ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТРОСОВАЯ СИСТЕМА С АТМОСФЕРНЫМ ЗОНДОМ

© М.Ю.Беляев, В.Г.Осипов, Д.М.Сурин, В.В.Цветков, Н.Л.Шошунов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2006 г.

Использование орбитальных тросовых систем для исследования верхних слоев земной атмосферы с помощью зонда, спускаемого с орбитального корабля, летящего на высоте 200 250 км, на тросе длиной около 100 км на высоту 110 130 км, было предложено в 1974 г. Дж. Коломбо, Е. Гапошкиным, М. Гросси и Дж. Вайффенбахом. В 1984 г. Ч. Бонджорно предложил проект «высотной аэродинамической трубы» для исследования аэродинамических характеристик моделей космических аппаратов, спускаемых в верхние слои атмосферы на тросах. Проблемами тросовых систем с атмосферными зондами занимались Л. В. Докучаев, Г. Г. Ефименко, В. В. Белецкий, Е. М. Левин, Т. Спенсер, М. Нолан, Р. Хадсон, Дж. Сайссон, Р. ДеМейс, Р. Николс и другие. Длительное время разрабатывался проект совместного американо-итальянского эксперимента TSS 2, в котором предполагалось спустить атмосферный зонд с орбитального корабля «Спейс Шаттл» на тросе длиной 100 км. Однако неудачи при выполнении экспериментов TSS 1 и TSS 1R с электродинамической тросовой системой заставили отказаться от реализации этого проекта.

В последнее время в РКК «Энергия» им. С. П. Королева начата разработка проекта экспериментальной тросовой системы с атмосферным зондом. Концепция этого проекта предусматривает развертывание на низкой околоземной орбите тросовой системы, состоящей из грузового корабля типа «Прогресс» и капсулы «Радуга», спускаемой с корабля на тросе длиной в десятки километров. После выполнения своих обычных задач и отстыковки от Международной космической станции грузовой корабль с капсулой спустится на высоту 200 250 км, после чего капсула будет отведена вниз на тросе, выпускаемом устройством, размещенным на борту корабля. Развернутая тросовая система будет совершать орбитальный полет, постепенно снижая свою орбиту под действием сопротивления атмосферы, при этом будут исследоваться темп снижения орбиты, маятниковые, поперечные и продольные колебания троса и другие физические явления. При достижении критической высоты тросовая система будет разделена, капсула, возможно, спустится на Землю на парашюте, а корабль будет затоплен в заданном районе океана.

Для анализа реализуемости этого проекта и выполнения проектных расчетов разработаны математические модели и компьютерные программы. Грузовой корабль и возвращаемая капсула рассматриваются как материальные точки, а для троса используется геометрически и физически нелинейная конечно-элементная модель. При этом учитываются упругие и диссипативные характеристики троса, его температурные удлинения, а также изменение этих свойств в зависимости от температурного состояния троса. В модели земной атмосферы учитываются ее вариации, зависящие от степени солнечной активности, времени суток, лунных и солнечных приливов, сплюснутости атмосферы к полюсам. Температурное состояние троса определяется как условиями освещенности данного участка орбиты Солнцем, так и аэродинамическим нагревом в атмосфере. С помощью этих моделей и программ предполагается исследовать устойчивость движения тросовой системы, в частности, выявить условия и последствия возникновения так называемой «аэроградиентной неустойчивости».