Как построить орбитальный улей: проект Tesserae
3 июля 2025 г.Dyson Sphere, космический лифт, строительство космической станции внутри астероида - все такие идеи кажутся возможными в обозримом будущем, поскольку мы привыкли экстраполировать успехи, уже достигнутые при строительстве космических станций. Эпоха обитаемых космических орбитальных станций началась в 1971 году.
Сегодня мы коснемся автоматической сборки и стыковки орбитальных модулей для создания космических средств обитания произвольной формы. В 2018 году Технологический институт Массачусетса запустил проект Tesserae, описанный как «самообвишающаяся космическая архитектура». Я опубликую рекламное видео для этой программы ниже, но сначала я хотел бы отметить, что мечты о такой космической архитектуре были разработаны в Японии еще в 1988 году.
https://youtu.be/dymfbernjaw?embedable=true
Фон. Адаптивные фермы.
В 1988 году,Хироши ФуруяУниверситета Нагоя иКорио МиураИз Японского агентства по разведке аэрокосмической промышленности предположило, как сборка и надстройка космических станций могут быть автоматизированы, постепенно превращая их в космические поселения. Они также рассмотрели проблемы развертывания, стыковки и герметизации отсеков и исследовали роль микрогравитации как в сборке, так и в работе такой адаптивной модульной станции.
Чтобы обеспечить адаптивность такой структуры, он должен быть оснащен механизмом изменения собственной конфигурации. «Линейным» аналогом такой структуры был бы обычный мультисвязанный манипулятор, который изгибается в соответствии с принципом змеи Рубика. Тем не менее, такая структура не имеет жесткости и быстро ослабнет при низкой гравитации. В одномерном случае, чтобы получить эффективную и легкую структуру, она должна быть топологически похожа на пространственную ферму. Вот как Миура и Фуруя представляли такие «линейные» фермы с адаптивно меняющейся формой:
При каких условиях такой набор ферм будет адаптивным? Один из вариантов заключается в том, что какой -либо элемент структуры может изменить свою длину, не влияя на длину других элементов и без увеличения внутреннего напряжения всей системы. Это условие осуществимо, если вся ферма является статически определенной.
При развертывании и постепенном создании космической станции наиболее привлекательной особенностью адаптивной системы является то, что сама система контролирует свою собственную сборку. Эластичные и вибрационные свойства как отдельных ферментов, так и их сборок неизбежно будут зависеть от конфигурации всей станции. При выборе конфигурации наиболее важно оптимизировать жесткость и фундаментальные частоты структуры. Эта прикладная дисциплина уже называется «упругая адаптивность».
Тем не менее, вышеупомянутое японское исследование было сосредоточено специально на расширенных структурах открытых работ. Маловероятно, что такие фермы, даже сопоставимые по силе с углеродными нанотрубками, могут использоваться для построения закрытых взаимосвязанных отсеков, которые будут оставаться герметичными, позволяя расширить структуру, внедряя новые блоки в существующую структуру.
Кори Миура (род. 1930) продолжает это исследование и является соавтором классической Кембриджской книгиФормы и концепции для легких структурПолем Я считаю, что именно его работа вдохновила группу Ариэля Экблау. Ekblaw возглавляет разработку самосборных модулей в MIT в рамках проекта Tesserae, который в конечном итоге может служить основой для нового поколения космических станций. Как и Fullerenes, Tesserae состоят из пятиугольников и гексагонов, но теоретически они могут быть собраны в структуры, гораздо более сложные, чем додекаэдр или футбольный мяч, такие как торус.
Давайте поговорим о них более подробно.
Проект Tesserae
Таким образом, для развертывания орбитальных поселений будущего человечество потребует самоотверженного, адаптивного, расширяемого (аддитивного) и надувных структур. Поскольку проекты орбитальной инженерии не ограничены гравитацией Земли, там могут быть изучены совершенно новые варианты снарядов и уровней. Земная архитектура традиционно ориентирована на вертикально (полы, стены, потолки, арки, лифты) и требуют, чтобы значительные ресурсы были потрачены не столько на удобное пространство, сколько на несущие нагрузки. Автономная космическая сборка, вместе с одновременной цифровой печатью и предварительной печатью блоков, позволит сделать это без конвейеров, блоков и, конечно же, подъемных кранов. Печать необходимых блоков на геостационарной орбите, можно было бы значительно уменьшить объем полезной нагрузки, запускаемой на орбиту, и заимствовав строительные материалы из астероидов, пришвартованных в точках Лагранжа, масса полезной нагрузки также может быть уменьшена.
Возможный внешний вид:
Внутренний вид модуля:
Этот проект называется Tesserae (плиточные электромагнитные пространственные структуры для изучения реконфигурируемых адаптивных сред). В настоящее время команда MIT тестирует и собирает прототипы (показаны здесь, которые имеют диаметр 13 дюймов):
Чтобы обеспечить предсказуемость сборки, необходимо стандартизировать размеры отдельных плиток, а также геометрию многоугольников для получения макрофигур. Естественно, равносторонние и эквиангулярные (регулярные) многогранники являются очевидным выбором для этой цели, но, учитывая, что структура должна оставаться стабильной во время ремонта и когда добавляются новые блоки, трехмерная структура этого типа по форме схожи с фуллереном.
По определению, края структуры должны отличаться с точки зрения функции. Предполагается, что каждый модуль будет иметь как минимум четыре типа краев: непрозрачная крышка (стены), прозрачная крышка (Windows), магнитная (стыковка) и сенсорная. Также может быть необходимо обеспечить пятую категорию - сорные панели. Настройка интерьера модулей и отсеков, вероятно, будет еще более разнообразной.
Чтобы моделировать конструкцию станции сборочной линии, модули могут быть запущены на заранее определенную орбиту. Путешествуя на этой орбите вокруг Земли или Луны, структура собирала блоки и материалы, подготовленные для нее в заранее определенных точках.
Электромагниты гарантируют, что пластины автономно захватываются друг с другом и образуют закрытые многоугольники. Поскольку пластины имеют выраженную шестиугольную форму, вся структура вполне может напоминать не только фулренен, но и параллелепипенный или куб, напоминающие соты:
3D -печать и магниты
Основная сложность такой сборки заключается в координации. Каждая тарелка должна действовать как отдельный агент роя.
Самый удобный способ получить плитки для Tesserae - 3D -печать. Это приведет к жестким пластинкам (пентагональной или шестиугольной) со специально вырезанными отверстиями для постоянных магнитов (EPM) на каждом краю. Модуль оснащен:
- Материнская плата, которая управляет электрическими цепи для перемещения модулей;
- Беспроводная связь с центром дистанционного управления (основной компьютер);
- Датчики движения, благодаря тому, что плитки не сталкиваются друг с другом, но осторожно пристанавливаются;
- Инерционная единица измерения (IMU), которая позволяет отслеживать относительное положение, вращение и изменение ориентации плиток.
Также планируется предоставить разъемы на плитках для установки периферийных устройств. Наиболее важными из них является магнитометр (для обнаружения электромагнитного контакта и диагностики сигнатуры связи между сокваными плитками), а также парного эмиттера и детектора света (в цветовой схеме RGB) для обмена данными между плитками с использованием фотоники.
Естественно, операция EPM будет полностью зависеть от данных, полученных от датчиков. Кроме того, EPM будет основными потребителями энергии и потребует непрерывного источника питания. Полярность EPM также должна быть постоянно скорректирована, чтобы структура не распадалась, но в то же время не падает в нежелательную или катастрофическую форму и не оказывается в метастабильном состоянии.
Мы сейчастолько изучение оснований 3D -печати в космосе, но эта технология является реальной инвестицией в будущем. Очевидно, что при изучении солнечной системы нам придется работать в условиях значительно уменьшенной гравитации. Это относится к марсианским колониям, потенциальному развитию минералов на астероидах и, тем более, в колонизации точек Лагранжа. Основой для такой технологии могут быть не только эксперименты в 3D -печати на борту МКС, но и аддитивное производство, которое довольно возможно под гравитацией Земли.
В отличие от многих современных (жестких) орбитальных конструкций, плитки Tessera могут быть плотно упакованы, прежде чем быть запущенными в открытое пространство, легко заменить и собрать. Кроме того, учитывая магнитную связь, такие структуры могут быть не только собраны, но и разобрать автоматически.
Здесь мы будем жить немного больше о роли магнитов и сходства между сборкой Tesserae и аддитивным производством. Учитывая, что каждый магнит работает автономно, и вся структура демонстрирует характеристики роя роботов, возможно не только изменять полярность магнитов, но и просто отключить отдельные магниты в течение короткого времени. Это дает структуре дополнительные дополнительные степени свободы, и в условиях микрогравитации она может превратиться в квазистохастическую систему.
В этом случае модульность объединяется с реконфигурируемостью, поэтому вся структура может быть быстро восстановлена для удовлетворения изменяющихся требований к экспедиции и новым задачам, или для удаления поврежденных или снижения элементов.
Первоначальная сборка может иметь место не в открытом пространстве, а в специальном надувном контейнере, оптимизированном для формы фуллерена. Этот контейнер может быть пришвартован к космической станции, откуда первоначальный набор плиток загружается в контейнер и обеспечивает принять целевую конфигурацию. Это то, на что может выглядеть жилая орбитальная станция, собранная в форме фуллерена (проект Mosaic для работы на орбите Марса, аббревиатура означает «Марс, вращающий самооборные взаимосвязанные камеры»).
Внутренняя структура
Давайте перейдем к самой интересной части: насколько реалистично сделать такую станцию пригодным для обитания, если она не будет астрономически дорогой?
Внутренняя полость самооборной фуллерена должна быть оснащена легкими и автоматически развертываемыми структурами, которые не представляют угрозы для экипажа (например, не будут перегреться) и оставит максимальное пространство для жизни и работы, а также для хранения оборудования, еды, воды и воздуха. Взгляните на конфигурацию запланированного лунного шлюза американской лунной станции, которая в настоящее время запланирована для запуска в 2027 году:
Предполагается, что команда из восьми человек будет работать на такой станции в течение трех месяцев. Как будет выглядеть подобная станция из фуллерена?
Наиболее важным фактором в проектировании такой станции является размер воздушного шлюза между отсеками, а в шлюзе диаметр воздуха будет составлять 93 см. Соответственно, все объекты и устройства должны соответствовать этому отверстию. Для комфортной жизни на станции Tesserae должна быть столовая, ванная комната, уборная, спальные помещения, конференц -залы и рабочие места. По крайней мере, четверть места должна быть выделена для хранения и 30% места для циркуляции воздуха.
Живой модуль
Личное пространство одного астронавта занимает три шестиграна со свободным доступом к четвертому шестиграннику, оборудованному для общения и сотрудничества. Области для хранения личных вещей показаны синим и зеленым. В дополнение к иллюстрациям, вся внутренняя поверхность стен доступна для покрытия ЖК -панелей, отображающих информацию о носителе.
В принципе, почти все элементы внутренней части капсулы должны быть складываемыми или телескопическими, возможно, надувными.
Заключение и немного больше о датчиках
Еще раз, я хотел бы отметить, что как внешние, так и внутренние поверхности блоков могут быть просто усеяны различными датчиками, образуя своего рода «умный отсек». В то время как внешние датчики отвечают за процесс сборки (динамика) и поддержание правильной конфигурации (статика), внутренние датчики могут записывать уровень излучения, содержание вредных примесей в воздухе, а также сигнализировать о потенциальном разрушении. Устройство может быть оснащено двойными датчиками, такими как спектроскопические датчики, которые могут использоваться как для лабораторных целей, так и в качестве элемента жизнеобеспечения.
Разработка таких датчиков требует разработки совершенно новой технологии функциональных волокон, которые сочетают в себе возможности датчиков, телекоммуникационных устройств и батарей. Тем не менее, это именно условия микрогравитации, вакуума и стремления к максимальной компактности всех элементов, которые способствуют развитию таких технологий, которые на Земле казались бы экзотическими или мало практическими.
Я сомневаюсь, что к концу этого десятилетия Tesserae будет развернута на орбите (в том числе около Луны или Марса). Тем не менее, я считаю, что «приемлемое тестирование» всех этих амбициозных событий - по крайней мере в форме миниатюрных прототипов - является приоритетной задачей для экипажей новых орбитальных станций, особенно Tiangong.
Оригинал