Юный техник, 2005 № 01 - Журнал «Юный техник»

— Наш прибор предназначен для обнаружения эмиссии или утечки природного газа на промышленных промыслах, компрессорных станциях, нефтегазопроводах, подземных газохранилищах, — рассказал мне один из создателей уникального устройства, доктор физико-математических наук, профессор Павел Филиппов. — При этом определяется не только количество выделенного газа, но и конкретное место его утечки…

Причем в данном случае рабочим не нужно идти, например, вдоль газопровода, неся с собой этот прибор. Он скомпонован в небольшой капсуле, которая на внешней подвеске цепляется к любому вертолету. Тот поднимается в воздух и следует вдоль трассы на высоте примерно 100 м. Длина троса — около 30 м. Таким образом, датчик располагается над поверхностью земли на высоте порядка 70 м.

Длина волны полупроводникового лазера рассчитана таким образом, чтобы она поглощалась имеющимся в атмосфере метаном. А поскольку этот газ легче воздуха, то он поднимается от земли и попадает в воздухозаборник прибора. Здесь он попадает под лазерный луч. И если концентрация метана в воздухе превышает определенный порог, лазер тут же на это реагирует.

Изменение лазерного сигнала фиксируется фотоприемником. Затем полученные данные преобразуются в цифровой код, и соответствующие данные высвечиваются на экране дисплея перед оператором. Как только утечка обнаружена, в бортовом компьютере запускается специальная программа. С учетом метеоусловий и скорости вертолета прибор тут же рассчитывает вероятное место утечки и ее величину. При желании эти данные можно уточнить повторным зондированием непосредственно над местом аварии.

При этом, как показали испытания, аппаратура получилась весьма чувствительной. Так, обычная концентрация метана в атмосфере составляет примерно 1,8∙10-4 процента. А порог чувствительности лазерного метанометра вдвое меньше.

Таким образом, прибор можно использовать не только для поисков утечек, но и для экологического мониторинга. С его помощью можно измерять концентрации метана над болотами, мусорными свалками, сельскохозяйственными фермами.

Наконец, электроника может и прогнозировать будущие неприятности. Специалисты предложили Газпрому провести диагностику действующих трубопроводов. Их множество, общая протяженность всех «труб» — десятки тысяч километров. А в каком они состоянии сейчас, спустя годы эксплуатации, неизвестно.

Чтобы определить это, выявить даже незначительные повреждения, используют опять-таки самую современную технику — высокочувствительные тепловизоры в сочетании с аэрофотосъемкой и лазерным сканированием местности. Вертолет с тепловизором и прочей аппаратурой на борту проводит съемку местности в различных спектральных диапазонах, в том числе в тепловом.

Вот, допустим, карта Саратовской области. Синяя линия на ней — действующий газопровод, а темное пятно, обнаруженное на одном из его участков в результате съемки, означает: здесь происходит утечка газа. Она вызвала падение давления в трубе, температура в этом месте понизилась — что и уловил тепловизор, позволяя предотвратить миллионные убытки.

Точность определения координат объектов — 8 — 12 см, а размер минимально видимого объекта на снимках — 10 см.

…Так работает геоинформационная система, содержащая детальное описание местности, позволяющая обходиться без традиционных бумажных карт, планов и описаний. Причем ее модернизировать можно хоть каждый день, внося в нее все новые и новые данные…

В.ВЛАДИМИРОВ

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ

Электростанция на орбите

Каждый космический корабль, вы знаете, должен нести с собой, кроме всего прочего, и источники энергии: химическое ракетное топливо, батареи фотоэлементов или ядерные реакторы. Однако топливо имеет свойство быстро кончаться, против использования ядерных реакторов активно возражают экологи, а фотоэлементы эффективны лишь в тех случаях, когда поблизости находится наше светило.

Так нет ли в космосе еще какого-нибудь источника энергии, которым можно было бы пользоваться примерно так же, как на Земле мы используем, например, энергию падающей воды? Оказывается — есть!

Первым эту идею еще сто лет тому назад высказал К.Э. Циолковский, описывая в своих «Грезах о Земле и небе» прототип конструкции орбитальной станции с искусственной тяжестью. Он полагал, что обеспечить искусственную гравитацию можно вращением аппарата. Причем лучше, если вращение это будет происходить не вокруг собственной оси, а вокруг общего центра масс системы «аппарат — противовес», соединенной цепью.

Такую систему, как мы знаем, не построили и по сей день. Однако она послужила отправной точкой для дальнейших рассуждений.

Например, известный инженер прошлого века Ф.Л. Цандер еще в 1910 году рассчитал конструкцию лунного «космического лифта». По его мнению, трос, протянутый с Луны в сторону Земли, должен был обеспечить функционирование некой транспортной системы, способной переправлять грузы с Луны на Землю и обратно. О космическом лифте мы тоже уже не раз писали (см., например, «ЮТ» № 5 за 2003 г.), а потому не будем повторяться. Тросовые системы можно использовать и в других целях.

Скажем, для поддержания Международной космической станции на орбите заданной высоты (360 км) в течение 10 лет потребуется 77 т топлива. Поскольку доставка груза на орбиту обходится примерно в 15 тыс. долларов за каждый килограмм груза, то нетрудно подсчитать, что для этого потребуется около 1,2 млрд. долларов.

Можно, конечно, сэкономить, если поставить на станцию электродинамические двигатели и запитывать их током от солнечных батарей. Но ведь доставка и обслуживание солнечных батарей тоже стоит немало, так что неплохо бы поискать иной источник энергии. И вот здесь на сцену снова выступают тросовые системы.

Оказывается, на объект (скажем, космическую станцию), находящийся на стабильной орбите, упрощенно говоря, действуют две взаимно противоположные силы: центробежная, обусловленная орбитальным движением, и сила притяжения планеты. В центре массы тела они уравновешивают друг друга, и наблюдатель на борту находится в условиях нулевого тяготения.

Если же столкнуть со станции какой-нибудь массивный предмет, связанный с нею тонким прочным тросом, то получится связка, обладающая интересными свойствами. Сила гравитационного притяжения планеты и центробежная сила опять-таки окажутся уравновешенными в центре масс связки, но она, эта точка, теперь будет находиться где-то между двумя объектами. А сами они оказываются неуравновешенными. По мере удаления от планеты сила притяжения уменьшается, а центробежная возрастает, и их равнодействующая направлена в сторону от планеты, оттягивая спутник от нее. И наоборот, по мере приближения к планете разность этих сил притягивает к ней спутник.

В итоге объект, движущийся на более низкой орбите с большей скоростью, тащит другой за собой подобно буксиру. При этом импульс более удаленного от планеты объекта увеличивается за счет импульса спутника, ближайшего к ней. Поскольку спутники стремятся разойтись в противоположные стороны, привязь всегда остается натянутой. Более того, регулируя ее длину, можно тем самым регулировать и параметры движения объектов на орбите, не тратя на это ни грамма топлива.

И это еще не все.

Если станцию и спутник связать тросом, проводящим электричество, образуется электродинамическая связка, которая может работать и как электрический генератор. Ведь при движении проводника в магнитном поле нашей планеты на заряженные частицы действует электродинамическая сила, перпендикулярная направлению движения и магнитному полю. При перемещении, например, связки с востока на запад в магнитном поле Земли, расположенном с юга на север, на электроны в проводнике привязи будет действовать сила, направленная от Земли.

Таким образом, можно не только корректировать орбиту, но и получать электроэнергию. Ведь привязь обменивается электронами с ионосферой и, захватывая свободные электроны у положительно заряженного конца (анода или коллектора), испускает их у отрицательно заряженного (катода или эмиттера), имеющего заряд. Ионосфера, проводящая электричество, замыкает цепь, и возникает непрерывный ток, который может служить источником энергии для бортовых систем. Скажем, низкоорбитальный спутник с привязью длиной в 20 км сможет генерировать мощность около 40 кВт — этого достаточно для работы научного оборудования и систем жизнеобеспечения на станции.

Расчеты были в свое время подкреплены экспериментами. Так, еще в 70-х годах прошлого века Марио Гросси из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже и Джузеппе Коломбо из Падуанского университета в Италии впервые начали изучать возможности космической ЭДС в опытах. Их поддержали другие исследователи, и всего за прошедшие десятилетия в космос было запущено более полутора десятков экспериментальных устройств с тросами различной длины.