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.

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.

Электрический солнечный парус, разработанный два года назад в Финнском метеорологическом институте, быстро движется от изобретения к практическому внедрению. Электрическая парусная тяга может оказать огромное влияние на космические исследования и путешествия по всей солнечной системе.

Изобретенный д-ром Пеккой Януненом (Pekka Janhunen) электрический парус, работающий на силе солнечного ветра, может привести к революции в космических путешествиях. В качестве источника тяги парус использует...

Пресс-служба NASA сообщила о том, что на орбиту Земли успешно выведен уникальный наноспутник, оснащенный солнечным парусом.

Для реализации проекта был запущен миниатюрный аппарат FASTSAT. Внутри него скрыта система P-POD, при помощи которой в космос был выброшен еще более компактный спутник NanoSail-D. Впервые в истории подобный аппарат был доставлен на орбиту более крупным спутником, а не ракетой.

Японское космическое агентство (JAXA) планирует 18 мая 2010 года запустить в космос спутник, движущийся за счет солнечного паруса.

Аппарат получил название Ikaros (сокращение от Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun - межпланетный парусный аппарат, движущийся за счет солнечного излучения).

Название спутника также является слегка искаженным именем героя античных мифов Икара (по-английски он пишется Icarus), который, надев сделанные его отцом крылья, попытался...

Японский экспериментальный космический парусник «Икар» за шесть последних месяцев набрал благодаря своему парусу, «работающему» за счет давления солнечного света, дополнительно 100 метров в секунду, или 360 километров в час, сообщает японское космическое агентство JAXA. Аппарат был запущен 21 мая 2010 года одновременно с исследовательским зондом «Акацуки», и они вдвоем отправились к Венере. В начале лета «Икар» начал раскручиваться и разворачивать свой парус: 14-метровое квадратное мембранное...

Запуск японской ракеты-носителя, на борту которой находятся спутник с солнечным парусом, движущийся за счет солнечного ветра, и аппарат для изучения Венеры, перенесен на 21 мая.

Изначально планировалось, что старт ракеты-носителя H-IIA состоится 18 числа, однако он был отменен из-за плохой погоды на космодроме Танегасима (Tanegashima). Новое время запуска - 21 мая, 01:58 по московскому времени.

Аппарат для изучения Венеры получил название "Акацуки" (в переводе с японского этого слово...

Группа космических аппаратов теоретически способна заставить астероид изменить направление движения, заслонив его от Солнца, считают специалисты из французского Национального центра космических исследований (CNES). Их идея, предполагающая запуск аппаратов, работающих по принципу «солнечного паруса» к астероиду Апофис, была озвучена на симпозиуме, прошедшем в Нью-Йоркском технологическом колледже.

Астероид Апофис был обнаружен в 2004 году. По расчётам астрономов, в 2029 году он должен пройти...

Солнечное затмение - это нечастое явление, которое в астрологии считается негативным. Ограничений и предостережений в эти дни значительно больше, чем обычно.

Новолуние, которое всегда сопровождает это событие, тоже произойдет в Знаке Рака, что добавит проблем. Еще этот день - пятница 13, что также не сулит нам ничего хорошего. Таким образом, позитивных моментов грядущего затмения почти не будет, зато опасностей...

Солнечные и лунные затмения играют значительную роль в астрологических прогнозах. Дни затмений нередко отмечены в исторических хрониках событиями, которые перевернули ход истории. 2019 год начнется с затмения Солнца. Астрологи расскажут, как провести этот день и не столкнуться с неприятностями.

2019 год, с точки зрения астрологов, будет богат на события, причем долго ждать их не придется. Например, с 1 января начинается звездопад Квадрантиды, пик которого придется на 4 число, а 6 января...

Рождение Солнечного паруса

Когда родилась идея Звездного паруса, паруса Космических кораблей? Быть может когда был построен первый парусный корабль, или маленькая лодка под маленьким парусом?

Из истории науки достоверно изветсно, что cолнечный парус как таковой был изобретен другим русским ученым - Фридрихом Артуровичем Цандером (1887 - 1933). Он впервые рассмотрел несколько конструкций этого устройства, наиболее целесообразная из которых была подробно описана им в 1924 году в неопубликованном варианте статьи “Перелеты на другие планеты”.

Солнечный парус, по замыслу ученого, должен был иметь площадь в 1 квадратный километр при толщине экрана 0,01 миллиметра и массу 300 килограммов. Парус должен был иметь центральную ось и некоторый набор силовых элементов, поддерживающих его форму. Цандер отмечал, что толщина экрана может быть еще меньше, так как Эдисону удалось изготовить никелевые листы толщиной 0,001 миллиметра и размером 3200 квадратных метров.

Ученый также попытался разработать основы теории движения космических аппаратов под солнечным парусом. Он считал целесообразным направлять на солнечный парус космического аппарата поток света, собранный вторым парусом, расположенным на некоторой промежуточной межпланетной станции. Эта его идея перекликается с современными предложениями об использовании для разгона космического аппарата искусственного лучистого (лазерного) ветра, обеспечивающего существенно большее давление на поверхность, чем солнечные лучи.

Лазер может толкать солнечный парус на огромные расстояния.

Цандер также принимал участие в создании первой советской жидкотопливной ракеты (она была испытана в 1933 году вскоре после его смерти), создал чертежи крылатой ракеты и впервые предложил выращивать на борту космического аппарата растения, чтобы обеспечивать космонавтов кислородом и едой. Именем Цандера назван кратер на луне, а Латвийская Академия Наук учредила ежегодный приз (по физике и математике) имени этого выдающегося ученого.

Солнечный парус - путь к звездам

Солнечный парус-характеристики

Некоторые источники называют солнечный парус “световым” - чаще всего это происходит в тех случаях, когда в качестве источника света предлагается использовать не Солнце, а, например, лазер.

Принцип работы этого устройства прост до безобразия - космический корабль разворачивает большое полотно - парус, который либо отражает, либо поглощает (рассматриваются варианты и с черным парусом) фотоны света.
17 Kb

На орбите Земли (1 астрономическая единица расстояния от Солнца) парус массой 0,8 г/м2 испытывает примерно такое же по силе воздействие солнечного света. Давление обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Заметим, что парус может быть гораздо тяжелее - и все равно он останется более-менее функциональным, хотя и не сможет самостоятельно раскрываться под действием солнечного ветра (придется разворачивать его механическим путем).

Главным неудобством солнечного паруса является то, что он может двигать корабль лишь в сторону от Солнца, а не к нему. Иногда высказывается мнение, что полет в направлении Солнца возможен, если идти галсами (здесь очевидна аналогия с зигзагообразным движением морского парусника против ветра). Изменяя угол наклона солнечного паруса относительно падающего на него света, можно легко управлять космическим кораблем, сколь угодно часто меняя его траекторию (удовольствие, недоступное для ракетных двигателей).

Основное и самое главное достоинство “парусного” способа перемещения в космическом пространстве - полное отсутствие топливных затрат. Альтернатив современным химическим ракетам на околоземном пространстве пока нет - они сравнительно дешевы и способны вывести на орбиту грузы в сотни тонн.

Однако когда речь заходит о межпланетных путешествиях, преимущества химических ракет заканчиваются. Они попросту не способны обеспечить кораблю постоянное ускорение (а, следовательно, сообщить ему как можно более высокую скорость) - ведь, по сути, свыше 90% их массы составляет стремительно расходуемое горючее. По самым скромным расчетам, для путешествия на Марс понадобится 900 тонн топлива - и это при том, что масса полезной нагрузки будет примерно в 10 раз меньше. Про ракеты еще говорят - “топливо везет само себя”.

На первый взгляд, космический парус очень медлителен. Да, действительно, начальные этапы его разгона будут напоминать гонки черепах. Однако не следует забывать, что ускорение действует постоянно (для паруса массой 0,8 г/м2 начальное ускорение будет равно 1,2 мм/с2). В условиях безвоздушного пространства это позволит достичь огромных скоростей за весьма короткие сроки.

Теоретически, корабль с космическим парусом способен достичь скорости в100000 км/с и даже выше. Если в 2010 году запустить в космос такой зонд, то (в идеальных условиях) в 2018 он догонит “Вояджер-1”, которому для этого путешествия потребовался 41 год. В настоящее время “Вояджер-1” (запущенный в 1997) находится от нас на расстоянии в 12 световых часов и является самым удаленным от Земли космическим кораблем.

К сожалению, обсуждение перспектив использования солнечного паруса в космосе не касается одного очень важного вопроса - как будет осуществляться торможение корабля на таких гигантских скоростях? Для межзвездных экспедиций ответ есть - за счет использования солнечного паруса, развернутого в противоположную сторону (однако это существенно увеличит время полета). А как быть с путешествием, допустим, на Марс? Везти с собой ракетное топливо неэффективно, а использование новых типов двигателей (например, разрабатываемых в настоящее время ионных) пока находится под вопросом.

Теоретически, корабль с космическим парусом способен достичь скорости в100000 км/с и даже выше. Если в 2010 году запустить в космос такой зонд, то (в идеальных условиях) в 2018 он догонит “Вояджер-1”, которому для этого путешествия потребовался 41 год. В настоящее время “Вояджер-1” (запущенный в 1997) находится от нас на расстоянии в 12 световых часов и является самым удаленным от Земли космическим кораблем.

Материя и форма Солнечного паруса

Материал, из которого сделаны солнечные паруса, должен быть максимально легким и прочным. В настоящее время наиболее перспективными являются полимерные пленки - милар и каптон (толщиной 5 микрон), алюминизированные (тончайший слой металла в 100 нанометров) с одной стороны, что придает им отражающую способность до 90%.

Здесь есть свои сложности. Милар очень дешев и легкодоступен (чуть более толстые пленки имеются в открытой продаже), но непригоден для длительного применения в космосе, так как разрушается под воздействием ультрафиолетового излучения. Каптон более устойчив, однако минимальная толщина такой пленки - 8 микрон, и это уменьшает ходовые качества такого паруса.

Для межзвездных полетов космическому паруснику необходимо набрать невероятную скорость. Для этого ученые предлагают начинать путешествие не с земной орбиты, а с места поближе к Солнцу (например, с орбиты Меркурия). Это позволит значительно увеличить эффективность солнечного паруса, однако потребует для него более прочных, термостойких материалов. Согласно расчетам агентства NASA (США), при таком старте космический “парусник” достигнет Альфы Центавра за 32 года.

В настоящее время ученые надеются на развитие нанотехнологий - с их помощью можно будет создать легчайший и сверхэффективный солнечный парус из углеродных нанотрубок.

Форма (конструкция) парусов имеет едва ли не большее значение, чем материал, из которого они сделаны.

Самый простой и надежный (но более тяжелый, а, следовательно - не слишком быстрый) солнечный парус имеет каркасную конструкцию. Больше всего он напоминает воздушного змея - легкая крестообразная рама является несущей основой для четырех треугольных парусов, надежно закрепленных на ней. Форма каркаса может быть разной - даже круглой. Очевидное преимущество такой конструкции заключается в надежной фиксации парусов - они не смогут свернуться и ими легко управлять (поворачивать под разным углом к свету).

.

Каркасный солнечный парус.

Солнечный парус

Существуют проекты парусов, не имеющих каркаса - так называемая “вращающаяся конструкция”. Эти модели выполнены в виде лент, закрепленных на космическом аппарате. Как следует из названия, раскрытие парусов этого типа обеспечивается вращением корабля вокруг своей оси. Центробежные силы (на концах лент закреплен небольшой груз) вытягивают их в разные стороны, позволяя обойтись без тяжелого каркаса. Теоретически, такая конструкция обеспечивает более высокую скорость передвижения в космосе, чем каркасная, за счет своего малого веса.

Модель вращающегося солнечного паруса.

Таковы основные варианты строения солнечного паруса. Предлагаются также и другие модели, например - полотна, свободно парящие в космосе и прикрепленные к кораблю при помощи тросов. Это - своеобразный “гоночный” вариант парусов - при всех их скоростных преимуществах они ненадежны и сложны в управлении.

Свободно парящее полотно космического паруса (рисунок с сайта NASA).

Еще один вариант (хотя некоторые исследователи и склонны выводить его в отдельный класс транспортных средств будущего) - это так называемый “плазменный парус”.

Плазменные паруса будут представлять собой миниатюрную модель магнитного поля Земли. Точно так же, как наше магнитное поле прогибается под напором солнечного ветра, магнитное поле (диаметром 15-20 километров), окружающее космический корабль, будет отступать под давлением заряженных частиц.

Изобретения

9 августа прошлого года японский институт космонавтики (ISAS) произвел запуск и развертывание двух полноценных солнечных парусов на низких орбитах (122 и 169 км.).

Но страна восходящего солнца не стала первой в области испытаний солнечных парусов. Пальма первенства (с некоторыми оговорками) опять принадлежит России - 4 февраля 1993 года был проведен эксперимент “Знамя-2 ” с развертыванием 20-метровой тонкопленочной конструкции за счет использования центробежных сил на борту корабля “Прогресс М-15”, пристыкованного к орбитальной станции “Мир”.

Почему это первенство с оговорками? Дело в том, что основной задачей эксперимента было не испытание тяговых качеств этого полотна, а освещение участка земной поверхности отраженным светом - еще одна вполне реальная функция солнечных парусов.

На эту весну (предположительные сроки - нынешний месяц) был запланирован кластерный (на одной ракете класса “Днепр”) запуск спутников АКС-1 и АКС-2 компании “Космотранс”. Каждый из них весит около двух килограммов (контейнер 30х30х40 см.) и несет в себе солнечный парус размером с теннисный корт (толщина - 2 микрометра).

На поверхности пленки будут смонтированы позолоченные сенсоры, регистрирующие динамику распределения зарядов по площади паруса над сейсмоопасными районами Земли.

Помимо испытаний ходовых качеств космических парусников, предполагается провести ряд экспериментов по сверхчувствительному зондированию земной поверхности (предсказание землетрясений) и освещению ее пятном света диаметром в пять километров. Спутники будут выведены на 800-километровую орбиту и смогут находиться там на протяжении нескольких столетий.

Рисунок солнечного паруса, который в 1970-х годах предполагалось запустить на встречу с кометой Харли.

Солнечный парус модель

Миниатюрная (1 квадратный метр) модель солнечного паруса из милара.

НАСА выбрало три разработки, которые непременно окажутся в космосе

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства определилось с так называемыми Technology Demonstration Missions, в число которых входят преобразование космической связи, навигация в глубоком космосе и двигатель для работы в космосе.

Отобраны следующие проекты: лазерная система космической связи, атомные часы и солнечный парус.

НАСА решило инвестировать именно в эти революционные технологии, поскольку они, как полагает ведомство, смогут стать основой космических программ будущего, а также, как ни странно, сократить расходы.

Наука и техника / Космос / Космонавтика и исследования космоса /

Атомные часы и спутник Iridium (иллюстрация НАСА).

«Демонстрация передачи данных с помощью лазера» (Laser Communications Relay Demonstration) - проект Дэвида Изрейла из Годдардовского центра космических полётов НАСА. Оптические технологии обещают «утолщение» канала связи с космическими аппаратами в 100 раз по сравнению с тем, что есть сегодня.

«Атомные часы глубокого космоса» (Deep Space Atomic Clock) - задумка Тодда Илая из Калифорнийского технологического института, аффилированного также с Лабораторией реактивного движения НАСА. В рамках этого проекта будут созданы и отправлены в космос на одном из спутников Iridium миниатюрные часы на ионах ртути, которые должны быть в 10 раз точнее нынешних систем.

«По ту сторону камеры Плам-Брук» (Beyond the Plum Brook Chamber) - так названа разработка и демонстрация солнечного паруса, которой занимается Натан Барнс из корпорации L"Garde. Плам-Брук - это полевая станция Исследовательского центра НАСА им. Джона Гленна, где расположена крупнейшая в мире вакуумная камера для имитации космических условий. Там, в частности, тестируют будущие космические корабли, комплектующие и материалы. Так вот, площадь нового солнечного паруса, как обещано, в семь раз превысит нынешние разработки. Как минимум, его можно будет использовать в качестве очень точного орбитального датчика солнечного ветра, а также сборщика космического мусора.

Два последних проекта будут готовы к полёту в течение трёх лет. Создатели лазерной связи попросили все четыре. Общий размер инвестиций составляет $175 млн. Дополнительные средства предоставят партнёры, заинтересованные в разработках.

***
Изобретен световой межпланетный корабль

Профессор Лос-Анджелесского университета изобрел модель сверхбыстрого корабля для межпланетных путешествий, который, как и солнечный парус, движется за счет света. В отличие от "паруса", новый корабль не отражает свет, а превращает его в электричество с помощью гигантской солнечной батареи, которая передает затем энергию ионным двигателям. Об этом сообщает EurekAlert.

Батарею предлагают сделать гибкой, чтобы ее можно было развернуть уже в космосе. "Электрическая мембрана" площадью в несколько тысяч квадратных метров позволит добраться до Плутона менее чем за год, разгоняясь при этом до скорости в сотни тысяч километров в час. Сотрудник NASA, прокомментировавший эту работу, заметил, что такое изобретение может пригодиться и для межзвездных экспедиций, когда источник света доступен только в самом начале пути. Пока нужных материалов для изготовления "мембраны" не придумано, но ученые надеются на быстрое развитие нанотехнологий.

(рисунок -выше)

Современные аппараты, которые отправляются на периферию Солнечной системы, используют ядерное горючее и движутся заметно медленнее. Так, зонд NASA New Horizons, запущенный в январе и снабженный плутониевым двигателем, достигнет окрестностей Плутона только через девять лет.
Солнечный парус компании L"Garde. Людей рядом с ним почти не видно... (Фото L’Garde Inc.)
Пока, однако, ни один запуск солнечного паруса (или родственных конструкций) не был успешным. В июне прошлого года российская ракета с частным "парусником" утонула, как и при первой попытке вывести аппарат на орбиту в 2001 году. С другой стороны, известно, что "паруса" безо всякого груза удавалось развернуть космонавтам вблизи станции "Мир" и шаттла.

Японский космический аппарат IKAROS
успешно расправил солнечный парус и
готовится к межпланетному полету

Согласно данным, полученным от представителей космического агентства Японии JAXA, успешно завершена операция по разворачиванию в космосе первого солнечного паруса космического аппарата IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun). Но, тем не менее, развертывание паруса еще не является успехом всей миссии. Космический аппарат IKAROS должен начать двигаться под воздействием солнечного ветра, руководители миссии ожидают, что влияние солнечного ветра на движение аппарата можно будет зарегистрировать не ранее, чем несколько недель. Только после этого момента станет ясно, работает ли вообще солнечный парус.

Парус космического аппарата изготовлен из тончайшей, 0.00076 см, полимерной пленки покрытый тонким слоем солнечных батарей. Когда фотоны света ударяются в парус, они поглощаются или отражаются, сообщая ему дополнительный импульс силы, которая разгоняет космический аппарат. Фотоны являются очень маленькими частицами и их импульс весьма мал, но, учитывая их огромное количество, можно надеяться, что в течение долгого времени космический аппарат накопит достаточную для полета скорость.

Из-за того, что этот космический аппарат приводится в движение Солнцем, он не нуждается в двигателе и другом источнике энергии, что делает такие аппараты главными претендентами для полетов в межзвездном пространстве. Поскольку солнечный парус является и солнечной батареей, то дополнительная полученная электроэнергия может накапливаться и использоваться для движения в те моменты, когда солнечный ветер попросту отсутствует.

Конечно, ничего из всего вышесказанного не будет действовать, если солнечный парус не развернется должным образом. Специалисты JAXA смогли обеспечить правильное разворачивание паруса, раскрутив достаточно быстро космический аппарат вокруг оси, после чего парус развернулся под воздействием центробежных сил.

К звездам на острие луча

Д октор Роберт Л. Форвард Симпозиум по межзвездным сообщениям и путешествиям.
Филадельфия, Пенсильвания.

Хотя и существует возможность использовать термоядерный синтез и антиматерию для медленного пут ешествия к самым близким звездам, вполне может быть, что ракета - не лучшее транспортное средство для межзвездного полета. Все ракеты состоят из полезной нагрузки, запаса реактивной массы, источник энергии, двигателя, движителя и конструкции все это соединяющей. Но имеется целый класс космических аппаратов, которые не должны нести никаких источников энергии, реактивной массы и даже двигателя на борту и состоят только из полезной нагрузки и движителя. Эти космические аппараты разгоняются энергией излучения внешнего источника. Опубликовано много работ, предлагающих разные идеи, реализующие такой привод. Три из них я хочу здесь обсудить. Первый - зонд, приводимый в движение выстреливаемыми шариками или пылинками материи. Маленькие пылинки вещества разгоняются в Солнечной системе и направляются на межзвездный зонд, где они перехватываются и отдают свой импульс кораблю. Так же мы рассмотрим идею использовать мазер для разгона зонда, который является, по сути, большой сеткой. Это зонд-парус из проволочной сетки с микросхемами в ее узлах. Парус-сетка помещается в поток микроволнового излучения и быстро разгоняется им. Высокое ускорение позволяет такому парусу достигнуть скорости сравнимой со скоростью света до того как линза уже не сможет фокусировать на нем энергию излучения. По прибытию такого корабля в чужую звездную систему передатчик у Земли опять направляет в сторону зонда микроволновую энергию. Используя провода сетки как антенны, микросхемы собирают эту энергию для питания оптических датчиков и своих логических схем, чтобы накопить научную информацию и получить изображение далекой планетной системы. Полученная картинка отправляется назад, на Землю. Третья схема привода - это разгоняемый лазером световой парус . Здесь большой парус из светоотражающего материала разгоняется к звездам давлением света, который генерирует большая батареей лазеров расположенных на орбите возле Солнца. Такой световой парус достиг бы релятивистских скоростей за несколько лет. По прибытию к цели, часть паруса в центре, отделяется от основного и ориентируется так, чтобы находиться перед большим кольцевым парусом который продолжает лететь вперед. Лазерный луч, посланный из Солнечной системы, отражается от большого кольцевого паруса, который теперь выполняет роль отражающего зеркала, и попадает на обратную сторону малого паруса. Отраженный таким образом луч из Солнечной системы тормозит малый парус и обеспечивает выход на орбиту звезды назначения. После того как команда исследует эту звездную систему в течении нескольких лет, еще один кольцевой парус, возвращает экспедицию назад, отделяется от паруса торможения. Лазерный луч из солнечной системы в этот раз опять переотражается от этого кольцевого паруса, разгоняя возвращаемый, еще меньший парус в направлении дома. Поскольку на этот раз парус летит в сторону Солнечной системы, луч, направленный на него при подлете, затормозит возвращающуюся экспедицию.

Оценка ракетной технологии

Нет никакой необходимости использовать именно ракетный принцип, чтобы построить межзвездный корабль. Если мы используем концепцию классической ракеты, мы обнаруживаем, что любое подобное устройство состоит из полезной нагрузки, топлива (реактивной массы), источника энергии, двигателя, который сообщает энергию топливу (реактивной массе), движителя, то есть устройства, превращающее импульс реактивной массы в импульс корабля, и конструкции все это соединяющей. Классическая химическая ракета совмещает реактивную массу и источник энергии в химическом топливе. Но так как любая ракета должна нести отбрасываемую реактивную массу наряду со всем остальным, возможности разгона такого корабля существенно ограничены. Для миссий, у которых конечная скорость v больше чем скорость истечения u , необходимый запас топлива (отбрасываемой массы) возрастает как экспонента отношения v/u .
Можно придумать другой тип транспортного средства, которое не использует ракетный принцип (то есть не несет всю реактивную массу на борту) и таким образом избегает экспоненциального роста массы топлива, неизбежного в случае классической ракеты. Некоторые из таких идей превосходные кандидат на роль идеального межзвездного корабля. Например, прямоточная система Бассарда (Bussard interstellar ramjet ). Межзвездная прямоточная система не несет на себе никакого запаса реактивной массы и даже энергии, потому что она использует специальный коллектор чтобы собирать атомы водорода, которые имеются в "пустоте" космоса. Собранные атомы водорода используются как термоядерное топливо в двигателе, где энергия синтеза применяется для разгона продуктов реакции (обычно атомов гелия) которые и обеспечивают тягу для путешествия. К сожалению никто пока не знает как построить реактор на синтезе голых протонов и как создать коллектор для сбора водорода (который должен быть очень большой в диаметре и очень легкий по массе).

И меется целый класс других космических кораблей, которые не должны нести с собой никаких источников энергии, запаса реактивной массы и даже никаких двигателей. Они состоят только из полезной нагрузки, движителя и, разумеется, конструкции все это соединяющей. Это корабли, приводимые в движение энергией излучения из внешнего источника. В такой схеме все тяжелые части (запас реактивной массы, источник энергии и двигатель) остаются дома, в Солнечной системе. Здесь, вокруг Солнца всегда имеется неограниченный запас всегда доступного топлива и мощный источник энергии (избыток обычного солнечного света). Оставленный дома двигатель может обслуживаться, ремонтироваться и даже модернизироваться по ходу миссии. Немало идей таких приводов на излучении были опубликованы в литературе. Три будут здесь рассмотрены. Все эти версии привода могут быть построены при разумной экстраполяции уже существующей на сегодняшний день технологии. Первый - это привод на луче материи (выстреливаемых частичках вещества), второй - микроволновый парус-сетка, третий - лазерный парус.