что такое солнечный парус
Солнечный парус: простая идея, которая поможет нам долететь до звезд
Получайте на почту один раз в сутки одну самую читаемую статью. Присоединяйтесь к нам в Facebook и ВКонтакте.
Принцип действия
Солнечный парус – это приспособление, которое использует давление солнечного света на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.
Применение данной технологии позволит совершать даже самые длительные космические полеты, ведь для движения в межзвездном пространстве кораблю не нужно будет иметь на борту огромный запас физического топлива – источник движения будет находиться повсюду.
Конечно, чем дальше будет расстояние космического корабля с солнечным парусом от источника света, тем меньшим будет его давление. Но ведь огромные пространства Вселенной представляют собой вакуум, следовательно, не будет силы, замедляющей движение космолета. Зато даже самый слабый свет от далеких звезд будет постепенно увеличивать скорость полета.
Считается, что космический аппарат, движимый солнечным парусом достаточного размера, может развить скорость примерно в одну десятую от световой.
Существуют также идеи, предполагающие замену основного источника движения такого паруса с солнечного света на лазерный луч. Изначально предполагалось устанавливать источник этого луча на Земле, но сейчас появились куда более смелые предложения по созданию таких конструкций где-нибудь на отделенных планетах Солнечной Системы или даже на космических станциях в межзвездном пространстве. Идеальным вариантом будет развертывание целой системы лазерных установок по дороге к другим звездам. Но это – дело далекого будущего.
История
Истоки идеи солнечного парус следует искать в работах знаменитого шотландского физика Джеймса Максвелла (вторая половина девятнадцатого века), который сформулировал электромагнитную теорию света и предсказал существование давления света.
Мечты о космических кораблях, которые будут передвигаться благодаря давлению солнечного света, появились уже в конце девятнадцатого века в работах писателей-фантастов. К примеру, в романе «Необычные приключения одного русского ученого» французов Жоржа ле Фора и Анри де Графиньи идет речь об экспедиции на Венеру, во время которой для движения было использовано огромное параболическое зеркало.
По иронии судьбы именно российский ученый и разработал первую в истории реальную конструкцию летательного аппарата на солнечном парусе. Советский инженер Фридрих Цандер в 1924 году подал в Комиссию по изобретениям соответствующую заявку, но эксперты назвали ее слишком фантастической и отклонили.
На Западе идею создания солнечного паруса связывают, в первую очередь, со знаменитым астрономом, астрофизиком и популяризатором науки Карлом Саганом. Он был большим сторонником межзвездных полетов, и как ученый стал одним из самых авторитетных консультантов NASA.
Саган впервые упомянул идею солнечного паруса в 1976 году. До этого он столкнулся с проблемой невозможности дальних космических полетов при помощи летательных аппаратов на основе физического двигателя. Но солнечный парус в теории позволял выйти из данного технологического тупика.
В 1980 году Карл Саган с единомышленниками, другими знаменитыми учеными, основал Планетарное общество, целью которого значится исследование космического пространства, поиск внеземной жизни, а также поддержка направленных на это проектов. Данная организация и является одним из главных сторонников и лоббистов идеи солнечного паруса.
Попытки создания
Еще в 1974 году инженерам удалось впервые «обуздать» солнечный ветер. Произошло это в рамках запуска американской автоматической межпланетной станции Маринер-10. В качестве солнечного паруса выступили ее панели солнечных батарей. Их развернули под нужным углом к Солнцу, что позволило корректировать расположение корабля в пространстве.
Следующей конструкцией, похожей на солнечной парус, стал отражатель Знамя-2, установленный в 1993 году на орбитальной станции Мир. Но он использовался не в качестве ускорителя, а как дополнительный источник света для Земли. Эта конструкция создала на поверхности нашей планеты огромный «солнечный зайчик» диаметром 8 километров.
В дальнейшем процесс создания и развертывания солнечных парусов столкнулся с настоящим злым роком. Так, в 2005 году упала во время старта российская ракета Волна, несущая на орбиту спутник Космос-1 с солнечным парусом диаметром 30 метров.
Первый по-настоящему удачный запуск солнечного паруса состоялся в 2010 году в рамках японского проекта IKAROS. Японские инженеры отправили на орбиту и смогли там полностью развернуть полиамидную пленку толщиной 7,5 мкм и площадью 196 квадратных метров.
Этот солнечный парус функционировал в течение многих месяцев во время полета автоматической межпланетной станции Акацуки в сторону Венеры. Возможно, он действует и сейчас, но с 2012 года с аппаратом нет связи.
В ноябре 2010 года американская ракета Минотавр-4 вынесла на орбиту солнечный парус NanoSail-D2. Объект летал вокруг Земли в течение восьми месяцев, и многие жители нашей планеты успели увидеть его на ночном небе в виде яркой точки, плывущей по небосводу.
А дальше снова неудача. Вернее, отсутствие удачи. В январе 2015 года NASA планировало вывести на орбиту при помощи частной ракет-носителя Falcon 9 солнечный парус Sunjammer, названный в честь одноименного рассказа Артура Кларка. Он должен был стать самым большим в истории объектом подобного рода, ведь площадь его поверхности составляет около 1200 квадратных метров.
Но в ноябре 2014 года стало известно, что Американское космическое агентство отменило этот запуск, так что ракета Falcon 9 отправилась на орбиту без солнечного паруса на борту. Запуск Sunjammer пока что перенесен на 2018 год.
Текущие и будущие проекты
А теперь вернемся к Планетарному обществу. Именно оно инициировало запуск солнечного паруса LightSail-1, тестовое применение которого состоится 30 мая 2015 года. Правда, речь пока что идет лишь об отработке технологий, а не о полноценном проекте.
Парус LightSail-1 имеет площадь 32 квадратных метра. Он будет работать в паре с миниатюрным спутником CubeSat (так же, как и NanoSail-D2). Задача этого запуска заключается в тесте систем развертывания паруса, а также системы управления и связи. Аппарат проработает на орбите максимум десять дней. При этом его можно будет наблюдать с Земли в темное время суток.
Если же эти тестовые испытания дадут положительный результат, уже в 2016 году Планетарное общество запустит на орбиту полноценный солнечный парус LightSail-1. Он будет функционировать на высоте 800 километров, при этом время работы данного аппарата составит около четырех месяцев.
Создатели LightSail-1 надеются изучить за это время возможности маневрирования в Космосе с помощью солнечного паруса.
Интересно, что Планетарное общество решило обратиться за помощью в финансировании данного проекта ко всем жителям Земли. Организация запустила кампанию по сбору средств на сайте Kickstarter. Она стартовала всего несколько дней назад и уже собрала около 763 тысяч долларов при 200 тысячах изначально запрашиваемых. На данный момент, в ее фонд пожертвовало более 15 тысяч человек.
Можно сказать, что реальная история солнечных парусов начинается прямо на наших глазах. Красивая теория, которая дает нам перспективу межзвездных путешествий, пока что остается лишь теорией. Но в ближайшие десятилетия практика покажет, насколько верны предположения Максвелла, Цандера и Сагана.
Понравилась статья? Тогда поддержи нас, жми:
Аэрографитовый солнечный парус сочли пригодным для межзвездных полетов
Схематическое изображение траекторий аппарата с аэрографитовым солнечным парусом при запуске с геостационарной орбиты
René Heller et al. / Astronomy & Astrophysics, 2020
Физики теоретически проанализировали характеристики и возможности космических аппаратов, движение которых обеспечивает аэрографитовый солнечный парус. Оказалось, что такие аппараты способны совершать как полеты внутри Солнечной системы, так и межзвездные путешествия без дополнительной тяги, а также при метровых размерах и собственной массе около грамма переносить в десятки раз более массивную нагрузку. Тем не менее, создавать настолько крупные аэрографитовые структуры на практике пока не удавалось. Статья опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics.
Солнечным парусом называют приспособление, которое приводит в движение космический аппарат за счет давления электромагнитного излучения (как правило, Солнца или лазером). При падении излучения на поверхность паруса отдельные фотоны передают ей свой импульс и, таким образом, подталкивают парус по направлению от источника света. При условии, что площадь паруса достаточно велика (чтобы захватить больше фотонов), а масса — достаточно мала (чтобы получать большую прибавку к скорости при данном приращении импульса), устройство может обеспечить перемещение космического аппарата в отсутствие дополнительной тяги (подробнее об устройстве и истории создания таких приспособлений можно узнать в материале «На всех парусах»).
Одно из основных ограничений для солнечного паруса — слабое давление солнечного света на дальних дистанциях от звезды. Эта величина уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния: если вблизи орбиты Меркурия давление составляет около 60 микропаскалей (то есть на каждый квадратный метр паруса будет действовать сила в 60 миллионных ньютона), то в области Земли оно уменьшается уже до девяти микропаскалей, а у границ Солнечной системы — становится еще в десятки миллиардов раз меньше. В результате далекие (в смысле расстояния до Солнца) полеты при помощи солнечного паруса становятся затруднительными: необходимо либо успевать разгонять аппарат на начальном этапе полета, пока он находится сравнительно недалеко от светила, либо использовать лазерные установки, которые бы заменяли ему солнечное излучение, либо прибегать к дополнительным источникам тяги — все это так или иначе представляет технические сложности.
Физики из Германии, Испании, США и Франции под руководством Рене Хеллера (René Heller) из Института исследования Солнечной системы Общества Макса Планка рассмотрели свой вид компактного космического аппарата на базе солнечного паруса и теоретически оценили его возможности в рамках предполагаемых миссий.
В качестве материала для приспособления ученые предложили использовать аэрографит — синтетическое вещество из трубчатых волокон углерода, которое обладает рекордно низкой плотностью: 0,18 килограмма на кубический метр — в 5,5 тысяч раз легче воды. Чтобы одновременно добиться достаточной для эффективного полета площади облучаемой Солнцем поверхности и малой массы аппарата, авторы выбрали для паруса полую сферическую форму. По словам исследователей, благодаря способности аэрографита восстанавливать форму после сжатия, на практике парус, вероятно, будет удобно доставлять в космос в сложенном виде и раскрывать.
Для оценки способностей аппарата путешествовать внутри Солнечной системы и выходить за ее пределы ученые численно моделировали его движение под действием излучения Солнца и гравитационного притяжения — в первую очередь, к самой звезде, а в сценариях, когда стартовая точка траектории располагалась вблизи нашей планеты, — еще и к Земле.
Траектории аппарата с аэрографитовым солнечным парусом, запускаемого с орбиты МКС, при различных соотношениях между массой и поперечным сечением. Зеленые траектории — незамкнутые, черные — замкнутые (аппарат сталкивается с Землей)
René Heller et al. / Astronomy & Astrophysics, 2020
Кроме того, физики исследовали поведение паруса при участии добавочной нагрузки, например, компактного лазера для связи с Землей. Авторы сфокусировали внимание на диапазоне масс полезной нагрузки в единицы–десятки граммов: так полная масса аппарата не превышала верхний порог, начиная с которого гравитация пересиливает световое давление, а масса нагрузки — не выходила за нижние границы, типичные для современных приборов электроники.
В результате исследователи установили, что при толщине сферической оболочки менее 1 миллиметра парус принципиально способен совершать полеты внутри Солнечной системы и выходить в межзвездное пространство только за счет солнечного излучения (при запуске в межпланетной среде). При толщине в 0,5 миллиметра путешествие от орбиты Земли до орбиты Марса займет около 60 дней, до орбиты Плутона — примерно 4,3 года, а при толщине около микрометра и запуске на расстоянии 0,04 астрономических единиц от Солнца (планируется, что именно на такое расстояние к звезде приблизится солнечный зонд «Паркер») парус будет способен за 185 лет достичь Проксимы Центавра — ближайшего к Солнцу светила.
Аппараты толщиной в сто микрометров и радиусом в 1–5 метров позволят также транспортировать до межзвездной среды нагрузку до 5,7–55 граммов при собственной массе 0,23–2,2 грамма — то есть масса груза может в десятки раз превышать массу паруса, тогда как для межзвездных аппаратов на химическом топливе типичная полезная нагрузка составляет тысячные доли полной массы. С учетом таких характеристик аэрографитовые солнечные паруса можно считать перспективным приспособлением для будущих полетов внутри нашей звездной системы, и, в особенности, для изучения ее границ и ближайших окрестностей — например, поисков девятой планеты.
Вместе с тем физики отмечают, что на практике достаточно крупные аэрографитовые структуры еще не производились — авторы современных исследований ограничивались преимущественно размером в несколько сантиметров. Тем не менее, принципиально создание метровых аэрографитовых парусов представляется возможным. Кроме того, ученые предлагают для реального полета заменять крупные многометровые паруса набором из нескольких однометровых. Несмотря на то, что это снизит общее давление солнечного излучения (за счет уменьшения эффективной площади), таким образом можно упростить создание, доставку в космос и развертывания паруса, а также повысить надежность приспособления: если одна сфера из набора будет повреждена, остальные продолжат приводить аппарат в движение.
Открытым также остается вопрос о маневрировании и корректировке траектории аппарата с солнечным парусом — сам по себе полет сфер является неуправляемым, и для изменения маршрута необходимо будет использовать дополнительные приспособления.
В последнее время солнечные паруса показывают свою эффективность не только в теории, но и на практике. В мае мы рассказывали о том, как графеновый солнечный парус взлетел при помощи лазера, а в прошлом году — о том, как такое приспособление помогло аппарату LightSail–2 увеличить высоту своей орбиты.
Солнечный парус
Солнечный парус представляет собой конструкцию, призванную заменить типовые ракетные двигатели на нашем пути к далеким звездам.
Что такое солнечный парус?
Человечество давно использует свойство паруса передвигать предметы по воде или суше при помощи энергии ветра. Как ни странно это может звучать, но в эпоху освоения космоса мы снова вернулись к этому проверенному средству. В этот раз вместо ткани используется тончайшая зеркальная поверхность, а роль ветра играет движущая сила солнечного света.
Материалы по теме
Соседка Солнца – красный карлик Проксима Центавра
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.
Как это работает?
Идея создания космического аппарата, использующего солнечный парус, разрабатывалась советским ученым, стоявшим у истоков ракетостроения, Фридрихом Цандером. В 1924 году он написал статью «Перелеты на другие планеты», в которой представил схему конструкции паруса и принципы его работы. Цандер построил свою теорию на опытах П. Н. Лебедева, подтвердивших существование давления света. Теоретическую основу этого явления обосновал Дж. Максвелл в 1873 году, но в те времена многие ученые отнеслись к ней со скептицизмом. Частицей, создающий такой импульс, является фотон. Он наделен свойствами электромагнитной волны и частицы, не имеет заряда и является квантом света. Поток фотонов оказывает определенное давление на освещаемую поверхность. Для использования на космических кораблях необходим парус размером порядка нескольких квадратных километров.
Путешествие по Млечному пути в представлении художника
Давление, создаваемое потоком солнечного света (фотонами), заставит аппарат двигаться в сторону от Солнца, при этом не будет расходоваться ракетное топливо. По аналогии с морскими парусами происходит маневрирование в космосе. Изменяя угол расположения конструкции, можно корректировать направление полета. Недостатком использования паруса является отсутствие возможности движения к Солнцу. При большом удалении от нашей звезды фотонный поток слабеет пропорционально квадрату расстояния, а на границе системы его сила упадет до 0. Поэтому чтобы обеспечить стабильный поток света и начальный разгон паруса, необходимы мощные лазерные установки. На сегодня разработаны конструкции двух типов: разгоняемые электромагнитными волнами и фотонными импульсами.
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.
Материалы по теме
Проект «Радиоастрон»
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.
Перспективы использования солнечного паруса
Самый первый прототип солнечного паруса Sunjammer
В ближайших планах ученых – оснащение солнечными парусами аппаратов, наблюдающих за активностью нашей звезды. Они смогут вовремя предупреждать землян о возникающих вспышках и катаклизмах на Солнце. Созданный в России консорциум «Космическая регата», планировавший участие в конкурсе конгресса США по выведению на орбиту кораблей с солнечными парусами, успешно работает в области использования солнечных отражателей для освещения районов добычи газа.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
Хотя с научной точки зрения все это полностью обосновано, но с земли как то относишься к движители в виде солнечного паруса как к какой то детской забаве. Ну куда он годится? Куда на нем долетишь?
Однако эта тема разрабатывается уже давно и серьезно…
Программа космических проектов «Знамя» — серия экспериментов по работе с космическими зеркалами, то есть специальными отражателями, которые отражают солнечный свет и освещают земную поверхность. Проект Знамя 2 — солнечный парус 20 метров ширины. Был запущен на борту «Прогресса» с космодрома Байконур 27 октября 1992 г. При посещении станции «Мир» её экипаж установил на борту «Прогресса» агрегат развертывания отражателя. После отстыковки и маневров корабль «Прогресс» успешно развернул отражатель.
Конструкция: на борту грузового космического корабля «Прогресс М-15» устанавливалось восемь катушек с полосами светоотражающей полиэтилентерефталатной пленки толщиной всего 5 мкм. Данная пленка сегодня широко используется практически повсеместно: от упаковки продуктов до создания металлизированных солнечных парусов. На орбите космический корабль должен был начать вращаться, а катушки постепенно разматывать пленку. Под действием центробежной силы зеркало разворачивалось, а специальное гибкое кольцо обеспечивало круглую форму зеркала.
4 февраля 1993 года эксперимент «Знамя-2» был успешно осуществлен. Двадцатиметровое зеркало из тончайшей алюминизированной пленки развернулось в штатном режиме и осветило Землю. Поскольку «Прогресс М-15» мчался по орбите с огромной скоростью, «солнечный зайчик» диаметром около 5 км проносился по поверхности Земли так же быстро – со скоростью 8 км/с. Поэтому «волшебного восхода» посреди ночи жители Европы не наблюдали – лишь яркую вспышку в небе. Пятно света от «Знамени-2» пробежало от Франции до Беларуси, где его застал восход Солнца. Несмотря на то, что над Европой была сплошная облачность, многие люди видели вспышку света. Немецкие метеорологи даже зафиксировали освещенность от светового пятна «Знамени-2», она составила приблизительно 1 люкс (1 люмен на квадратный метр). Для сравнения, яркость 60-Вт лампочки накаливания составляет 700-800 люмен. На первый взгляд, космическое зеркало светило совсем тускло, но следует помнить, что оно имело не такую уж и большую площадь отражающей поверхности, да, к тому же, освещало не комнату в 10 кв. м, а круг диаметром 5000 м. В целом ученые сравнили свет от «Знамени-2» со светом полной Луны, что для 20-м зеркала очень неплохо.
Проект «Знамя 2.5» был на голову выше предшественника. Зеркало должно было восприниматься с Земли как 5-10 полных лун по яркости и образовывало след около 7 км в диаметре, которым можно было управлять, подолгу удерживая его на одном месте.
В «Знамени-2,5» использовались те же технологии, что и в первом эксперименте, только зеркало было на 5 м больше – диаметром 25 м. Оно должно было дать световое пятно размером около 8 км. 4 февраля 1999 года зеркало, установленное на борту транспортного космического корабля «Прогресс М40», начало разворачиваться, но зацепилось за антенну и запуталось в ней. Эксперимент не удался, и корабль затопили в океане.
Солнечное зеркало — это слегка вогнутая оболочка диаметром 25 м, выполненная из тонкой пленки с зеркальной поверхностью, которая крепится по периметру станции. Оболочка раскрывается и удерживается в раскрытом положении центробежными силами. Однако проект потерпел неудачу. В начале раскрытия оболочка зацепилась за антенну.
Третий проект, «Знамя-3» так и не состоялся.
Человечеству уже по силам собрать в космосе зеркало, которое будет светить в десятки раз ярче, чем полная Луна. Выгода налицо: для освещения используется «бесплатная» энергия Солнца; осветить можно сразу крупный регион или город; в несколько раз повысить отдачу энергии наземных солнечных электростанций; космическая система освещения не боится никаких земных катаклизмов вроде землетрясений и ураганов. Также подобное зеркало могло бы продлить вегетационный период полезных растений.
Сложности реализации крупных проектов космических зеркал по-прежнему заключаются лишь в несовершенстве технологий вывода грузов в космос. На геостационарной орбите (оптимальной для зеркала) нужно сооружать космическое зеркало огромной площади. В свою очередь, на более низких круговых орбитах для непрерывного освещения участка Земли придется использовать множество отдельных зеркал, что также отнюдь не удешевляет проект и к тому же упирается в проблему космического мусора. Но, так или иначе, у человечества есть интересная возможность повысить комфортность своего обитания не в рамках отдельно взятого помещения, а крупного города или целого региона. В ближайшем будущем, возможно, появятся новые технологии доставки грузов в космос, будут созданы технологии изготовления космических зеркал с помощью, например, наночастиц на основе метаматериалов. И тогда, наконец, человечество сможет реализовать давнюю мечту и создать свое искусственное Солнце в ночном небе.