Thuyền buồm, khí cầu, tàu ngầm và các phương tiện thám hiểm không gian khác. Cánh buồm mặt trời: cấu hình, nguyên lý hoạt động

Con tàu buồm mặt trời lần đầu tiên xuất hiện trên trang tiểu thuyết khoa học viễn tưởng “Những cuộc phiêu lưu phi thường của một nhà khoa học Nga” (1888−1896) của Georges le Fort và Henri de Graffigny, ngay cả trước khi Pyotr Nikolaevich Lebedev chứng minh tính thực tế của áp suất ánh sáng được dự đoán của Maxwell. Ý tưởng về du thuyền năng lượng mặt trời được nhà văn khoa học viễn tưởng người Nga Boris Krasnogorsky nảy ra. Cuốn sách “Trên những con sóng của Ether” (1913) được tiếp nối bởi “Những hòn đảo của đại dương thanh khiết” (1914), được viết với sự cộng tác của nhà sử học thiên văn học Daniil Svyatsky. Vào giữa những năm 1920, cánh buồm mặt trời được Tsiolkovsky và Friedrich Zander quảng bá.

Năm 1951, kỹ sư người Mỹ Carl Wiley đã xuất bản một bài báo “Space Clippers” trên tạp chí văn học Khoa học viễn tưởng đáng kinh ngạc, trong đó khả năng du hành liên hành tinh bằng năng lượng mặt trời đã được thảo luận nghiêm túc. Bảy năm sau, nhà vật lý IBM Richard Garvin và nhân viên Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos Ted Cotter đã xuất bản những tài liệu kỹ thuật đầu tiên về cánh buồm mặt trời (nhân tiện, chính Garvin là người đặt ra thuật ngữ thuyền buồm mặt trời). Vào những năm 1960, các anh hùng của các nhà văn khoa học viễn tưởng nổi tiếng như Cordwainer Smith, Pierre Boulle và Arthur Clarke đã du hành trên những con tàu buồm ngoài không gian.

Từ lý thuyết đến thực hành

Trong những thập kỷ gần đây, cánh buồm mặt trời đã bắt đầu biến từ một ý tưởng đẹp đẽ nhưng thuần túy lý thuyết thành hiện thực. Cho đến nay chúng ta đang nói về những thí nghiệm khá khiêm tốn với việc triển khai cánh buồm mặt trời ở quỹ đạo Trái đất thấp (việc triển khai cánh buồm và duy trì nó ở trạng thái đã triển khai là một trong những vấn đề chính của khái niệm này). Thí nghiệm đầu tiên trong số này được thực hiện vào năm 1993, khi một tấm gương màng mỏng dài hai mét được triển khai thành công trên tàu chở hàng Progress M-15 của Nga. Năm 2001, Cosmos 1, được phóng với sự tài trợ của Hiệp hội Hành tinh Hoa Kỳ, sẽ được đưa vào quỹ đạo lần đầu tiên bằng cách sử dụng một cánh buồm dài 15 mét làm bằng nhựa kim loại. Thật không may, điều này đã bị ngăn chặn do trục trặc ở một trong các giai đoạn của tên lửa phóng Volna, vì vậy vệ tinh không bao giờ đạt tới quỹ đạo. Năm 2004, Nhật Bản tham gia nghiên cứu: trong chuyến bay dưới quỹ đạo của tên lửa S-310, hai thiết kế khác nhau cánh buồm mặt trời. Tuy nhiên, bất chấp những tiến bộ này, các cuộc thử nghiệm vẫn còn một chặng đường dài mới có được tàu thuyền buồm cỡ lớn.

Cánh buồm dã chiến

Khi mọi người nói về cánh buồm mặt trời trong không gian, họ thường muốn nói đến một chiếc gương nhẹ phản chiếu các tia sáng, từ đó tăng tốc cho phương tiện vận chuyển. Nó có thể cứng và linh hoạt, cố định và có thể tháo rời. Nhưng cánh buồm mặt trời cũng có thể được gọi là một thiết bị không phát ra ánh sáng mà gió nắng- một dòng các hạt tích điện nhanh (chủ yếu là proton, ion helium và electron) rời khỏi bầu khí quyển mặt trời. Khả năng này lần đầu tiên được thảo luận cách đây 400 năm trong một bức thư của Kepler gửi Galileo. Kepler nhận thấy đuôi của sao chổi luôn hướng ra xa Mặt trời. Ông cho rằng họ đang bị một “cơn gió vũ trụ” cuốn đi và dự đoán sự xuất hiện của những con tàu trên bầu trời được trang bị cánh buồm căng phồng bởi cơn gió này.

Cánh buồm điện

Năm 2004, Pekka Janhunen, nhân viên của Viện Khí tượng Phần Lan, đã đưa ra khái niệm về cánh buồm điện. Các hạt plasma mặt trời bị lệch bởi một mạng dẫn có diện tích vài trăm km, được cung cấp điện thế dương từ máy phát điện của tàu. Một mạng lưới như vậy sẽ phản chiếu các hạt khối lượng lớn của gió mặt trời, tức là các proton và ion, cũng mang điện tích dương (trong trường hợp này, các electron mặt trời sẽ phải bị loại bỏ bằng cách nào đó, nếu không chúng sẽ vô hiệu hóa điện trường chèo). Để đảm bảo lực đẩy tối ưu, thủy thủ đoàn của tàu sẽ theo dõi tốc độ và mật độ gió mặt trời và điều chỉnh điện áp cung cấp cho lưới buồm. Theo Janhunen, những cánh buồm như vậy sẽ có thể tăng tốc tàu vũ trụ lên tốc độ khoảng 100 km/s.

Sự lãng mạn của du lịch biển đã được thay thế bằng sự lãng mạn của du hành vũ trụ. Nhưng kỳ lạ thay, những cánh buồm, một thuộc tính và biểu tượng bất biến của những người tiên phong, lại có một vị trí trong không gian. Hôm nay chúng ta sẽ nói về cánh buồm không gian.

Từ giữa thế kỷ 18, các nhà khoa học trên thế giới (Euler, Fresnel, Bessel, v.v.) đã cố gắng đo áp suất của ánh sáng. P. Lebedev là người đầu tiên thực hiện những phép đo như vậy vào năm 1899. Mọi người ngay lập tức thấy rõ rằng ánh sáng mặt trời cũng đè lên các thiên thể. Chẳng bao lâu, nhà khoa học Liên Xô F. Zander đã nảy ra ý tưởng về cánh buồm mặt trời.

Cánh buồm mặt trời- Đây là thiết bị sử dụng áp suất ánh sáng từ Mặt trời để di chuyển ra ngoài không gian.

Lịch sử nghiên cứu bản chất của ánh sáng và áp suất ánh sáng. Một bộ phim cũ nhưng rất rõ ràng.

Nếu bạn đặt một tấm kim loại được tráng gương trong không gian, luồng ánh sáng từ Mặt trời sẽ “ép” lên bề mặt của nó. Thổi mạnh vào lòng bàn tay - bạn có cảm thấy không khí đè lên da mình không? Áp lực của ánh sáng mặt trời lên tấm kim loại sẽ yếu hơn hàng tỷ lần so với những gì bạn cảm nhận được. Bạn có nghĩ rằng điều này là không đủ? Không có gì. Suy cho cùng, trong không gian không có lực cản của không khí như trên Trái đất.

Cánh buồm mặt trời hoạt động như thế nào?

Nếu bạn đặt một tấm giấy bạc hình vuông có kích thước chỉ 100 x 100 mét vào quỹ đạo Trái đất, thì cứ sau 10 giây, một “cánh buồm” như vậy sẽ tăng tốc độ thêm 1 centimet mỗi giây! Chỉ trong 40 ngày, một cánh buồm như vậy sẽ tăng tốc từ tốc độ vũ trụ thứ nhất lên tốc độ vũ trụ thứ hai, và trong sáu tháng - lên tốc độ vũ trụ thứ ba - một tốc độ đủ để rời khỏi hệ mặt trời mãi mãi. Nhưng điều quan trọng là điều này sẽ xảy ra mà không tiêu tốn nhiên liệu động cơ, tức là không có gì cả. Quả thực đây là món quà vô giá mà thiên nhiên ban tặng!

Mô hình tàu vũ trụ Icarus - hình ảnh điển hình của tàu vũ trụ có cánh buồm mặt trời

Tại sao nó lại quan trọng? Hãy chỉ đưa ra một ví dụ. Ở giai đoạn trên của tàu thám hiểm Curiosity, trọng lượng nhiên liệu là 21 tấn, giới hạn nghiêm ngặt trọng lượng của bản thân tàu thám hiểm - không quá 900 kg. Trọng lượng của thiết bị khoa học trên tàu thám hiểm sao Hỏa nhìn chung là một con số nực cười: 80 kg. Nhưng không thể lấy thêm được nữa: không có đủ nhiên liệu để bay lên Sao Hỏa. Sử dụng cánh buồm mặt trời cùng với động cơ thông thường sẽ cho phép bạn tiêu tốn ít nhiên liệu hơn một chút, đồng nghĩa với việc tăng trọng lượng của các thiết bị trên tàu thám hiểm. Mỗi kilôgam tiết kiệm được trong không gian là thêm một kilôgam nữa dụng cụ khoa học, một thông tin vô giá khác về thế giới xung quanh chúng ta, một bước nữa trên con đường tiến bộ. Có rất nhiều ví dụ tương tự.

Tàu vũ trụ nào đã sử dụng cánh buồm mặt trời?
Cho đến nay, chỉ có một vài thử nghiệm buồm mặt trời thành công. Lần đầu tiên là vào năm 1993 ở Nga. Sau đó, cánh buồm mặt trời (đường kính 20 mét) được gắn vào xe tải không gian Progress, được tháo ra khỏi trạm Mir. Thí nghiệm đã kiểm tra khả năng chiếu sáng mặt tối của Trái đất bằng chiếc gương này.

1993 - nỗ lực đầu tiên trong lịch sử loài người nhằm tạo ra cánh buồm mặt trời. Thí nghiệm “Znamya-2”

Sau đó vào năm 2010, thiết bị NanoSail-D của Mỹ đã triển khai thành công cánh buồm mặt trời khi đang ở quỹ đạo Trái đất thấp. Mục đích của cánh buồm mặt trời là đẩy vệ tinh ra khỏi quỹ đạo và “chôn vùi” nó trong các lớp dày đặc của khí quyển. Bằng cách này, khả năng tự hủy của các vệ tinh đã hết thời hạn sử dụng đã được thử nghiệm để chúng không bị treo lủng lẳng một cách vô dụng. mảnh vụn không gian vòng quanh trái đất.

Video: cánh buồm NanoSail-D mở ra như thế nào

Tàu vũ trụ thứ ba đi lang thang trong không gian dưới cánh buồm là Icarus (ikaros) của Nhật Bản, được phóng vào năm 2010. Nhắm mắt mơ màng, các nhà khoa học khiêm tốn hy vọng rằng thiết bị ít nhất có thể mở được cánh buồm (trong đó có khâu bánh lái và tấm pin mặt trời) mà không cần miếng đệm. Tàu thăm dò không chỉ trải thành công cánh buồm không gian siêu mỏng rộng 200 mét vuông trong không gian mà còn thực hiện xuất sắc việc điều chỉnh tốc độ và hướng bay của nó. Vào tháng 1 năm 2012, Icarus ngừng hoạt động do thiếu năng lượng, hoạt động lâu hơn dự kiến ​​của các nhà khoa học.

Đoạn phim chuyển động của "Icarus" Nhật Bản

Kết luận hoặc kế hoạch tương lai

Để chế tạo một tàu vũ trụ thực sự hoạt động và thực hiện thành công các nhiệm vụ cụ thể bằng cách sử dụng cánh buồm mặt trời đồng nghĩa với việc phải giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật, suy nghĩ thấu đáo và triển khai những vấn đề mới. giải pháp kỹ thuật và ý tưởng. Đây không phải là một nhiệm vụ dễ dàng, giống như bất kỳ công việc nào liên quan đến việc chế tạo tàu vũ trụ. Nhưng các cuộc thử nghiệm thành công của thuyền buồm không gian cho thấy rằng nếu bạn thực hiện nghiêm túc thì mọi việc sẽ ổn thỏa.

Biết đâu, có thể bạn, người đứng ở trung tâm điều khiển sứ mệnh, một ngày nào đó sẽ ra lệnh: “Giương buồm lên!” - và cơn gió mặt trời bướng bỉnh sẽ lái con tàu vũ trụ về phía nơi chưa biết.

Bạn thân mến! Nếu bạn thích câu chuyện này và bạn muốn theo dõi các ấn phẩm mới về du hành vũ trụ và thiên văn học dành cho trẻ em, thì hãy đăng ký nhận tin tức từ cộng đồng của chúng tôi

Vào tối ngày 20 tháng 5, vệ tinh tư nhân đầu tiên trên cánh buồm mặt trời, LightSail-1, đã được phóng thành công từ Sân bay vũ trụ Cape Canaveral. Nó được phát triển và xây dựng bằng tiền từ Hiệp hội Hành tinh phi lợi nhuận của Hoa Kỳ, nơi đoàn kết những người đam mê khám phá không gian sâu. Đối với các tàu thăm dò du hành tới các hành tinh khác, cánh buồm mặt trời có thể là sự thay thế lý tưởng cho động cơ tên lửa thông thường. Nhưng cho đến nay, gần như mọi nỗ lực thực hiện “công nghệ nổi” đều gặp phải những thất bại kỹ thuật đáng tiếc.

Việc ánh sáng có thể tác dụng áp suất lên một vật được James Maxwell chứng minh lần đầu tiên vào năm 1873. Áp suất phát sinh do các photon, mặc dù không có khối lượng nghỉ, nhưng vẫn có động lượng. Khi va chạm với các vật thể, chúng sẽ truyền xung lực này sang chúng - đó là cơ sở hoạt động của cánh buồm mặt trời.

Biểu diễn nghệ thuật về du hành trên cánh buồm mặt trời. Minh họa: báo “Năm góc” (Murmansk, Nga)

Trong một thời gian dài, hiệu ứng này khó được phát hiện trong thí nghiệm trực tiếp. Có một thí nghiệm cổ điển trong đó ánh sáng gây ra sự quay của các cánh hoa gắn trên một thanh ánh sáng. Nhưng chuyển động quay quan sát được trong trường hợp này không phải là biểu hiện của áp suất ánh sáng mà chỉ là kết quả của việc làm nóng không khí (và sự xuất hiện của dòng đối lưu) gần cánh hoa. Lần đầu tiên, Pyotr Nikolaevich Lebedev đã đo được áp suất “thực” của ánh sáng vào năm 1899. Ông sử dụng một chiếc bình sơ tán, trong đó ông đặt những chiếc cân xoắn treo lơ lửng trên những sợi bạc. Ngoài ra, nhà khoa học lần lượt chiếu sáng các mặt khác nhau của cánh hoa cân bằng để tránh chúng nóng lên không đều, điều này cũng có thể dẫn đến sai lệch kết quả thí nghiệm.

Giá trị đo được hóa ra rất nhỏ và tất nhiên phụ thuộc vào cường độ ánh sáng. Ví dụ, áp suất của ánh sáng mặt trời gần quỹ đạo Trái đất chỉ là 4,54 micronewton trên một mét vuông - thấp hơn 22 tỷ lần so với bình thường. áp suất không khí(tất nhiên là không tồn tại ở ngoài vũ trụ). Điều quan trọng cần lưu ý là giá trị này có giá trị trong trường hợp tất cả lượng tử bức xạ được hấp thụ. Nếu ánh sáng chiếu vào bề mặt phản chiếu lý tưởng, lực áp suất sẽ tăng gấp đôi và đạt 9,08 micronewton trên một mét vuông.

Trên Trái đất, những đại lượng như vậy không thể nhận thấy được, nhưng trong điều kiện không trọng lượng và khoảng cách vũ trụ, chúng hóa ra rất đáng kể. Ví dụ, ngay cả một vệ tinh thông thường bay từ Trái đất đến Sao Hỏa cũng bị dịch chuyển dưới tác động của áp suất ánh sáng trên khoảng cách vài nghìn km. Thiết bị sử dụng cánh buồm mặt trời - một màng có diện tích rất lớn - không cần lượng nhiên liệu lớn để tăng tốc nên có khối lượng nhỏ hơn, mặt khác, áp suất giảm khi nó di chuyển ra xa Mặt trời. Ví dụ, ở gần quỹ đạo của Sao Hỏa, nó trở nên nhỏ hơn 2,25 lần. Tuy nhiên, bất chấp điều này, một vệ tinh “chạy bằng năng lượng mặt trời” có thể đạt tốc độ lên tới 1/10 tốc độ ánh sáng với kích thước cánh buồm vừa đủ.

Ý tưởng du hành trên cánh buồm mặt trời xuất hiện trên những trang truyện khoa học viễn tưởng vào cuối thế kỷ 19 - dấu hiệu đầu tiên là cuốn sách của nhà viết kịch người Pháp Georges Le Fort và kỹ sư tài năng Henri de Graffiny “Điều bất thường” Những cuộc phiêu lưu của một nhà khoa học Nga” (1889). Trong đó, các anh hùng bay tới sao Kim bằng một chiếc gương parabol khổng lồ phản chiếu ánh sáng của Mặt trời.

Xin vui lòng, tôi sẽ nói rõ ràng hơn. Ánh sáng không gì khác hơn là sự rung động của ether. Vì thế? Tuyệt vời. Bây giờ giả sử một số lượng đáng kể những rung động này được phản chiếu bởi một tấm gương khổng lồ, hướng thẳng về phía Sao Kim, điều gì sẽ xảy ra? Tất nhiên, sóng ánh sáng sẽ lao qua không gian với tốc độ khủng khiếp và chạm tới Sao Kim. Cư dân trên Mặt trăng sử dụng điều này để truyền âm thanh giọng nói của họ và chúng ta sử dụng nó để vận chuyển chính mình.

Người đầu tiên đề xuất thiết kế thực sự cho thiết bị buồm mặt trời là kỹ sư Liên Xô Friedrich Arturovich Zander. Năm 1924, ông nộp đơn đăng ký lên Ủy ban Sáng chế về một chiếc máy bay không gian dựa trên một chiếc máy bay - thiết bị này được cho là sẽ bay lên qua các lớp khí quyển dày đặc, trước tiên là với sự trợ giúp của động cơ. áp suất cao, sau đó, trong một môi trường tinh khiết hơn, sử dụng động cơ tên lửa đẩy chất lỏng sử dụng "các bộ phận không cần thiết" làm nhiên liệu. Kết quả là, một thiết bị có cánh tương đối nhỏ đã được phóng lên quỹ đạo, được đẩy bằng cánh buồm mặt trời và có khả năng quay trở lại Trái đất. Tuy nhiên, Ủy ban cho rằng dự án quá tuyệt vời nên dự án vẫn là một dự án.

Ảnh: Bảo tàng Hàng không và Vũ trụ Quốc gia/Viện Smithsonian

Echo-1 và nhóm kỹ sư của NASA. Ảnh: NASA

Ảnh: NASA

Về mặt thực tế, áp suất mặt trời đã đi vào lịch sử của ngành du hành vũ trụ gắn liền với lịch sử rơi của thiết bị Echo-1. Đó là một hình trụ gương có đường kính khoảng 60 mét, chứa đầy khí acetaldehyde. Năm 1960, khi Echo 1 được phóng lên quỹ đạo, các kỹ sư của NASA đã sử dụng nó để phản xạ thụ động các tín hiệu vô tuyến và tạo ra một liên kết liên lạc vô tuyến và truyền hình xuyên lục địa. Tuy nhiên, thiết bị không thể tồn tại theo thời gian ước tính trên quỹ đạo - chính xác là do áp suất của gió mặt trời mà các kỹ sư đã không tính đến. Do đó, cũng như chịu ảnh hưởng của sự dao động mật độ ở các tầng trên của bầu khí quyển Trái đất, vệ tinh dần dần bay chậm lại và hạ thấp độ cao, dẫn đến sự phá hủy của nó 8 năm sau khi phóng.

Người ta đã có thể hạn chế áp suất mặt trời vào năm 1974 với sự ra đời của thiết bị Mariner 10. Mặc dù bản thân nó không được thiết kế trực tiếp để “điều hướng ánh sáng”, các tấm pin mặt trời của nó, được các kỹ sư triển khai ở một góc nhất định so với Mặt trời, hoạt động như một cánh buồm. Điều này được thực hiện để điều chỉnh vị trí của thiết bị trong không gian tại thời điểm khí chuyển hướng đã kết thúc. Đây là ví dụ đầu tiên về việc sử dụng áp suất ánh sáng để điều khiển tàu vũ trụ.

Một cánh buồm được triển khai như một phần của thí nghiệm Znamya-2

Lần đầu tiên, một cánh buồm mặt trời thực sự xuất hiện trong không gian trong khuôn khổ dự án Znamya-2 của Nga. Nói chung, mục tiêu của anh ta hoàn toàn không phải là một chuyến bay đến các hành tinh xa xôi, mà kỳ lạ thay, là tạo ra một nguồn sáng nhân tạo, có lẽ là điều bất thường nhất trong số những nguồn sáng tồn tại cho đến nay. Nếu dự án được thực hiện thành công, nó có thể chiếu sáng các địa điểm xảy ra thảm họa thiên nhiên cũng như các thành phố lớn trực tiếp từ không gian trong đêm vùng cực - ít nhất đây là những ý tưởng đã truyền cảm hứng cho các tác giả của dự án. Năm 1993, như một phần của thí nghiệm Znamya-2, người ta đã có thể triển khai một cánh buồm mặt trời lắp trên tàu vũ trụ Progress M-15. Đường kính của gương là 20 mét và cường độ ánh sáng phản chiếu bởi nó tương đương với ánh sáng của Trăng tròn (do trời nhiều mây nên không thể quan sát được). Bước tiếp theo là tạo ra một gương phản xạ Znamya-2.5 lớn hơn đáng kể. Anh ta đã có thể tạo ra một “điểm nắng” dài bảy km trên bề mặt, bên trong có độ sáng bằng 5-10 Mặt trăng tròn. Thật không may, chúng ta sẽ không bao giờ biết nó trông như thế nào từ Trái đất - khi mở ra, màng kim loại dính vào ăng-ten và không mở ra. Dự án chiếu sáng không gian đã bị đóng cửa.

Năm 1999, Lavochkin NPO nhận đơn đặt hàng từ Hiệp hội Hành tinh Hoa Kỳ để thiết kế thuyền buồm mặt trời Cosmos-1. Anh ta phải sử dụng một tấm phim gương dài 30 mét gồm tám đoạn riêng biệt để tăng tốc. Để làm vật liệu cho cánh buồm, các kỹ sư đã sử dụng polyetylen terephthalate phủ một lớp nhôm mỏng (đặc biệt được sử dụng trong chai nhựa). Tổng diện tích cánh buồm là hơn 600 mét vuông. Tàu ngầm hạt nhân Borisoglebsk được chọn làm bệ phóng, vệ tinh được mang theo phương tiện phóng Volna, được chế tạo trên cơ sở tên lửa chiến đấu RSM-50.

Hiệp hội hành tinh là một tổ chức tư nhân tổ chức phi lợi nhuận, thực hiện nhiều dự án khác nhau trong lĩnh vực thiên văn học và thám hiểm không gian. Nó được thành lập vào năm 1980 bởi Carl Sagan, Louis Friedman và Bruce Murray. Một dự án như vậy là nghiên cứu khả năng tồn tại của vi sinh vật trong không gian. Phần đầu tiên của nó được thực hiện trong chuyến bay cuối cùng của Endeavour vào năm 2011, và phần cuối cùng được đưa vào chương trình Phobos-Grunt, nhưng không diễn ra do bị rơi. Từ năm 2010, vị trí CEO của tổ chức đã do Bill Nye đảm nhiệm.

Louis Friedman, người sáng lập Hiệp hội Hành tinh, kiểm tra bộ máy Cosmos-1, do Lavochkin NPO lắp ráp

Ảnh: Hiệp hội Lavochkin / Hiệp hội hành tinh

Lần phóng thử nghiệm thiết bị đầu tiên (với hai cánh buồm) diễn ra vào năm 2001 nhưng đã thất bại. Trong suốt một năm, các kỹ sư đã cố gắng xác định xem tên lửa có vấn đề gì. Lần phóng tiếp theo, với một vệ tinh đã hoàn thiện, được lên kế hoạch vào tháng 6 năm 2005. Thật không may, nó cũng thất bại: sau 83 giây bay, tầng đầu tiên đột ngột ngừng hoạt động, khiến tên lửa không đạt được tốc độ cần thiết. Vệ tinh chìm xuống biển.

Hình ảnh: JAXA

Các vấn đề với thiết bị phóng đã cản trở sự phát triển của cánh buồm mặt trời ở Hoa Kỳ. Vì vậy, vào năm 2008, SpaceX được cho là đã phóng thiết bị NanoSail-D lên quỹ đạo bằng tên lửa Falcon 1. Cánh buồm của nó được làm bằng polymer kim loại và có diện tích khoảng 10 mét vuông. Thật không may, nỗ lực này cũng thất bại: trong quá trình phóng Falcon, tầng đầu tiên không tách rời.

Thiết bị IKAROS, các bức ảnh được chụp bằng một camera tách biệt với nó. Ảnh: JAXA

Ảnh: JAXA

Thí nghiệm thực sự thành công đầu tiên với cánh buồm mặt trời là việc phóng vệ tinh IKAROS của Nhật Bản. Trở lại năm 2004, người Nhật đã thành công trong việc triển khai hai cánh buồm màng mỏng thử nghiệm nhỏ ở độ cao 122 và 169 km. Và vào ngày 21 tháng 5 năm 2010, IKAROS đã tự mình đi vào quỹ đạo từ Trung tâm vũ trụ Tanegashima trên phương tiện phóng HII-A. Là một bề mặt phản chiếu, nó sử dụng một màng polyimide vuông (Kapton, do DuPont sản xuất), bao gồm bốn mảnh hình thang. Độ dày của cánh buồm chỉ 7,5 micron nhưng nó còn chứa thêm các tấm pin mặt trời màng mỏng được thiết kế để tạo ra điện. Do sự quay của thiết bị, các vật nặng mà màng được gắn vào sẽ bị kéo căng bởi lực ly tâm và do đó mở cánh buồm thành một hình vuông có cạnh 14 mét. Quá trình khai mạc kéo dài 7 ngày, sau đó IKAROS khởi hành đến Sao Kim.

Điều thú vị là các kỹ sư đã cố gắng tích hợp vào thiết bị khả năng tự quay phim từ bên cạnh. Để làm điều này, tại một thời điểm nhất định, thiết bị đã đẩy ra hình trụ có camera bên trong. Cô ấy đã chụp được một số bức ảnh và gửi lại cho các vệ tinh. Không có quy định nào về việc trả lại máy ảnh. Vào ngày 8 tháng 12, vệ tinh đã bay cách Sao Kim 80 nghìn km và nhận được hình ảnh của nó. Lần cuối cùng tín hiệu từ vệ tinh được nhận là vào ngày 22 tháng 5 năm 2014, kể từ đó nó ở chế độ ngủ đông do thiếu năng lượng.

Ảnh: Wikimedia Commons

Sau IKAROS, mọi thứ với cánh buồm mặt trời bắt đầu được cải thiện tại NASA. Chỉ sáu tháng sau khi phóng vệ tinh Nhật Bản, vào ngày 19 tháng 11 năm 2010, tên lửa Minotaur-4 đã phóng vệ tinh FASTSAT thử nghiệm lên quỹ đạo ở độ cao 653 km. Là bản sao của dự án trước đó, thiết bị NanoSail-D2 đóng vai trò trọng tải cho FASTSAT. Đáng lẽ nó phải tách khỏi nó ngay sau khi đi vào quỹ đạo, nhưng điều này đã không xảy ra vào tháng 11 hay tháng 12. Chỉ đến ngày 19/1/2011, người vận hành mới nhận được tín hiệu cho biết cơ chế phân tách của thiết bị đã được kích hoạt. Ba ngày sau, NanoSail-D2 mở cánh buồm - không giống như vệ tinh Nhật Bản, quá trình mở màng chỉ mất vài giây. Nó được thực hiện bằng cách sử dụng các dải kim loại kéo dài từ thiết bị giống như một thước dây.

"NanoSail-D2" có rất khu vực rộng lớn bề mặt phản chiếu, vì vậy trong 8 tháng nó ở trên quỹ đạo, nó liên tục được quan sát từ Trái đất như một điểm sáng di chuyển trên bầu trời đêm. Tương tự như vậy, do sự phản xạ ánh sáng từ Tấm năng lượng mặt trời, chúng ta có cơ hội quan sát các chuyến bay ngang qua của vệ tinh Iridium và ISS. Độ sáng của những vật thể này trên bầu trời đầy sao đôi khi được so sánh với những hành tinh sáng nhất và thậm chí còn vượt xa chúng.

Vệ tinh NanoSail-D2 bay qua Rautalampi, Phần Lan

Ảnh: Vesa Vauhkonen

Cơ sở của "NanoSail-D2" là vệ tinh nano CubeSat. Đây là một mô-đun mà từ đó, giống như một bộ xây dựng, bạn có thể lắp ráp các thiết bị lớn. Ví dụ, trong trường hợp này, ba CubeSats đã được sử dụng, kết hợp thành một thiết bị duy nhất, bao gồm cơ chế giăng buồm, truyền tín hiệu vô tuyến đến Trái đất và các tấm pin mặt trời.

Lần phóng tiếp theo được cho là vệ tinh Sunjammer, một thiết bị được đặt tên theo câu chuyện cùng tên của Arthur C. Clarke, dành riêng cho cuộc đua thuyền buồm mặt trời. Vụ phóng đã được lên kế hoạch vào tháng 1 năm nay, nhưng do không tin tưởng vào tên lửa Falcon 9 nên nó vẫn chưa diễn ra. Sunjammer có cánh buồm lớn nhất từng được chế tạo cho đến nay. Diện tích của nó là hơn 1200 mét vuông, trong khi khối lượng của vệ tinh không vượt quá 32 kg. Thiết bị này được chế tạo dưới dạng hình vuông có cạnh 38 mét và bao gồm một màng Kapton kim loại hóa (không nên nhầm lẫn với nylon) dày 5 micron.

Công việc nghiên cứu

về chủ đề

"Cánh buồm mặt trời"

Hoàn thành:

Shvets Nikolay Igorevich

học sinh lớp 10

MBOU "Trường trung học số 25"

G. Tulun

Cố vấn khoa học:

Giáo viên vật lý

Tatarnikova Nadezhda Mikhailovna

MỤC LỤC

Giới thiệu………………………………..3

Cánh buồm mặt trời……………………………………………3

Lĩnh vực ứng dụng của cánh buồm mặt trời……………………………………..4

Thiết kế của liên doanh……………………………………………………..6

Tính thời gian tăng tốc cần thiết

thoát khỏi trọng lực của trái đất.................................................................................................. số 8

MOB (kéo liên quỹ đạo) sử dụng SP…………………………………..9

Kết luận…………………………………….12

Tài liệu tham khảo………………….……………….13

GIỚI THIỆU

Sự liên quan của công việc này là công chúng biết rất ít về cánh buồm mặt trời, chủ đề này rất hiếm khi được nêu ra và tính chất rất không tầm thường của nó, chưa kể những thông tin cụ thể, rất thú vị.

Mục đích của nghiên cứu là xác định hiệu quả của việc sử dụng SP trong các lĩnh vực khoa học công nghệ cũng như so sánh hiệu quả của SP với hiệu suất của tàu vũ trụ truyền thống, chứng minh ưu điểm của tàu vũ trụ dưới cánh buồm mặt trời so với các tàu vũ trụ truyền thống. đối với tàu vũ trụ có động cơ tên lửa thì hiệu suất của nó cao hơn. Để đạt được mục tiêu này, các mục tiêu nghiên cứu sau đã được xác định:

1. Xem xét các vấn đề liên quan đến việc sử dụng SP và hiện trạng công việc trong lĩnh vực này.
2. Tính thời gian bay tới sao Hỏa trên tàu vũ trụ có SP

3. Xem xét thiết kế liên doanh dựa trên khung khí nén.
4. Làm quen với các phép tính thời gian tăng tốc của tàu vũ trụ dưới cánh buồm mặt trời từ quỹ đạo tròn đến vận tốc thoát thứ hai.
5. Đề xuất phương án tăng tốc MOB dưới cánh buồm mặt trời sử dụng tàu vũ trụ quỹ đạo phụ trợ.

CÁNH MẶT TRỜI

Ý tưởng về cánh buồm mặt trời (SS), sử dụng áp suất của ánh sáng mặt trời làm động lực, không phải là mới. Nó xuất hiện lần đầu tiên vào những năm 1920 và đã được nhiều tổ chức hàng không và vũ trụ xem xét trong nhiều thập kỷ. Người đồng hương của chúng tôi F.A. Zander, được biết đến với nhiều công trình trong lĩnh vực du hành vũ trụ, đã đề xuất đưa vào quỹ đạo các gương không gian (tấm phản xạ) để truyền năng lượng ánh sáng của Mặt trời đến bề mặt Trái đất để sử dụng trực tiếp. Phát triển hơn nữa không gian bên ngoài, việc thực hiện các chuyến bay liên hành tinh buộc các nhà thiết kế phải tìm kiếm các giải pháp cơ bản mới trong việc chế tạo tàu vũ trụ. Một lựa chọn cho tàu vũ trụ liên hành tinh là cánh buồm mặt trời. Ưu điểm của cánh buồm mặt trời so với cánh buồm laser là cánh buồm mặt trời không phụ thuộc vào nguồn sáng, nhược điểm là ánh sáng mặt trời yếu hơn ánh sáng laser. SP không tiêu tốn nhiên liệu khi tăng tốc; Trong không gian, không phải gió làm căng các cánh buồm mà là áp suất của các hạt ánh sáng mặt trời - photon. Nó buộc

thuyền buồm liên tục tăng tốc (hoặc giảm tốc độ). Một tàu vũ trụ với cánh buồm mặt trời sẽ tăng tốc rất chậm, nhưng theo thời gian nó sẽ có thể đạt tới tốc độ chưa từng có. Áp suất photon đủ cao để tàu vũ trụ di chuyển giữa các hành tinh - từ Sao Thủy đến Sao Mộc; để bao phủ những khoảng cách xa hơn nữa, một chùm tia laze có thể hướng vào cánh buồm, một lần nữa được cung cấp năng lượng năng lượng mặt trời. Các khía cạnh ứng dụng của công nghệ SP khá rộng: từ giữ vệ tinh đứng yên trong quỹ đạo địa tĩnh cho đến tàu con thoi đường dài chở hàng hóa giữa các hành tinh, tiểu hành tinh và sao chổi. Bay gần Mặt trời, thuyền buồm trong tương lai sẽ có thể tăng tốc đến tốc độ cực lớn, điều này cho phép chúng đến gần hơn bất kỳ vật thể nào trong hệ mặt trời hoặc như đã đề cập ở trên, bay tới các ngôi sao. Lợi ích của liên doanh là rất lớn: một báo cáo từ studio Cosmos cho biết về mặt lý thuyết, thuyền buồm có thể bay nhanh hơn 10 lần so với các trạm Wouadeg-1 và -2, đã đạt vận tốc thoát thứ ba.

KHU VỰC ỨNG DỤNG CỦA CÁNH MẶT TRỜI

Ứng dụng của buồm mặt trời và tàu buồm mặt trời là rất lớn. Chúng có thể được sử dụng cho:
- phát hiện các cơn bão địa từ,
- thăm dò hệ mặt trời của chúng ta,
- chuyển tiếp năng lượng, truyền thông vô tuyến và truyền hình,
- chiếu sáng các khu vực nhất định của Trái đất,
- làm sạch không gian khỏi “rác” công nghệ,
- các chuyến bay liên hành tinh dưới cánh buồm mặt trời,
- tạo ra các ăng-ten lớn trong không gian để thăm dò khoáng sản và các nhiệm vụ hữu ích khác.

Cánh buồm mặt trời và tàu buồm mặt trời là một hướng đi tiến bộ của ngành du hành vũ trụ Nga và thế giới. Nó có thể được sử dụng trong các hệ thống phát hiện bão plasma. Được biết, bão địa từ có thể gây mất tàu vũ trụ, hỏng tín hiệu GPS (hệ thống định vị toàn cầu) và thậm chí là hỏng mặt đất. mạng lưới điện. Các proton năng lượng cao thậm chí có thể gây tử vong cho các phi hành gia ngoài vũ trụ. Dự đoán chính xác về những sự kiện như vậy có thể được thực hiện bằng cách quan sát gió mặt trời. Những quan sát như vậy có thể được thực hiện bằng cách sử dụng từ kế và máy dò hạt trên một con tàu đi giữa Mặt trời và Trái đất. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng tàu buồm chạy bằng năng lượng mặt trời. Ngoài ra, SP có thể được sử dụng cho các chuyến bay liên hành tinh. Như vậy, khi bay tới Sao Hỏa, con tàu lần đầu tiên được phóng bằng phương tiện phóng vào quỹ đạo Trái đất thấp ban đầu ở độ cao khoảng 200 km. Sau đó, bằng cách sử dụng một khối, nó được chuyển sang quỹ đạo xuất phát ở độ cao vài nghìn km.

Thời gian của các hoạt động này sẽ kéo dài khoảng 48 giờ, sau đó các cánh buồm được triển khai và dưới tác động của ánh sáng mặt trời, con tàu bắt đầu tăng tốc theo quỹ đạo xoắn ốc. Bằng cách kiểm soát hướng của cánh buồm, họ đạt được sự biến đổi quỹ đạo thành hình elip với điểm cực đại ngày càng tăng. Người ta tính toán rằng thời gian tăng tốc lên Mặt trăng trong trường hợp này sẽ là khoảng 120 ngày. Thời gian phóng và sau đó tăng tốc được chọn sao cho thuyền buồm đi vào một khu vực nhất định của trường hấp dẫn của Mặt trăng. Điều này sẽ cho phép chúng tôi giải quyết vấn đề tiếp theo - chuyển SPC sang quỹ đạo của chuyến bay liên hành tinh tới Sao Hỏa. Vị trí tương đối của Trái đất và Sao Hỏa ở giai đoạn này cũng được chọn sao cho trước tiên giảm chu kỳ của quỹ đạo nhật tâm (“hãm”), sau đó tăng điểm viễn nhật của quỹ đạo để đạt tới quỹ đạo của Sao Hỏa (“gia tốc”) ”). Tổng thời gian SPK cần để tới Sao Hỏa sẽ là khoảng 1,9 năm.

Chúng ta hãy biểu thị áp suất ánh sáng trong quỹ đạo Trái đất là Po. Biết rằng áp suất của ánh sáng thay đổi theo khoảng cách tuân theo định luật: P ~ 1/R2. Hãy tìm áp suất nhẹ ở giữa khoảng cách giữa Trái Đất và Sao Hỏa: P 1/2 = Po (Rз/0.5(Rз+Rм)) 1/2. Ở đây Rз là bán kính quỹ đạo Trái đất = 1,5 * 10 11 m, Rm là bán kính quỹ đạo Sao Hỏa = 2,28 * 10 11 m. Để đơn giản, chúng ta sẽ giả sử rằng trong thời gian tàu vũ trụ chuyển động từ Trái đất đến Sao Hỏa , Trái đất và Sao Hỏa nằm trên cùng một đường thẳng tính từ tâm Mặt trời. Trong thực tế, điều này tất nhiên không phải như vậy. Chúng ta sẽ giả sử rằng dọc theo toàn bộ đường đi từ Trái đất đến Sao Hỏa, cánh buồm chịu một áp suất ánh sáng không đổi bằng P1/2. Giả sử diện tích của cánh buồm bằng S. Khi đó lực tác dụng lên cánh buồm (tức là tác dụng lên tàu vũ trụ) là F = P1/2 S. Từ định luật thứ hai của Newton, chúng ta tìm thấy gia tốc mà tàu vũ trụ có khối lượng M sẽ di chuyển: a = F/M = P1/2 S/M. Sử dụng hệ thức quen thuộc trong môn vật lý (Cơ học) s = at2/2, trong đó s là quãng đường đi được trong thời gian t (trong trường hợp của chúng ta là s = ​​Rм – Rз), chúng ta tìm được thời gian chuyển động của tàu vũ trụ từ Trái đất lên sao Hỏa dưới tác dụng của áp suất ánh sáng mặt trời:

t = (2 (R m - R h)/ (P 1/2 S /M )) 1/2 = (2 (2,28*10 11 – 1,5*10 11)/0,0000045*10) 1/2 = 5887406s ~ 1,9 năm

Liên doanh XÂY DỰNG

Cánh buồm mặt trời cánh quạt bao gồm tám cánh quạt. Mỗi cái khi mở ra là một màng được căng trên khung khí nén có tiết diện hình ống có đường kính 150 mm, được làm bằng màng polyetylen phthalate có độ dày 20 micron và trọng lượng tuyến tính 28 g/m2. Diện tích màng trải dài trên khung là 75 m2. Nó được làm bằng màng polyethyl tetraphthalate được kim loại hóa ở một mặt với độ dày 5 micron và trọng lượng tuyến tính là 7 g/m2. Bề mặt kim loại của màng hướng về phía Mặt trời. Khung khí nén có tác dụng tổ chức quá trình triển khai cánh gió mặt trời, duy trì hình dạng nhất định và đảm bảo độ cứng trong quá trình truyền lực và mô men từ áp suất của gió mặt trời lên cánh. Độ cứng của khung khí nén và độ ổn định của nó được đảm bảo bởi áp suất dư của khí làm việc (nitơ) bên trong khung khí nén, khoảng 7000 Pa. Lưỡi dao mở ra từ một cuộn và thành hình khi khóa nhiệt được kích hoạt.

Sơ đồ phóng cánh buồm mặt trời

sử dụng vũ trụ -1 làm ví dụ

Thiết bị có SP, cùng với hệ thống đẩy trên (RPU) và vỏ bảo vệ, là một phần của bộ phận đầu (GB) của phương tiện phóng. Cơ sở cấu trúc của KASP là bệ thiết bị trên đó RDU với hệ thống phân tách được gắn trên đó, vỏ bảo vệ, khối buồm, thiết bị đo đạc và hệ thống dịch vụ được gắn trên đó. Bệ thiết bị được lắp đặt trên bộ chuyển đổi (khung) của phương tiện phóng và được kết nối với nó bằng khóa pyrolocks. Đáy kín của nó chứa các bộ phận gắn RDU, ăng-ten 400 MHz, ăng-ten GPS, ăng-ten băng tần S, cảm biến mặt trời, hai camera, vòi phun khí của hệ thống định hướng và ổn định, cũng như các bảng chuyển đổi quang điện. Đến không gian trống còn lại của đáy với bên ngoài và bên trong Lớp phủ có đặc tính quang học được áp dụng để cung cấp các điều kiện nhiệt cần thiết. Bên trong sân ga có các tổ hợp vô tuyến băng tần DM và S, máy thu GPS, máy tính tích hợp, cảm biến gia tốc vi mô, bộ DUS, pin, hai Bình gas, đầu thu và phụ kiện COiS. Một khối buồm được lắp đặt ở mặt bích phía trên của bệ - một giá đỡ trên đó đặt các cụm buồm với bộ truyền động, hệ thống làm đầy, cơ cấu cố định và tách rời. Trước khi đưa vào quỹ đạo làm việc, CASP được phủ một lớp vỏ bảo vệ trong suốt vô tuyến. Khối lượng của CASP trước khi bật động cơ apogee là 130 kg và trước khi triển khai cánh buồm mặt trời - 63,7 kg.

Tính thời gian tăng tốc cần thiết để rời khỏi quả cầu hấp dẫn của trái đất

Ví dụ, hãy xem xét gia tốc tới tốc độ parabol của một tàu vũ trụ được trang bị cánh buồm mặt trời khi rời khỏi quỹ đạo địa tĩnh. Cho khối lượng phóng của tàu vũ trụ là 2000 kg, diện tích của tàu vũ trụ là 10000 m2, trọng lượng tuyến tính vật liệu SP = 7 g/m2. Khi đó ta có: mpar = S · SP = 10000 m2 · 7 g/m2 = 70000 g = 70 kg

Tổng lực tác dụng lên liên doanh bằng F= S · p = 10000 · 10 -5 = 0,1 N; Hãy xác định gia tốc của tàu vũ trụ F = m · а;

Hãy tìm tốc độ đặc trưng mà tàu vũ trụ phải phát triển để thoát khỏi quả cầu hấp dẫn của Trái đất

Hãy tính thời gian tăng tốc

MOB (kéo liên quỹ đạo) SỬ DỤNG SP

MOB sử dụng cánh buồm mặt trời là một loại tàu vũ trụ mới có khối lượng vài trăm kg và diện tích cánh buồm vài ha, di chuyển dưới tác động của ánh sáng mặt trời, tăng tốc và điều khiển tự động mà không tốn chất lỏng làm việc của động cơ. Thiết kế của nó có hai cánh buồm màng không khung hình khuyên quay theo các hướng khác nhau, duy trì hình dạng của chúng dưới tác động của lực ly tâm. Con tàu được điều khiển và định hướng thông qua việc sử dụng lực hồi chuyển. Tàu vũ trụ này không cần một lượng năng lượng khổng lồ để bay trong không gian. Các lực nhỏ có thể tăng tốc từ từ và đều đặn phương tiện giao thông lên đến tốc độ rất lớn. Vì năng lượng có khối lượng nên ánh sáng mặt trời chiếu vào một màng mỏng—cánh buồm mặt trời—sẽ tạo ra lực đó. Lực hấp dẫn của Mặt trời cung cấp một lực khác. Áp suất nhẹ và trọng lực có thể đưa tàu vũ trụ đến bất kỳ nơi nào trong hệ mặt trời. Sau khi tăng tốc trong một năm, cánh buồm mặt trời có thể đạt tốc độ 100 km/s, bỏ xa các tên lửa ngày nay. Do một con tàu như vậy không thể phóng từ Trái đất nên cánh buồm mặt trời phải được chế tạo trong không gian. Mặc dù khung sẽ chiếm một diện tích rất lớn nhưng nó (cùng với các vật liệu) sẽ đủ nhẹ để phóng lên quỹ đạo trong 1-2 chuyến bay tàu con thoi. Khi di chuyển trên quỹ đạo quanh Trái đất, cánh buồm chỉ có thể tăng tốc cho tàu vũ trụ trong một nửa vòng quay; ở nửa sau (chuyển động ngược chiều với Mặt trời) của vòng quay, cánh buồm phải được triển khai dọc theo hướng tia nắng mặt trời. để tránh phanh gấp. Nhược điểm này của MOB trên cánh buồm mặt trời có thể tránh được nếu sử dụng thêm tàu ​​vũ trụ, tàu sẽ thu ánh sáng mặt trời và hướng nó bằng ăng-ten truyền tới cánh buồm mặt trời của MOB. Sử dụng một số tàu vũ trụ phụ trợ, hoạt động liên tục như vậy với diện tích ăng-ten thu lớn hơn đáng kể so với MOB, có thể đảm bảo khả năng tăng tốc liên tục của MOB. Với cùng hướng của tia sáng ban đầu và chùm tia tập trung của ăng ten phát, tổng xung tác dụng lên tàu vũ trụ phụ sẽ bằng 0. Nếu hướng của các tia không trùng nhau thì việc sử dụng chúng trên tàu vũ trụ phụ là cần thiết động cơ phản lực, ví dụ, động cơ điện, để bù cho xung không cân bằng.

Sơ đồ bay của MOB dưới cánh buồm mặt trời. 1- Tàu vũ trụ phụ trợ. 2- Anten thu sóng bức xạ năng lượng mặt trời. 3- Anten phát sóng. 4- Anten thu sóng MOB. 5-MOB.

PHẦN KẾT LUẬN

Ý tưởng về một liên doanh đã trải qua những thay đổi nhất định trong gần 100 năm tồn tại. Triển vọng phóng tàu thăm dò liên sao công nghệ cao trên cánh buồm mặt trời trong tương lai gần với tốc độ cao hơn 0,01 nó rất hấp dẫn. Chi phí của một tàu thăm dò với cánh buồm mặt trời thấp hơn nhiều so với chi phí của một tàu thăm dò với động cơ tên lửa.Về mặt lý thuyết, một con tàu có cánh buồm mặt trời có khả năng đạt tốc độ 100.000 km/s hoặc thậm chí cao hơn. Nếu một tàu thăm dò như vậy được phóng lên vũ trụ vào năm 2010, thì (trong điều kiện lý tưởng) vào năm 2018, nó sẽ bắt kịp Du hành 1, vốn sẽ mất 41 năm cho hành trình này. Hiện tại, Du hành 1 (phóng lên năm 1977) cách chúng ta 12 giờ ánh sáng và là tàu vũ trụ xa Trái đất nhất. Điều này một lần nữa chứng minh rằng tàu vũ trụ có SP hiệu quả hơn nhiều so với tàu vũ trụ truyền thống.

Để chế tạo một tàu vũ trụ thực sự hoạt động và thực hiện thành công các nhiệm vụ cụ thể bằng cách sử dụng cánh buồm mặt trời đồng nghĩa với việc phải giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật, suy nghĩ thấu đáo và triển khai các giải pháp và ý tưởng kỹ thuật mới. Có lẽ sứ mệnh năng lượng mặt trời thú vị nhất trong tương lai gần có thể là sứ mệnh triển khai một cánh buồm gần quỹ đạo của Sao Kim hoặc thậm chí Sao Thủy và sau đó du hành ra ngoài hệ mặt trời để đến điểm nhật dừng trong vòng vài thập kỷ. Thiết bị này sẽ có thể quan sát sự tương tác của mặt trời với thiên hà tại chỗ. Đây không phải là một nhiệm vụ dễ dàng, giống như bất kỳ công việc nào liên quan đến việc chế tạo tàu vũ trụ. Nhưng các cuộc thử nghiệm thành công của thuyền buồm không gian cho thấy rằng nếu bạn thực hiện nghiêm túc thì mọi việc sẽ ổn thỏa.

Ngày 30 tháng 5 năm 2015 Cuộc thử nghiệm đầu tiên sẽ diễn ra trên quỹ đạo Trái đất cánh buồm mặt trời LightSail-1- một thiết bị mà việc sử dụng nó sẽ giúp thực hiện các chuyến bay vào vũ trụ trên khoảng cách xa nhất trong tương lai. Hôm nay chúng tôi sẽ kể cho bạn nghe cánh buồm mặt trời là gì, nó có triển vọng gì, cũng như về vai trò của nhà thiên văn học nổi tiếng Carl Sagan và nhà khoa học người Nga Friedrich Zander trong việc nảy sinh ý tưởng này.

Nguyên lý hoạt động

Cánh buồm mặt trời là một thiết bị sử dụng áp suất của ánh sáng mặt trời để bề mặt gươngđể đẩy tàu vũ trụ.

Việc sử dụng công nghệ này sẽ giúp bạn có thể thực hiện ngay cả những chuyến bay vào vũ trụ dài nhất, vì để di chuyển trong không gian giữa các vì sao, con tàu sẽ không cần phải có một nguồn cung cấp nhiên liệu vật lý khổng lồ trên tàu - nguồn chuyển động sẽ được đặt ở khắp mọi nơi.

Tất nhiên, tàu vũ trụ có cánh buồm mặt trời càng ở xa nguồn sáng thì áp suất của nó sẽ càng thấp. Nhưng không gian rộng lớn của Vũ trụ là chân không nên sẽ không có lực nào làm chậm chuyển động của tàu vũ trụ. Nhưng ngay cả ánh sáng yếu nhất từ ​​các ngôi sao ở xa cũng sẽ tăng dần tốc độ bay.

Người ta tin rằng một tàu vũ trụ được đẩy bằng cánh buồm mặt trời có kích thước đủ lớn có thể đạt tốc độ khoảng 1/10 tốc độ ánh sáng.

Cũng có những ý tưởng liên quan đến việc thay thế nguồn chuyển động chính của cánh buồm như vậy từ ánh sáng mặt trời sang tia laze. Ban đầu, người ta dự định lắp đặt nguồn của chùm tia này trên Trái đất, nhưng giờ đây đã xuất hiện những đề xuất táo bạo hơn nhiều để tạo ra những cấu trúc như vậy ở đâu đó trên các hành tinh riêng biệt. Hệ mặt trời hoặc thậm chí trên các trạm vũ trụ trong không gian giữa các vì sao. Lựa chọn lý tưởng sẽ có một đợt triển khai toàn bộ hệ thống lắp đặt tia laser trên đường đến các ngôi sao khác. Nhưng đây là vấn đề của tương lai xa.

Câu chuyện

Nguồn gốc của ý tưởng về cánh buồm mặt trời nên được tìm kiếm trong các tác phẩm của nhà vật lý nổi tiếng người Scotland James Maxwell (nửa sau thế kỷ 19), người đã xây dựng nên lý thuyết điện từ của ánh sáng và dự đoán sự tồn tại của áp suất ánh sáng.

Giấc mơ về tàu vũ trụ, sẽ chuyển động nhờ áp lực của ánh sáng mặt trời, đã xuất hiện vào cuối thế kỷ 19 trong các tác phẩm của các nhà văn khoa học viễn tưởng. Chẳng hạn, trong cuốn tiểu thuyết “Những cuộc phiêu lưu kỳ lạ của một nhà khoa học Nga” của hai người Pháp Georges le Fort và Henri de Graffiny Chúng ta đang nói về kể về một chuyến thám hiểm tới Sao Kim, trong đó một chiếc gương parabol khổng lồ được sử dụng để di chuyển.

Trớ trêu thay, chính nhà khoa học người Nga này lại là người đã phát triển thiết kế thực sự đầu tiên của một chiếc máy bay chạy trên cánh buồm mặt trời. Kỹ sư Liên Xô Friedrich Zander đã nộp đơn tương ứng lên Ủy ban Phát minh vào năm 1924, nhưng các chuyên gia cho rằng nó quá tuyệt vời và từ chối.

Ở phương Tây, ý tưởng tạo ra cánh buồm mặt trời trước hết gắn liền với nhà thiên văn học, nhà vật lý thiên văn và nhà phổ biến khoa học nổi tiếng Carl Sagan. Ông là người ủng hộ mạnh mẽ chuyến bay giữa các vì sao và với tư cách là một nhà khoa học, ông trở thành một trong những nhà tư vấn được kính trọng nhất của NASA.

Sagan lần đầu tiên đề cập đến ý tưởng về cánh buồm mặt trời vào năm 1976. Trước đó, anh đã phải đối mặt với vấn đề không thể đi đường dài Du hành vũ trụ sử dụng máy bay dựa trên động cơ vật lý. Nhưng về mặt lý thuyết, cánh buồm mặt trời đã có thể thoát khỏi tình trạng bế tắc về công nghệ này.

Năm 1980, Carl Sagan và những người cùng chí hướng, các nhà khoa học nổi tiếng khác, đã thành lập Hiệp hội Hành tinh, với mục tiêu là khám phá không gian bên ngoài, tìm kiếm sự sống ngoài Trái đất và hỗ trợ các dự án hướng tới mục tiêu này. Tổ chức này là một trong những người ủng hộ và vận động hành lang chính cho ý tưởng cánh buồm mặt trời.

Những nỗ lực tạo ra

Trở lại năm 1974, lần đầu tiên các kỹ sư đã khai thác được gió mặt trời. Điều này xảy ra như một phần của việc phóng trạm liên hành tinh tự động Mariner 10 của Mỹ. Các tấm pin mặt trời của nó hoạt động như một cánh buồm mặt trời. Họ đã được triển khai dưới góc bên phải tới Mặt trời, giúp điều chỉnh vị trí của con tàu trong không gian.

Thiết kế tiếp theo tương tự cánh buồm mặt trời là gương phản xạ Znamya-2, được lắp đặt vào năm 1993 tại trạm quỹ đạo Mir. Nhưng nó không được sử dụng làm máy gia tốc mà là nguồn ánh sáng bổ sung cho Trái đất. Thiết kế này đã tạo ra một “điểm mặt trời” khổng lồ với đường kính 8 km trên bề mặt hành tinh của chúng ta.

Sau đó, quá trình chế tạo và triển khai cánh buồm mặt trời phải đối mặt với một số phận nghiệt ngã thực sự. Do đó, vào năm 2005, tên lửa Volna của Nga, mang theo vệ tinh Cosmos-1 với cánh buồm mặt trời có đường kính 30 mét vào quỹ đạo, đã rơi khi phóng.

Những nỗ lực phóng cánh buồm mặt trời vào năm 2001 và 2005 đều thất bại. Tên lửa Falcon 1 của công ty Mỹ, được phóng vào tháng 8 năm 2008, cũng được cho là sẽ đưa cánh buồm mặt trời NanoSail-D vào quỹ đạo. Nhưng cô ấy đã rơi vào chuyến bay được ba phút.

Lần phóng cánh buồm mặt trời thực sự thành công đầu tiên diễn ra vào năm 2010 trong khuôn khổ dự án IKAROS của Nhật Bản. Các kỹ sư Nhật Bản đã đưa nó vào quỹ đạo và có thể triển khai hoàn toàn một lớp màng polyamit có độ dày 7,5 micron và diện tích 196 mét vuông.

Cánh buồm mặt trời này hoạt động trong nhiều tháng trong chuyến bay của trạm liên hành tinh robot Akatsuki tới Sao Kim. Có lẽ nó vẫn hoạt động nhưng từ năm 2012 đến nay không còn kết nối với máy nữa.

Vào tháng 11 năm 2010, tên lửa Minotaur-4 của Mỹ đã đưa cánh buồm mặt trời NanoSail-D2 vào quỹ đạo. Vật thể này đã bay vòng quanh Trái đất trong 8 tháng và nhiều cư dân trên hành tinh của chúng ta đã nhìn thấy nó trên bầu trời đêm dưới dạng một điểm sáng lơ lửng trên bầu trời.

Và sau đó là một thất bại khác. Hay đúng hơn là thiếu may mắn. Vào tháng 1 năm 2015, NASA đã lên kế hoạch phóng cánh buồm mặt trời Sunjammer, được đặt tên theo câu chuyện cùng tên của Arthur C. Clarke, vào quỹ đạo bằng cách sử dụng phương tiện phóng Falcon 9 riêng. Nó được cho là vật thể lớn nhất trong lịch sử vì diện tích bề mặt của nó là khoảng 1.200 mét vuông.

Nhưng vào tháng 11 năm 2014, người ta biết rằng Cơ quan Vũ trụ Hoa Kỳ đã hủy bỏ vụ phóng này, vì vậy tên lửa Falcon 9 đã đi vào quỹ đạo mà không có cánh buồm mặt trời trên tàu. Việc ra mắt Sunjammer hiện đã bị hoãn lại sang năm 2018.

Dự án hiện tại và tương lai

Bây giờ trở lại Hiệp hội hành tinh. Chính nó đã khởi xướng việc phóng cánh buồm mặt trời LightSail-1, việc sử dụng thử nghiệm sẽ diễn ra vào ngày 30 tháng 5 năm 2015. Đúng vậy, hiện tại chúng ta chỉ đang nói về việc phát triển công nghệ chứ không phải về một dự án chính thức.

Cánh buồm LightSail-1 có diện tích 32 mét vuông. Nó sẽ được ghép nối với một CubeSat thu nhỏ (giống như NanoSail-D2). Mục đích của lần phóng này là để thử nghiệm hệ thống triển khai buồm cũng như hệ thống điều khiển và liên lạc. Thiết bị sẽ hoạt động trên quỹ đạo tối đa 10 ngày. Hơn nữa, nó có thể được quan sát từ Trái đất ở thời gian đen tối ngày.

Nếu các thử nghiệm thử nghiệm này cho kết quả khả quan thì vào năm 2016, Hiệp hội Hành tinh sẽ phóng cánh buồm mặt trời chính thức LightSail-1 vào quỹ đạo. Nó sẽ hoạt động ở độ cao 800 km và thời gian hoạt động của thiết bị này sẽ vào khoảng 4 tháng.

Những người tạo ra LightSail-1 hy vọng sẽ khám phá được khả năng di chuyển trong không gian bằng cánh buồm mặt trời trong thời gian này.

Điều thú vị là Hiệp hội Hành tinh đã quyết định nhờ tất cả cư dân trên Trái đất giúp đỡ tài trợ cho dự án này. Tổ chức này đã phát động một chiến dịch gây quỹ trên Kickstarter. Nó chỉ bắt đầu cách đây vài ngày và đã huy động được khoảng 763 nghìn đô la, với 200 nghìn được yêu cầu ban đầu. Hiện tại, hơn 15 nghìn người đã quyên góp cho quỹ của cô.

Có thể nói rằng câu chuyện có thật cánh buồm mặt trời bắt đầu ngay trước mắt chúng ta. Một lý thuyết hay mang đến cho chúng ta triển vọng du hành giữa các vì sao cho đến nay vẫn chỉ là một lý thuyết. Nhưng trong những thập kỷ tới, thực tiễn sẽ cho thấy giả định của Maxwell, Zander và Sagan đúng đến mức nào.

Tuy nhiên, cánh buồm mặt trời chỉ là một trong nhiều công nghệ sẽ mở đường tới các vì sao trong tương lai. Về phần còn lại, không kém phần dũng cảm và ý tưởng tuyệt vời, có thể đọc được.