کارآیی اتصال چیست؟

اندرو اچ. کاتلر و جوزف A. کارول

یک قدرت از استحکام کافی ، قادر به طولانی شدن یا کوتاه شدن و داشتن دستگاه های مناسب برای گرفتن و آزاد کردن اجساد در انتهای آن ، ممکن است در کاربردهای پیشرانه مفید باشد. به عنوان مثال ، یک اتصال می تواند در مدار فضاپیما در مدارهای قابل ملاحظه ای متفاوت و بدون استفاده از پروانه امکان پذیر باشد. یک تتر همچنین می تواند به فضاپیمای همبازی اجازه دهد تا حرکت و جدا از هم را تبادل کند. بنابراین ، یک فضاپیمای مجدد (مانند شاتل) می تواند حرکت خود را به یکی از آنها در مدار بماند (مانند ایستگاه فضایی). به همین ترتیب ، یک مرکز تتر_sp/مکانیسم رانش کم (که می تواند یک اتصال الکترودینامیکی باشد) و آن حرکت را با استفاده از یک اتصال به بارهای مختلف که برای مدارهای مختلف هدایت می شود ، منتقل می کند. در واقع چنین امکاناتی با هم ترکیب می شود_spبا فشار زیاد ، اگرچه فقط به طور خلاصه. یک اتصال الکترودینامیکی می تواند ماهواره ای را از تمایل پرتاب خود به تمایل بالاتر یا پایین تر سوق دهد. Tethers همچنین می تواند اجازه دهد نمونه ها از بدن هایی مانند ماه گرفته شوند. سه نوع عملیات تتر در شکل 23 [حالت های عملکرد تتر] نشان داده شده است.

تترها با هدایت الکتریکی به میدان مغناطیسی زمین زوج می شوند. در مدار زمین کم (LEO) چگالی پلاسما کافی وجود دارد که اجازه می دهد جریان های بزرگ از طریق اتصال جریان یابد و حلقه را به طور موثر از طریق پلاسما ببندد. تعامل بین جریان و میدان مغناطیسی نیرویی را ایجاد می کند که اتصال را سوق می دهد. چنین اتصال دهنده ای می تواند انرژی الکتریکی (از یک آرایه فتوولتائیک ، به عنوان مثال) را با راندمان بالا (2-8 کیلو وات در نانومتر) ، بدون هزینه پیشرانه تبدیل کند. وسایل نقلیه با سیستم پیشرانه ای الکترودینامیکی حلق آویز می توانند از هر مدار زمین کم خودسرانه به هر مدار زمین کم خودسرانه دیگر در چند ماه بروند.

یک تتریک یک ساختار کششی طولانی در فضا است. در برنامه های مورد بحث در اینجا ، به طور کلی 10 تا 200 کیلومتر طول دارد و تحت فشار صدها تا چند ده هزار نیوتن قرار دارد. معمولاً اشیاء در انتهای اتصال وجود دارد که از خود تتر عظیم تر هستند. یک کتابچه مقدماتی در مورد Tethers در دسترس است (کارول 1985) ، و بسیاری از برنامه های آینده نگر توسط کارول (1986) شرح داده شده است.

یک اتصال در مدار یک نیروی گرادیان گرانشی را تجربه می کند که آن را به سمت عمودی محلی سوق می دهد. در لئو این نیروی حدود 4 10 1 0-4 گرانش در هر کیلومتر از مرکز جرم سیستم اتصال دهنده است. ممکن است در مورد عمودی محلی نوسان کند. این نوسانات را می توان به صورت موازی و عمود بر صفحه حرکت مداری تقسیم کرد. عملکرد بالقوه خارج از هواپیما با توجه به موقعیت و سرعت متقارن است. عملکرد بالقوه درون هواپیما متقارن نیست. تنش برای نوسان در جهت حرکت مداری (posigrade) بیشتر از آن است که بر خلاف جهت حرکت مداری (رتروگراد) باشد.

از آنجا که Tether در هر دو انتهای آن نیروی خالصی را بر روی توده اعمال می کند ، مسیری که توده دنبال می کند مدار آزاد نیست. اگر یک شی با یک قطعه حلق آویز به طول آزاد شود ، مدارهای این دو توده در آن نقطه و در حدود 7 نیمی از مدار بعداً از هم جدا می شوند. اگر رهاسازی از بالا یا پایین نوسان یک اتصال گسترده به طور گسترده باشد ، جدایی اولیه دوباره خواهد بود و جدایی نیمی از مدار بعداً حدود 14 خواهد بود.

یک اتصال دهنده فعلی در مدار در اطراف بدن با یک میدان مغناطیسی قابل توجه (مانند زمین یا مشتری ، اما ماه یا مریخ) یک نیروی مغناطیسی JXB را عمود بر همبند و میدان مغناطیسی تجربه می کند.(این نیرویی است که نتیجه می گیرد که جریان الکتریکی چگالی j از طریق یک میدان مغناطیسی از القاء ب.) به طور معمول توسط نیروهای شیب گرانشی نزدیک به عمودی محلی نگه داشته می شود ، بنابراین جهت رانش به طور خودسرانه قابل انتخاب نیستو به طور کلی یک جزء خارج از هواپیما خواهد داشت که با زمان متفاوت است. استراتژی های کنترل فعلی مناسب برای استفاده از تترهای الکترودینامیکی به عنوان رونق های کارآمد لازم خواهد بود. تخمین های معقول از قدرت در هر رانش بسته به تمایل مداری 2 تا 8 کیلووات در هر نیوتن است. برای زمین ، مصرف انرژی پایین در تمایلات بالایی قرار دارد ، جایی که خطوط کمتری از میدان مغناطیسی عبور می کنند.

انتظار می رود بهترین مواد تتریک الکترودینامیکی با بالاترین رسانایی خاص- لیتیوم یا سدیم باشد. با این حال ، این مواد رسانایی خاص بالا بسیار متراکم نیستند و بنابراین دارای رسانایی کمتری هستند. یعنی سیم ساخته شده از لیتیوم یا سدیم به قطر بزرگتر از سیم با همان رسانایی است اما از یک ماده متراکم تر مانند مس ساخته شده است. تترهای الکترودینامیکی معمولی که در پتانسیل های کیلووولت کار می کنند باید در برابر ضرر فعلی عایق بندی شوند. از آنجا که عایق تقریباً همان ضخامت دارد که آیا آن را برای سیم با قطر کوچک یا بزرگ استفاده می کند ، سیم های رسانا کمتر متراکم به عایق عظیم تری نیاز دارند. بنابراین مبادلات بین رسانایی خاص بالا و هدایت بالای منطقه باید برای هر برنامه مورد مطالعه قرار گیرد.

مواد Tether در محیط فضایی در معرض تخریب قرار دارند. پلاستیک های با مقاومت بالا توسط اشعه ماوراء بنفش و یونیزه کننده و با اکسیژن اتمی در لئو تخریب می شوند. اثرات این تأثیرات تخریب و کاربرد پوشش های محافظ باید مورد بررسی قرار گیرد.

اگرچه Tethers به طور معمول بسیار نازک است ، اما طول بسیار زیاد آنها منطقه ضربه بزرگی را به آنها می دهد. بنابراین ، آنها به دلیل تأثیر میکرومتروئید ، احتمال خرابی قابل توجهی دارند. این احتمال به طور محافظه کارانه تخمین زده می شود که در هر کیلومتر سال از قرار گرفتن در معرض یک ضخامت به ضخامت 1 میلی متر به شدت بارگذاری شده در لئو ، 1 برآورد شود. با استفاده از چندین رشته مستقل یا نوار ، می توان خطر خرابی سیستم را کاهش داد. در حالی که یک نوار بیشتر مورد اصابت قرار می گیرد ، یک میکرومتوروئید فقط سوراخی را در آن مشت می کند و آن را قطع نمی کند ، زیرا ممکن است یک رشته واحد باشد. با این حال ، عایق اضافی برای چندین رشته یا نوار مورد نیاز است.

ساده ترین عملیات با یک اتصال ، بالا بردن یا پایین آمدن یک جسم و رها کردن آن از یک اتصال حلق آویز است. از آنجا که یک شیء اتصال در مدار آزاد نیست (Tether یک نیروی خالص بر روی آن اعمال می کند) ، این روش می تواند برای تغییر سرعت بدون استفاده از موشک استفاده شود. حتی در این مورد اسمی آویز ، برخی از کتابخانه ها وجود خواهد داشت. با کنترل تنش اتصال و در نتیجه پمپاژ مکانیکی در این کتابخانه ها (مانند کودک پمپاژ نوسان) ، می توان آن را به نوسان تبدیل کرد.

سرعت مشخصه ، v_c، از یک اتصال می توان به عنوان ریشه مربع قدرت خاص آن تعریف کرد (یعنی استحکام کششی آن که بر اساس چگالی آن تقسیم می شود):

در جایی که S مقاومت کششی (یعنی نیرو در هر واحد منطقه که اتصال آن بدون شکستن مقاومت می کند) و P چگالی است. اعداد معمولی برای سیستم های مهندسی معقول 350 متر در ثانیه برای فولاد ، 700 متر در ثانیه برای Kevlar و 1000 متر بر ثانیه برای الیاف پلی اتیلن با چگالی بالا است. این سرعت مشخصه یک عامل ایمنی کافی را برای حساب کردن تغییرات در مواد و تخریب در استفاده در خود جای می دهد. هرچه V مؤثر باشد_c، توده تتر را برای یک عملیات معین پایین تر کنید.

سرعت مشخصه فقط تعریف شده برای یک اتصال دهنده است. سرعت مشخصه مؤثر به نوع عملکرد تتر بستگی دارد. برای تبدیل VC برای یک چرخش به V_cبرای برخی از عملیات دیگر ، با فاکتور ذکر شده در زیر ضرب کنید.

بنابراین ، برای انتقال سرعت بسیار کمتر از V_cبه یک توده بار بار ، نسبت توده های مورد نیاز به یک تتریک ریسندگی به شرح زیر است:

سرعت که یک اتصال به یک بار به بار می دهد بستگی به سرعت مداری اتصال ، سرعتی که در آن می چرخد یا می چرخد و طول تترول است. اگر تغییر سرعت مورد نظر بسیار پایین تر از سرعت مشخصه باشد ، می تواند از جرم نوک آن سبک تر باشد. با نزدیک شدن به سرعت مورد نظر V_c، توده تتر قابل توجه است. به عنوان یک سیستم پیشرانه ، یک اتصال برای تغییرات سرعت کوچک از موشک کارآمدتر است (یعنی وزن آن کمتر از پروانه موشک لازم است) ، اما برای تغییرات بزرگ کارآمدتر است. بنابراین ، در صورت ایجاد تغییر سرعت زیاد و از اتصال فقط یک بار ، یک تتر در مقایسه با موشک قابل توجه نخواهد بود. در صورت استفاده از تتریک می توان بیش از یک عملیات را مورد استفاده قرار داد ، سرعت که در آن اتصال به جرم بیشتر از موشک است. استفاده از یک تتر برای بخشی از هر تغییر سرعت مورد نیاز همیشه مفید خواهد بود اگر حرکت در دو انتهای اتصال دارای هزینه (یا مقادیر) متفاوتی باشد.

پیشران از طریق حرکت

بسیاری از کاربردهای بالقوه پیشرانه ای از Tethers وجود دارد. موشک های حاصل از زمین ، وسایل نقلیه مانور مداری (OMV) و وسایل نقلیه انتقال مداری (OTV) می توانند با تترها تقویت و از بین بروند تا تغییرات سرعت موشک خود را توسط صدها متر در ثانیه کاهش دهند. یک مرکز دائمی در مدار زمین به عنوان یک بانک ذخیره سازی حرکت می کند.(به شکل 24 مراجعه کنید [مفهوم سیستم رقیق کننده در مدار زمین کم زمین].) این می تواند به وسیله نقلیه ای که از زمین راه اندازی شده است ، حرکت کند. با انجام این کار ، مدار خود پایین می آید. این می تواند با آزاد کردن یک فضاپیما که به زمین باز می گردد ، دوباره حرکت کند. با این کار ، مدار تسهیلات بلند می شود. وسایل نقلیه مبتنی بر فضا (OMV و OTV) نیز می توانند سود ببرند. اگر اتصال دهنده آن را خراب کند ، OMV یا OTV می توانند برای بازگشت به ایستگاه فضایی به توانایی پیشرانه ای متکی باشند و دوباره امتحان کنند. این عمل با جزئیات بیشتر در پیوست شرح داده شده است

هرچه توده تسهیلات بیشتر بیشتر باشد ، تأثیر آن در مدار آن که توسط حرکت وام به آن وام داده می شود یا از آن وام گرفته می شود ، کوچکتر خواهد بود. بنابراین ، انباشت جرم مطلوب خواهد بود و به سیستم انعطاف پذیری بیشتری می بخشد. با جمع آوری وسایل یکبار مصرف گسترده مانند مخازن خارجی می توان جرم را در این مرکز جمع کرد. عملیات Tether که تغییرات سرعت حداکثر 1000 متر بر ثانیه را فراهم می کند با استفاده از مواد موجود در حال حاضر امکان پذیر است. تغییرات سرعت بزرگتر امکان پذیر است ، اما به آنها نیاز دارند که به TETHERS عظیم تر از بارهای افزایش یافته افزایش یابد.

ضربه خالص سرمایه گذاری شده در OMV و OTV ، در بارهای خود ، و در پیشران آنها مصرف می شود. این می تواند توسط یک اتصال دوم در همان مرکز مدار انجام شود. این اتصال دوم می تواند یک اتصال الکترودیناریک با منبع انرژی خورشیدی باشد. این امر به آرامی برق تولید شده توسط خورشیدی را به رانش تبدیل می کند. این محرک تتر به طور مداوم در فشار کم (انگیزه خاص) برای بالا بردن مدار تسهیلات کار می کند. به طور دوره ای ، مدار به طور ناگهانی کاهش می یابد که دیگر تتریک شود-یکی از آنها که فشار بالایی را فراهم می کند ، بار خود را تسریع می کند.

از آنجایی که این رانشگر با محموله ها حرکت نمی کند یا تغییرات سرعت قابل توجهی را تجربه نمی کند، می تواند جرم خنثی نسبتاً بزرگی در مقایسه با مقدار مجاز در OTV داشته باشد. هزینه انتقال جرم رانشگر به مدار به سرعت از طریق صرفه جویی در سوخت خودرو پرداخت می شود. مزایای دیگر چنین رانشگر این است که همیشه برای نگهداری و تعمیر در دسترس است و منبع تغذیه آن به طور مکرر در معرض تشعشعات محبوس شده در کمربند ون آلن قرار نمی گیرد. چرخه وظیفه آن باید به اندازه کافی بالا باشد تا با سرعتی که راه اندازی های OMV و OTV آن را مصرف می کنند، انگیزه ایجاد کند. جرم تأسیسات تتر تغییرات کوچک انرژی مداری را به دلیل تقویت های متصل و استفاده نامنظم از رانشگر کاهش می دهد.

این سیستم تتر می تواند در ایستگاه فضایی قرار گیرد. اگر چنین باشد، قرار ملاقات، تقویت و دبوست متصل شده بر طراحی ایستگاه فضایی تأثیر خواهد داشت. این عملیات نیروهای خالص را بر روی ایستگاه فضایی اعمال می کند. با استفاده از طرح های جاه طلبانه دستگیری شاتل، این نیروها بسیار بزرگتر از نیروهای هر عملیات دیگری خواهند بود. آرایه های سلول خورشیدی و دیگر ساختارهای توسعه یافته به چنین نیروهایی حساس هستند.

پیشرانه تتر الکترودینامیکی

وسیله نقلیه ای که توسط یک اتصال الکترودینامیکی هدایت می شود، می تواند شیب مدار پایین زمین خود را در یک ماه یا بیشتر تغییر دهد.(شکل 25 را ببینید. [تغییر هواپیمای مداری]) چنین وسیله ای می تواند تمام ماهواره های موجود در مدار پایین زمین را از ایستگاه فضایی که در مداری با شیب 28. 5 درجه می چرخد قابل استفاده باشد. محموله هایی که برای مدارهای با شیب زیاد مقصد می شوند می توانند به مدار 28. 5 درجه (یا هر مدار دیگری که به راحتی از محل پرتاب قابل دسترسی است) پرتاب شوند و سپس توسط یک وسیله نقلیه مانور مداری به شیب بالاتر تحویل داده شوند. فضاپیماها همچنین می توانند به شیب کمتر از 28. 5 درجه تحویل داده شوند. تحویل به شیب های پایین تر، مقدار سوخت مورد نیاز برای تغییرات صفحه مداری در رفتن به مدار استوایی ژئوسنکرون را کاهش می دهد. ابزارها و آزمایش ها (بیولوژیکی یا غیره) که تحت تأثیر قرار گرفتن در معرض ناهنجاری اقیانوس اطلس جنوبی قرار می گیرند، می توانند در مدارهایی با تمایل به اندازه کافی کم قرار گیرند تا میزان قرار گرفتن در معرض تشعشع کلی را به میزان زیادی کاهش دهند.

از آنجا که اتصال الکترودینامیکی آن برای بستن حلقه فعلی به یک پلاسما نسبتاً متراکم نیاز دارد ، چنین OMV محدود به مدارهای زمین کم است. با وجود منابع انرژی خورشیدی یا هسته ای که در حال حاضر پیش بینی شده است ، یک الکترودینامیکی OMV می تواند بار سنگین تری از خود را از یک مدار 28. 5 درجه به مدار 104Degree در طی چند ماه منتقل کند. بنابراین ، تمام بارهای مربوط به مدارهای با سرمایه بالا می توانند به دلیل حداکثر رساندن توده در مدار ، به سمت شرق راه اندازی شوند و سپس به مقصد نهایی آنها منتقل شوند. این روش دو مرحله ای می تواند ظرفیت شاتل را برای استقرار بارهای تعیین شده برای مدارهای تمایل بالا دو برابر کند. این روش همچنین باعث می شود که هر ماهواره ای با زمین کم برای سرویس دهی به ایستگاه فضایی برگردانده شود و سپس دوباره کار شود.

یک وسیله جایگزین برای تبدیل قدرت فضاپیما به تغییرات مداری ، پمپاژ مکانیکی یک سیستم متصل شده در رزونانس با دوره مداری خود (زوج کردن به محرک مداری یا به اصطلاحات غیرعادی در زمینه گرانشی) است. این بدان معنی است که از یک اتصال الکترودینامیکی در ارتفاعات کم کارآمدتر خواهد بود ، اما می تواند در ارتفاعات از 3000 تا 8000 کیلومتر برتر باشد. شتاب در این ارتفاعات کمتر از 1/20 است که در لئو قابل دستیابی است. بالاتر از این ارتفاعات ، نه پیشرانه اتصال مکانیکی و نه الکترودینامیکی مؤثر نیست.

بازیابی نمونه از بدنهای آسمانی یک مشکل پیشرانه ای چالش برانگیز است. رویکردهای متعارف به سیستم های پیشرانه بزرگ و با ضریب کم و خاص نیاز دارند تا فشار کافی به زمین فراهم شود و مجدداً برخیزند. نمونه برداری به دلیل دشواری حرکت روی سطح بدن به یک منطقه کوچک محدود می شود. Tethers یک راه حل منحصر به فرد و مطلوب برای این مشکل ارائه می دهد.

با وجود مواد مهندسی در حال حاضر در دسترس ، می توان از سطح بدن به اندازه ماه و کوچکتر که فضای قابل توجهی ندارند ، از مدار بدن نمونه بگیرید. یک اتصال طولانی از یک فضاپیمای مداری مستقر می شود و به گونه ای می چرخد که نوک آن سطح بدن را با سرعت نسبی در نزدیکی 0 لمس کند. از یک سیستم پیشرانه ای با نفوذ بالا (که نمی تواند روی سطح بدن نتواند فرود بیاید) می تواند برای تجمع حرکت برای چنین عملیات تقویت کننده نمونه استفاده شود. بیشتر بدنهای کوچک که این عمل عملی است ، دارای پلاسما یا میدان مغناطیسی کافی نیستند تا امکان استفاده از تترهای الکترودینامیکی فراهم شود.

Tethers Kevlar (یا ده تتر 50 کیلوگرم Allied1000) می تواند حدود 700 نمونه 10 کیلوگرم را از هر مکان مورد نظر روی سطح قمری بازیابی کند. با استفاده از یک محرک الکتریکی با یک ضربه خاص از 1000 ثانیه در رابطه با چنین سیستم مکانیکی تتر ، نسبت نمونه های بازیابی شده به Tethers و پیشرانه 2. 2: 1 (یا 4. 3: 1 برای تعدیل کننده های سبک تر) است. وسایل نقلیه با اندازه معقول (5000-10،000 کیلوگرم) می توانند بسیاری از نمونه های بزرگ مواد را از ماه یا هر یک از ماهواره های سیارات بیرونی با استفاده از این تکنیک بازگردانند.

Life Tether با آسیب میکرومتروئید محدود خواهد شد. استفاده از چندین Tethers اجازه می دهد تا مأموریت ها بر اساس زندگی متوسط تتر برنامه ریزی شوند ، و اگر زندگی واقعی کوتاهتر از حد انتظار باشد ، چنین استفاده ای امکان ساخت یک برنامه نمونه گیری منطقی را فراهم می کند.

نتیجه گیری در مورد Tethers

Tethers برای Rendezvous ، Boost و Deboost می تواند تا سال 2000 مستقر و مورد استفاده قرار گیرد. OMV های الکترودینامیکی می توانند تا همان سال آماده شوند. تنها مشکلات ممکن است اتصال پلاسما و هدایت پلاسما باشد که هر دو توسط آزمایش سیستم ماهواره ای اتصال در 5 سال آینده اندازه گیری می شوند (شکل 26 [ماهواره ای متصل به مدار شاتل] را ببینید). یک نمونه برداری از سطح قمری تا سال 2000 و تا سال 2010 منطقی است. نمونه برداری از اجسام کوچک دیگر می تواند به سرعت دنبال شود.

استفاده از Tethers دلالت بر تغییرات مهم در پیشران برای مدار کم زمین و جاهای دیگر دارد. راندمان قابل توجهی را می توان با استفاده از TETHERS در ترکیب با موشک های معمولی بدست آورد. با این حال ، عملیات متفاوت خواهد بود و توسعه قابل توجه رویه های عملیاتی ضروری خواهد بود.

برخی از سؤالات تحقیقاتی خاص وجود دارد که تأثیر قابل توجهی در سیستم های Tether خواهد داشت و اکنون می توان آن را مورد بررسی قرار داد. این سؤالات مربوط به اتصال الکتریکی به پلاسما فضا است. در حال تولید مواد با استحکام خاص بالا ؛تخریب پلیمرهای مرتفع در محیط فضایی. خطرات میکرومتروئید ؛به حداقل رساندن جرم به همراه سیم به علاوه برای مواد دارای رسانایی خاص بالا مانند لیتیوم ، سدیم و آلومینیوم. رفتار تتر در آشفتگی ؛و قوانین کنترل تتر.

Tethers می تواند کارهایی را انجام دهد که موشک ها و هیجان های واکنش نمی توانند. آنها می توانند یک پیشرفت ارزشمند برای سیستم حمل و نقل فضایی باشند. Tethers نمی توانند جایگزین موشک ها و عوامل واکنش شوند ، اما هیجان انگیز و موشک های واکنش نمی توانند جایگزین TETHERS شوند. ترکیبی از Tethers و Thrusters بسیار توانمندتر از هر یک به تنهایی است.

کارول ، J. A. 1985. دستورالعمل های تجزیه و تحلیل برنامه های Tether. از مرکز پرواز فضایی مارشال موجود است. کارول ، J. A. 1986. برنامه های کاربردی در حمل و نقل فضایی. Acta Astronautica 13 (آوریل): 165-174.

این سایت از سالهای 1994-2018 توسط مرکز تحقیقات ناسا ایمز میزبانی شده و هم اکنون به میزبانی: