных характеристик в различных режимах работы контакторов, устанавливаемых на ТК "Прогресс-М" и ПАК;

- плазменно-волновая диагностика с борта ТК "Прогресс-М" и МКА возмущаемой ТЭДОС области ионосферы:

- исследования динамики орбитального движения ТЭДОС.

Длительность этапа - до 5 суток

ПАК (привязной автономный контейнер)

L = 4 КМ m = 100 кг ЭПГ контакторы) аппартура диагностического комплекса контакторы

МКА

Орбитальный тросовый комплекс в рабочем положении

Рис. 1.23. Развертывание и функционирование орбитального тросового комплекса «Прогресс-привязной автономный контейнер (ПАК)-МКА»

1-й этап программы)

Орбитальная смака кшгтешер-МКА* в рабочем положении ш = 100 кг тжт

ПАК ' „.,

ПАК (привязной автономный контейнер)

3D

Пассивный коллектор (площадь разворачиваемой электропроводящей . пленки до 10 кв. и)

L = 4 КМ

Разделение ТОДОС

Ш = 100 КГ

Л1 . МКА

Основные задачи И-го этапа программы:

- исследование характеристик ТЭДОС при использовании пассивного коллектора и эмиссионного катода в составе МКА;

- мониторинг электромагнитных излучений, в том числе в СНЧ-диапазоне; длительность функционирования орбитальной связки ПАК-МКА - до 30 суток)

- автономное функционирование

МКА. Ук пларатура диагностического комплекса

Автономное функционирование . МКА

Рис. 1.24. Схема последовательного разделения и функционирования элементов орбитального тросового комплекса «ТЭДОС-МКА» (II этап программы) nApTfopno сие теми гроОчтоционмо* стобилинзоц***'

Блок счкобни и отделен»* НКА от ПАК

В*»::»:

II-Н Лотчнк ЧПХП

Шт<ыса гробитоиионноя

Антенна лес lorчих MSUk

А о г **>*< СРВ

Штонга ЛУ

Пам+ли S9

IIIIHII llllllllllll IIIIIIIII llllllll lllllllllllli IIIIIIIII llllllll llllllllllll IIIIIIIII IMIIIIMIIIIIIIIIII IIIIIIIII

Догчих CPA,

A I

Лотчии COB

Логчик HSUx

Матчи** CPA

Датчик MSUy

Лот чин HSVx

Рис.1.25. Общий вид МКА в развернутом положении

Тем не менее, основные динамические особенности ДГЭ (которые, главным образом, связаны с условиями нулевой или микрогравитации) - могут успешно изучаться в условиях весьма ограниченных габаритов (~1.5м), то есть, в частности, на борту пилотируемых КА при непосредственном участии оператора в эксперименте (рис. 1.26).

При этом основное возмущение - из-за наличия атмосферы жилого отсека - может в существенной мере парироваться увеличением «баллистического коэффициента» ДГЭ («тонкая тяжёлая нить»). Очевидно также, что опытное устройство с ДТЭ можно поместить в шлюзовую камеру (со специальным кронштейном для размещения устройства на внешней поверхности крышки внутреннего люка). Отработка устройства в условиях открытого космоса возможна «попутно» с выходом космонавтов, например, для производства работ по плану ВКД.

Организация эксперимента с ДГЭ («замкнутым гибким элементом») наглядно иллюстрируется рис. 1.26. Данный эксперимент был детально разработан и документирован техническим заданием, представленным Московским институтом связи заказчику еще в 1987 г (об этом эксперименте уже говорилось выше - здесь приведено его описание). В ходе исследований динамики гибкого элемента предполагалось использовать кассеты с набором различных типов ДГЭ.

Особенностью эксперимента является наличие привода-манипулятора 5, генерирующего разнообразные воздействия на ДГЭ. Габариты опытной установки самого ДГЭ вполне соответствуют изображённому на рис. 1.26 (~0,5.1,5м); общая масса оборудования для эксперимента составляет около 40 кг. Скорость контурного движения ДГЭ длиной ~ 2 м должна задаваться в диапазоне 1-12 м/с (что обеспечивается бесщёточным микроэлектродвигателем постоянного тока мощностью 60 Вт, с номинальными частотой вращения 4000 об/мин и вращающим моментом 0,3 Н.м,),Для привода-манипулятора 5 применяется аналогичный тип двигателя (с редуктором), имеющий характеристики соответственно: 30 Вт, 1500 об/мин, 0,1 Н.м. Для привода 4, в другом варианте, предусмотрен углепластиковый спицевый супермаховик с удельной энергией 250 Дж/г (масса 2,5 кг) и частотой вращения: 30000 об/мин.

Система запуска и скоростного движения ДГЭ и аппаратура для контроля и диагностики её функционирования в условиях на борту орбитальной станции должны работать как в автоматическом режиме по заданной программе испытаний, так и в полуавтоматическом режиме при участии оператора, согласно программе конкретного эксперимента. Потребляемое напряжение: 27 В; ток - не более 10 А; время непрерывной работы с ДГЭ — не более 60 мин. Используемая аппаратура удовлетворяет всей совокупности эксплуатационных требований на этапах хранения, транспортировки наземными средствами, выведения на орбиту, развертывания на борту орбитальной станции, работы по назначению, консервации и возвращения на Землю. На основе проведенного анализа могут быть сформулированы три перспективных ключевых концепции (КК) КТС/ДГЭ, являющихся «эталонными» - как для проведения теоретических, так и - в будущем - летно-экспериментальных исследований.

Рис.1.26. Система запуска и скоростного движения замкнутого гибкого элемента (ЗГЭ)

1 - замкнутый гибкий элемент в динамическом баллистическом движении;

2 - планшет с координатной сеткой; 3- телекамеры видеозаписи;

4 - привод замкнутого гибкого элемента;

5 - привод-манипулятор исполнительного устройства;

6 - пульт управления приводами замкнутого гибкого элемента и манипулятором исполнительного устройства.

Основные особенности КК состоят в следующем (рис. 1.27): г орбита

ДГЭ а). б). в).

КК.1: а - единичный контур; б — система контуров; в - ленточный электропроводный контур; 1,2 — КО наблюдения за ДГЭ (во всех вариантах); 3 — лента или сетка с одним или более электропроводниками; 4 — генераторы (модуляторы) тока, распределенные вдоль ленты (вместо них могут быть установлены некоторые приборы, датчики и т.д.)

ДГЭ

У ' „г'*

ДГЭ б). в).

КК.2: а,б — сооружения в плоскости орбиты; в — сооружения с ДГЭ вне плоскости орбиты; 1 - КО, опирающийся на несущие ДГЭ; 2 — контактные механизмы КО; 3 — элемент обычной ТС («гирдянда датчиков» и т.п.). 4

- Гг Л орбита

ДГЭ

ДГЭ со О а). б).

КК.З: а - привязной зонд( 1), управляемый с базового КО(2); б - гибкий манипулятор для обслуживания КО(3) с помощью сервисного КО(4); ДГЭ(а) - активоное звено; ДГЭ(п) -вспомогательное («пассивное») звено.

Рис. 1.27. Ключевые концепции КТС/ ДГЭ: □ -орбитальная угловая скорость;В -индукция внешнего магнитного поля; qa , qc - атмосферный и солнечный потоки; I-электрический ток.

KK.l: КТС/ДГЭ типа свободно летящих контуров (единичный контур, система контуров, ленточный или сеточный контур с электропроводниками);

КК.2: КТС/ДГЭ типа динамических несущих каркасов орбитальных сооружений (в плоскости орбиты, вне плоскости орбиты);

КК.З: КТС/ДГЭ типа гибких манипуляторов для управления положением и перемещением одних космических объектов (КО) относительно других (привязной зонд, управляемый с базового КО; гибкий манипулятор для обслуживания КО с помощью сервисного КО).

В данных КТС/ДГЭ рассматриваются как диэлектрические, так и электропроводные гибкие элементы.

В рамках установленных трех ключевых концепций может быть построена система динамических моделей, с помощью которых необходимо будет провести общее исследование выявленных концепций и выбрать приоритетные концепции КТС/ДГЭ для задач космических средств спутниковой связи.

Дальнейшие исследования позволят разработать технические предложения и требования к их реализации для решения конкретных научно-прикладных и технических проблем. Такими разработками, в первую очередь, являются антенные и телекоммуникационные космические средства спутниковой связи (концепции КК. 1 и КК.2).

Выводы по первой главе

1. По информационным отечественным и зарубежным материалам проведен обзор исследований, разработок и научно-технических программ в области космических тросовых систем. Рассмотрены основные особенности тросовых систем, отличающие их от космических аппаратов традиционного типа.

2. Показано, что космические тросовые системы являются исторически и логически обусловленным направлением развития космонавтики, позволяя решать целый ряд важных научных и прикладных задач, которые не могут быть решены системами других типов. Российские ученые заложили основы концепции тросовых систем как одного из перспективных направлений космической техники.

3. Показаны области наиболее эффективного применения космических тросовых систем разных типов в фундаментальной и научно-прикладной сферах. Указаны основные задачи и направления, в рамках которых идут наиболее плодотворные разработки этих систем.

4. Отмечены существенные преимущества нового типа космических тросовых систем, исследуемых и разрабатываемых в МТУСИ: динамических тросовых систем (с «бегущими вдоль себя» тросами), имеющих потенциально большое значение и перспективные возможности для решения задач спутниковой связи, телекоммуникаций и информационных технологий.

5. Проведенные в МТУСИ исследования позволяют предложить следующие три ключевые концепции космических тросовых систем с динамическими гибкими элементами (динамических тросовых систем):

• в виде свободно движущихся по орбите замкнутых динамических гибких элементов (наблюдаемые и запускаемые с борта станции или иного космического аппарата);

• в виде замкнутых динамических гибких элементов, формируемых на одном космическом аппарате и между двумя космическими аппаратами (с отработкой средств синхронной протяжки и стабилизации динамических гибких элементов);

• в виде незамкнутых ветвей контуров динамических гибких элементов между космическими аппаратами (с отработкой методов и средств управления движением самих космических аппаратов при помощи динамических гибких элементов, а также устройств накопления и выдачи бортового запаса динамических гибких элементов).

6. В указанных концепциях рассматриваются как диэлектрические, так и электропроводные динамические гибкие элементы. Параллельно возможно проведение экспериментов по электродинамике проводящих динамических гибких элементов и электромагнитному взаимодействию со средой.

Выводы по пятой главе

1. Разработка космических платформ является логическим шагом в эволюции космических средств для спутниковых систем связи, вещания и ретрансляции.

2. Обзор и анализ концепций и программ зарубежных разработок космических платформ выявил шесть основных типов наиболее перспективных типов построения космических платформ.

3. Качественно новая концепция многомодульной большой космической платформы на базе статических и динамических гибких элементов предложена в МТУСИ для космической телекоммуникационной системы. В этой системе решены инфраструктурные (внутренние) задачи организации необходимых условий работы нескольких орбитальных комплексов, содержащих подсистемы, соединенные друг с другом гибкой связью.

4. Обоснованы преимущества БКП и перспективы их применения в спутниковых системах связи, вещания и ретрансляции.

5. Рассмотрена сложная проблема сравнительной оценки высоко и низкоорбитальных систем спутниковой связи (НССС) на базе БКП. Показан ряд принципиальных преимуществ низкоорбитальных средств и обоснован выбор низкой орбиты для БКП.

6. Показано, что в полной мере достоинства НССС могут быть реализованы на базе мощных многоцелевых орбитальных платформ, которые имеют централизованные системы энергопитания, распределения и обработки информации и управления. Схема БКП в виде нескольких субплатформ (отдельных модулей) предпочтительнее с точки зрения затрат на управление и следующих преимуществ: ослабленном взаимном электромагнитном влиянии антенн различных (удаленных друг от друга) модулей; возможности замены отдельных модулей без прекращения функционирования остальной части БКП; упрощении и удешевлении выведенных БКП на орбиту (которое может осуществляться поэтапно — отдельными модулями - носителями ограниченной грузоподъемности).

Вместе с тем, модули БКП должны быть функционально связанными: желательно также иметь единую энерго-информационную сеть БКП, а управление осуществлять экологически чистым образом (в частности без выброса рабочего тела). Всем таким требованиям отвечает БКП в виде нескольких модулей, связанных гибкими кабель-тросами, в том числе динамически гибкими элементами (ДГЭ).

Важной особенностью БКП с ДГЭ служит возможность использования крупногабаритных контуров ДГЭ (~102-И03 м) в качестве антенн длинных волн и при специальной модуляции тока в ДГЭ - в качестве остронаправленных антенн средних и коротких волн.

7. Обосновано, что весьма перспективным является использование тросовых систем в качестве функциональных и структурных элементов при построении больших космических платформ. Эти элементы, выполняя прежде всего структурные функции («гибкого каркаса») одновременно служат проводниками энергии и информации, средствами управления ориентации платформы, антеннами, зондами и т.д.

8. Предложены две компоновки конструктивно-функциональных схем БКП на базе динамических тросовых систем для функционирования на высоте 6 тыс. км (с наклонением ~60°), позволяющие: уменьшить взаимное влияние антенных (и иных) систем ПМ; обеспечить дополнительные радио -технические преимущества, в частности, получение стереоскопических изображений, бистатическую локацию и др.; «разгрузить» ПМ от избытка вспомогательных систем (в частности, центральное звено единой энергоинформационной системы БКП может быть размещено на ЦМ; там же могут быть установлены системы коррекции орбиты, специальная высокомощная радио, оптическая аппаратура и т.д.), сосредоточив на ПМ, главным образом, ретрансляционную, мониторинговую, научную и др. аппаратуру — это существенно снизит массу и габариты ПМ, уменьшит затраты на управление ими; уменьшить тепловое, радиационное (в случае применения на ПМ, например, ЯЗУ мощностью ~102 кВт-ЮМВт ) и иное нежелательное воздействие ЦМ на ПМ; повысить автономность решения отдельными группами оборудования своих целевых задач (при рациональном распределении по ПМ).

9. Предложенные БКП являются составной частью низкоорбитальной спутниковой телекоммуникационной системы глобального охвата Земли и околоземного пространства. Приведен вариант функционального взаимодействия в системе БКП.

10. Основные идеи, заложенные в разработанных проектах БКП для НССС, должны привести со временем к качественному преобразованию всей космической инфраструктуры, сделав её более органичной, экологически чистой и информационно насыщенной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе работы были получены следующие результаты:

1. Теоретически обоснован общий принцип построения антенных и телекоммуникационных космических средств связи на базе динамических тросовых систем. Показано, что на основе сочетания принципов механического и электродинамического формообразования и стабилизации в пространстве на базе КТС с динамическими ГС могут быть созданы космические конструкции низкоорбитальных спутниковых телекоммуникационных систем и устройств с существенно расширенными функциональными возможностями.

2. Предложены принципы построения и конструктивные схемы динамических тросовых рамочных антенн, предназначенных для использования в низкоорбитальных системах спутниковой связи в диапазоне очень низких частот. В таких крупногабаритных (— 102103 м) орбитальных антеннах рамочной конфигурации, построенных на базе динамических гибких элементов (кабелей или лент), регулирование контурного движения и питание производятся посредством специальных модулей, связанных с НКА. Один из контуров может располагаться вблизи плоскости орбиты НКА (устойчивого положения) и играть роль «компенсационного». Антенны могут работать как в режиме обычных рамочных антенн, так и фазированных решеток (с большим числом токовых полуволн контуров); в последнем случае диаграммы направленности антенны ориентированы перпендикулярно плоскостям динамических контуров; требуемая стабилизация контуров в пространстве, в общем случае производится путем совместного регулирования тока и контурной скорости в зависимости от орбитальной угловой скорости и текущего вектора геомагнитной индукции.

3. Исследована динамика контурного движения петли из. гибкой нерастяжимой токопроводящей нити на этапе развертывания в антенну для космической радиосвязи КА с Землей или другими КА, и на этапе квазиустановившегося движения при передаче радиосигналов. Выведены уравнения динамики контурного неустановившегося движения петли нити при расположении её на КА, движущемся по круговой орбите вокруг Земли, в которых учитываются действия на элементы петли кориолисовых сил инерции, аэродинамических сил взаимодействия с воздушной средой и сил взаимодействия элементов тока с магнитным полем Земли. Полученная система уравнений динамики петли и кинематических соотношений после некоторых преобразовании интегрируется в элементарных функциях, что позволило наглядно проследить за изменением конфигурации петли на указанных этапах её движения. Показано, что имеют место только два устойчивых положения динамического равновесия петли нити при контурном движении, расположенные в местной вертикали плоскости: одно - ниже КА, другое — выше КА. Приведена полная картина действия кориолисовых сил инерции на петлю нити в различных положениях координатных осей.

4. Расчет электрических характеристик спутниковой динамической тросовой рамочной антенны выполнен по найденному распределению токов методом наведенных ЭДС. Произвольный криволинейный контур тонкопроволочной антенны заменен контуром из отрезков прямолинейных проводов. Распределение тока по антенне представлено в виде кусочно-синусоидальных функций. Антенна рассматривалась как совокупность электрических вибраторов, ток по плечам которых распределен синусоидально. Неизвестные амплитуды токов в точках касания прямолинейных отрезков определялись решением системы уравнений Кирхгофа. Напряженность поля рассчитывалась от каждого плеча отдельно. Аналитические вычисления взаимных и собственных сопротивлений излучений вибраторов с согнутыми плечами выполнены при использовании в качестве весовых более гладких, чем кусочно-синусоидальные, тригонометрических функций. Это позволило получить аналитические выражения для коэффициентов системы линейных алгебраических уравнений, определяющей неизвестные амплитуды токов, и уменьшить трудоемкость расчетов. Проведены расчеты распределения токов при различных расстояниях от кольца антенны до возбудителя. Показано, что несмотря на различия в распределении амплитуд токов, направленные свойства вариантов антенн практически одинаковы и они излучают как симметричный электрический вибратор, диаграмма направленности которого имеет вид восьмерки.

5. Выполнен расчет напряженности электрического поля и диаграммы направленности спутниковых динамических тросовых кольцевых антенн большого радиуса R (R»X), где X. — длина волны, когда можно сформировать узкие диаграммы направленности. Рассмотрены четыре варианта возбуждения кольцевой петли: противофазное и синфазное (стоячая волна, бегущая волна). Получены асимптотические выражения для качественных оценок излучаемого поля.

6. Исследована проблема создания остронаправленного излучения с помощью спутниковых кольцевых динамических тросовых антенн. Рассмотрена возможность получения узкой диаграммы направленности от неподвижной кольцевой антенны со встроенными неуправляемыми фазовращателями со сдвигом фаз, равным к. Получены формулы для расчета нормированных к максимуму луча составляющих диаграммы направленности. Рассмотрена та же задача при контурном движении кольцевой тросовой антенны, т.е. для динамической тросовой рамочной антенны. Получены простые асимптотические выражения для диаграммы направленности. Показано, что такая антенна формирует один узкий луч с достаточно малым уровнем боковых лепестков. При неподвижном генераторе в динамических кольцевых тросовых антеннах узкие лучи возникают периодически, что может быть использовано специально.

7. На основе предложенного общего принципа построения КТС с динамическими ГС разработана технология электродинамического управления ориентацией и стабилизацией орбитальной динамической тросовой антенной. Определены условия равновесия динамического контура тросовой антенны с током. Условия равновесия контура получены для каждой точки орбиты из требования равенства нулю составляющих моментов по связанным с плоскостью максимальной проекции осям. Получен закон управления тросовой системой: требуемый ток и контурная скорость, а также угол , связь которого с углами ориентации контура независима от тока и скорости контурной скорости, определяется равенством нулю момента относительно нормали к контуру. Даны оценки частным случаям управления ориентацией: в случае магнитно-экваториальной орбиты, в орбитальных осях, при вертикальном закреплении контура. Определены механические и электротехнические характеристики тросовой системы (величины токов и связанных с ними контурных скоростей) при ограничениях скорости, тока, напряжения с учетом реальных характеристик проводников.

8. Перспективным является использование тросовых систем в качестве функциональных и структурных элементов низкоорбитальных БКП для телекоммуникационных космических средств связи, вещания и ретрансляции. Решены задачи сравнительной оценки высоко и низкоорбитальных систем на базе БКП. Обоснован выбор низкой орбиты БКП и определены габариты и структура конструктивно-функционального построения БКП. Как составной частью низкоорбитальной спутниковой телекоммуникационной системы глобального охвата Земли и околоземного пространства. Приведен вариант функционального взаимодействия в системе БКП.

1. Андреев А.В., Хлебникова Н.Н. Космические системы с гибкой связью/Под ред. д.т.н., проф. В.И.Куркина. М.: Итоги науки и техники ВИНИТИ. Сер. Ракетостроение и космическая техника. - 1991, Т. 12. -200 с.

2. Разработка основ теории и проектирования космических систем с динамическими гибкими элементами (шифр «Динакон»)/ Отчет по х/дог. теме НИР 387/90, науч.рук. В.И.Куркин. НИЧ МИС. 1991 .-32с.

3. Поисковые исследования путей построения и функционирования элементов быстроразворачиваемых антенных систем для передачи информации (шифр «Поиск»)/ Отчет по х/дог. теме НИР 3801/94, научн.рук. В.И Куркин. -НИЧ МТУСИ, 1994. -136 с.

4. Исследование энерго-информационных и робототехнических тросовых систем (шифр «Аспект-МТУСИ»)/ Отчет по х/дог. теме НИР 381/93, научн.рук. В.И Куркин. -НИЧ МТУ СИ, 1995.-184 с.

5. Исследование, разработка структуры и анализ функционирования низкоорбитальных систем спутниковой связи на базе трансформируемых систем (шифр «Аспект-МТУСИ»)/ Отчет по х/дог. теме НИР 3802/99, научн.рук. В.И Куркин. НИЧ МТУСИ, 1999.-74 с.

6. Разработка и исследование методов и средств управления космическими информационными тросовыми системами / Отчет по х/дог. теме НИР 3802/00, научн.рук. В.И Куркин. НИЧ МТУСИ, 2000. -137 с.

7. Разработка перспективных концепций телекоммуникационных систем на базе космических комплексов с протяженными гибкими элементами / Отчет по х/дог. теме НИР 3802/01, научн.рук. В.И Куркин. НИЧ МТУСИ, 2001. -68 с.

8. Куркин В.И., Андреев А.В. Динамические тросовые системы в фундаментальных исследованиях по космической физике//Межд. Научно-тех. Конф. «Актуальные проблемы фундаментальных наук», СССР, Москва, 28 окт.-З ноябр. 1991. М: МГТУ, 1991, С. 30-33.

9. Кузнецова И.А. Использование тросовых систем в спутниковой связи на низких орбитах //XXIX Гагаринские Чтения. Всероссийская молодежная научная конференция. Апрель 2003. МГАТУ, М.: 2003, том 6, тез.докл., с.95.

10. Белецкий В.В., Левин Е.М. Динамика космических тросовых систем. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. - 336 с.

11. Способ перевода КК на заданную орбиту//а.с.№717874; 1975, В 64 G 1/00; SU.

12. Космическая система//а.с„№720943; 1975, В 64 5 1/00; SU.

13. Способ перевода ПН с Земли на Луну и с Луны на Землю//а.с.№701078; 1978, В 64 G 1/00; SU.

14. Осипов В.Г., Шошунов Н.Л. Космические тросовые системы: история и перспективы//Наука в России, 1996, №1.-С. 19-29.

15. Андреев А.В. О применении контурного движения нити в орбитальных тросовых системах//Тр. XXI-XXII Чтений : Циолковского. Секция «Проблемы ракетной и космической техники».- М: ИИЕТ АН СССР, 1988.- С.87-94.

16. Андреев А.В. Об управлении тросовой системой с пространственным контурным движением нити//Тр. XXI-XXII Чтений Циолковского. Секция «Проблемы ракетной и космической техники».- М: ИИЕТ АН СССР, 1988 С.201-209.

17. Lorenzini Enrico С. Novel tether-connected two-dimensional structures for low earth orbits // J. Astronaut. Sci.- 1988. 36, N 4. - C.389^05. См. также РЖ РКТ*, 1989, 11.41.183.

18. ЭИ АР означает Экспресс-информацию ВИНИТИ, серия «Астронавтика и ракетодинамика», далее следуют год издания, номер выпуска и номер реферата.

19. Циолковский К.Э. Жизнь в межзвездной среде // Грезы о Земле и о небе. Тула, 1986.-С. 201-256.

20. Циолковский К.Э. Вне Земли // Грезы о Земле и о небе. Тула, 1986. - С. 60-201.

21. Bekey Ivan. Historical evolution of tethers in space // Tethers in Space: Pro. Int. Conf., Arlington, Va, Sept. 17-19, 1986. San Diego (Calif.), 1987. C. 27-34. См. Также РЖ PKT, 1990,1.41.87.

22. Андреев А.В., Константинов М.С. Системы летательных аппаратов с обменом энергией: Тр. И чтений, посвящ. разраб. науч. наследия и развитию идей К.Э.Циолковского, Калуга, 1976. Секц. Механика космического полета. М., 1978. - С. 126-135.

23. Андреев А.В., Каменков Е.Ф. О новом типе ускорителей для космических кораблей: Тр. 12 чтений, посвящ. разраб. науч. наследия и развитию идей К.Э.Циолковского, Калуга, 1977. Секц. Механика космического полета. М., 1979. - С. 27-33.

24. Андреев А.В. К выбору траекторий летательных аппаратов в системах с обменом энергией: Тр. 12 чтений, посвящ. разраб. науч. наследия и развитию идей Ф.А.Цандера. Секц. Аэродинамика. М., 1982. - С. 89-95.

25. Moravec Н. A non-synchronous orbital skyhook // J. Astronaut. Sci. 1977. -25, N 4. -C. 307-322. См. также РЖ ИКП\ 1978, 12.62.450.

26. Якубовский Ю.В., Живов B.C., Коритысский Я.И., Мигушов И.И. Основы механики нити. М.: Легкая индустрия 1973.

27. Андреев А.В., Куркин В.И. Космические конструкции с динамическими контурными элементами вне орбитальной плоскости // Крупногабаритные космические конструкции: Тез. докл. науч-техн. конф. Севастополь, 1990-С. 21-22.

28. Андреев А.В., Куркин В.И., Мирошник Р.А., Терентьев Ю.К. Управление привязным зондом в режиме контурного движения гибкой нити: Тр. 4 Международного семинара «Научное космическое приборостроение», Фрунзе, 1989. М., 1990.

29. Белецкий В.В. Движение искусственного спутника относительно центра масс. -М.: Наука, 1965.

30. Иванов В.А., Ситарский Ю.С. Динамика полета системы гибко связанных ксмическихобъектов.-М.: Машиностроение, 1986.

31. Чабров Г.И. Первые интегралы уравнений движения цепочки тел: ТР. 16 чтений, посвящ. разраб. н науч. наследия и развитию идей К.Э.Циолковского, Калуга, 1981. Секц. Механика космич. полета М., 1982, - С. 81-89.

32. Lemke Larry G., Powell J. David, He Xiaohua. Attitude control of tethered spacecraft //' Tethers in Space: Proc. Int. Conf., Arlington, Va, Sept. 17-19, 1986 San Diego (Calif.), 1986.-C. 117-132. См. также РЖРКТ, 1990,1.41.191.

33. Андреев А.В. О равновесии связки тел, ориентированной вдоль орбиты // Гагаринские научн. чтения по космонавтике и авиации, 1983,1984-М.:, 1985. С. 63-63.

34. Полетавкин П.Г. Космическая энергетика. М.: Наука, 1981.

35. Banks P.M. rewiew of electrodynamic tethers fo r space plasma science // J. Spacecraft and Rockets. 1989.-26, N 4. См. также РЖ РКТ\ 1990, 8.41.71.

36. Penzo P.A. Innovative uses of space tethers // Spaceflight. 1988. 30, N 5. - C. 202208. См. также ЭИ АР, 1989, вып. 11, реф. 46-47.

37. Авдуевский B.C., Лесков Л.В. Советская космонавтика: что впереди? М.: Знание, 1992.-64 с.

38. Феоктистов К.П. Космическая техника. Перспективы развития: Учеб. Пособие. -М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. -172 с.

39. Успенский Г.Р. Космонавтика XXI. М.: Инвенция, 2003. - 119 с.

40. Крахин О.И. Проблемы реализации интеллектуальных конструкций в антенных системах//Сб. трудов Международной конференции по электронике и электродинамике. -М.:-2000г.-С. 237-250.

41. Hite G.E., McCoy J.E. The electrodynamic tether // Am. J. Phys. 1988. - 56, N 3. -C.222-224.

42. McCoy James E. Plasma motor/ generation system design for power and propulsion // Tethers in Space: Proc. Int. Conf., Arlington, Va, Sept. 17-19, 1986 San Diego (Calif.), 1987. - C. 439^52. См. также РЖ PKT, 1989, 1.41.130.

43. Ciardo S., Bevilacqua F., Beretta S. Tether inspection and repair: the key for th edevelopment of permanent tethered facilities // AIAA Guid., 89-1599-CP, 386-400. См. также РЖ PKT, 1990,4.41.165.

44. Baracat William A., Gartrell Charles F. Critical space technology needs for tether applications //Tethers in Space: Proc. Int. Conf., Arlington, Va, Sept. 17-19, 1986-San Diego (Calif.), 1987. -C. 645-665. См. также РЖ PKT, 1989, 12.41.43.

45. Кульков B.M. Исследование режимов управления движением и выбор проектных параметров электродинамической тросовой системы//Антенны и пассивные устройства СВЧ. Деп. в ЦНТИ Информсвязь. 15.06.94. №2001-св. С.59-69.

46. Малышев Г.В., Кульков В.М., Маркин Н.Н. Методы ориентации модулей космических аппаратов с использованием тросовых систем// Теория, техника и применение космических тросовых систем. Деп. в ЦНТИ Информсвязь. 11.11.94. №2031-св. С.63-70.

47. Кульков В.М. Принципы построения и анализ эффективности низкоорбитальных спутниковых систем связи//Научно-технические проблемы создания космических тросовых систем. Деп. в ЦНТИ Информсвязь. 26.11.97. №2111 -св. С. 139-160.

48. Кузнецова И.А. Анализ взаимодействия возмущающих факторов космического пространства со спутниковыми телекоммуникационными протяженными системами//

49. Международный форум информатизации (МФИ-2001). »: Тез.докл. конф. «Телекоммуникационные и вычислительные системы. М., 2001. - С. 14.

50. Кузнецова И.А. Особенности функционирования комических тросовых систем с динамическими гибкими связями на низких орбитах// НТК профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ. Москва,

51. Тамаркин В.М., Невдяев Л.М., Серев С.И. Низкоорбитальные системы спутниковой связи: Обзор информ. М.: ЦНТИ Информсвязь, 1995. - 96 с.

52. Кульков В.М. Принципы построения низкоорбитальных спутниковых систем связи// Динамика орбитальных тросовых систем Деп. в ЦНТИ Информсвязь. 27.04.98. №2123-св. С. 16-37.

53. Кульков В.М. Проблемы и анализ эффективности низкоорбитальных спутниковых систем связи// Научно-технические проблемы создания космических тросовых систем. -Деп. в ЦНТИ Информсвязь. 26.11.97. №2111 -св. С. 139-160.

54. Кульков В.М. Анализ эффективности низкоорбитальных спутниковых систем дистанционного зондирования Земли// Динамика орбитальных тросовых систем Деп. в ЦНТИ Информсвязь. 27.04.98. №2123-св. С.84-92.

55. Власов В.Н., Колосов А.В., Смирнов В.В., Тамаркин В.М., Чегин Г.В. Низкоорбитальные спутниковые системы связи, состояние и перспективы развития //Технология электронных коммуникаций. М.: 1993, т.42. - С.44-46.

56. Use of Low Earth Orbit Satellites for Voice Communication// United Nation general Assembly/ Scientific and Technical Subcommittee. Thirty - first session, Vienna, 21 February - 4 March 1994. - pp. 1 -25.

57. Семин-Вадов А.Г., Шаповаленко К.Г. Тенденции развития спутниковой связи в России//Перспективные технологии в средствах передачи информации/Материалы 3-ей междунар. науч.-техн. конф. ПТСПИ'90, ч. II г.Владимир, 1-5 июля 1999. - С. 49-56.

58. Немировский М.С. Современные тенденции построения региональных сетей персональной спутниковой связи// Материалы науч. конф. ППС и НИТС МТУСИ. Сб. №1,2003.-Тез. докл. С. 113-114.

59. Андрианов В.И., Соколов А.В. Средства мобильной связи. СПб: BHV - Санкт-Петербург, 1998.-256 с.

60. Бонч-Бруевич A.M., Быков В.Л., Кантор Л .Я. и др. Системы спутниковой связи; Под ред. Кантора Л.Я.: Учебное пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1992. - 224 с.

61. Бартенев В.А., Болотов Г.В., Быков В.Л. и др. Спутниковая связь и вещание. Справочник. 3-е изд. перераб. и доп.; Под ред. Кантора Л.Я - М.: Радио и связь, 1997. -528 с.

62. Войналович В.В., Упоров К,Ю. О возможности использования космических тросовых систем для решения научно-прикладных программ// Научно-технические проблемы создания космических тросовых систем. Деп. в ЦНТИ Информсвязь. 26.11.97. №2111-св. С. 139-160.

63. Кузнецова И.А. Тросовые антенные системы для космической радиосвязи с труднодоступными погруженными объектами// НТК профессорско- преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУ СИ. Москва, 28-30янв. 2003 г., тезисы докл. С. 167-169.

64. Grossi M.D. Historical background Leading to the tethered satellite system (TSS)// AIAA Pap.-1986.-№49.

65. Андреев A.B., Куркин В.И. Способ и система для осуществления связи. Пат. RU 2169989; 27.06.2001.

66. Андреев А.В., Куркин В.И. Поиск научно-технических путей построения линий радиосвязи с погруженными подвижными объектами//Нау коем кие технологии, №3, 2003, т.4. С.26-32.

67. Козырев Н.Д. Антенны космической связи: Учебное пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1990. - 160 с.

68. Кузнецова И.А. Исследование конфигураций контура и электрических характеристик спутниковой динамической тросовой антенны//Нау коем кие технологии, №3,2003, Т.4.-С.51-56.

69. Айзенберг Г.З., Белоусов С.П., Журбенко Э.М. и др. Коротковолновые антенны. -М.: Радио и связь, 1985.- 535 с.

70. Журбенко Э.М. Расчет распределения токов по произвольной прволочной антенне с учетом ускользающее малого радиуса провода Отчет по теме НИР №3802/99

71. Исследование, разработка структуры и анализ функционирования низкоорбитальныхсистем спутниковой связи на базе трансформируемых систем» (Раздел 2, С. 39-56), научн. рук. В.И.Куркин. НИЧ МТУСИ 1999. - 74с.

72. Журбенко Э.М. Некоторые аспекты применения метода моментов к анализу работы проволочных антенн // Научно-техническая конференция ППС и НИТС МТУСИ. Тез. докл., МТУСИ, 2000. - С. 365-366.

73. Пирогов А.А. О вращательном движении кольца гибкой нити в вязкой среде и гравитационном поле//Сб. научных трудов ВЗЭИС, 1960, в.2, С. 54-64.

74. Куркин В.И. Вопросы стационарного движения замкнутой гибкой нити в воздушной среде. Автореферат кандидатской диссертации. М.: МЭИ, МИЭМ, 1964.

75. Куркин В.И., Меркулов В.В. Перспективы развития излучающих систем на основе баллистических антенн// Динамика механических трансформируемых систем Деп. в ЦНТИ Информсвязь. 18.06.91. №1838-св. С.

76. Меркулов В.В. К расчету излучения кольцевых баллистических антенн// В сб. Механика трансформируемых систем. Деп. в ЦНТИ Информсвязь. 23.07.90. №1711 -св. С. 42-69.

77. Меркулов В.В. Электродинамические характеристики информационных космических систем с динамическими гибкими связями и трансформируемыми структурами.- Деп. в ЦНТИ Информсвязь. 9.06.92. №1911-св. 45-52.

78. Кузнецова И.А. Анализ электромагнитного излучения крупногабаритных спутниковых динамических тросовых антенн// XXIX Гагаринские Чтения. Всероссийская молодежная научная конференция. Апрель 2003. МГАТУ, М.: 2003, том 6, тез.докл., С.96.

79. Андреев А.В., Куркин В.И. Стабилизация связки трех космических объектов с помощью динамического гибкого контура// Тр. XXVIII Чтений К.Э.Циолковского. Секция «Механика космического полета». М.: ИИЕТ АН СССР, 1994. - С.87-94.

80. Кузнецова И.А. Способы и устройства управления космическими информационными тросовыми системами// Международный форум информатизации (МФИ-2000). »: Тез.докл. конф. «Телекоммуникационные и вычислительные системы. -М., 2000.-С.21.

81. Андреев А.В., Куркин В.И. Космическая телекоммуникационная система. Пат. RU 2058916. 27.04.1996.

82. Кузнецова. И.А. Перспективы применения больших космических платформ в спутниковых системах связи // Сборник «Новые технологии и устройства быстроразвертываемых трансформируемых систем». Деп. в ЦНТИ Информсвязь 14.06.2003г №2233- св.2003. С.7-15.

83. Кантор Л.Я. Создание спутниковых систем связи и вещания на базе больших космических платформ// Электросвязь, 1989, №12 С.2-6.

84. Камнев Е.Ф., Белов А.С., Соколов В.А. Эффективность применения тяжелых космических платформ в спутниковых системах связи и управления // Электросвязь, 1990, №6-С.6-8.

85. Кузнецова И.А. Обоснование размещения больших космических платформ на низких орбитах // Сборник «Новые технологии и устройства быстроразвертываемых трансформируемых систем». Деп. в ЦНТИ Информсвязь 14.06.2003г №2233- св.2003. С.25-33.

86. Кондратюк Ю.В.Завоевание межпланетных пространств. М.: Оборонгиз., 1947. -90 с.

87. Можаев Г.В. Синтез стрктур спутниковых систем: Теоретико-групповой подход. -М.: Машиностроение, 1989. 302 с.

88. Кузнецова И.А. Перспективы применения больших космических платформ в спутниковых системах связи // Сборник «Новые технологии и устройства быстроразвертываемых трансформируемых систем». Деп. в ЦНТИ Информсвязь 14.06.2003г №2233- св.2003. С.7-15.