Солнечный парус шириной 20 метров, разработанный в НАСА
Солнечный парус (также называемый световым парусом или фотонным парусом ) - приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение .
Следует различать понятия «солнечный свет» (поток фотонов, именно он используется солнечным парусом) и (поток элементарных частиц и ионов, который используется для полётов на электрическом парусе - другой разновидности космического паруса).
Идея полетов в космосе с использованием солнечного паруса возникла в 1920-е годы в России и принадлежит одному из пионеров ракетостроения Фридриху Цандеру, исходившему из того, что частицы солнечного света - фотоны - имеют импульс и передают его любой освещаемой поверхности, создавая давление. Величину давления солнечного света впервые измерил русский физик Пётр Лебедев в 1900 году.
Давление солнечного света чрезвычайно мало (на Земной орбите - около 9·10 −6 Н/м 2) и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от . Однако солнечный парус может действовать в течение почти неограниченного периода времени, и совсем не требует топлива, и поэтому в некоторых случаях его использование может быть привлекательно. Однако на сегодня ни один из космических аппаратов не использовал солнечный парус в качестве основного двигателя.
Солнечный парус в проектах звездолётов
«Гелиопаузная электростатическая быстрая транзитная система» HERTS E-Sail НАСА
Солнечный парус - самый перспективный и реалистичный на сегодняшний день вариант звездолёта.
Преимуществом солнечного парусника является отсутствие топлива на борту, что позволяет увеличить полезную нагрузку по сравнению с космическим кораблём на реактивном движении. Однако концепция солнечного паруса требует легкого по массе и одновременно большого по площади паруса.
Недостатком солнечного парусника является зависимость ускорения от расстояния до Солнца: чем дальше от Солнца, тем меньше давление солнечного света и тем самым меньше ускорение паруса, а за пределами давление солнечного света и соответственно эффективность солнечного паруса приблизится к нулю. Световое давление от Солнца довольно мало, поэтому для увеличения ускорения существуют проекты разгона солнечного парусника лазерными установками с генерирующих станций вне . Однако данные проекты сталкиваются с проблемой точного наведения лазеров на сверхдальних расстояниях и создания лазерных генераторов соответствующей мощности.
Джеффри Ландис предложил использовать для передачи энергии через лазер от базовой станции на межзвёздный зонд с ионным двигателем, что дает некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом (в настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений).
Космическая регата
В 1989 году юбилейной комиссией Конгресса США в честь 500-летия открытия Америки был объявлен конкурс. Его идея заключалась в выведении на орбиту нескольких солнечных парусных кораблей, разработанных в разных странах, и проведении гонки под парусами к . Весь путь планировалось пройти за 500 дней. Свои заявки на участие в конкурсе подали США, Канада, Великобритания, Италия, Китай, Япония и Советский Союз. Старт должен был состояться в 1992 году.
Претенденты на участие стали выбывать почти сразу, столкнувшись с рядом проблем технического и экономического плана. Распад Советского Союза, однако, не привёл к прекращению работы над отечественным проектом, который по мнению разработчиков, имел все шансы на победу. Но регата была отменена ввиду финансовых трудностей у юбилейной комиссии (а возможно, ввиду всей совокупности причин). Грандиозное шоу не состоялось. Однако, солнечный парус российского производства был создан (единственный из всех) совместно НПО «Энергия» и ДКБА, и получил первую премию конкурса.
Космические аппараты, использующие солнечный парус
Советскими учёными была изобретена схема радиационно-гравитационной стабилизации космического аппарата, основанная на применении солнечного паруса.
Первое развёртывание солнечного паруса в космосе было произведено на российском 24 февраля 1993 года в рамках проекта «Знамя-2».
21 мая 2010 года Японское космическое агентство (JAXA) запустило , на борту которой находились космический аппарат “IKAROS” с солнечным парусом и метеорологический аппарат для изучения . “IKAROS” оснащён тончайшей мембраной размером 14 на 14 метров. С его помощью предполагается исследовать особенности движения аппаратов при помощи солнечного света. На создание аппарата было потрачено 16 миллионов долларов, отмечает агентство. Раскрытие солнечного паруса началось 3 июня 2010 года, а 10 июня успешно завершилось. По кадрам, переданным с борта “IKAROS”, можно сделать вывод, что все 200 квадратных метров ультратонкого полотна расправились успешно, а тонкоплёночные солнечные батареи начали вырабатывать энергию.
Вечером 20 мая с космодрома на мысе Канаверал успешно стартовал первый в истории частный спутник на солнечном парусе - «LightSail-1». Разработан и построен он был на деньги некоммерческого Планетарного общества США, объединяющего энтузиастов исследования дальнего космоса. Для зондов, отправляющихся к другим планетам, солнечный парус может стать идеальной заменой обычного ракетного двигателя. Но до сих пор почти все попытки реализации технологии «светоплавания» сталкивались с досадными техническими неудачами.
То, что свет может оказывать давление на предмет, впервые было показано Джеймсом Максвеллом в 1873 году. Давление возникает из-за того, что фотоны, хотя и не имеют массы покоя, все же обладают импульсом. Сталкиваясь с объектами, они передают этот импульс им - что и лежит в основе работы солнечного паруса.
Художественное представление о передвижении на солнечных парусах. Иллюстрация: газета «Пять углов» (Мурманск, Россия)
Долгое время этот эффект трудно было зафиксировать в прямом эксперименте. Существует классический опыт, в котором свет вызывает вращение лепестков, укрепленных на легком стержне. Но наблюдаемое при этом вращение - это не проявление давления света, а всего лишь результат нагревания воздуха (и возникновения конвективных потоков) вблизи от лепестков. Впервые измерить «настоящее» давление света удалось Петру Николаевичу Лебедеву в 1899 году. Он использовал вакуумированный сосуд, в котором разместил подвешенные на серебряных нитях крутильные весы. Кроме того, ученый попеременно освещал разные стороны лепестков весов, чтобы избежать их неравномерного нагрева, которое тоже может привести к искажению результатов опыта.
Измеренная величина оказалась очень небольшой и, конечно же, зависящей от интенсивности света. К примеру, давление солнечного света вблизи земной орбиты составляет всего 4,54 микроньютона на квадратный метр - это в 22 миллиарда раз меньше нормального атмосферного давления (которого, разумеется, в открытом космосе нет). Важно отметить, что эта величина справедлива для ситуации, когда все кванты излучения поглощаются. Если свет будет падать на идеальную отражающую поверхность, то сила давления увеличится в два раза и достигнет 9,08 микроньютона на квадратный метр.
На Земле такие величины незаметны, но в условиях невесомости и космических расстояний оказываются весьма значительными. Например, даже обычный спутник, летящий с Земли на Марс, смещается под действием давления света на расстояния порядка нескольких тысяч километров. Устройство, использующее солнечный парус - пленку очень большой площади - не нуждается в большом количестве топлива для набора скорости, а значит обладает меньшей массой.С другой стороны, величина давления уменьшается по мере удаления от Солнца. К примеру, возле орбиты Марса оно становится в уже 2,25 раза меньше. Но, несмотря на это, спутник на «солнечной тяге» может развить скорость вплоть до десятой доли световой при достаточном размере паруса.
Идея путешествий на солнечном парусе появилась на страницах фантастических повестей еще в конце XIX века – первой ласточкой стала книга французского драматурга Жоржа Ле Фора и талантливого инженера Анри де Графиньи «Необычные приключения одного русского ученого» (1889 г.). В ней герои летели на Венеру, используя огромное параболическое зеркало, отражавшее свет Солнца.
Извольте, я выскажусь яснее. Свет есть ничто иное, как колебание эфира. Так? Прекрасно. Теперь предположим, что значительное количество таких колебаний отражено при помощи огромного зеркала, прямо по направлению к Венере, что тогда выйдет? Конечно, световые волны со страшной скоростью понесутся в пространстве и достигнут Венеры. Обитатели Луны пользуются этим, чтобы передавать звуки своего голоса, а мы воспользуемся, чтобы перенестись самим.
Первым, кто предложил реальную конструкцию аппарата на солнечном парусе, был советский инженер Фридрих Артурович Цандер. В 1924 году он подал в Комитет по изобретениям заявку на космический самолет на основе аэроплана - аппарат должен был подниматься сквозь плотные слои атмосферы сначала с помощью двигателя высокого давления, затем, в более разреженной среде, с помощью жидкостного ракетного двигателя, который использовал «ненужные части» в качестве топлива. В результате на орбиту выводилось сравнительно небольшое крылатое устройство, передвигающееся с помощью солнечного паруса и способное к возврату на Землю. Однако Комитет посчитал проект слишком фантастическим, так что проект так и остался проектом.
Фотография: National Air and Space Museum / Smithsonian Institution
«Эхо-1» и команда инженеров NASA. Фотография: NASA
Фотография: NASA
В практическом плане в историю космонавтики давление солнечного света вошло в связи с историей падения аппарата «Эхо-1 ». Это был зеркальный баллон диаметром около 60 метров, наполненный газообразным ацетальдегидом. В 1960 году, когда «Эхо-1» был выведен на орбиту, инженеры NASA использовали его для пассивного отражения радиосигнала и создания межконтинентальной линии теле- и радиосвязи. Однако расчетное время на орбите аппарат не смог продержаться - как раз из-за давления солнечного ветра, которое не учли инженеры. Из-за него, а также под действием флуктуаций плотности в верхних слоях атмосферы Земли спутник постепенно тормозился и снижал высоту, что привело к его разрушению спустя восемь лет после запуска.
Обуздать силу солнечного давления удалось уже в 1974 году, при запуске аппарата «Маринер-10 ». Хотя сам он не был разработан непосредственно для «светоплавания», в роли паруса выступили его солнечные батареи, развернутые инженерами под определенным углом к Солнцу. Это было сделано для того, чтобы скорректировать расположение аппарата в пространстве в тот момент, когда маневровый газ уже подошел к концу. Это стало первым примером использования давления света для управления космическим аппаратом.
Парус, развернутый в рамках эксперимента «Знамя-2»
Впервые настоящий солнечный парус появился в космосе в рамках российского проекта «Знамя-2 ». Вообще говоря, его целью был вовсе не полет к дальним планетам, а, как ни странно, создание искусственного источника света, - возможно, самого необычного, из тех, что существовали до настоящего времени. В случае успешной реализации проекта появилась бы возможность прямо из космоса освещать места стихийных бедствий, а также крупные города во время полярной ночи - по крайней мере именно такими идеями вдохновлялись авторы проекта. В 1993 году в рамках эксперимента «Знамя-2» удалось развернуть солнечный парус, установленный на корабле «Прогресс М-15». Диаметр зеркала составил 20 метров, а интенсивность отраженного им света была сопоставима со светом полной Луны (из-за облачности наблюдать его так и не удалось). Следующим шагом должен был стать существенно больший отражатель «Знамя-2.5». Он был способен создавать на поверхности семикилометровый «солнечный зайчик», внутри которого светимость составляла 5-10 полных Лун. Как это могло бы выглядеть с Земли мы, к сожалению, так и не узнаем - при разворачивании металлизированная пленка зацепилась за антенну и не раскрылась. Проект космического освещения закрыли.
В 1999 году НПО имени Лавочкина приняло заказ «Планетарного общества » США на проектирование солнечного парусника «Космос-1 ». Он должен был использовать для ускорения 30-метровую зеркальную пленку, состоящую из восьми отдельных сегментов. В качестве материала для паруса инженеры взяли покрытый тонким слоем алюминия полиэтилентерефталат (используемый, в частности, в пластиковых бутылках). Суммарная площадь паруса составила более 600 квадратных метров. В качестве платформы для пуска была выбрана атомная подводная лодка «Борисоглебск», носителем спутника выступила ракета-носитель «Волна», созданная на базе боевой ракеты РСМ-50.
«Планетарное общество» - это частная некоммерческая организация, которая реализует различные проекты в области астрономии и исследования космоса. Она была основана в 1980 году Карлом Саганом , Луисом Фридманом и Брюсом Мюррейем . Одним из таких проектов было исследование возможности выживания микроорганизмов в космосе. Первая его часть проводилась во время последнего полета «Индевора » в 2011 году, а заключительная была включена в программу «Фобос-Грунт», но не состоялась в связи с его падением. C 2010 года должность генерального директора организации занимает Билл Най .
Луис Фридман, основатель «Планетарного общества», осматривает аппарат «Космос-1», собранный НПО имени Лавочкина
Фотография: Lavochkin Association / The Planetary Society
Первый пуск тестового аппарата (с двумя лепестками паруса) состоялся в 2001 году, однако его постигла неудача. На протяжении года инженеры пытались определить, в чем была проблема с ракетой. Следующий запуск, уже с готовым спутником, был запланирован на июнь 2005 года. К сожалению, и он провалился: после 83 секунд полета первая ступень неожиданно прекратила работу, в результате чего ракета не набрала необходимую скорость. Спутник затонул в океане.
Изображение: JAXA
Проблемы с запуском аппаратов мешали развитию солнечных парусов и в США. Так, в 2008 году компания SpaceX должна была с помощью ракеты «Falcon 1 » запустить на орбиту аппарат «NanoSail-D ». Его парус был изготовлен из металлизированного полимера и имел площадь около 10 квадратных метров. К сожалению, и эта попытка провалилась: во время запуска Falcon’a не произошло отделения первой ступени.
Аппарат «IKAROS», фотографии сделаны отделившейся от него камерой. Фотографии: JAXA
Фотографии: JAXA
Первым действительно успешным экспериментом с солнечным парусом стал старт японского спутника «IKAROS ». Еще в 2004 году японцам удалось раскрыть на высоте 122 и 169 километров два небольших экспериментальных тонкопленочных паруса. А 21 мая 2010 года на орбиту из космического цетра Танегасима на борту ракеты-носителя «HII-A » отправился сам «IKAROS». В качестве отражающей поверхности он использует квадратную полиимидную пленку (каптон , производства DuPont), состоящую из четырех трапециевидных фрагментов. Толщина паруса составляет всего 7,5 микрон, но в нее дополнительно вшиты тонкопленочные солнечные батареи, предназначенные для генерации электричества. В результате вращения аппарата грузики, к которым привязана пленка, растягиваются центробежной силой и тем самым раскрывают парус в квадрат со стороной 14 метров. Сам процесс раскрытия занял 7 дней, после чего «IKAROS» отправился к Венере.
Интересно, что инженерам удалось встроить в аппарат возможность заснять себя со стороны. Для этого аппарат выбросил в определенный момент цилиндр с находящейся в нем камерой. Она успела сделать ряд фотографий, которые передала обратно на спутники. Возврат камеры предусмотрен не был. 8 декабря спутник пролетел в 80 тысячах километрах от Венеры и получил ее изображения. Последний раз сигналы со спутника были получены 22 мая 2014 года, с тех пор он находится в режиме гибернации из-за нехватки энергии.
Фотография: Wikimedia Commons
Вслед за IKAROS’ом дела с солнечными парусами стали выправляться и в NASA. Спустя всего полгода после запуска японского спутника, 19 ноября 2010 года, ракета «Минотавр-4 » вывела экспериментальный спутник «FASTSAT » на орбиту высотой 653 километра. Дублер предыдущего проекта, аппарат «NanoSail-D2 » сыграл роль полезной нагрузки для «FASTSAT». Он должен был отделиться от него сразу после выхода на орбиту, однако этого не произошло ни в ноябре, ни в декабре. Лишь 19 января 2011 года операторы получили сигнал о сработке механизма отделения аппарата. Спустя три дня «NanoSail-D2» раскрыл парус - в отличие от японского спутника на сам процесс разворачивания пленки у него ушло всего несколько секунд. Оно проводилось с помощью металлических полосок, которые выдвигаются из аппарата наподобие измерительной рулетки.
«NanoSail-D2» обладал очень большой площадью отражающей поверхности, поэтому за те 8 месяцев, что он провел на орбите, его неоднократно наблюдали с Земли как яркую точку, двигающуюся по ночному небу. Точно так же, благодаря отражению света от солнечных батарей, у нас есть возможность наблюдать пролеты спутников Iridium и МКС . Яркость этих объектов на звездном небе порой сравнивается с ярчайшими планетами и даже превышает их.
Пролет спутника «NanoSail-D2» над Рауталампи, Финляндия
Фотография: Vesa Vauhkonen
Основой «NanoSail-D2» является наноспутник CubeSat . Это модуль, из которого как из конструктора можно собирать большие по размерам устройства. Например, в данном случае, использовались три CubeSat, объединенные в единый прибор, включающий в себя механизмы распускания парусов, передачи радиосигнала на Землю а также солнечные батареи.
Следующим должен был состояться запуск спутника «Sunjammer », - аппарата, названного в честь одноименного рассказа Артура Кларка, посвященного гонкам на солнечных парусах. Пуск был запланирован еще на январь этого года, но из-за недостатка доверия к ракете «Falcon 9 » пока так и не состоялся. «Sunjammer» обладает самым большим парусом из всех, что были построены до сих пор. Его площадь составляет свыше 1200 квадратных метров, при этом масса спутника не превышает 32 килограммов. Устройство выполнено в виде квадрата со стороной 38 метров и состоит из металлизированной каптоновой (не путать с капроновой) пленки толщиной в 5 микрон.
Впервые солнечный парусник появился на страницах фантастического романа Жоржа ле Фора и Анри де Граффиньи «Необыкновенные приключения русского ученого» (1888−1896), еще до того как Петр Николаевич Лебедев доказал реальность предсказанного Максвеллом светового давления. Идею солнечной яхты подхватил русский фантаст Борис Красногорский. За книгой «По волнам эфира» (1913) последовали написанные в соавторстве с историком астрономии Даниилом Святским «Острова эфирного океана» (1914). В середине 1920-х солнечные паруса пропагандировали Циолковский и Фридрих Цандер.
В 1951 году американский инженер Карл Уайли напечатал в литературном журнале Astounding Science Fiction статью «Космические клипперы», где вполне серьезно обсуждалась возможность межпланетных путешествий на солнечной тяге. Семь лет спустя физик из корпорации IBM Ричард Гарвин и сотрудник Лос-Аламосской национальной лаборатории Тед Коттер опубликовали первые технические работы, посвященные солнечным парусам (кстати, именно Гарвин ввел в обращение термин solar sailing). В 1960-х на космических парусниках путешествовали герои таких известных писателей-фантастов, как Кордвейнер Смит, Пьер Буль, Артур Кларк.
От теории к практике
В последние десятилетия солнечные паруса из красивой, но чисто теоретической идеи стали превращаться в реальность. Пока речь идет о довольно скромных экспериментах с разворачиванием солнечного паруса на околоземной орбите (разворачивание паруса и поддержание его в развернутом состоянии — одни из основных проблем концепции). Первый из таких экспериментов был проведен в 1993 году, когда на российском грузовом корабле «Прогресс М-15» было успешно развернуто двухметровое тонкопленочное зеркало. В 2001 году спутник Cosmos-1, запущенный на средства Американского планетарного общества, должен был впервые сманеврировать на орбите с помощью 15-метрового паруса из металлизированного майлара. К сожалению, этому помешал сбой в работе одной из ступеней ракеты-носителя «Волна», так что спутник так и не достиг орбиты. В 2004 году к исследованиям подключилась Япония: во время суборбитального полета ракеты S-310 были опробованы две различные конструкции солнечного паруса. Однако, несмотря на эти успехи, от экспериментов до полноразмерных парусных космических кораблей еще очень, очень далеко.
Полевые паруса
Когда говорят о космическом солнечном парусе, обычно имеют в виду легкое зеркало, которое отражает световые лучи, тем самым ускоряя аппарат-носитель. Оно может быть жестким и гибким, стационарным и съемным. Но солнечным парусом можно назвать также устройство, отбрасывающее не свет, а солнечный ветер — поток быстрых заряженных частиц (в основном протонов, ионов гелия и электронов), покинувших солнечную атмосферу. Эта возможность впервые обсуждалась 400 лет назад в письме Кеплера к Галилею. Кеплер обратил внимание на то, что хвосты комет всегда направлены в сторону от Солнца. Он выдвинул предположение, что их сносит «космический бриз», и предсказал появление небесных кораблей, оснащенных парусами, надуваемыми этим ветром.
Электрический парус
В 2004 году сотрудник Финского метеорологического института Пекка Янхунен выдвинул концепцию электрического паруса. Частицы солнечной плазмы отклоняются проводящей сетью площадью в несколько сотен километров, на которую от корабельных генераторов подается положительный потенциал. Такая сеть станет отражать массивные частицы солнечного ветра, то есть протоны и ионы, которые тоже несут положительный заряд (при этом придется каким-то образом отбрасывать солнечные электроны, иначе они нейтрализуют электрическое поле паруса). Для обеспечения оптимальной тяги экипаж корабля будет отслеживать скорость и плотность солнечного ветра и регулировать напряжение, подаваемое на сетку-парус. По мнению Янхунена, такие паруса смогут разогнать космический корабль до скорости порядка 100 км/с.
Проблема выхода космического аппарата с солнечным парусом из сферы действия Земли была рассмотрена в § 10 гл. 5. Управление парусом вне сферы действия Земли более просто. Если заставить парус поворачиваться так, чтобы солнечные лучи все время были перпендикулярны к его поверхности, то космический аппарат окажется «погруженным в ослабленное поле тяготения» и начнет двигаться вокруг Солнца по эллиптической, параболической или гиперболической орбите.
Рис. 131. Схема полета с солнечным парусом: а) к внешним планетам; 6) к внутренним планетам. Стрелки - векторы сил тяги.
Как показывают расчеты, аппарат массой 0,5 т смог бы при парусе диаметром сделанном из пленок с поверхностной плотностью достичь Марса по полуэллиптической траектории за 286 сут. Такой парус сообщал бы на орбите Земли ускорение что составляет примерно ускорения солнечного притяжения. При диаметре паруса корабль массой смог бы покинуть Солнечную систему .
Но выгоднее всего повернуть парус так, чтобы солнечный свет «дул почти в корму» корабля в его движении вокруг Солнца. При этом солнечные лучи будут косо падать на парус (от этого уменьшится давление), но зато сила тяги паруса будет направлена почти в сторону движения. Корабль по спирали начнет удаляться от Солнца (рис. 131, с).
На первый взгляд может показаться, что солнечный парус не позволяет приблизиться к Солнцу, но это не так. Расположив парус таким образом, чтобы давление солнечного света тормозило
движение корабля, мы заставим его двигаться по спирали внутрь нашей планетной системы, т. е. к орбитам Венеры и Меркурия (рис. 131, б).
Достигнув района планеты назначения, аппарат с солнечным парусом может пролететь мимо планеты, но может также в течение нескольких недель совершить сложное маневрирование парусом, учитывающее вблизи планеты существование затененной области пространства, чтобы снизиться к планете и выйти на орбиту ее искусственного спутника.
Если управление парусом осуществляется таким образом, что солнечные лучи падают на него под неизменным углом (это управление просто по идее, но не является оптимальным), то движение космического аппарата вне сферы действия Земли происходит по так называемой логарифмической спирали. Такой программе управления примерно соответствуют траектории, изображенные на рис. 131 (логарифмическая спираль пересекает все круговые орбиты под одинаковыми углами). Подобные перелеты должны быть выгодны с точки зрения их продолжительностей. Описанный выше парус диаметром при должной неизменной ориентации относительно солнечных лучей доставил бы полезный груз в к Марсу за 247 сут . Заметим, что импульсный гомановский перелет требует 259 сут (см. табл. 6).
К сожалению, однако, дело обстоит сложнее, чем может показаться. Логарифмическая спираль пересекает орбиту Земли (как и другие орбиты) под некоторым углом. Например, для указанного выше случая -суточного перелета этот угол должен составлять 8,5°. Для соответствующего направления гелиоцентрической скорости выхода из сферы действия Земли геоцентрическая скорость выхода должна, как показывает несложный расчет, равняться 4,4 км/с . Но может ли аппарат с солнечным парусом, стартовавший с околоземной орбиты, выйти к границе сферы действия Земли с такой скоростью? Это сомнительно. Скорее всего эту скорость придется добавлять с помощью химического двигателя. Но тогда уж проще добавить эту скорость в нужном направлении и достичь Марса за гораздо более короткое время. По аналогичной причине понадобится дополнительный тормозной импульс при достижении планеты назначения, чтобы стал возможным выход на орбиту ее искусственного спутника.
Однако доказано, что перелет с орбиты Земли на орбиту другой планеты с помощью солнечного паруса возможен (при определенной программе изменения наклона паруса) по траектории, не пересекающей, а лишь касающейся орбит Земли и планеты назначения, причем начальная и конечная гелиоцентрические скорости равны орбитальным скоростям Земли и планеты. Но, к сожалению,
продолжительность перелета теперь будет гораздо больше. Например, при описанном выше парусе диаметром создающем при нагрузке если солнечные лучи падают на него отвесно, на расстоянии 1 а. от Солнца ускорение перелет с орбиты Земли до орбиты Марса продолжался бы 405 сут. Даже если бы ускорение увеличилось вдвое (для чего при той же нагрузке диаметр паруса должен был бы равняться примерно 500 м), полет до Марса продолжался бы 322 сут, до Венеры - 164 сут, до Меркурия - 0,53 года, до Юпитера - 6,6 года, до Сатурна - 17 лет, до Урана - 49 лет, до Нептуна - 96 лет, до Плутона - 145 лет .
Последние приведенные данные о продолжительности перелетов с солнечным парусом с околоземной орбиты на околопланетную малоутешительны! Однако следует иметь в виду, что перелеты, не ставящие целью снижение на орбиту искусственного спутника исследуемой планеты, а ограничивающиеся лишь пролетом мимо планеты, будут мало отличаться от перелетов по логарифмической спирали. Наконец, увеличение площади парусов позволит сократить время перелета, хотя управление огромными тонкими пленками представляет тяжелую техническую задачу.
30 мая 2015 года
на орбите Земли состоится первый тест солнечного паруса LightSail-1
– приспособления, применение которого позволит в будущем совершать космические перелеты на самые дальние дистанции. Сегодня мы расскажем, что такое солнечный парус
, какие у него перспективы, а также про роль знаменитого астронома Карла Сагана и российского ученого Фридриха Цандера в появлении этой идеи.
Принцип действия
Солнечный парус – это приспособление, которое использует давление солнечного света на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.Применение данной технологии позволит совершать даже самые длительные космические полеты, ведь для движения в межзвездном пространстве кораблю не нужно будет иметь на борту огромный запас физического топлива – источник движения будет находиться повсюду.
Конечно, чем дальше будет расстояние космического корабля с солнечным парусом от источника света, тем меньшим будет его давление. Но ведь огромные пространства Вселенной представляют собой вакуум, следовательно, не будет силы, замедляющей движение космолета. Зато даже самый слабый свет от далеких звезд будет постепенно увеличивать скорость полета.
Считается, что космический аппарат, движимый солнечным парусом достаточного размера, может развить скорость примерно в одну десятую от световой.
Существуют также идеи, предполагающие замену основного источника движения такого паруса с солнечного света на лазерный луч. Изначально предполагалось устанавливать источник этого луча на Земле, но сейчас появились куда более смелые предложения по созданию таких конструкций где-нибудь на отделенных планетах Солнечной Системы или даже на космических станциях в межзвездном пространстве. Идеальным вариантом будет развертывание целой системы лазерных установок по дороге к другим звездам. Но это – дело далекого будущего.
История
Истоки идеи солнечного парус следует искать в работах знаменитого шотландского физика Джеймса Максвелла (вторая половина девятнадцатого века), который сформулировал электромагнитную теорию света и предсказал существование давления света.
Мечты о космических кораблях, которые будут передвигаться благодаря давлению солнечного света, появились уже в конце девятнадцатого века в работах писателей-фантастов. К примеру, в романе «Необычные приключения одного русского ученого» французов Жоржа ле Фора и Анри де Графиньи идет речь об экспедиции на Венеру, во время которой для движения было использовано огромное параболическое зеркало.
По иронии судьбы именно российский ученый и разработал первую в истории реальную конструкцию летательного аппарата на солнечном парусе. Советский инженер Фридрих Цандер в 1924 году подал в Комиссию по изобретениям соответствующую заявку, но эксперты назвали ее слишком фантастической и отклонили.
На Западе идею создания солнечного паруса связывают, в первую очередь, со знаменитым астрономом, астрофизиком и популяризатором науки Карлом Саганом. Он был большим сторонником межзвездных полетов, и как ученый стал одним из самых авторитетных консультантов NASA.
Саган впервые упомянул идею солнечного паруса в 1976 году. До этого он столкнулся с проблемой невозможности дальних космических полетов при помощи летательных аппаратов на основе физического двигателя. Но солнечный парус в теории позволял выйти из данного технологического тупика.
В 1980 году Карл Саган с единомышленниками, другими знаменитыми учеными, основал Планетарное общество, целью которого значится исследование космического пространства, поиск внеземной жизни, а также поддержка направленных на это проектов. Данная организация и является одним из главных сторонников и лоббистов идеи солнечного паруса.
Попытки создания
Еще в 1974 году инженерам удалось впервые «обуздать» солнечный ветер. Произошло это в рамках запуска американской автоматической межпланетной станции Маринер-10. В качестве солнечного паруса выступили ее панели солнечных батарей. Их развернули под нужным углом к Солнцу, что позволило корректировать расположение корабля в пространстве.
Следующей конструкцией, похожей на солнечной парус, стал отражатель Знамя-2, установленный в 1993 году на орбитальной станции Мир. Но он использовался не в качестве ускорителя, а как дополнительный источник света для Земли. Эта конструкция создала на поверхности нашей планеты огромный «солнечный зайчик» диаметром 8 километров.
В дальнейшем процесс создания и развертывания солнечных парусов столкнулся с настоящим злым роком. Так, в 2005 году упала во время старта российская ракета Волна, несущая на орбиту спутник Космос-1 с солнечным парусом диаметром 30 метров.
Неудачами закончились попытки запустить солнечные паруса в 2001 и 2005 году. Ракета Falcon 1 от американской компании , стартовавшая в августе 2008, также должна была отправить на орбиту солнечный парус, NanoSail-D. Но она упала на третьей минуте полета.
Первый по-настоящему удачный запуск солнечного паруса состоялся в 2010 году в рамках японского проекта IKAROS. Японские инженеры отправили на орбиту и смогли там полностью развернуть полиамидную пленку толщиной 7,5 мкм и площадью 196 квадратных метров.
Этот солнечный парус функционировал в течение многих месяцев во время полета автоматической межпланетной станции Акацуки в сторону Венеры. Возможно, он действует и сейчас, но с 2012 года с аппаратом нет связи.
В ноябре 2010 года американская ракета Минотавр-4 вынесла на орбиту солнечный парус NanoSail-D2. Объект летал вокруг Земли в течение восьми месяцев, и многие жители нашей планеты успели увидеть его на ночном небе в виде яркой точки, плывущей по небосводу.
А дальше снова неудача. Вернее, отсутствие удачи. В январе 2015 года NASA планировало вывести на орбиту при помощи частной ракет-носителя Falcon 9 солнечный парус Sunjammer, названный в честь одноименного рассказа Артура Кларка. Он должен был стать самым большим в истории объектом подобного рода, ведь площадь его поверхности составляет около 1200 квадратных метров.
Но в ноябре 2014 года стало известно, что Американское космическое агентство отменило этот запуск, так что ракета Falcon 9 отправилась на орбиту без солнечного паруса на борту. Запуск Sunjammer пока что перенесен на 2018 год.
Текущие и будущие проекты
А теперь вернемся к Планетарному обществу. Именно оно инициировало запуск солнечного паруса LightSail-1, тестовое применение которого состоится 30 мая 2015 года. Правда, речь пока что идет лишь об отработке технологий, а не о полноценном проекте.Парус LightSail-1 имеет площадь 32 квадратных метра. Он будет работать в паре с миниатюрным спутником CubeSat (так же, как и NanoSail-D2). Задача этого запуска заключается в тесте систем развертывания паруса, а также системы управления и связи. Аппарат проработает на орбите максимум десять дней. При этом его можно будет наблюдать с Земли в темное время суток.
Если же эти тестовые испытания дадут положительный результат, уже в 2016 году Планетарное общество запустит на орбиту полноценный солнечный парус LightSail-1. Он будет функционировать на высоте 800 километров, при этом время работы данного аппарата составит около четырех месяцев.
Создатели LightSail-1 надеются изучить за это время возможности маневрирования в Космосе с помощью солнечного паруса.
Интересно, что Планетарное общество решило обратиться за помощью в финансировании данного проекта ко всем жителям Земли. Организация запустила кампанию по сбору средств на сайте Kickstarter. Она стартовала всего несколько дней назад и уже собрала около 763 тысяч долларов при 200 тысячах изначально запрашиваемых. На данный момент, в ее фонд пожертвовало более 15 тысяч человек.
Можно сказать, что реальная история солнечных парусов начинается прямо на наших глазах. Красивая теория, которая дает нам перспективу межзвездных путешествий, пока что остается лишь теорией. Но в ближайшие десятилетия практика покажет, насколько верны предположения Максвелла, Цандера и Сагана.
Впрочем, солнечный парус – это лишь одна из многих технологий, которые в будущем откроют нам путь к звездам. Про остальные, не менее смелые и гениальные идеи, можно прочитать в .
