Космическая гантель

Пятая сила

Приливный эффект создает не только научные, но и технические проблемы; особенно близко знакомы с ними космические инженеры. Например, некоторые искусственные спутники Земли имеют штыревые радиоантенны длиной в сотни метров. В приливном поле планеты их присутствие создает значительный момент силы. Поэтому такие "выдающиеся" детали стремятся размещать на корпусе спутника по возможности симметрично, имея в виду не зеркальную, а осевую или даже (в идеале) - центральную симметрию. Яркий пример такой конструкции - американский искусственный спутник Земли "Имэйдж", на корпусе которого крестообразно располагаются четыре тонкие радиальные антенны длиной по 250 метров, а перпендикулярно к плоскости этого креста - две симметричные массивные фермы длиной по 10 метров. В целом такая конструкция хорошо уравновешена в отношении приливных моментов.

Впрочем, иногда приливные силы "приставляют к делу". Геодезические спутники США "Транзит", запускавшиеся в 1960-е годы, не имели активной системы ориентации, но должны были держать свои антенны постоянно нацеленными на Землю. С этой целью небольшой спутник снабжался "противовесом", вынесенным на штанге длиной 33 метра: приливное влияние Земли удерживало штангу в среднем в направлении центра планеты, хотя относительно этого направления спутник испытывал небольшие колебания, подобные либрациям Луны.

А вот для астрономических приборов ориентация на Землю не нужна, и воздействие приливных моментов на них нежелательно. Но, к сожалению, астрономические спутники обычно имеют как раз вытянутую форму, и поэтому конструкторам приходится решать проблему приливных моментов. Например, если система ориентации астрономического спутника основана на силовых гироскопах, то в результате борьбы с приливным моментом гироскопы в конце концов раскручиваются до предельных скоростей. И чтобы снять с них нагрузку, приходится дополнительно снабжать аппарат реактивной системой ориентации.

Но постепенно инженеры научились запрягать нежелательные силы в помощь своим системам: приливное воздействие уже используют для ориентации астрономических спутников. Знаменитая космическая обсерватория "Эйнштейн", предназначенная для рентгеновских наблюдений, имела вытянутую форму. Поэтому наблюдения на ней планировались так, чтобы приливный момент помогал разворотам спутника при перенаведении с одного объекта на другой.

Недавно французские астрономы предложили проект орбитального оптического интерферометра для измерения диаметров звезд и поиска планет вдали от Солнечной системы: прибор выполнен в виде трубы диаметром 3 метра и длиной 200 метров; вдоль стенки трубы проделано несколько круглых окон, поэтому проект получил название "Флейта". Ясно, что поддержание точной ориентации такого инструмента будет представлять непростую задачу. Возможно, приборы такого типа придется делать приливно-компенсированными, то есть распределять в них массу центрально-симметрично.

А вот еще одна история. В 1996 году Исследовательская лаборатория Военно-морских сил США запустила на околоземную орбиту высотой около 1000 километров два небольших спутника, связанных тросом длиной 4 километра и диаметром 2-3 миллиметра. Спутники размером по 60 сантиметров имели массы 40 и 10 килограммов. Им дали имена "Ральф" и "Нортон" в честь героев популярной американской развлекательной телепрограммы 1960-х годов. Зачем же этих двоих, как альпинистов, отправили на орбиту в связке?

Оказывается, это был уже второй эксперимент с привязным спутником: за полгода до него подобный эксперимент проводился во время полета многоразового космического корабля "Спейс шаттл". Тогда небольшой спутник был спущен на тросе из грузового отсека шаттла в сторону земной поверхности, но трос перекрутился и оборвался. Целью того эксперимента была проверка идеи о возможности получать электричество от проводника, движущегося в ионосфере Земли. Хотя эксперимент не удалось довести до конца, электрический ток в проводнике удалось зафиксировать, причем даже больший, чем предсказывали теоретические оценки до полета.

Эксперимент со спутниками "Ральф" и "Нортон" предприняли для изучения динамики и жизнеспособности связанных систем. Все это звенья большой программы по разработке орбитальных систем, способных вырабатывать электричество без солнечных батарей и маневрировать без ракетных двигателей. Солнечные батареи, как известно, быстро стареют под действием солнечной радиации, да и весят немало. К тому же они усложняют конструкцию космических станций и мешают маневрам транспортных аппаратов вблизи них. Поэтому поиски альтернативных источников электричества - насущная задача для космонавтики.

А изменение орбиты без затрат топлива - это ли не мечта космического инженера. На первый взгляд это кажется невозможным, все равно что вытаскивать себя за волосы из болота. Однако это не так: два связанных космических аппарата, используя лишь электродвигатель для изменения длины соединяющего их троса, могут двигаться в гравитационном поле планеты по раскручивающейся или сжимающейся спиралеобразной орбите. Используя солнечную энергию как источник электричества и не потратив ни капли топлива, такая связка из двух аппаратов может поднять свою орбиту от низкой околоземной до геостационарной и даже до лунной!

Однако научиться управлять орбитальными маневрами связанной системы - непростое дело. Двигаясь по относительно низкой орбите, связка спутников испытывает весьма мощное приливное влияние Земли, вызывающее колебания системы с периодом 50 минут (половина орбитального периода). Предварительные расчеты указывали, что связывающий спутники трос должен изгибаться при этом на 30 градусов. Для проверки теоретического прогноза систему спутников "Ральф-Нортон" наблюдали с Земли с помощью телескопа. Полученные изображения подтвердили расчет: длинный трос действительно периодически изгибался согласно предсказанию. Если захотите подробно узнать, как космическая "гантель", используя приливный эффект, может маневрировать на орбите, загляните в замечательную книгу Белецкого ("Очерки о движении космических тел". - М.: Наука, 1972, 1977).

Владимир Георгиевич Сурдин, 2002 год