Парусники, дирижабли, подлодки и другие средства исследования космоса. Как работает солнечный парус

Солнечный парус представляет собой способ передвижения космического корабля с использованием давления световых и высокоскоростных газов (также называемого давлением солнечного света), излучаемого звездой. Рассмотрим подробнее его устройство.

Использование паруса предполагает недорогие космические путешествия в сочетании с увеличенным сроком использования. Из-за отсутствия множества движущихся частей, а также необходимости использовать пропеллент, потенциально становится возможным многоразовое использование такого корабля для доставки полезных грузов. Также иногда используются названия световой или фотонный парус.

История концепции

Йоханес Кеплер как-то заметил, что хвост кометы смотрит по направлению от Солнца, и предположил, что именно звезда производит такой эффект. В письме Галилею в 1610 году он писал: "Обеспечьте корабль парусом, приспособленным к солнечному бризу, и найдутся те, кто отважится исследовать и эту пустоту". Возможно, при этих словах он ссылался именно на феномен "хвоста кометы", хотя публикации на эту тему появились несколько лет спустя.

Джеймс К. Максвелл в 60-х годах XIX века опубликовал теорию электромагнитного поля и излучений, в которой показал, что свет имеет импульс и таким образом может оказывать давление на объекты. Уравнения Максвелла дают теоретическую основу для передвижения при помощи светового давления. Поэтому уже в 1864 году в сообществе физиков и вне его было известно, что солнечный свет несет импульс, оказывающий давление на объекты.

Сначала Петр Лебедев в 1899 году экспериментально продемонстрировал а затем Эрнест Николс и Гордон Халл провели аналогичный независимый эксперимент в 1901 году с использованием радиометра Николса.

Альберт Эйнштейн представил другую формулировку, признав эквивалентность массы и энергии. Теперь мы можем написать просто p = E/c как соотношение между импульсом, энергией и скоростью света.

Предсказал в 1908 году возможность давления солнечной радиации, переносящей живые споры на межзвездные расстояния, и, как следствие, понятие панспермии. Он был первым ученым, заявившим, что свет может перемещать объекты между звездами.

Первые официальные проекты по разработке этой технологии начались в 1976 году в Лаборатории реактивного движения для предлагаемой миссии по «рандеву» с кометой Галлея.

Принцип работы солнечного паруса

Свет оказывает влияние на все аппараты на орбите планеты или в К примеру, обычный космический корабль, следующий на Марс, будет смещен более чем на 1000 км по направлению от Солнца. Эти эффекты учитываются при планировании траектории космического путешествия со времен самого первого межпланетного космического корабля 1960-х годов. Излучение также влияет на позицию аппарата, и этот фактор должен учитываться в проекте судна. Сила, воздействующая на солнечный парус, составляет 1 ньютон и меньше.

Использование этой технологии удобно на межзвездных орбитах, где любые действия выполняются низкими темпами. Вектор силы светового паруса ориентирован вдоль солнечной линии, что увеличивает энергию орбиты и момент импульса, в результате чего корабль движется дальше от Солнца. Для изменения наклона орбиты вектор силы оказывается вне плоскости вектора скорости.

Контроль позиции

Система управления ориентацией (ACS) космического корабля необходима для достижения и изменения желаемой позиции при путешествии по Вселенной. Заданное положение аппарата меняется очень медленно, часто меньше одного градуса в день на межпланетном пространстве. Этот процесс происходит гораздо быстрее на орбитах планет. Система управления аппаратом, использующим солнечный парус, должна удовлетворять всем требованиям к ориентации.

Контроль достигается путем относительного сдвига между центром давления судна и его центром масс. Этого можно достичь с помощью управляющих лопаток, движения отдельных парусов, перемещения контрольной массы или изменения отражательной способности.

Неизменная позиция требует, чтобы ACS поддерживал чистый крутящий момент на нуле. Момент силы паруса не постоянен вдоль траектории. Изменения с расстоянием от Солнца и углом, который корректирует вал паруса и отклоняет некоторые элементы опорной конструкции, что приводит к изменениям силы и крутящего момента.

Ограничения

Солнечный парус не сможет работать на высоте ниже, чем 800 км от Земли, так как до этого расстояния сила сопротивления воздуха превышает силу светового давления. То есть влияние солнечного давления слабо ощутимо, и он просто не будет работать. Скорость поворота должна быть совместима с орбитой, что обычно является проблемой только для конфигурации вращающихся дисков.

Рабочая температура зависит от солнечного расстояния, угла, отражательной способности, а также передних и задних излучателей. Парус можно использовать только там, где температура поддерживается в его материальных пределах. Как правило, он может использоваться довольно близко к солнцу, около 0,25 астрономических единиц, если корабль тщательно спроектирован для этих условий.

Конфигурация

Эрик Дрекслер изготовил прототип солнечного паруса из специального материала. Он представляет собой каркас с панелью из тонкой алюминиевой пленки толщиной от 30 до 100 нанометров. Парус вращается и должен постоянно находиться под давлением. Конструкция такого типа обладает высокой площадью на единицу массы и, следовательно, получает ускорение «в пятьдесят раз выше», чем основанные на развертываемых пластиковых пленках. Она представляет собой квадратные паруса с мачтами и парными линиями на темной стороне паруса. Четыре пересекающиеся мачты и одна - перпендикулярно центру, чтобы удерживать провода.

Электронная конструкция

Пекка Янхунен изобрел электрический парус. Механически он имеет мало общего с традиционным дизайном светового. Паруса заменяются выпрямленными проводящими тросами (проводами), расположенными радиально вокруг корабля. Они создают электрическое поле. Оно простирается на несколько десятков метров в плазму окружающего солнечного ветра. Солнечные электроны отражаются электрическим полем (как фотоны на традиционном солнечном парусе). Корабль может управляться путем регулирования электрического заряда проводов. Электрический парус имеет 50-100 выпрямленных проводов длиной около 20 км.

Из чего изготовлен?

Материал, разработанный для солнечного паруса Дрекслера, представляет собой тонкую алюминиевую пленку толщиной 0,1 микрометра. Как и ожидалось, она продемонстрировала достаточную прочность и надежность для использования в космосе, но не для складывания, запуска и развертывания.

Наиболее распространенным материалом в современных конструкциях является алюминиевая пленка "Каптон" размером 2 мкм. Она сопротивляется высоким температурам рядом с Солнцем и достаточно крепкая.

Были некоторые теоретические предположения о применении методов молекулярного производства для создания продвинутого, сильного, сверхлегкого паруса, основанного на тканевых сетках из нанотрубок, где плетеные «промежутки» меньше половины длины волны света. Такой материал был создан только в лабораторных условиях, а средства для изготовления в промышленном масштабе пока недоступны.

Световой парус открывает огромные перспективы для межзвездных передвижений. Конечно, есть еще много вопросов и проблем, с которыми придется столкнуться, прежде чем путешествие по Вселенной при помощи такой конструкции космического корабля станет привычным делом для человечества.

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.

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...

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.

Кратко о статье: Раньше извозчики кричали: «Но, пошла!», летчики - «От винта!», а Гагарин ограничился лаконичным: «Поехали!». Вполне возможно, что через каких-нибудь 20-30 лет космонавты будут оглашать радиоэфир «морскими» возгласами типа: «Поднять грот, убрать бом-брамсели!», ведь солнечный парус - дешевое, доступное, и очень эффективное средство перемещения в космосе, которое сейчас рассматривается как один из лучших способов путешествия человека на Марс. Все, что вы хотели бы узнать об этом - в новой статье «Поднять паруса!».

Поднять паруса!

Солнечный парус - путь к звездам

Все с детства знают, что то-то и то-то невозможно. Но всегда находится невежда, который этого не знает. Он-то и делает открытие.

Альберт Эйнштейн

Парус - простейшее устройство, сотни лет исправно служившее людям. Земля осваивалась именно под парусами. Но в конце 19 века они уступили место сначала паровым машинам, затем - дизельным двигателям, а позже на службу человеку встали космические ракеты и атомная энергия. Казалось бы, парусные корабли навсегда “уплыли” в область спорта, отдыха богачей, дорогих исторических фильмов и авантюрных морских романов.

Как говорил Рабинович в известном анекдоте: “Не дождетесь!”. Ведущие специалисты в области исследования космоса уже не один десяток лет серьезно обсуждают вопрос о применении солнечного паруса в космосе. Многие из нас слышали этот термин и примерно представляют себе принципы работы солнечного паруса. Но что такое солнечный парус при ближайшем рассмотрении? Действительно ли он эффективнее химических ракетных двигателей?

Автора!

Почти 400 лет назад выдающийся немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571-1630), наблюдая кометы, установил, что их хвосты постоянно направлены в сторону, противоположную от Солнца. Трактат “О кометах”, опубликованный им в 1619 году, объяснял это явление воздействием солнечного света (идея по тем временам не только бредовая, но и откровенно опасная). Так или иначе, Кеплер был первым, кто предположил, что солнечный свет оказывает давление на хвосты комет.

На протяжении нескольких последующих столетий космосом интересовались лишь астрономы, шарлатаны и шизофреники, причем первые исследовали его чисто академически - лететь туда они не собирались, а остальные уж и подавно не могли придумать способа использовать солнечный свет для путешествий к другим планетам.

Теория давления света в рамках классической электродинамики была выдвинута Джеймсом Кларком Максвеллом в 1873 году, который связал это явление с передачей импульса электромагнитного поля веществу.

Так уж сложилось - западные ученые в наше время крайне неохотно вспоминают о том, что некоторые великие научные открытия были сделаны в России. Они совершенно не связывают изобретение радио с Поповым, а лампочка накаливания никак не ассоциируется у них с Лодыгиным. Однако все без исключения исследователи признают, что пионерами в области разработок космического паруса являются наши соотечественники.

Так, давление света на твердые тела было впервые исследовано Петром Николаевичем Лебедевым (1866-1912) в 1899 году. В его опытах использовался вакуумированный (~10 в минус четвертой степени миллиметров ртутного столба) стеклянный сосуд, где на тонкой серебряной нити были подвешены коромысла крутильных весов с закрепленными на них тонкими дисками-крылышками из слюды (они-то и подвергались облучению). Именно Лебедев экспериментально подтвердил справедливость теории Максвелла о давлении света.

Солнечный 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.

Что мы имеем?

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.

На орбите Земли (1 астрономическая единица расстояния от Солнца) парус массой 0,8 г/м 2 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/м 2 начальное ускорение будет равно 1,2 мм/с 2). В условиях безвоздушного пространства это позволит достичь огромных скоростей за весьма короткие сроки.

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.

Материя и форма

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.

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).

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.

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.

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.

Что день грядущий нам готовит?

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.

Словом - если посмотреть на состояние дел в области развития космоплавания (Циолковский, кстати, называл космонавтику именно так), то освоение ближайших планет солнечной системы перестает быть научной фантастикой. В настоящее время солнечный парус - самый перспективное устройство для передвижения в космосе, имеющее целый ряд преимуществ перед химическими ракетными двигателями. Кто знает, может быть, через 20-30 лет мы с вами сможем купить билет на космический парусник и полететь в отпуск на Марс?