Техника - молодёжи 1990-10, страница 5

1000' 100 10 1 01

•: 4 )

СЕЧЕНИЕ.КВ.ММ 01

10

Рис. 1. Области допустимых значений длин и сечений тросов в околоземном космическом пространстве

Рис. 1. Области допустимых значений длин и сечений тросов в околоземном космическом пространстве

Рис. 2. Тросовая система для зондирования верхних слоев атмосферы.

Рис. 2. Тросовая система для зондирования верхних слоев атмосферы.

Рис. 3. Схема расстыковки при помощи троса (без затрат топлива!) орбитального самолета и космической станции. 6— длина троса. Пунктиром показана орбита на момент расстыковки, сплошными линиями — орбиты после расстыковки.

ная длина. Так, стальная проволока, если ее подвесить над поверхностью Земли, разрывается уже при длине 20—50 км, углеродные волокна — 100—140 км, волокна кевлар — около 200 км, кварцевая нить — 280 км. Но в действительности и 280 км не предел.

Представим трос, свисающий вертикально со спутника на круговой орбите. Натяжение такого троса определяется не полной силой тяжести, как у поверхности Земли, а лишь «микротяжестью» — разностью между силой тяжести и центробежной силой, возникающей при вращении на орбите. Ускорение «микротяжести» неодинаково для разных точек троса: оно тем больше, чем больше отличается радиус орбиты данной точки от радиуса орбиты спутника. На низких орбитах «микротяжесть» на конце троса длиной 20 км составляет 0,9% от тяжести, а на конце стокилометрового троса — 4,5%.

Следовательно, максимальное натяжение намного меньше полного веса троса. Поэтому его разрывная длина на орбите существенно превосходит разрывную длину у Земли. Так, на низких орбитах для стальной проволоки это 300—500 км, для углеродных волокон — 700—800 км, для волокна кевлар — около 1000 км, для кварцевой нити — 1200 км.

В общем-то, Дж. Коломбо поскромничал, выбрав трос длиной «всего» 100 км. Такая протяженность не испугает даже самых придирчивых перестраховщиков. С «лунным лифтом» Цандера будет, конечно, посложнее. Но из материала, сравнимого по прочности с кварцевой нитью, его уже можно сделать постоянным в сечении. А вот чтобы соорудить таким «земной лифт», потребуется «суперпроволока», достигающая такой прочности, которая теоретически ожидается у алмаза с идеальной кристаллической решеткой.

Надо сказать, что в космосе у длинных тросов есть безжалостный враг — микрометеориты. Круглый трос диаметром 2 мм и длиной 100 км представляет собой мишень с поверхностью около 60 кв. м. Хотя иные космические аппараты имеют значительно большую поверхность, опасность для троса неизмеримо выше. Ведь чтобы перебить одно или несколько его волокон, достаточно тех малых «песчинок», которые не страшны космическому кораблю. А чем мельче микрометеориты, тем мощнее их потоки в космическом пространстве.

На рисунке 1 по осям отложены площадь сечения и длина троса. В темно-зеленой области «время жизни» тросов (то есть среднее ожидаемое время до первого угрожающего разрывом повреждения от микрометеоритов) превосходит год. Точка 1 соответствует тросам, использованным в связках «Джемини— Аджена» в 1966 году, точка 2 — тросам в американо-японских экспериментах с зондирующими ракетами в 1981 —1983 годах (были и такие), а область 3 —

тросам для планируемых полетов американского орбитального самолета с привязным субспутником.

Трос, изготовленный для первого полета, представляет собой целое инженерное сооружение. В середину уложен легкий направляющий жгут из волокон номекс. На нем медная оплетка, по которой будет протекать электрический ток. и накладывается изоляция из тефлона. В следующем слое располагаются высокопрочные волокна кевлар, которые будут нести основную механическую нагрузку. Сверху — «рубашка» из номекса, устройчивого к действию ультрафиолетового излучения.

Время жизни этого троса оценивается в несколько лет. Хуже обстоит дело со вторым 100-километровым тросом, он может прожить лишь несколько месяцев. Но летать ему предстоит всего около суток. Так что, надо полагать, выживет.

А вот трос, связующий поверхность Луны с космической станцией, расположенной в окрестности коллинеарной точки либрации Li или L₂ (область 4), не попадает в область выживания. Но и тут можно найти выход. Вместо связующей, имеющей круглое сечение, взять плоскую ленту. Микрометеориты будут прошивать ее не обрывая. В красной области на рисунке 1 тросы не выдерживают даже короткое время, а ленты толщиной 0,01 мм просуществуют не менее года.

Кстати, «Джемини» и «Аджена» соединялись именно лентой, хотя с точки зрения метеорной опасности в этом не было нужды. Ну, а в «Фонтанах рая», напомним, строительство лифта начинается с укладки каркаса из четырех лент. Судя по описанию, они должны попадать в область 4 на рисунке 1. Интуиция не подвела А. Кларка.

ЭТА СТАБИЛИЗИРУЮЩАЯ МИКРОТЯЖЕСТЬ

Выведенная в космос связка двух космических аппаратов натягивается микротяжестью. Равновесное состояние существует только в центре масс связки, где сила притяжения в точности уравновешивается центробежной. Для нижнего тела связки, если она расположена не горизонтально, притяжение Земли превосходит центробежную силу, и микротяжесть тянет его вниз. Для верхнего тела, наоборот, центробежная сила преобладает, и его тянет вверх.

Только в том случае, когда связка принимает вертикальное положение, силы уравновешиваются. Из любого наклонного положения они будут возвращать связку к вертикали. На орбите это явление принято называть гравитационной стабилизацией. Хотя, если быть точным, надо говорить о гравитационно-центробежной стабилизации. Приращение гравитационной силы, вызванное удалением от центра масс, дает две трети вклада в микротяжесть, оставшаяся треть приходится на долю центробежной силы.

3