На главнуюНаписать намenglish version
Космическое зеркало
Николай Шпаковский

25 октября 2002
Почему потерпел неудачу космический проект «Знамя 2» «космическое зеркало»? Как повысить надежность раскрытия гибких оболочек в условиях невесомости?

Космическое зеркало, отражающие лучи Солнца на ночную сторону нашей планеты, один из впечатляющих космических проектов. В 1993 году корабль «Прогресс M-15» вывел на орбиту 20-ти метровое пленочное зеркало (проект «Знамя 2»). Зеркало раскрылось и дало световое пятно, примерно равное по силе одной полной луне. Огромный солнечный зайчик скользнул над закрытой облаками Европой, где его увидели только астрономы, сидящие на вершинах горных Альп.
Проект «Знамя 2.5» был на голову выше предшественника. Зеркало должно было восприниматься с Земли как 5-10 полных лун и образовывало след около 7 км в диаметре, которым можно было управлять, подолгу удерживая его на одном месте.
Смятое зеркало
Солнечное зеркало это слегка вогнутая оболочка диаметром 25 м, выполненная из тонкой пленки с зеркальной поверхностью, которая крепится по периметру станции. Оболочка раскрывается и удерживается в раскрытом положении центробежными силами. 
Однако проект потерпел неудачу. В начале раскрытия оболочка зацепилась за антенну. Космический корабль «Прогресс М-40» был спущен с орбиты и затоплен в океане.

Интересно взглянуть на эту ситуацию с позиций ТРИЗ. Почему, собственно, не раскрылась оболочка? Все ли было предусмотрено для того, чтобы она раскрылась? И как сделать так, чтобы такие оболочки раскрывались в различных условиях? Ведь похожих конструкций великое множество, и не всегда можно обеспечить такие условия раскрытия, как для солнечного зеркала.
Закономерна ли эта неудача? В принципе, с точки зрения традиционного проектирования все правильно. Прототип оболочки купол парашюта. В космосе нет встречного потока воздуха, поэтому для раскрытия оболочки использованы силы инерции, возникающие при вращении космической станции. Нормально раскрылась первая оболочка «Знамя 2». Кроме того, есть хороший аналог проекты космических кораблей с солнечным парусом, в которых парус раскрывается и удерживается центробежной силой, возникающей при вращении корабля.
С точки зрения ТРИЗ тоже, вроде, все в порядке. Соблюдено основное требование идеальности: оболочка сама, без дополнительных приспособлений, отходит от станции, раскрывается и удерживается в раскрытом положении.
Однако это не сработало. Станция начала вращаться, оболочка стала отходить от нее и зацепилась за антенну. Конечно, можно посетовать на антенну. Парашютисты тщательно убирают с одежды, шлема и обуви всевозможные пряжки, крючки, подковки все, за что может зацепиться парашют при раскрытии. Однако, космическая станция дело дорогое, серьезное и должна решать за один полет много различных задач. Трудно убрать с поверхности станции все приспособления, необходимые для других целей. В таких условиях один неосторожный толчок двигателя и сила инерции бросит расправляющуюся оболочку назад, на антенну.

Давайте попробуем решить эту задачу при помощи ТРИЗ. Найдем способ, как раскрыть нашу оболочку, не убирая торчащие на поверхности станции антенны и другие предметы. К сожалению, придется руководствоваться только опубликованной информацией, поэтому будем сами домысливать такие важные «мелочи», как конструкция удерживающих оболочку устройств, замков и т. п. Или зачем нужны радиальные щели в оболочке? Таким образом, имеем: сложенная и закрепленная вокруг станции оболочка удерживается, например, несколькими гибкими лентами с замками (a).
Вспомним один из основных законов ТРИЗ закон согласования взаимодействия частей ТС и попробуем в соответствии с ним построить «желаемую технологию» раскрытия оболочки.
Процесс раскрытия четко разделяется на два этапа. Первый этап начало вращения станции, открытие замков и отход оболочки от ее поверхности (b). Второй этап распрямление складок оболочки, ее окончательное натяжение и удерживание в раскрытом состоянии (с).



Очевидно, что наиболее сложен первый этап раскрытия. Поскольку вся масса сложенной оболочки располагается возле оси вращения, центробежные силы в этот момент сравнительно малы, а работу им предстоит проделать большую. В тоже время здесь есть определенные требования и к последовательности раскрытия оболочки. Лучше, чтобы оболочка начала раскрываться не сразу по всему объему, а от центра к краям, быстро удаляясь от станции в свободную от торчащих антенн зону компактной торообразной упаковкой, а не беспорядочной грудой.
Дальнейшее натяжение раскрытой оболочки не вызывает сложностей, поскольку в это время она находится уже далеко от «человеческого фактора». Здесь можно обойтись и центробежными силами.
Таким образом, мы получаем важное требование к процессу раскрытия: «раскрытая внутренняя часть оболочки должна быть постоянно натянута».
Каким образом можно добиться такой последовательности раскрытия оболочки? Скорее всего, при укладке перед полетом она складывается «гармошкой». И раскрывается по всему объему после открытия замков. 
 

Предложение 1. Можно оставить насколько складок, прилегающих к станции, свободными, а остальные скрепить между собой непрочными разрывными нитями или лентами. Тогда под действием окружного растягивающего усилия сначала раскроются складки, находящиеся возле поверхности станции, и прилегающая к станции часть полотна натянется. Только затем разорвутся скрепы периферийной части оболочки, и начнется ее окончательное раскрытие.

 

Как мы можем ускорить раскрытие оболочки на первом этапе?
Очевидно, что можно или увеличить частоту вращения станции, или увеличить массу оболочки. Однако таскать лишний груз это не самое идеальное решение. Сначала раскрутить станцию побыстрее, а потом открыть замки... А что, если разместить под сложенной оболочкой кольцевой заряд взрывчатки, освободить оболочку от замков и взорвать заряд! Или по наружному периметру оболочки установить маленькие реактивные двигатели....
Что-то обязательно разлетится, ведь толщина оболочки всего 7 микрон.
Метод проб и ошибок в чистом виде. Нет уж, лучше продолжим анализ задачи при помощи ТРИЗ.

Какие требования в этом случае возникают к массе оболочки?

  • С одной стороны, оболочка должна быть тяжелой, чтобы быстро раскрыться и отойти от станции.
  • В то же время, оболочка должна быть легкой, чтобы не возникали чрезмерные нагрузки от центробежных сил.

 

Это противоречие можно разрешить следующим образом. Пускай оболочка будет тяжелой на первом этапе раскрытия, а легкой все остальное время. Вернее, раскрывающее усилие на первом этапе должно быть большим, а далее оно может быть гораздо меньшим, достаточным только для того, чтобы развернуть и натянуть оболочку.
Какие у нас есть ресурсы?
Из веществ: оболочка, космическая станция, вакуум, оставшийся в оболочке при ее укладке воздух (если ее не вакуумизируют при укладке).
Из полей: электрическое, магнитное, световое поле Солнца, тепловое поле, солнечный ветер. Причем характеристики большинства полей могут изменяться в очень широких пределах поворотом станции относительно Солнца.
Время: сколько угодно времени до конфликта, в том числе и время подготовки станции на Земле.
Нарисуем абстрактную модель проблемы. В2 станция. Это инструмент. В1 сложенная оболочка. Это изделие. В2 действует на В1 посредством механического поля, вызванного силами инерции Пинер. Действие недостаточное.


Что нам рекомендуют стандарты? Ввести еще какое-то вещество и поле для управления этим веществом.
Например, добавить при изготовлении оболочки ферромагнитные частицы. Тогда при раскрытии оболочки можно воздействовать на нее кольцевым электромагнитом, расположенным по периметру корпуса станции. Однако, необходимо дополнительно вводить электромагнит, что снижает идеальность системы.
Добавить к одному из взаимодействующих веществ еще какое-то вещество.
В1 станция. Космическая станция это большая емкость с воздухом внутри. Следовательно, второе вещество уже есть. Надо только его использовать. 
 

Предложение 2. Мы можем обеспечить быстрое удаление оболочки от станции на длину нескрепленных складок, используя энергию сжатого воздуха, подаваемого под сложенную оболочку. Причем, в отличие от взрыва кольцевого заряда, величину воздействия можно легко регулировать.

 

Переход к капиллярно-пористому веществу. Выполнить оболочку капиллярно-пористой. 

 

Предложение 3. Например, вклеить в ткань оболочки зеркала тонкие трубочки и подать в них при открытии сжатый воздух. Оболочка практически мгновенно и с большим усилием превратится в плоскость.

 

Что касается возможных зацепов полотнища оболочки при ее раскрытии, то возникает следующее противоречие.

  • Оболочка не должна задерживаться зацепом.
  • По условиям раскрытия оболочка может входить с ним в контакт.


Конечно, было бы идеально устранить условия, вызывающие зацеп оболочки. Но, коль скоро мы не можем исключить такой вероятности, необходимо сделать так, чтобы зацепившаяся оболочка легко отцепилась. Как можно разрешить такое противоречие?
Во-первых, во времени. На первом этапе раскрытия, когда вероятность зацепа велика, раскрывающая сила должна быть достаточно большой для того, чтобы гарантированно вырвать кусок материала оболочки в месте зацепа. Все остальное время сила может быть сравнительно небольшой, достаточной только для нормального раскрытия и натяжения раскрытой оболочки.
Это достигается тем, что на первой фазе раскрытия вводятся дополнительные силы (Предложения 2 и 3), помогающие окружной центробежной силе.
Во-вторых, в пространстве. Для этого используем ресурс: материал оболочки. Можно сформулировать следующее требование к нему. Пусть оболочка в непосредственной близости от станции будет иметь жесткую поверхность, а при достаточном удалении от станции поверхность пусть становится гибкой, эластичной. 

 

Предложение 4. Периферийная часть оболочки отходит от станции в виде компактной тороидальной упаковки. Можно расположить сложенную оболочку внутри открытого снизу жесткого тонкостенного корпуса. Поскольку при раскрытии окружность сложенной оболочки постоянно увеличивается, то корпус должен быть гофрированным и растягиваться подобно гармошке или быть выполненным из нескольких секций, перемещающихся относительно друг друга. Применение такого корпуса хорошо предохраняет сложенную оболочку от зацепов и позволяет сохранить ее компактную форму без всяких склеек и связок.

 

Скорее всего, оболочка имеет равную прочность во всех направлениях. Это оправдано для той ее части, которая расположена сравнительно далеко от станции. В тоже время, для центральной части оболочки налицо противоречивые требования к ее материалу: 

  • С одной стороны, оболочка должна быть непрочной, чтобы разорваться и отцепиться при зацепе.
  • В то же время, оболочка должна быть прочной, чтобы не разрушаться при раскрытии и в рабочем положении.


Для удовлетворения этим противоречивым требованиям материал центральной части оболочки можно структурировать.
 

Предложение 5. Радиальные нити должны быть сравнительно прочными, чтобы обеспечить надежное крепление оболочки к корпусу станции. Перпендикулярные им тангенциальные нити должны быть непрочными, чтобы легко разрываться при зацепе. Для того, чтобы окружные силы не разорвали оболочку в месте стыка ее центральной и периферийной частей, можно усилить ее в этом месте кольцевой лентой.

 

В принципе, поскольку площадь центральной части оболочки сравнительно невелика, можно вообще удалить тангенциальные нити.

 

Предложение 6. Выполнить оболочку в форме широкого кольца, которое прикреплено к корпусу станции лентами или тросами. При укладке оболочки такие ленты легко сложить, например, гармошкой, подобно стропам парашюта. Каждую сложенную ленту можно спрятать внутрь чехла, прикрепленного к оболочке. Это обеспечит более организованное раскрытие центральной части оболочки и устранение зацепов.

 

Таким образом, мы получили ряд предложений, на основе которых можно составить концепцию финального решения, наши предложения специалистам.
 

Финальная концепция решения. При вероятном контакте оболочки с зацепами эффективным представляется объединение предложений 3, 5 и 6.
Вместо тросов и кольцевого усиления, расположенных в средней части оболочки, лучше установить тонкие прочные трубочки. Если подать в них сжатый воздух, то мы практически мгновенно получим жесткий каркас, обеспечивающий быстрое раскрытие оболочки на первом этапе.
Для того, чтобы удержать оболочку в сложенном, компактном состоянии до полного расправления ее средней части, нужно объединить предложения 1 и 3.
Выполнить каждый из удерживающих оболочку скрепов в виде охватывающих ее с боков двух трубочек, закрытых с торцов и соединенных с остальным каркасом. Концы трубочек соединяются непрочной разрывной лентой или нитью. После полного расправления каркаса средней части оболочки сжатый воздух начинает поступать в трубочки скрепов. Они с большим усилием распрямляются, разрывая ленты и освобождая оболочку. Предложение 2 частично реализовано за счет применения сжатого воздуха.

 

Усиление решения. Если же контакта отходящей от станции оболочки с зацепами все-таки не избежать, то целесообразно дополнительно использовать предложение 4. Сложенная оболочка помещается в жесткий многосекционный тонкостенный корпус, который сбрасывается после ее полного раскрытия.

 

Несомненно, пользуясь только открытыми источниками информации, мы многое упустили из виду. Но надеюсь, что эта попытка анализа будет в определенной степени полезна конструкторам космических зеркал, да и не только им. Конечно же, при следующей попытке все промахи будут устранены, и мы увидим рукотворное солнце в ночном небе.


Статья была напечатана в Американском ТРИЗ-журнале. 
 

Вторая формула ТРИЗ / Семинар по обмену опытом (ТРИЗ коллоквиум №2) / Семинар по обмену опытом (ТРИЗ коллоквиум №1) / Эволюция технологий обработки почвы / Нари, нари, генари... / ТРИЗ и Six Sigma – друзья или соперники?  / Использование метода ФСА+ТРИЗ для совершенствования очесывающего зерноуборочного устройства / Беда в Мексиканском заливе (продолжение) / Беда в Мексиканском заливе / Этажи ТРИЗ / Алгоритм работы с изобретательскими проектами / История Галльской жатки  / Эмоциональная Toyota  / Безразмерные кроссовки / Переход на микроуровень одна из основных тенденций развития дисплея  / Преобразование структурно подобных элементов технических систем  / «Медный Всадник»  / ТРИЗ-приемы для арт-композиции / Человек и Техническая Система (часть II)
Идеи и решения / Инструменты и методы / Решённые задачи / Старые и новые байки / Эволюция
Алгоритмы решения задач / Деревья эволюции / Идеальный конечный результат / Приемы Альтшуллера / Противоречие / Ресурсы / Физические эффекты / ...
Автомобили / Безопасность / Дисплеи / Материалы с особыми свойствами / Медицина / Приятные мелочи / Юзабилити / ...
Обзорный семинар по ТРИЗ / Семинар «Прогнозирование как метод управления бизнесом» / Семинар «Технология обхода патентов»

Copyright © 2002-2019 «Генератор»
Авторы сайта Н.Шпаковский, Е.Новицкая