Парусники, дирижабли, подлодки и другие средства исследования космоса. Солнечный парус: конфигурации, принцип работы

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.

На смену романтики путешествий морских пришла романтика путешествий космических. Но, как ни странно, парусам – неизменному атрибуту и символу первооткрывателей, найдётся место и в космосе. Сегодня мы поговорим о космическом парусе.

Начиная с середины 18го века учёные всего мира (Эйлер, Френель, Бессель и др.) пытались измерить силу давления света. Впервые осуществить такие измерения удалось П. Лебедеву в 1899 году. Всем сразу стало ясно, что и солнечный свет давит на космические тела. Вскоре советскому учёному Ф. Цандеру пришла в голову идея солнечного паруса.

Солнечный парус – это приспособление, использующее давление света Солнца для перемещения в космическом пространстве.

История изучения природы света и светового давления. Старый, но очень понятный фильм.

Если поместить в космосе зеркальную металлическую пластинку, то поток света от Солнца будет «давить» на её поверхность. Подуйте с силой на свою ладонь - чувствуете, как воздух давит на кожу? Давление солнечного света будет действовать на металлическую пластинку в миллиард раз слабее того, что вы чувствуете. Вам кажется этого мало? Вовсе нет. Ведь в космосе нет силы сопротивления воздуха, какая есть на Земле.

Как работает солнечный парус

Если на орбите Земли поместить квадрат из фольги размерами всего лишь 100 на 100 метров, то каждые 10 секунд такой «парус» будет увеличивать свою скорость на сантиметр в секунду! Всего за 40 дней такой парус разгонится от первой до второй космической скорости, за полгода – до третьей космической скорости – скорости, достаточной для того, чтобы навсегда покинуть Солнечную систему. Но главное, что это произойдёт без расхода топлива двигателей, то есть даром. Воистину это бесценный подарок природы!

Макет космического аппарата «Икар» - типичный вид космического корабля с солнечным парусом

Почему это важно? Приведём только один пример. В разгонном блоке марсохода «Сuriosity» вес топлива составлял 21 тонну, что строго ограничивало массу самого марсохода – не более 900 килограмм. Вес научного оборудования на марсоходе вообще смешная цифра: 80 килограмм. А больше взять было нельзя: не хватит топлива долететь до Марса. Использование солнечного паруса наравне с обычными двигателями позволит взять чуть меньше топлива, а значит – увеличить вес приборов на марсоходе. Каждый сэкономленный килограмм в космосе – это ещё один научный прибор, ещё одна крупица бесценной информации об окружающем нас мире, ещё один шаг на пути прогресса. Подобных примеров множество.

Какие космические аппараты использовали солнечный парус?
На сегодняшний день было проведено всего лишь несколько успешных испытаний солнечного паруса. Первое в 1993м году в России. Тогда солнечный парус (20 метров в диаметре) прикрепили к космическому грузовику «Прогресс», отстыковавшемуся от станции «Мир». В эксперименте исследовалась способность освещения темной стороны Земли с помощью этого зеркала.

1993 г. - первый в истории человечества опыт создания солнечного паруса. Эксперимент “Знамя-2”

Затем в 2010м году американский аппарат NanoSail-D успешно раскрыл солнечный парус, находясь на околоземной орбите. Задача солнечного паруса была в том, чтобы столкнуть с орбиты спутник и «похоронить» его в плотных слоях атмосферы. Таки образом проверялась возможность самоликвидации отработавших свой ресурс спутников, чтобы они не болтались бесполезным космическим мусором вокруг Земли.

Видео: как раскрывался парус NanoSail-D

Третьим космическим аппаратом, бороздившим космос под парусами, стал запущенный в 2010м году японский «Икар» (ikaros). Мечтательно прикрывая глаза, учёные скромно надеялись, что аппарат хотя бы сможет раскрыть парус (в который были вшиты солнечные рули и солнечные батареи) без накладок. Зонд не только успешно расправил в космосе крылья 200 квадратных метров сверхтонкого космического паруса, но и отлично справился с регулировкой своей скорости и направления полёта. В январе 2012го года «Икар» отключился из-за недостатка энергии, проработав дольше любых ожиданий учёных.

Кадры движения японского "Икара"

Заключение или планы на будущее

Сделать реально работающий, успешно выполняющий конкретные задачи космический аппарат, использующий солнечный парус, – значит решить множество технических проблем, продумать и воплотить в жизнь новые инженерные решения и идеи. Задача это непростая, как и любая работа, связанная с созданием космических кораблей. Но успешные испытания космических парусников говорят о том, что если хорошенько за это взяться, то всё получится.

Как знать, быть может именно вы, стоя в центре управления полётами, однажды скомандуете: «Поднять паруса!» - и упрямый солнечный ветер погонит космический корабль на встречу неизведанному.

Дорогие друзья! Если вам понравился этот рассказ, и вы хотите быть в курсе новых публикаций о космонавтике и астрономии для детей, то подписывайтесь на новости наших сообществ

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.

Научно-исследовательская работа

На тему

«Солнечный парус»

Выполнил:

Швец Николай Игоревич

Ученик 10 класса

МБОУ «СОШ №25»

Г. Тулун

Научный руководитель:

учитель физики

Татарникова Надежда Михайловна

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение………………………………………………………………………….3

Солнечный парус………………………………………………………………………………3

Область применения солнечного паруса……………………………………………………………………………..4

Конструкция СП…………………………………………………………………………...…….6

Расчет времени разгона, необходимого

для выхода из сферы притяжения земли……………………………………………………………………...……….8

МОБ(межорбитальный буксир) использующий СП……………………………………………………………………………...…..9

Заключение………………………………………………………………………12

Список литературы…………………………………….…………………………………13

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность данной работы в том, что широкой публике мало что известно о солнечном парусе, эта тема поднимается очень редко, и интересна сама ее нетривиальность, не говоря уже о конкретной информации.

Целью исследования является определение эффективности использования СП в областях науки и техники, а так же сравнение эффективности СП с эффективностью традиционных космических аппаратов, доказать что преимущество КА под солнечным парусом по сравнению с КА на ракетном двигателе заключается в более высоком КПД. Для достижения поставленной цели, были определены следующие задачи исследования:

1. Рассмотреть вопросы, связанные с использованием СП и современным состоянием работ в этой области.
2. Рассчитать время полета до Марса на КА с СП

3. Рассмотреть конструкцию СП на основе пневмокаркасов.
4. Ознакомиться с расчетами времени разгона КА под солнечным парусом с круговой орбиты до второй космической скорости.
5. Предложить схему разгона МОБ под солнечным парусом с использованием вспомогательных орбитальных КА.

СОЛНЕЧНЫЙ ПАРУС

Идея солнечного паруса (СП), использующего в качестве движущей силы давление солнечного света не нова. Она впервые возникла в 20-х годах и в течение десятков лет рассматривалась различными авиа и космическими организациями. Наш соотечественник Ф. А. Цандер, известный своими многочисленными трудами в области космонавтики, предложил выводить на орбиту космические зеркала (отражатели) передающие световую энергию Солнца на поверхность Земли для непосредственного использования. Дальнейшее освоение космического пространства, осуществление межпланетных перелетов, вынуждает конструкторов искать принципиально новые решения в построении космических кораблей. Одним из вариантов межпланетного космического корабля является солнечный парус. Плюс солнечного паруса по сравнению с лазерным парусом - солнечный парус не зависит от источника света, а минус - солнечный свет слабее, чем лазерный свет. СП не расходует топливо для разгона; в космосе паруса наполняет не ветер, а давление частиц солнечного света - фотонов. Оно заставляет

парусник непрерывно разгоняться (или тормозить). КА с солнечным парусом будет ускоряться очень не спеша, но со временем сможет достичь невиданных скоростей. Давление фотонов достаточно велико, чтобы КА мог путешествовать между планетами - от Меркурия до Юпитера; для преодоления еще больших расстояний на парус можно направить лазерный луч, запитываемый опять-таки солнечной энергией. Аспекты приложения технологии СП достаточно широки: от удержания спутников в точке стояния на геостационарной орбите до дальних шаттлов, несущих грузы между планетами, астероидами и кометами. Подлетая близко к Солнцу, парусники будущего смогут разгоняться до огромных скоростей, что позволит им сближаться с любым объектом Солнечной системы или, как уже говорилось выше, летать к звездам. Выгоды СП огромны: в сообщении студии «Космос» говорится, что парусник теоретически может летать в 10 раз быстрее, чем станции Уоуадег-1 и -2, которые достигли третьей космической скорости.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ПАРУСА

Область применения солнечного паруса и солнечного парусного корабля огромна. Они могут использоваться для:
- обнаружения геомагнитных бурь,
- исследования нашей Солнечной системы,
- ретрансляции энергии, теле и радиосвязи,
- освещения отдельных районов Земли,
- очистки космоса от технологического «мусора»,
- межпланетных перелетов под солнечным парусом,
- создания крупных антенн в космосе для разведки полезных ископаемых и других полезных задач.

Солнечный парус и солнечный парусный корабль - прогрессивное направление Российской и мировой космонавтики. Его можно использовать в системах обнаружения плазменных штормов. Известно, что геомагнетические штормы могут быть причиной потери космических кораблей, сбоев в GPS (глобальная система позиционирования) сигналов, и даже сбоев наземных электрических сетей. Протоны с высокой энергией даже могут быть летальными для астронавтов, которые находятся в открытом космосе. Точное предсказание таких событий может быть сделано с помощью наблюдения за солнечным ветром. Такое наблюдение может быть осуществлено с помощью магнетометров и детекторов частиц на борту корабля, находящегося между Солнцем и Землей. Это можно сделать с помощью солнечного парусного корабля. Кроме того, СП можно использовать для межпланетных перелетов. Так, при полете к Марсу корабль выводится сначала ракетой - носителем на начальную низкую околоземную орбиту высотой около 200 км. Затем при помощи блока он переводится на стартовую орбиту высотой в несколько тысяч километров.

Продолжительность этих операций составит около 48 ч, после чего производится развертывание парусов, и под действием солнечного света корабль начинает разгон по спиральной траектории. Управляя ориентацией паруса, добиваются превращения орбиты в эллиптическую с постоянно возрастающим апогеем. Было рассчитано, что длительность разгона к Луне в этом случае составит около 120 суток. Время старта, а затем разгона выбирается так, чтобы парусник вышел в заданную область гравитационного поля Луны. Это позволит решить следующую задачу - перевести СПК на траекторию межпланетного полета к Марсу. Взаимное расположение Земли и Марса на этом этапе тоже подбирается так, чтобы вначале уменьшить период гелиоцентрической орбиты («торможение»), а затем афелий орбиты увеличить, чтобы достичь орбиты Марса («разгон»). Суммарное время, требуемое СПК для достижения Марса, составит около 1,9 года.

Обозначим давление света на орбите Земли Pо. Известно, что давление света меняется с расстоянием по закону: P ~ 1/R2. Найдем давление света посередине расстояния между Землей и Марсом: P 1/2 = Po (Rз/0.5(Rз+Rм)) 1/2 . Здесь Rз – радиус орбиты Земли = 1.5* 10 11 м, Rм – радиус орбиты Марса = 2.28 *10 11 м. Для простоты будем считать, что в течение времени движения космического аппарата от Земли до Марса Земля и Марс находятся на одной прямой, проведенной из центра Солнца. На самом деле это, конечно, не так. Будем считать, что на всем пути от Земли до Марса на парус действует постоянное давление света, равное P1/2 . Пусть площадь паруса равна S. Тогда сила, действующая на парус (т.е. на космический аппарат) F =P1/2 S. Из второго закона Ньютона найдем ускорение, с которым будет двигаться космический аппарат массы M: a = F/M = P1/2 S/M. Используя известное соотношение из курса физики (Механика) s = at2/2, где s – пройденный путь за время t (в нашем случае s= Rм – Rз) найдем время движения космического аппарата от Земли до Марса под действием давления солнечного света:

t = (2 (R м - R з)/ (P 1/2 S /M )) 1/2 = (2 (2,28*10 11 – 1,5*10 11)/0,0000045*10) 1/2 = 5887406с ~1,9 года

КОНСТРУКЦИЯ СП

Роторный солнечный парус состоит из восьми лопастей. Каждая в раскрытом виде представляет собой мембрану, натянутую на пневмокаркас трубчатого сечения диаметром 150 мм, изготовленный из полиэтишертерафталатной пленки толщиной 20 мкм и погонной массой 28 г/м2. Площадь натянутой на каркас мембраны 75 м2. Она изготовлена из металлизированной с одной стороны полиэтилтертерафталатной плёнки толщиной 5мкм и погонной массой 7 г/м2. Металлизированная поверхность мембраны обращена к Солнцу. Пневмокаркас служит для организации процесса развертывания лопасти СП, поддержания заданной формы и обеспечения жесткости при передаче сил и моментов от давления солнечного ветра на лопасть. Жесткость пневмокаркаса и его устойчивость обеспечивается остаточным давлением рабочего газа (азота) внутри пневмокаркаса, составляющим около 7000 Па. Лопасть развертывается из рулона и приобретает форму при срабатывании пирозамков.

Схема запуска солнечного паруса

на примере cosmos -1

Аппарат с СП, наряду с разгонной двигательной установкой (РДУ) и защитным кожухом, входит в состав головного блока (ГБ) ракеты-носителя. Конструктивная основа КАСП - приборная платформа, на которой крепятся РДУ с смонтированной на ней системой отделения, защитный кожух, блок парусов, приборное оборудование и служебные системы. Приборная платформа устанавливается на адаптер (раму) РН и соединяется с ним пирозамками. На ее герметичном днище размещаются узлы крепления РДУ, антенна 400 МГц, антенна GPS, антенны S-диапазона, солнечные датчики, две фотокамеры, газовые сопла системы ориентации и стабилизации, а также панели фотоэлектрических преобразователей. На оставшееся свободное пространство днища с наружной и внутренней стороны нанесены покрытия с оптическими свойствами, обеспечивающими требуемый тепловой режим. С внутренней стороны платформы размещаются радиокомплексы ДМ и S-диапазонов, приемник GPS, бортовой компьютер, датчик микроускорений, блок ДУСов, аккумуляторная батарея, два газовых баллона, ресивер и арматура СОиС. На верхнем фланце платформы установлен блок парусов - стойка, на которой размещены сборки парусов приводами, системой наполнения, механизмы фиксации и расчековки. До выведения на рабочую орбиту КАСП закрыт защитным радио-прозрачным кожухом. Масса КАСП перед включением апогейного двигателя составляет 130 кг, перед раскрытием солнечного паруса - 63.7 кг.

РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ РАЗГОНА, НЕОБХОДИМОГО ДЛЯ ВЫХОДА ИЗ СФЕРЫ ПРИТЯЖЕНИЯ ЗЕМЛИ

В качестве примера рассмотрим разгон до параболической скорости КА, снабженного солнечным парусом при отлете с геостационарной орбиты. Пусть стартовая масса КА равна 2000 кг, площадь СП равна 10000 м2 , погонная масса материала СП = 7 г/м2 . Тогда имеем: mпар= S · СП = 10000 м2 · 7 г/м2= 70000 г = 70 кг

Полная сила, действующая на СП равна F= S · p = 10000 · 10 -5 = 0,1 H; Определим ускорение КА F = m · а;

Найдем характеристическую скорость, которую должен развить КА для выхода из сферы притяжения Земли

Вычислим время разгона

МОБ(межорбитальный буксир) ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ СП

МОБ использующий солнечный парус - это космический аппарат нового типа с массой в несколько сотен килограммов и площадью парусов в несколько гектаров, движущихся под действием солнечного света, разгоняемый и управляемый автономно, без затрат рабочего тела двигателя. Его конструкция имеет два кольцевых бескаркасных, вращающихся в разные стороны пленочных паруса, поддерживающих свою форму под действием центробежных сил. Управляется и ориентируется корабль за счет использования гироскопических сил. Для этого корабля, осуществляющего полет в космосе, не требуется огромной энергии. Маленькие силы могут медленно и устойчиво разгонять транспортное средство до огромных скоростей. Поскольку энергия имеет массу, солнечный свет, попадающий на тонкую пленку - солнечный парус, обеспечивает такую силу. Притяжение Солнца обеспечивает другую силу. Давление света и гравитация могут носить космические корабли в любое место Солнечной системы. После ускорения в течение года солнечный парус может достичь скорости сто километров в секунду, оставляя сегодняшние ракеты далеко позади. В связи с тем, что такой корабль не может стартовать с Земли, солнечный парус необходимо строить в космосе. Хотя каркас и будет занимать огромную площадь, он (вместе с материалами) будет достаточно легок, чтобы вывести его на орбиту за 1-2 полета космического челнока. При движении по орбите вокруг Земли парус может разгонять КА только на одной половине оборота, на второй половине (встречное по отношению к Солнцу движение) оборота парус необходимо разворачивать вдоль направления солнечных лучей, чтобы избежать торможения. Данный недостаток МОБ на солнечном парусе можно избежать, если использовать дополнительные КА, которые будут собирать солнечный свет и направлять его с помощью передающей антенны на солнечный парус МОБ. Используя несколько таких вспомогательных, постоянно действующих КА с площадью приемных антенн существенно большей, чем у МОБ, можно обеспечить постоянный разгон МОБ. При одинаковом направлении исходных лучей света и сфокусированного луча передающей антенны суммарный импульс, действующий на вспомогательные КА будет равен нулю. Если же направления лучей не совпадают, то возникает необходимость использования на вспомогательных КА реактивных двигателей, например ЭРД, для компенсации неуравновешенного импульса.

Схема полета МОБ под солнечным парусом. 1- Вспомогательный КА. 2- Антенны приема солнечного излучения. 3- Передающая антенна. 4- Приемная антенна МОБ. 5- МОБ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Идея СП, за почти 100 лет своего существования претерпела определенные изменения. Перспектива в ближайшем будущем запустить высокотехнологичный межзвездный зонд на солнечном парусе со скоростью выше 0,01 с очень интригующая. Стоимость зонда на солнечных парусах на много порядков ниже чем стоимость зонда с ракетным двигателем. Теоретически, корабль с солнечным парусом способен достичь скорости в100000 км/с и даже выше. Если бы в 2010 году запустили в космос такой зонд, то (в идеальных условиях) в 2018 он догнал бы “Вояджер-1”, которому для этого путешествия потребовался бы 41 год. В настоящее время “Вояджер-1” (запущенный в 1977) находится от нас на расстоянии в 12 световых часов и является самым удаленным от Земли космическим кораблем. Это лишний раз доказывает, что космический аппарат с СП на порядок эффективнее традиционных КА.

Сделать реально работающий, успешно выполняющий конкретные задачи космический аппарат, использующий солнечный парус – значит решить множество технических проблем, продумать и воплотить в жизнь новые инженерные решения и идеи. Возможно, самой волнующей миссией с использованием СП в ближайщее время сможет стать отправка космического аппарата, который раскроет парус вблизи орбиты Венеры или даже Меркурия, а затем отправится за пределы Солнечной системы и за несколько десятилетий достигнет гелиопаузы. Этот аппарат сможет на месте наблюдать взаимодействие солнца с галактикой. Задача это непростая, как и любая работа, связанная с созданием космических кораблей. Но успешные испытания космических парусников говорят о том, что если хорошенько за это взяться, то всё получится.

30 мая 2015 года на орбите Земли состоится первый тест солнечного паруса LightSail-1 – приспособления, применение которого позволит в будущем совершать космические перелеты на самые дальние дистанции. Сегодня мы расскажем, что такое солнечный парус , какие у него перспективы, а также про роль знаменитого астронома Карла Сагана и российского ученого Фридриха Цандера в появлении этой идеи.

Принцип действия

Солнечный парус – это приспособление, которое использует давление солнечного света на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.

Применение данной технологии позволит совершать даже самые длительные космические полеты, ведь для движения в межзвездном пространстве кораблю не нужно будет иметь на борту огромный запас физического топлива – источник движения будет находиться повсюду.

Конечно, чем дальше будет расстояние космического корабля с солнечным парусом от источника света, тем меньшим будет его давление. Но ведь огромные пространства Вселенной представляют собой вакуум, следовательно, не будет силы, замедляющей движение космолета. Зато даже самый слабый свет от далеких звезд будет постепенно увеличивать скорость полета.

Считается, что космический аппарат, движимый солнечным парусом достаточного размера, может развить скорость примерно в одну десятую от световой.

Существуют также идеи, предполагающие замену основного источника движения такого паруса с солнечного света на лазерный луч. Изначально предполагалось устанавливать источник этого луча на Земле, но сейчас появились куда более смелые предложения по созданию таких конструкций где-нибудь на отделенных планетах Солнечной Системы или даже на космических станциях в межзвездном пространстве. Идеальным вариантом будет развертывание целой системы лазерных установок по дороге к другим звездам. Но это – дело далекого будущего.

История

Истоки идеи солнечного парус следует искать в работах знаменитого шотландского физика Джеймса Максвелла (вторая половина девятнадцатого века), который сформулировал электромагнитную теорию света и предсказал существование давления света.

Мечты о космических кораблях, которые будут передвигаться благодаря давлению солнечного света, появились уже в конце девятнадцатого века в работах писателей-фантастов. К примеру, в романе «Необычные приключения одного русского ученого» французов Жоржа ле Фора и Анри де Графиньи идет речь об экспедиции на Венеру, во время которой для движения было использовано огромное параболическое зеркало.

По иронии судьбы именно российский ученый и разработал первую в истории реальную конструкцию летательного аппарата на солнечном парусе. Советский инженер Фридрих Цандер в 1924 году подал в Комиссию по изобретениям соответствующую заявку, но эксперты назвали ее слишком фантастической и отклонили.

На Западе идею создания солнечного паруса связывают, в первую очередь, со знаменитым астрономом, астрофизиком и популяризатором науки Карлом Саганом. Он был большим сторонником межзвездных полетов, и как ученый стал одним из самых авторитетных консультантов NASA.

Саган впервые упомянул идею солнечного паруса в 1976 году. До этого он столкнулся с проблемой невозможности дальних космических полетов при помощи летательных аппаратов на основе физического двигателя. Но солнечный парус в теории позволял выйти из данного технологического тупика.

В 1980 году Карл Саган с единомышленниками, другими знаменитыми учеными, основал Планетарное общество, целью которого значится исследование космического пространства, поиск внеземной жизни, а также поддержка направленных на это проектов. Данная организация и является одним из главных сторонников и лоббистов идеи солнечного паруса.

Попытки создания

Еще в 1974 году инженерам удалось впервые «обуздать» солнечный ветер. Произошло это в рамках запуска американской автоматической межпланетной станции Маринер-10. В качестве солнечного паруса выступили ее панели солнечных батарей. Их развернули под нужным углом к Солнцу, что позволило корректировать расположение корабля в пространстве.

Следующей конструкцией, похожей на солнечной парус, стал отражатель Знамя-2, установленный в 1993 году на орбитальной станции Мир. Но он использовался не в качестве ускорителя, а как дополнительный источник света для Земли. Эта конструкция создала на поверхности нашей планеты огромный «солнечный зайчик» диаметром 8 километров.

В дальнейшем процесс создания и развертывания солнечных парусов столкнулся с настоящим злым роком. Так, в 2005 году упала во время старта российская ракета Волна, несущая на орбиту спутник Космос-1 с солнечным парусом диаметром 30 метров.

Неудачами закончились попытки запустить солнечные паруса в 2001 и 2005 году. Ракета Falcon 1 от американской компании , стартовавшая в августе 2008, также должна была отправить на орбиту солнечный парус, NanoSail-D. Но она упала на третьей минуте полета.

Первый по-настоящему удачный запуск солнечного паруса состоялся в 2010 году в рамках японского проекта IKAROS. Японские инженеры отправили на орбиту и смогли там полностью развернуть полиамидную пленку толщиной 7,5 мкм и площадью 196 квадратных метров.

Этот солнечный парус функционировал в течение многих месяцев во время полета автоматической межпланетной станции Акацуки в сторону Венеры. Возможно, он действует и сейчас, но с 2012 года с аппаратом нет связи.

В ноябре 2010 года американская ракета Минотавр-4 вынесла на орбиту солнечный парус NanoSail-D2. Объект летал вокруг Земли в течение восьми месяцев, и многие жители нашей планеты успели увидеть его на ночном небе в виде яркой точки, плывущей по небосводу.

А дальше снова неудача. Вернее, отсутствие удачи. В январе 2015 года NASA планировало вывести на орбиту при помощи частной ракет-носителя Falcon 9 солнечный парус Sunjammer, названный в честь одноименного рассказа Артура Кларка. Он должен был стать самым большим в истории объектом подобного рода, ведь площадь его поверхности составляет около 1200 квадратных метров.

Но в ноябре 2014 года стало известно, что Американское космическое агентство отменило этот запуск, так что ракета Falcon 9 отправилась на орбиту без солнечного паруса на борту. Запуск Sunjammer пока что перенесен на 2018 год.

Текущие и будущие проекты

А теперь вернемся к Планетарному обществу. Именно оно инициировало запуск солнечного паруса LightSail-1, тестовое применение которого состоится 30 мая 2015 года. Правда, речь пока что идет лишь об отработке технологий, а не о полноценном проекте.

Парус LightSail-1 имеет площадь 32 квадратных метра. Он будет работать в паре с миниатюрным спутником CubeSat (так же, как и NanoSail-D2). Задача этого запуска заключается в тесте систем развертывания паруса, а также системы управления и связи. Аппарат проработает на орбите максимум десять дней. При этом его можно будет наблюдать с Земли в темное время суток.

Если же эти тестовые испытания дадут положительный результат, уже в 2016 году Планетарное общество запустит на орбиту полноценный солнечный парус LightSail-1. Он будет функционировать на высоте 800 километров, при этом время работы данного аппарата составит около четырех месяцев.

Создатели LightSail-1 надеются изучить за это время возможности маневрирования в Космосе с помощью солнечного паруса.

Интересно, что Планетарное общество решило обратиться за помощью в финансировании данного проекта ко всем жителям Земли. Организация запустила кампанию по сбору средств на сайте Kickstarter. Она стартовала всего несколько дней назад и уже собрала около 763 тысяч долларов при 200 тысячах изначально запрашиваемых. На данный момент, в ее фонд пожертвовало более 15 тысяч человек.

Можно сказать, что реальная история солнечных парусов начинается прямо на наших глазах. Красивая теория, которая дает нам перспективу межзвездных путешествий, пока что остается лишь теорией. Но в ближайшие десятилетия практика покажет, насколько верны предположения Максвелла, Цандера и Сагана.

Впрочем, солнечный парус – это лишь одна из многих технологий, которые в будущем откроют нам путь к звездам. Про остальные, не менее смелые и гениальные идеи, можно прочитать в .