Изменение формы космического аппарата для гравитационной стабилизации

Исследование началось с обсуждения простейшего опыта. Деревянная рейка была привязана к верёвке. Потом верёвка была раскручена. Цель эксперимента заключалась в выяснении вопроса о положении рейки во время вращения. Оказалось, что неподвижная рейка висит вертикально, но при раскрутке занимает горизонтальное положение. Вращение может происходить только относительно центра масс. Значит, таким способом можно найти эту точку экспериментально, а потом применить результат для космических аппаратов (КА).
При первых опытах появился вопрос о причине изменения положения вращающегося предмета. Цель заключалась в определении положения центра масс на вращающемся предмете. Современные фотоаппараты позволяют работать с маленькими выдержками. Для проверки гипотезы нужно было убедиться, что фотоаппаратом можно изучать быстрое вращение деталей. Когда рейка вращается, на ней нельзя поставить точку, но зафиксировать положение центра масс нужно. Появилось предложение применить аналог метода хроматографии. Поэтому на рейке заранее были нарисованы разноцветные линии: синяя, красная, зелёная, чёрная. На фотографии видно, рядом с какой линией находится центр масс.
Первые полученные результаты были применены для изучения движения космических аппаратов по орбитам вокруг Земли. Системы стабилизации и ориентации нужны практически во всех космических аппаратах. При изучении движения спутника по орбите нельзя применять простейшую модель об однородном поле тяжести Земли. Хотя по этой модели всё просто, вытянутый космический аппарат всегда находится в равновесии при любом повороте на орбите. Однородная модель поля тяжести предполагает, что Земля плоская и бесконечная. Если бы такая ситуация была в действительности, то об орбитах и искусственных спутниках Земли даже говорить не нужно.
Искусственные спутники существуют на орбитах из-за шарообразной формы Земли. В центральном поле тяжести Земли вектор ускорения свободного падения не имеет постоянного направления, и его величина подчиняется закону обратных квадратов – чем ближе к центру тяготения, тем больше величина силы тяжести. Появилась задача о положении космического аппарата в центральном поле Земли. В отличие от однородного поля тяжести, только одно положение предмета на орбите будет устойчивым. Оказалось, что такое положение связано с вращением конструкции вокруг центра масс, как линейки на верёвке. Действительно, при повороте центр масс остаётся неподвижным. Значит, конструкция будет двигаться подобно вращающейся рейке, но только медленно. Космический аппарат будет стремиться повернуться к устойчивому положению, но тоже очень медленно из-за малого различия в силах тяжести его частей. Если космический аппарат имеет вытянутую форму, то он повернётся вдоль силы притяжения.
Для гравитационной стабилизации нужна вытянутая форма КА. Модели вытянутых конструкций изготовлены из бумаги. В моделях учтены особенности для перспективного исследования. Главная особенность, выносимая на защиту, - это управление положением КА на орбите посредством изменения формы конструкции. В моделях предусмотрены выдвигаемые блоки по трём координатным осям. Если нужно развернуть КА на орбите определённой осью по местной вертикали, то выдвигается блок именно вдоль этой оси. КА становится удлинённым по выбранной оси и разворачивается с помощью гравитационных сил. Модели космических аппаратов изменяемой формы изготовлены из бумаги в виде удлинённого параллелепипеда и куба. Так как вращение конструкции возможно вокруг трёх координатных осей, то предусмотрены три системы выдвигаемых блоков. В модели предложены телескопические механизмы из трёх деталей, выдвигаемых из главного корпуса или убираемых в него. Выдвижение происходит в зависимости от требования развернуть космический аппарат на орбите вокруг определённой оси, не обязательно основной. Изготовленные бумажные модели были испытаны на вращение таким же способом, как и рейка. Эксперименты с вращением изготовленных моделей подтвердили правильность гипотезы о гравитационной стабилизации космического аппарата. Во время опытов выдвигались различные блоки конструкции, при этом изменялось положение КА при вращении, которое моделирует гравитационную стабилизацию и ориентацию.
Выводы.
1. Доказана возможность гравитационной стабилизации и ориентации КА.
2. Предложено изменять форму КА на орбите для управления ориентацией аппарата.
3. Изготовлены макеты космических аппаратов изменяемой формы.
4. Выполнена экспериментальная проверка гипотезы на созданных макетах.
5. Определены перспективы работы, продолжается поиск рациональных форм КА.
Перспектива работы заключается в расчёте эффекта гравитационной стабилизации КА и необходимых для этого удлинений конструкции. С точки зрения большого удлинения интересны тросовые системы. В свёрнутом виде трос занимает мало места, а в развёрнутом может создать очень большое удлинение между связанными отсеками космических аппаратов.