Преимущество применения такой конструкции – это возможность совершать полет без ограничений временными рамками. Любое топливо, используемо для космических аппаратов, когда-либо заканчивается, а кванты солнечного света, посылающие импульс на поверхность тел, не иссякнуть еще несколько миллиардов лет.
Что такое «солнечный парус» и как он работает?
Около 5 тысяч лет назад в Древнем Египте произошло нечто, что в корне изменило мир. Судя по археологическим находкам, примерно в это время египтяне изобрели паруса, которые начали использоваться для управления кораблями при помощи силы ветра. В это сложно поверить, но на данный момент человечество снова стоит на пороге открытия, которое повлияет на весь мир. Ученые пытаются использовать так называемые «солнечные паруса» для управления космическими спутниками. Осталось совсем немного времени до момента, когда космические аппараты смогут работать без топливных двигателей.
На данный момент большинство искусственных спутников, которые кружатся вокруг нашей планеты, работают на энергии ионных двигателей. Эти двигатели тяжелы, стоят довольно дорого и работают всего около трех лет, поэтому ученые уже давно пытаются найти им альтернативу. В далеком 1920 году советский изобретатель Фридрих Цандер осознал, что для полетов в космосе можно использовать подобие парусов, используемых в кораблях. Но как, по его мнению, паруса могут приводить в движение космические объекты? Ведь в космосе нет ветра.
Как летают спутники?
Дело в том, что в космосе есть замечательная альтернатива ветру — солнечный свет, который состоит из невообразимого количества частиц, называемых фотонами. Каждая из них может ударяться о твердые поверхности и создавать давление, которое способно толкать объекты вперед. Представьте, как бильярдный шар сталкивается с другими шарами на столе — примерно так фотоны света и воздействуют на поверхность паруса. Так почему бы не сделать так, чтобы этой твердой поверхностью был огромный парус, а движимым объектом — крошечный спутник?
Ученые много раз пытались привести космические спутники в движение при помощи солнечных парусов, но им это долго не удавалось. Дело в том, что сила частиц солнечного света очень мала и ее не хватает для того, чтобы толкать большие спутники вперед. Ученым потребовались десятки лет, чтобы уменьшить спутники до размеров крохотных смартфонов. Одними из таких компактных аппаратов являются кубсаты, которые изготавливаются в размерах 10 х 10 х 11 сантиметров. Несмотря на малые размеры, у них есть все необходимое для наблюдения за Землей.
Развал СССР не прекратил развитие отечественного проекта, который трансформировался в миссию “Знамя 2”. В 1992 году корабль “Прогресс М-15” состыковался со станцией “Мир”, экипаж которой установил на него механизм развертывания паруса, диаметр которого составил 20 м.
Пару слов о солнечных парусах
Уверен, что многие читатели знают о принципе работы солнечного паруса, но все же о нем в двух словах.
Еще в 1900 году русский физик Петр Лебедев измерил давление света. Свет – это одновременно и электромагнитное излучение и поток фотонов. Они, как и любые движущиеся частицы, обладают импульсом, часть которого передают телу, с которым сталкиваются, тем самым оказывая на него давление. Соответственно, поток фотонов Солнца можно использовать для воздействия на парус, и привести в движение тело, на котором он установлен.
Идея двигаться в космосе с помощью солнечных парусов принадлежит Фридриху Цандеру, советскому ученому, одному из первопроходцев в области ракетостроения. Но здесь следует различать два понятия: солнечный свет – это поток фотонов, но существует еще и солнечный ветер – поток ионизированных частиц, который с солнечными парусами никак не связан, хотя по названию и не скажешь. Солнечный ветер может быть использован для другого двигателя, так называемого электрического паруса, но о нем в другой раз.
Сама по себе идея солнечного паруса хороша: нет надобности в топливе на борту корабля, и можно все пустить под полезную нагрузку. Но есть и проблемы. Давление света даже на орбите Земли мало, и уменьшается при отдалении от светила. Поэтому для движения придется использовать паруса очень большой площади, а при достижении границ Солнечной системы, эффективность такого двигателя стремиться к нулю. Но эксперименты и разработки в этом направлении все же ведут, и ниже об одной из них.
Что будут испытывать американцы?
Основная цель миссии – развернуть солнечный парус на орбите с помощью композитных стрел (DCB), которые, как утверждают специалисты НАСА, легче на 75% доступных на сегодняшний момент металлических мачт.
Композитная стрела в сложенном виде выглядит как рулонный материал, намотанный на катушку. Здесь можно провести аналогию с обычной измерительной рулеткой. В скрученном состоянии DCB не занимает много места и имеет малую массу, а при развертывании приобретает форму, похожую на цилиндр и набирает жесткость для удерживания паруса.
Развертываемых композитной стрелы. Источник: NASA
Изготовлены такие стрелы из полимерных материалов, армированных углеродным волокном. По заявлениям ученых, материал практически не будет испытывать тепловых деформаций.
На аппарате ACS3 будет установлено 4 стрелы, длинной около 7 метров, которые охватят диагонали квадрата. После раскрытия солнечных батарей, начнут разворачиваться композитные стрелы, тем самым растягивая квадратный парус, площадь которого составит примерно 81 кв. метр. Габариты самого спутника 23х23×34 см.
На развертывание паруса по подсчетам может уйти от 20 до 30 минут. Цифровые камеры на борту спутника помогут контролировать и оценить результат эксперимента и ориентацию аппарата относительно Солнца.
Согласно НАСА, технология композитных стрел на данный момент позволяет развернуть парус площадью до 500 кв. метров. Если эксперимент с ACS3 пройдет успешно, до ведущиеся сейчас исследования по улучшению данного метода продолжаться, и в перспективе размеры паруса могут достичь 2 000 кв. метров.
На данный момент все выглядит и звучит достаточно амбициозно, но без испытаний на орбите сложно говорить о таких долгоиграющих перспективах, поэтому как всегда все покажет время и результаты эксперимента.
Этот аппарат реализован на базе спутника CubesSat 10х10х30 см. Сам парус изготовлен из майлара, его площадь составляет 32 кв. метра. Более подробные характеристики ниже на изображении:
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 Марсу. 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 6 .
Космические аппараты, использующие солнечный парус
Схема стабилизации космического аппарата
Советскими учёными была изобретена схема радиационно-гравитационной стабилизации космического аппарата, основанная на применении солнечного паруса 7 8 .
Первое развёртывание солнечного паруса
Первое развёртывание солнечного паруса в космосе было произведено на российском корабле «Прогресс» 4 февраля 1993 года в рамках проекта «Знамя».
21 мая 2010 года Японское космическое агентство (JAXA) запустило ракету-носитель H-IIA, на борту которой находились космический аппарат IKAROS с солнечным парусом и метеорологический аппарат для изучения атмосферы Венеры 9 . 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.
Сейчас в России существует консорциум «Космическая регата» 10 , который провёл несколько опытов с солнечными отражателями с целью освещения районов нефте- и газодобычи. Также существуют проекты выплавления зеркал на орбите из астероидов 11 .
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 обзоре лучших космических проектов из скорого будущего .
Из чего изготавливают парус?
Для межпланетных полетов важным аспектом является вес корабля и количество ракетного топлива. Применение солнечного паруса в качестве замены двигателя позволит значительно снизить эту нагрузку. Материал для его изготовления должен быть легким и прочным, иметь высокую отражающую способность. Добавление металлических ребер повышает безопасность использования, ведь полотно подвергается ударам метеоритов.
Плотность поверхности материала из композитного волокна не превышает 1 г/м3, а его толщина – несколько микрон. Из существующих вариантов самыми перспективными считаются каптон и милар – тончайшие полимерные пленки с алюминиевым покрытием. Разработка новых нанотехнологий открывает удивительные перспективы в производстве солнечных парусов, их можно создавать перфорированными и практически невесомыми, а это означает повышение эффективности использования.
Первые испытания
В рамках российского проекта «Знамя-2», созданного для экспериментов с отражателями, в 1993 году был впервые развернут солнечный парус. Размер конструкции из тонкой пленки с отражающим покрытием составил 20 метров. Японскими учеными была создана модель солнечного паруса, состоящая из четырех лепестков, в качестве материала использовалась сверхтонкая полиамидная пленка в 7,5 мкм. Конструкция была установлена на спутник IKAROS, который ракета-носитель вывела на орбиту 21 мая 2010 года. Испытания солнечного паруса начались с его раскрытия, полотно в 200 кв. м было успешно расправлено. Второй этап миссии, состоящий в регулировании скорости и направления, также был осуществлен.
При поддержке Планетарного общества США НПО им. Лавочкина разработало и создало конструкцию солнечного паруса, состоящую из 8 лепестков. Его поверхность покрывал слой алюминия, а прочность обеспечивало армирование. Запуск аппарата осуществлялся ракетой «Волна», которая из-за технического сбоя рухнула в море. Дальнейшие работы над проектом пока остановлены.
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.
Перспективы космического освещения Земли
Идею космического освещения Земли предложили еще в начале 20 века теоретики космонавтики Ф. Цандер в СССР и Г. Оберт в Германии. Благодаря конкурсу Колумб-500 и эксперименту «Знамя-2» работы перешли в практическую плоскость.
У такого освещения множество сфер применения. Наиболее очевидный — освещение северных городов во время продолжительного периода полярной ночи. Также, благодаря тому, что космическое зеркало можно быстро переориентировать, луч света можно направлять в районы чрезвычайных ситуаций, военных учений, строек государственного масштаба, массовых спортивных мероприятий.
В свое время, сразу после проведения «Знамени-2» нашлось много противников этой идеи. Они утверждали что искусственное освещение будет губительно влиять на природу, собьются биоритмы растений, животных и человека, изменится климат. Но такая аргументация выглядит малоубедительной, поскольку в северных городах биоритмы человека и без этого подвергаются жестоким испытаниям, а отраженный свет силой даже в несколько полных лун, недостаточен для сколь существенного изменения климата.
«Космическая регата» предлагала создать систему космического освещения «Третье светило» на основе солнечного парусного корабля проектируемого для лунной гонки. На околоземную орбиту предлагается вывести 12 отражателей диаметром 200 метров каждый. Такая система сможет освещать до 5 городов. Яркость отраженного света при этом может достигать 10-100 луннет (полных лун). Такая яркость позволит вполне комфортно работать на улице без применения каких-либо дополнительных источников света.
