Способ электродинамического взаимодействия с магнитоплазменной околопланетной средой и электродинамическая тросовая система для его осуществления

 

Использование: в космической технике, в частности в космических электродинамических тросовых системах (ЭДТС), взаимодействие которых с околопланетными магнитным полем и плазмой может быть использовано для получения электроэнергии на борту космического объекта (КО) и для управления орбитальным и относительным движением КО. ЭДТС содержит центральный КО 5 и периферийные КО 3 (верхний) и 4 (нижний) - связанные с КО 5 ветвями 1 и 2 гибкой структуры, включающей в себя электропроводные элементы (ЭПЭ), которые образуют двухпроводную токовую линию в ветви 2 и однопроводную токовую линию в ветви 1. На верхнем конце ветви 2 размещен источник питания (СГТУ) 14 и первый плазменный контактор (ПК), например - в виде радиаторных поверхностей 9, 10 энергоустановки; второй 11 и третий 12 ПК установлены, соответственно, в районе соединения ветвей 2 и 1 с КО 5 и на нижнем конце ветви 1. Источник питания (14), ПК (9, 10, 11, 12) и бортовые потребители КО 5 снабжены электрокоммутационной системой и системой управления ПК. При переводе части ПК в эмиттерный, а части - в коллекторный режимы и соответствующей коммутации ПК, ЭПЭ, источника питания и бортовых потребителей - образуются различные схемы электрических цепей, замыкаемых через околопланетную плазму посредством ПК. Регулируя параметры данных цепей, обеспечивают протекание в них токов требуемой величины и направления, за счет чего осуществляют энергопитание бортовых потребителей и/или управление относительным и орбитальным движением КО 5 и связанных с ним периферийных КО 3 и 4. В данной ЭДТС может быть реализовано порядка 30 различных режимов электродинамического взаимодействия с магнитно-плазменной околопланетной средой: двигательного, генераторного и комбинированного типов, при этом обеспечивается частичное или полное дублирование (резервирование) работы ЭДТС в режимах основных типов. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 17 ил.

Изобретение относится к космической технике, в частности к космическим тросовым системам, взаимодействующим с магнитным полем планеты и околопланетной плазмой при движении по орбите вокруг планеты. Взаимодействие таких систем с ионосферной средой может быть использовано для получения электроэнергии на борту космического объекта /КО/ и для управления орбитальным и относительным движением КО.

Из уровня техники известны способы электродинамического взаимодействия КО с ионосферно/магнитосферной средой и соответствующие средства для этого, в частности электродинамические тросовые системы /ЭДТС/, работающие в режиме "орбитального электрогенератора" или "орбитального электродвигателя" [1] В первом из указанных режимов взаимодействие осуществляется путем развертывания электропроводящего элемента /ЭПЭ/ с борта КО в направлении, соответствующем пересечению ЭПЭ силовых линий магнитного поля планеты при его движении по орбите и наведению вдоль этого ЭПЭ электродвижущей силы /ЭДС/.

где индукция магнитного поля планеты; скорость движения КО с ЭПЭ по орбите вокруг планеты; вектор направления развертывания ЭПЭ с длиной 1.

При этом в районе концов ЭПЭ создаются области пониженного контактного сопротивления, в которых происходит эффективный зарядообмен между ЭПЭ и окружающей плазмой и тем самым формируется замкнутая токовая цепь ЭПЭ. При последовательном включении в эту цепь бортовой нагрузки через нее будет протекать генераторный ток и вырабатываться необходимая электрическая мощность. Энергия /высота/ орбиты КО в данном режиме будет снижаться.

Во втором /"двигательном"/ режиме взаимодействие носит обращенный характер: в тех же условиях развертывания ЭПЭ, в его замкнутую токовую цепь дополнительно включается бортовой источник электроэнергии с напряжением ε_и действующим против наведенной ЭДС и превышает по величине эту ЭДС: ε_и > ε (2) вследствие чего ток меняет направление, и возникает "ускоряющая" распределенная нагрузка на ЭПЭ.

где ток I вдоль ЭПЭ определяется действующим напряжением ε_и - ε и полным сопротивлением цепи: собственным сопротивлением ЭПЭ, сопротивлением плазменного участка цепи /суммарным импедансом областей пониженного контактного сопротивления/, внутренним сопротивлением бортового источника и/или нагрузки /если последняя подключена к цепи или "обращена" в источник напряжения/. Энергия /высота/ орбиты КО в данном режиме будет увеличиваться.

В обоих режимах области пониженного контактного сопротивления создаются пассивными или, преимущественно, активными средствами, известными как плазменные, контакторы /ПК/. Пассивный ПК представляет собой коллектор тепловых электронов ионосферной плазмы, который должен иметь достаточно большую внешнюю поверхность /больше 100 м²/, чтобы обеспечить протекание по цепи ЭПЭ токов примерно 1.10 А. Активный ПК генерирует в областях ввода концов ЭПЭ в среду повышенную плазменную концентрацию /типично примерно 10¹² см^-3 против естественной примерно 10⁶ см^-3/, интенсифицирующую зарядообмен и увеличивающую крутизну падения потенциала в указанных областях /так называемом "двойном слое"/, что ведет к снижению контактного сопротивления пропорционально уменьшению толщины "двойного слоя" /типично до примерно 50 Ом и ниже/. В качестве активных ПК исследуется термокатод, электронная пушка и различные модификации "полого катода" последние наиболее эффективны и могут работать как в режиме коллектора /К/, так и эмиттера /Э/.

Известные способы электродинамического взаимодействия с ионосферой планеты и реализующие их ЭДТС, обладают высокими характеристиками процесса преобразования механической энергии орбитального движения КО в электрическую и обратно: КПД преобразования теоретически ожидается на уровне больше 80% Вырабатываемая в генераторном режиме электрическая мощность может достигать примерно 100 кВт /для ЭПЭ длиной 10.20 км, при полете КО по орбите высотой 300.500 км вокруг Земли/. Электродинамическая тяга, при тех же длинах ЭПЭ на указанных орбитах /близких к плоскости геомагнитного экватора/ и токах в них, равных 10.50 А, составляет порядка 3.30 Н /электрическая мощность примерно 20.200 кВт/.

Недостатком известных способов и реализующих их ЭДТС являются трудносовместимые требования устойчивого непрерывного электропитания бортовой нагрузки КО и управления движением /орбитальным и относительным/ КО, поскольку в случае однопроводной токовой линии, образующей единственный замкнутый контур через ЭПЭ и плазму, генераторный и двигательный режимы ЭДТС не могут быть реализованы одновременно и, кроме того, вследствие переменности электронной концентрации плазмы и индукции геомагнитного поля вдоль орбиты КО, необходимо существенное регулирование параметров токовой цепи ЭПЭ, в частности - характеристик работы ПК, с основной токовой частотой, и с более высокими частотами для парирования локальных вариаций.

Ближайшим аналогом является способ электродинамического взаимодействия с магнитоплазменной околопланетной средой, включающий развертывание с борта космического объекта на околопланетной орбите первого электропроводящего элемента в направлении, обеспечивающем наведение вдоль этого элемента ЭДС при пересечении им магнитного поля планеты, формирование замкнутой токовой цепи путем создания в окружающей плазме областей пониженного контактного сопротивления и ввода в эти области концов первого электропроводящего элемента, изменение тока в цепи путем поочередного или одновременного последовательного подключения к первому электропроводящему элементу бортовых источника напряжения и нагрузки [2] Данный способ характеризует функционирование вышеописанной ЭДТС в генераторном и двигательном режимах. Технические достоинства способа соответствуют отмеченным выше.

Недостатками известного способа являются, как также следует из вышесказанного, ограниченные функциональные возможности и повышенная чувствительность к вариациям внешних условий.

Ближайшим аналогом в части устройства является ЭДТС, содержащая центральный космический объект с бортовым потребителем электроэнергии, связанные с центральным космическим объектом посредством гибкой структуры первый и второй периферийные космические объекты, один из которых размещен выше, а другой ниже орбиты космического объекта, электропроводящие элементы гибкой структуры, образующие однопроводную токовую линию между центральным и первым периферийным космическими объектами, источник электроэнергии, плазменные контакторы, систему управления плазменными контакторами, включающую в себя средства перевода контакторов в эмиттерный и коллекторный режимы, средства коммутации источника электроэнергии, бортового потребителя электроэнергии, плазменных контакторов и электропроводящих элементов - взаимодействующие с системой управления плазменными контакторами [3] В известном устройстве центральным КО является орбитальная станция типа Freedom, имеющая в своем составе потребителя /потребителей/ электроэнергии в виде различных целевых и вспомогательных систем. Гибкая структура содержит верхний и нижний тросы, а стыкуемые с ними периферийные КО представляют собой, например, межорбитальный буксир /OTV/ и транспортный КА /ВКС класса Space Shuttle/ соответственно размещенные выше и ниже орбиты станции. ЭПЭ выполнены в виде электрокабельных элементов, интегрированных в гибкую структуру КО и снабженных ПК для образования однопроводной токовой линии, замыкаемой через плазму. Средства перевода ПК из режима Э в режим К /и наоборот/ представляют собой регуляторы потенциала полого катода относительно невозмущенной плазмы: положительный потенциал соответствует режиму К, а отрицательный режиму Э; при этом системой управления может регулироваться также расход ионизируемой среды /ксенона/ через полый катод.

На борту орбитальной станции имеется источник электроэнергии /аккумуляторные батареи, топливные элементы, сверхпроводящие накопители и т. п. /, подключаемый к токовой цепи в двигательном режиме ЭДТС встречно наводимой в ЭПЭ ЭДС (1).

Для подзарядки данный источник может быть включен в токовую цепь в качестве нагрузки: в этом случае его напряжение должно быть ниже наводимого в ЭПЭ ε_и < ε, а ПК должны быть переведены в состояния, отвечающие генераторному режиму ЭДТС. Необходимые электротехнические функции /регулирования знаков и величин токов и напряжений в различных цепях на борту КО/ выполняются соответствующей коммутационной системой, работающей совместно с системой управления ПК.

Известная ЭДТС, регулирующая способ электродинамического взаимодействия, имеет, кроме уже отмеченных выше, то преимущество,что ее функции /в основном, генераторные/ эффективно вписаны в циклограмму обслуживания центрального КО с помощью ВКС так, что сообщаемая станции при ее обслуживании механическая энергия преобразуется в электричество посредством ЭДТС, позволяя поддерживать орбиту станции в заданных пределах. При обслуживании /с отбором у станции механической энергии/ может применяться, по крайней мере эпизодически, двигательный режим ЭДТС.

Недостатки известной ЭДТС обусловленные, в общем аспекте, единственным замкнутым токовым контуром, образуемым ЭПЭ и плазмой, дополнительно проявляются здесь в невозможности эффективного управления движением /колебаниями/ одновременно двух гибких ветвей: верхней и нижней, что может привести к большим возмущениям движения центрального /и периферийных/ КО. Электродинамическая тяга, создаваемая ЭДТС в двигательном режиме, ограничена мощностью бортового источника /накопителя/ поскольку на самом центральном КО невозможно или нежелательно размещать слишком мощную /например, ядерную/энергоустановку; кроме того, в данной системе электрически задействуется лишь одна из ветвей, при этом надежность ЭДТС невысока, т.к. не предусмотрено дублирование /резервирование/ средств образования замкнутой токовой цепи /цепей/, включающей ЭПЭ и плазму.

Технической задачей является расширение функциональных возможностей средств взаимодействия с ионосферой, в частности обеспечении гибкости и многовариантности выбора различных режимов работы ЭДТС при условии полного активного контроля колебаний ветвей ЭПЭ; обеспечение надежного и /при необходимости/ непрерывного питания бортовой нагрузки независимо от режима работы ЭДТС /генераторного, двигательного или их комбинации/, повышение мощности бортового источника электроэнергии путем снятия ограничений на месте его размещения в системе и гарантии безопасного функционирования /в т.ч. при аварийной ситуации/; увеличение эффективности генераторного и двигательного режимов взаимодействия ЭДТС с ионосферой; уменьшение возмущающего /вредного/ влияния элементов ЭДТС на центральный КО в механическом и физико-химическом отношениях, повышение надежности системы за счет введения в нее факторов дублирования и/или резервирования, создание средств взаимодействия с ионосферой повышенной синергетичности, т.е. позволяющих решить вышеперечисленные задачи с минимальным числом вновь вводимых элементов системы.

Задача решается тем, что в способе формируют первую дополнительную токовую цепь путем развертывания, аналогично первому, второго электропроводящего элемента и замыкания этим вторым элементом концов первого электропроводящего элемента, формируют вторую дополнительную токовую цепь путем развертывания 3-его электропроводящего элемента в направлении, обеспечивающем наведение вдоль этого элемента ЭДС при пересечении им магнитного поля планеты и ввода одного конца 3-го электропроводящего элемента к одной из областей пониженного контактного сопротивления 1-го электропроводящего элемента, создания в окружающей плазме дополнительной области пониженного контактного сопротивления и ввода в эту область другого конца 3-его электропроводящего элемента.

При этом, в частности, электропроводящие элементы развертывают: первый и второй в верхней ориентации, а третий в нижней ориентации относительно космического объекта.

Кроме того, в частности, третий электропроводящий элемент взаимодействует с одной из областей пониженного контактного сопротивления первого электропроводящего элемента через поочередно или одновременно бортовые источник напряжения и нагрузку.

Кроме того, в частности, изменяют (с эмиттерного на коллекторный и обратно) тип зарядообмена в областях пониженного контактного сопротивления, поддерживая один и тот же тип зарядообмена не более, чем в двух областях одновременно.

При этом, в частности, изменение тока в токовых цепях дополнительно осуществляют путем регулирования сопротивления бортовой нагрузки и/или напряжения бортового источника.

Задача решается также тем, что в ЭДТС на центральном и каждом из периферийных космических объектов установлено по меньшей мере по одному плазменному контактору, электропроводящие элементы гибкой структуры дополнительно образуют между центральным и вторым периферийным космическими объектами двухпроводную токовую линию, коммутируемую с источником электроэнергии, бортовым потребителем электроэнергии, плазменными контакторами и однопроводной токовой линией между центральным и первым периферийным космическими объектами.

Источник электроэнергии установлен на втором периферийном космическом объекте. Кроме того, источник энергии может быть выполнен в виде солнечной газотурбинной установки /СГТУ/ и размещен выше орбиты центрального космического объекта.

Энергоустановка содержит высокотемпературную и низкотемпературную радиаторные поверхности, используемые, соответственно, в качестве эмиттера и коллектора электронов плазменного контактора, установленного на 2-ом периферийном космическом объекте, а средства перевода этого контактора в эмиттерный и коллекторный режимы выполнены в виде устройства избирательного подключения электропроводящих элементов двухпроводной токовой линии к радиаторным поверхностям энергоустановки.

Гибкая структура соединена с центральным космическим объектом через выносной элемент, шарнирно связанный с этим космическим объектом, причем, соответствующий плазменный контактор установлен на конце выносного элемента, удаленном от центрального космического объекта.

На фиг. 1 представлена схема электродинамической тросовой системы; на фиг. 2 схематично состояние ЭДТС в основном генераторном режиме; на фиг. 3 - схематично состояние ЭДТС в основном двигательном режиме; на фиг. 4 - схематично одно из возможных состояний ЭДТС в комбинированном /генераторно/двигательном/ режиме; на фиг. 5 одна из возможных схем электрокоммутации основных элементов ЭДТС, выполненной в варианте, показанном на фиг. 1; на фиг. 6-8 варианты коммутации бортовых цепей, согласно фиг. 5, для трех основных типов активного подключения ПК предлагаемой ЭДТС: одного симметричного /фиг. 6/ и двух асимметричных /фиг. 7, 8/; на фиг. 9-11 ЭС для соответствующих типов активного подключения ПК по фиг. 6-8; на фиг. 12-14 - общие диаграммы замкнутых токовых цепей, формирующихся в ЭПЭ и плазме, соответственно для каждого из трех типов активного подключения ПК на фиг. 6-8; на фиг. 15 основные электротехнические характеристики комбинированного /фиг. 4, 12/ режима ЭДТС для некоторого частного варианта реализации системы, при r₁ равном 50 Ом; на фиг. 16 представлены характеристики основного двигательного /фиг. 3/ режима ЭДТС в некотором частном варианте, в соответствии с фиг. 14 /I_э II_к III_к/; на фиг. 17 - характеристики основного генераторного /фиг. 2/ режима ЭДТС в некотором частном варианте, в соответствии с фиг. 14 /I_к II_э III_э/.

Электродинамическая тросовая система состоит из токопроводящих тросов 1 и 2, на концах которых укреплены верхний 3 и нижний 4 периферийные космические объекты /КО/.

Центральный КО 5 связан с периферийным КО 3 /верхним/ и 4 /нижним/ гибкой структурой, обеспечивающей механическое взаимодействие основной части КО 5 с верхним 2 и нижним 1 гибкими токопроводящими тросами, например, через выносной элемент 6 /ферменную балку/ со служебным модулем 7 на одном конце и шарнирной опорой 8 на другом конце. Служебный модуль 7 содержит узел подвеса гибкой структуры с соответствующими направляющими и демпфирующими устройствами, а также средствами развертывания/свертывания гибкой структуры, на этом модуле также установлены элементы коммутационной системы управления плазменного контактора /ПК/. Опора 8 содержит, например, шарнирный трехстепенный подвес с приводом ориентации выносного элемента 6 относительно основной части КО 5.

На внешнем /верхнем/ конце гибкой ветви 2 закреплен модуль солнечной газотурбинной установки /СГТУ/, либо другой источник энергии с высокотемпературной 9 и низкотемпературной 10 радиаторными поверхностями. Здесь же размещены элементы системы управления ПК и коммутационной системы. Высокотемпературная поверхность 9 выполнена из жаростойкого материала с покрытием, обеспечивающим достаточно низкую работу выхода электронов /порядка 1,5.2 эВ/ для того, чтобы высокие эмиссионные токи /порядка 10.100 А/ при характерных температурах порядка 1000 К. Низкотемпературная поверхность выполнена достаточно большой площади /гораздо больше 100 м²/ в виде плоской, овально-цилиндрической /конической/ или иной уплощенной оболочки, вытянутой своим максимальным диаметром вдоль направления полета для уменьшения аэродинамического сопротивления.

Верхняя гибкая ветвь 2 выполнена в виде кабель-троса, имеющего двухпроводную линию, например, из N изолированных ЭПЭ, из которых m используются для электрического тока одного направления /I₁/, а k для тока противоположного направления /I₂/, причем m + k N_и, вообще говоря, I₁≠I₂, так что суммарный ток в ветви 12: I₁₂ I₁ I₂≠0.

Ветвь 1 выполнена в виде кабель-троса с однопроводной линией из одного или нескольких изолированных ЭПЭ. В этой ветви протекает ток I_н какого-либо одного направления.

На служебном модуле 7 установлен ПК 11, например, в виде двухрежимного Э/К/ полого катода или одной из его модификаций. На нижнем периферийном КО 4 установлен аналогичный ПК 12, а также элементы системы коммутации и управления ПК. В местах установки ПК 11 и 12 предусмотрены емкости с запасом рабочего тела /например, ксенона/ для работы ПК, а также необходимые средства регулирования расхода рабочего тела через ПК для изменения параметров ОПКС II и III.

Бортовые потребители /"нагрузка" 13 на центральном КО 5 могут подключаться к энергоустановке 14 посредством контактов 15. Контактная группа 16 служит для коммутации ПК 11, 12 нагрузки 13 и двупроводной линии /ветви/ 2. СГТУ 14 подключается к линии 2 эмиттера 9 или коллекторного 10 верхних ПК. Контакты 19 служат для подключения к системе нагрузки 13. При необходимости, могут быть предусмотрены средства изменения полярности /не показаны/ при подключении нагрузки 13 и СГТУ 14 к системе через контакты 17 и 19.

СГТУ 14 выполнена с обеспечением на ее выходе постоянного напряжения ε_и величина /и полярность/ которого могут регулироваться известными средствами, которые считаются включенными в состав самой энергоустановки.

Работа описанной ЭДТС, при реализации способа согласно изобретению, осуществляется следующим образом.

На околопланетную орбиту выводится центральный КО 5 /например, ОКС "МИР"/. Остальные элементы ЭДТС могут быть выведены вместе с КО 5, либо доставлены впоследствии грузовым КА и пристыкованы к основной части с помощью штатных стыковочных устройств, при этом элементы 2 -12 системы, после стыковки опоры 8 с основной частью КО 5, развертываются из транспортного положения в рабочее: периферийные КО 3 и 4 разводятся вдоль местной вертикали при постепенном выпуске, с помощью лебедок, кабель-тросов 2, 1, источник энергии приводится в рабочее состояние. После развертывания ЭДТС гасятся остальные динамические возмущения и активизируются соответствующие подсистемы /подсистемы управления, коммутации, энергопитания и т.д. размещенные на основной части и служебном модуле 7, сопрягаются через стыковочные электроразъемные опоры 8 станции; сопряжение с модулем 7 осуществляется по кабелю, проложенному в выносном элементе 6/.

В зависимости от конкретных условий полета и задач, решаемых КО 5, основная часть может быть ориентирована относительно гибкой структуры /2-1/ различным образом, в частности "поперечно" или "вдоль" /пунктирное изображение на фиг. 1/. Нежелательные динамические воздействия со стороны гибкой структуры на основную часть сводятся к минимуму за счет демпфирующих средств на модуле 7, диссипативных свойств конструкции 6 и соответствующего управления приводом подвеса опоры 8.

Типичные случаи взаимодействия ЭДТС с внешним магнитным полем В наглядно показаны на фиг. 2-4 /силовые линии этого поля, условно, выходят из плоскости чертежа/.

В основном генераторном режиме /I_к II_к III_э или I_к II_э III_э/ токи I₁₂ и I_н в верхней и нижней ветвях продолжаются наведенной ЭДС (1) и, возможно, дополнительным подключением к цепи источника энергии, например, по схеме фиг. 8. Лоренцевы распределенные нагрузки (3) в данном случае являются тормозящими /фиг. 2/, и при ощутимой их величине гибкая структура может выполнять функции стабилизатора КО 5 /ориентированного "поперечно"/. ПК 11 на модуле 7 расположены позади КО 5 так, что основные системы КО 5 не подвержены возмущениям со стороны ОПКС этого ПК, что может иметь важное значение при проведении некоторых тонких экспериментов на борту.

В основном двигательном режиме /фиг. 3/, который соответствует типам коммутации ПК: I_э II_к III_к или I_э II_э III_к I₁₂ и I_н имеют направление, противоположное предыдущему. Двигательный режим реализуется при включении в цепь источника напряжения 9, например по схеме фиг. 7. Лоренцевы распределительные нагрузки (3) в данном случае являются ускоряющими, и вновь гибкая структура может, дополнительно, выполнять функции стабилизатора КО 5; впрочем, если воздействие ОПКС ПК 11 /на модуле 7/ на КО 5 нежелательно, то "задняя поперечная" ориентация КО 5 /фиг. 3/ может быть заменена на какую-либо другую, что не вызовет принципиальных трудностей, т.к. действующий со стороны гибкой структуры электродинамические силы относительно невелики.

Комбинированный /"симметричный"/ режим работы ЭДТС /фиг. 4/ является одной из отличительных особенностей предлагаемого изобретения. В этом режиме /I_э II_к III_э или I_к II_э III_к/ токи I₁₂ и I_н текут во взаимнопротивоположных направлениях и создают распределенные нагрузки /3/ различного типа/. Данный режим может использоваться, наряду и попеременно, с остальными режимами, в частности для стабилизации /демпфирования "раскачки"/ ветвей гибкой структуры, причем стабилизация каждой из ветвей может производиться независимо от другой. Одна из возможных схем коммутации для этого режима показана на фиг. 6. На ориентацию КО 5 не накладывается каких-либо специальных ограничений.

При работе ЭДТС может быть реализован весьма широкий спектр режимов.

Для того, чтобы убедиться в этом, предварительно введем следующие обозначения: состояние верхней /В/ и нижней /Н/ ветвей будем обозначать как "Г" /генераторный режим, "Д" /двигательный режим/ и "О" /отсутствие тока в ветви/.

Таким образом, например, для состояний ЭДТС на фиг. 2, 4, 3 будет иметь соответственно:
Каждое состояние соответствует определенной коммутации /режима/ ПК и направлению токов I₁₂ и I_м в ветвях.

Согласно принятым обозначениям, все активные режимы работы ЭДТС следующие:

При этом в любом генераторном режиме источник энергии 14 может быть либо подключен к нагрузке 13 /фиг. 5/, либо отключен от нее. В любом двигательном режиме нагрузка 13 либо подключена к цепи, либо отключена. Крое того, в двигательном режиме СГТУ 14 может быть включена либо только в "двигательную" цепь, либо также и в нагрузку 13. В генераторном режиме нагрузка 13 подключена либо только к "генераторной" цепи, либо также и к СГТУ 14. Имеется еще и пассивный режим: I₀ II₀ III₀ /B+H/O/, в котором источник энергии 14 либо питает нагрузку 13, либо нет.

Исходя из этого, можно подсчитать, что в ЭДТС реализуется более 30 рабочих режимов, которые могут выбираться и комбинироваться практически в любой временной последовательности /учитывая медленный с периодом порядка 500 с характер либрационных колебаний ветвей ЭДТС/. Очевидно также обеспечение много кратного дублирования /резервирования/ системы в отношении каждого из основных режимов ("Д" и "Г").

Таким образом, введение одного дополнительного /третьего/ ПК позволила, тем не менее, качественно повысить гибкость, надежность и синергичность функционирования системы. Этому также значительно содействует наличие двухпроводной, токовой линии в ветви 2 /фиг. 1, 5/ и удельной мощной энергоустановки 14, подключаемой к данной линии.

Для более наглядной иллюстрации достигаемого технического результата ниже рассматриваются, на типичном примере, некоторые частотные случаи реализации предлагаемого изобретения.

Симметричные режимы образования замкнутых токовых цепей в плазме /I_э II_к III_э и I_к II_э III_к/, схематично показанные на фиг. 12, обеспечиваются коммутацией бортовых элементов ЭДТС согласно фиг. 6. Соответствующая эквивалентная электросхема представлена на фиг. 9, где приняты во внимание сопротивления верхней двухпроводной линии 2 (2·r_в), нижней однопроводной линии 1 /r_н/, нагрузки 13 /r_н/, плазменного участка между ОПСК 1 и II / / и плазменного участка между ОПСК II и III / /. Наводимые ЭДС (1) для верхней линии 2 суть ε_в а для нижней линии 1 - ε_н напряжение источника суть ε_и Вдоль участка "ае" течет ток I₁; вдоль "fg" ток I₂; вдоль "fb" /через плазму/ течет суммарный ток I₁₂=I₁ - I₂; вдоль участка "cd" /через плазму и нижнюю ветвь 1/ ток I_н; через нагрузку /r₄/ течет ток нагрузки I₄.

Из условий баланса токов и потенциалов в узлах ЭС на фиг. 9 могут быть найдены интересующие электротехнические характеристики ЭДТС в рассматриваемом режиме. Характерный пример представлен графиками на фиг.15, где по левой ординате отложены величины токов в ЭПЭ, а по правой ординате полное сопротивление /фиг. 12/ замкнутой токовой цепи нижнего ЭПЭ /13/. Зависимости токов I₁, I₂, I₁₂, I_н и сопротивления даны по отношению к величине сопротивления плазменного участка верхней ветви 2 ЭДТС /ось абсцис/.

Здесь и далее, для определенности, рассматривается ЭДТС со следующими параметрами:
Длина верхней ветви (2) 2 км
Длина нижней ветви (1) 10 км
Погонное электросопротивление ЭПЭ /любой однопроводной линии/ 2,5 Ом/км
Наводимые удельные ЭДС 200 В/км
В соответствии с этим имеем:
r_в 5 Ом, r_н 25 Ом, ε_в = 400 B, ε_н = 2000 B.
Параметры r_н и ε_и переменные и могут рассматриваться как управляющие /в частности, регулируемые импедансы ПК: и т.п. могут быть факторами стабилизации токов и напряжений в цепях/.

Возвращаясь к комбинированному режиму работы ЭДТС /фиг. 15/, отметим, что в данном конкретном случае принято постоянное значение сопротивления нагрузки /13/ r_н равное 50 Ом и ряд фиксированных значений мощности /P₄ I²_L · r₄/, питающей нагрузку при постоянных напряжениях источника / ε_и равно 2200. 2800 В/. Принято также равенство величин токов в верхней /I₁₂/ и нижней /I_н/ ветвях ЭДТС, что дает приблизительно одинаковую эффективность гашения колебательных возмущений периферийных КО 3 и 4 /фиг. 2/. Все принятые выше допущения, разумеется, не являются необходимыми, а только иллюстративными.

Из фиг. 15 видно, что "управляющие" токи I₁₂, равные I_н, заметно меньше "порождающих" токов I₁ и I₂ /жирные линии I₁ и I₂ отвечают случаю: ε_и равно 2800 В; P₄ равно 150 кВт/. Снижение последних /пунктирные линии I₁ и I₂ при ε_и равно 2200 В, Р₄ равно 100 кВт/ ограничено совершенством ПК. Так, если порядка 50 Ом, то величина r₃ не меньше 75 Ом, и последний случай /2200 В/100 кВт/ практически не проходит как показывает соответствующая характеристика r₃ (r₂) на фиг. 15. Тем не менее, практически достижимые токи I₁₂ равные I_н порядка 10.15 А вполне достаточны для "деликатного" демпфирования раскачки ветвей при обеспечении постоянного уровня энергоснабжения нагрузки 13 и при постоянном напряжении источника энергии 14. Более мощное демпфирование ветвей можно произвести, например, с использованием "полуактивных" режимов ЭДТС (5).

Асимметричные режимы образования замкнутых токовых цепей в плазме /фиг. 13 и 14/ используются, преимущественно в основных состояниях двигателя /В+Н/Д/ и генератора /В+Н/Г/. Соответствующие ЭС для примеров коммутации бортовых цепей /фиг. 7 и 8/ показаны на фиг. 10 и 11. Обозначения всех элементов ЭС и их смысл те же, что и для ЭС на фиг. 9.

При этом, в ЭС на фиг.10 вдоль ее участков текут следующие токи: "ab" - I_н; "cd" I₂; "ef" I₁; "hg" I₂; "be" - I₄; "ed" I_* I₄ I₁.

В ЭС на фиг. 11 вдоль ее участков текут токи: "gc" I_н; "bf" - I₂; "ae" I_н; "dh" I_*; "cd" и "fg" I₄.

Для ЭДТС с исходными данными /6/ характеристики основного двигательного режима: I_э II_е III_к /В+Н/Д/ показаны на фиг. 16 при следующих фиксированных параметрах:

и для различных значений r₄ /ось абсцисс/. Нагрузка 13 подключена к питанию от СГТУ 14, как и во всех остальных рассматриваемых примерах /и как это следует из схем фиг. 8 и 9/. Пунктирная кривая характеризует "традиционный" вариант ЭДТС в данном, двигательном, режиме /с подключенной нагрузкой r₄/, где следует положить: 35 Ом, ε = ε_н + ε_в 2400 В, r_в _→ r_в + r_н = 30 Ом, ε_и 4400 В и, наконец, I ≡ I^ов.

Из фиг. 16 видно, что при фиксированном напряжении ε_н имеет место более мощное ускорение системы, чем в случае обычной ЭДТС, когда сопротивление нагрузки r₄ не меньше 30.40 Ом /практически это сопротивление должно быть гораздо больше/.

Кроме того, изменение токов I_н (r₄) и I₁₂ (r₄) происходит неодинаково, что позволяет дифференциально регулировать силы, действующие на нижнюю и верхнюю ветви, путем соответствующего увеличения или уменьшения нагрузки r₄. Этим достигается стабилизация движения ветвей относительно КО 5.

Наконец, качественной особенностью данного режима является рост токов I₁₂ и I_н в обеих ветвях с ростом r₄; в обычном случае /ток I^об/ картина оказывается обратной.

Для той же схемы коммутации цепей ЭДТС /фиг. 8,9/ характеристики основного генераторного режима: I_к II_э III_э /В+Н/Г/ - показаны на фиг. 17.

При этом, соблюдается условие "пассивного включения" источника питания 14:

при котором он не расходует своей мощности, а только создает некоторое "противонапряжения" ε^*_и /первая ордината на фиг. 17/. Пунктирными кривыми вновь отмечены характеристики ЭДТС обычной схемы /при ε_и тождественно 0/.

Из фиг. 17 наглядно видна новая качественная особенность предлагаемой ЭДТС: токи /I₁₂, I_н/ и питающая нагрузку мощность / P^*_n / - заметно больше, чем в случае обычной ЭДТС хотя в обоих случаях мощность бортового источника не затрачивается /здесь ввиду I₁₂ тождественно 0; в обычном случае ввиду ε_и тождественно 0/. Таким образом, благодаря предлагаемой генераторной схеме, достигается более интенсивный отбор энергии от околопланетной среды /и более эффективное торможение КО 5/.

Заметим, что в обоих из рассмотренных выше режимов /фиг. 16 и 17/ имеются примерно одинаковые диапазоны оптимальных значений: r^o_и^pt не менее 40.60 Ом.

Формула изобретения

1. Способ электродинамического взаимодействия с магнитоплазменной околопланетной средой, включающий развертывание с борта космического объекта на околопланетной орбите, первого электропроводящего элемента в направлении, обеспечивающем наведение вдоль этого элемента электродвижущей силы при пересечении им магнитного поля планеты, формирование замкнутой токовой цепи путем создания в окружающей плазме областей пониженного контактного сопротивления и ввода в эти области концов первого электропроводящего элемента, изменение тока в цепи путем поочередного или одновременного последовательного подключения к первому электропроводящему элементу бортовых источника напряжения и нагрузки, отличающийся тем, что формируют первую дополнительную токовую цепь путем развертывания, аналогично первому, второго электропроводящего элемента и замыкания этим вторым элементом концов первого электропроводящего элемента, формируют вторую дополнительную токовую цепь путем развертывания третьего электропроводящего элемента в направлении, обеспечивающем наведение вдоль этого элемента электродвижущей силы при пересечении им магнитного поля планеты, и ввода одного конца третьего электропроводящего элемента в одну из областей пониженного контактного сопротивления первого электропроводящего элемента, создания в окружающей плазме дополнительной области пониженного контактного сопротивления и ввода в эту область другого конца третьего электропроводящего элемента.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электропроводящие элементы развертывают: первый и второй в верхней ориентации, а третий в нижней ориентации относительно космического объекта.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что третий электропроводящий элемент взаимодействует с одной из областей пониженного контактного сопротивления первого электропроводящего элемента через поочередно или одновременно бортовые источник напряжения и нагрузку.

4. Способ по любому из пп.1 3, отличающийся тем, что изменяют с эмиттерного на коллекторный и обратно тип зарядообмена в областях пониженного контактного сопротивления, поддерживая один и тот же тип зарядообмена не более чем в двух областях одновременно.

5. Способ по любому из пп.1 4, отличающийся тем, что изменение тока в токовых цепях дополнительно осуществляют путем регулирования сопротивления бортовой нагрузки и/или напряжения бортового источника.

6. Электродинамическая тросовая система, содержащая центральный космический объект с бортовым потребителем электроэнергии, связанные с центральным космическим объектом посредством гибкой структуры первый и второй периферийные космические объекты, один из которых размещен выше, а другой ниже орбиты центрального космического объекта, электропроводящие элементы гибкой структуры, образующие однопроводную токовую линию между центральным и первым периферийным космическими объектами, источник электроэнергии, плазменные контакторы, систему управления плазменными контакторами, включающую в себя средства перевода контакторов в эмиттерный и коллекторный режимы, средства коммутации источника электроэнергии, бортового потребителя электроэнергии, плазменных контакторов и электропроводящих элементов, взаимодействующие с системой управления плазменными контакторами, отличающаяся тем, что на центральном и каждом из периферийных космических объектах установлено по меньшей мере по одному плазменному контактору, электропроводящие элементы гибкой структуры между центральным и вторым периферийным космическими объектами выполнены в виде двухпроводной токовой линии, соединенной через коммутатор с источником электроэнергии, бортовым потребителем электроэнергии, плазменными контакторами и однопроводной токовой линией между центральным и первым периферийным космическими объектами.

7. Система по п.6, отличающаяся тем, что источник электроэнергии установлен на втором периферийном космическом объекте.

8. Система по пп.6 и 7, отличающаяся тем, что источник электроэнергии выполнен в виде модуля солнечной газотурбинной установки, причем второй периферийный космический объект размещен выше орбиты центрального космического объекта.

9. Система по пп.6 и 8, отличающаяся тем, что солнечная газотурбинная установка содержит высокотемпературную и низкотемпературную радиаторные поверхности, используемые соответственно в качестве эмиттера и коллектора электронов плазменного контактора, установленного на втором периферийном космическом объекте, а средства перевода этого контактора в эмиттерный и коллекторный режимы выполнены в виде устройства избирательного подключения электропроводящих элементов двухпроводной токовой линии к радиаторным поверхностям солнечной газотурбинной установки.

10. Система по любому из пп.6 9, отличающаяся тем, что гибкая структура соединена с центральным космическим объектом через выносной элемент, шарнирно связанный с этим космическим объектом, причем соответствующий плазменный контактор установлен на конце выносного элемента, удаленном от центрального космического объекта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17