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.
Рождение Солнечного паруса
Когда родилась идея Звездного паруса, паруса Космических кораблей? Быть может когда был построен первый парусный корабль, или маленькая лодка под маленьким парусом?
Из истории науки достоверно изветсно, что cолнечный парус как таковой был изобретен другим русским ученым - Фридрихом Артуровичем Цандером (1887 - 1933). Он впервые рассмотрел несколько конструкций этого устройства, наиболее целесообразная из которых была подробно описана им в 1924 году в неопубликованном варианте статьи “Перелеты на другие планеты”.
Солнечный парус, по замыслу ученого, должен был иметь площадь в 1 квадратный километр при толщине экрана 0,01 миллиметра и массу 300 килограммов. Парус должен был иметь центральную ось и некоторый набор силовых элементов, поддерживающих его форму. Цандер отмечал, что толщина экрана может быть еще меньше, так как Эдисону удалось изготовить никелевые листы толщиной 0,001 миллиметра и размером 3200 квадратных метров.
Ученый также попытался разработать основы теории движения космических аппаратов под солнечным парусом. Он считал целесообразным направлять на солнечный парус космического аппарата поток света, собранный вторым парусом, расположенным на некоторой промежуточной межпланетной станции. Эта его идея перекликается с современными предложениями об использовании для разгона космического аппарата искусственного лучистого (лазерного) ветра, обеспечивающего существенно большее давление на поверхность, чем солнечные лучи.
Лазер может толкать солнечный парус на огромные расстояния.
Цандер также принимал участие в создании первой советской жидкотопливной ракеты (она была испытана в 1933 году вскоре после его смерти), создал чертежи крылатой ракеты и впервые предложил выращивать на борту космического аппарата растения, чтобы обеспечивать космонавтов кислородом и едой. Именем Цандера назван кратер на луне, а Латвийская Академия Наук учредила ежегодный приз (по физике и математике) имени этого выдающегося ученого.
Солнечный парус - путь к звездам
Солнечный парус-характеристики
Некоторые источники называют солнечный парус “световым” - чаще всего это происходит в тех случаях, когда в качестве источника света предлагается использовать не Солнце, а, например, лазер.
Принцип работы этого устройства прост до безобразия - космический корабль
разворачивает большое полотно - парус, который либо отражает, либо поглощает
(рассматриваются варианты и с черным парусом) фотоны света.
17 Kb
На орбите Земли (1 астрономическая единица расстояния от Солнца) парус массой 0,8 г/м2 испытывает примерно такое же по силе воздействие солнечного света. Давление обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Заметим, что парус может быть гораздо тяжелее - и все равно он останется более-менее функциональным, хотя и не сможет самостоятельно раскрываться под действием солнечного ветра (придется разворачивать его механическим путем).
Главным неудобством солнечного паруса является то, что он может двигать корабль лишь в сторону от Солнца, а не к нему. Иногда высказывается мнение, что полет в направлении Солнца возможен, если идти галсами (здесь очевидна аналогия с зигзагообразным движением морского парусника против ветра). Изменяя угол наклона солнечного паруса относительно падающего на него света, можно легко управлять космическим кораблем, сколь угодно часто меняя его траекторию (удовольствие, недоступное для ракетных двигателей).
Основное и самое главное достоинство “парусного” способа перемещения в космическом пространстве - полное отсутствие топливных затрат. Альтернатив современным химическим ракетам на околоземном пространстве пока нет - они сравнительно дешевы и способны вывести на орбиту грузы в сотни тонн.
Однако когда речь заходит о межпланетных путешествиях, преимущества химических ракет заканчиваются. Они попросту не способны обеспечить кораблю постоянное ускорение (а, следовательно, сообщить ему как можно более высокую скорость) - ведь, по сути, свыше 90% их массы составляет стремительно расходуемое горючее. По самым скромным расчетам, для путешествия на Марс понадобится 900 тонн топлива - и это при том, что масса полезной нагрузки будет примерно в 10 раз меньше. Про ракеты еще говорят - “топливо везет само себя”.
На первый взгляд, космический парус очень медлителен. Да, действительно, начальные этапы его разгона будут напоминать гонки черепах. Однако не следует забывать, что ускорение действует постоянно (для паруса массой 0,8 г/м2 начальное ускорение будет равно 1,2 мм/с2). В условиях безвоздушного пространства это позволит достичь огромных скоростей за весьма короткие сроки.
Теоретически, корабль с космическим парусом способен достичь скорости в100000 км/с и даже выше. Если в 2010 году запустить в космос такой зонд, то (в идеальных условиях) в 2018 он догонит “Вояджер-1”, которому для этого путешествия потребовался 41 год. В настоящее время “Вояджер-1” (запущенный в 1997) находится от нас на расстоянии в 12 световых часов и является самым удаленным от Земли космическим кораблем.
К сожалению, обсуждение перспектив использования солнечного паруса в космосе не касается одного очень важного вопроса - как будет осуществляться торможение корабля на таких гигантских скоростях? Для межзвездных экспедиций ответ есть - за счет использования солнечного паруса, развернутого в противоположную сторону (однако это существенно увеличит время полета). А как быть с путешествием, допустим, на Марс? Везти с собой ракетное топливо неэффективно, а использование новых типов двигателей (например, разрабатываемых в настоящее время ионных) пока находится под вопросом.
Теоретически, корабль с космическим парусом способен достичь скорости в100000 км/с и даже выше. Если в 2010 году запустить в космос такой зонд, то (в идеальных условиях) в 2018 он догонит “Вояджер-1”, которому для этого путешествия потребовался 41 год. В настоящее время “Вояджер-1” (запущенный в 1997) находится от нас на расстоянии в 12 световых часов и является самым удаленным от Земли космическим кораблем.
Материя и форма Солнечного паруса
Материал, из которого сделаны солнечные паруса, должен быть максимально легким и прочным. В настоящее время наиболее перспективными являются полимерные пленки - милар и каптон (толщиной 5 микрон), алюминизированные (тончайший слой металла в 100 нанометров) с одной стороны, что придает им отражающую способность до 90%.
Здесь есть свои сложности. Милар очень дешев и легкодоступен (чуть более толстые пленки имеются в открытой продаже), но непригоден для длительного применения в космосе, так как разрушается под воздействием ультрафиолетового излучения. Каптон более устойчив, однако минимальная толщина такой пленки - 8 микрон, и это уменьшает ходовые качества такого паруса.
Для межзвездных полетов космическому паруснику необходимо набрать невероятную скорость. Для этого ученые предлагают начинать путешествие не с земной орбиты, а с места поближе к Солнцу (например, с орбиты Меркурия). Это позволит значительно увеличить эффективность солнечного паруса, однако потребует для него более прочных, термостойких материалов. Согласно расчетам агентства NASA (США), при таком старте космический “парусник” достигнет Альфы Центавра за 32 года.
В настоящее время ученые надеются на развитие нанотехнологий - с их помощью можно будет создать легчайший и сверхэффективный солнечный парус из углеродных нанотрубок.
Форма (конструкция) парусов имеет едва ли не большее значение, чем материал, из которого они сделаны.
Самый простой и надежный (но более тяжелый, а, следовательно - не слишком быстрый) солнечный парус имеет каркасную конструкцию. Больше всего он напоминает воздушного змея - легкая крестообразная рама является несущей основой для четырех треугольных парусов, надежно закрепленных на ней. Форма каркаса может быть разной - даже круглой. Очевидное преимущество такой конструкции заключается в надежной фиксации парусов - они не смогут свернуться и ими легко управлять (поворачивать под разным углом к свету).
.
Каркасный солнечный парус.
Солнечный парус
Существуют проекты парусов, не имеющих каркаса - так называемая “вращающаяся конструкция”. Эти модели выполнены в виде лент, закрепленных на космическом аппарате. Как следует из названия, раскрытие парусов этого типа обеспечивается вращением корабля вокруг своей оси. Центробежные силы (на концах лент закреплен небольшой груз) вытягивают их в разные стороны, позволяя обойтись без тяжелого каркаса. Теоретически, такая конструкция обеспечивает более высокую скорость передвижения в космосе, чем каркасная, за счет своего малого веса.
Модель вращающегося солнечного паруса.
Таковы основные варианты строения солнечного паруса. Предлагаются также и другие модели, например - полотна, свободно парящие в космосе и прикрепленные к кораблю при помощи тросов. Это - своеобразный “гоночный” вариант парусов - при всех их скоростных преимуществах они ненадежны и сложны в управлении.
Свободно парящее полотно космического паруса (рисунок с сайта NASA).
Еще один вариант (хотя некоторые исследователи и склонны выводить его в отдельный класс транспортных средств будущего) - это так называемый “плазменный парус”.
Плазменные паруса будут представлять собой миниатюрную модель магнитного поля Земли. Точно так же, как наше магнитное поле прогибается под напором солнечного ветра, магнитное поле (диаметром 15-20 километров), окружающее космический корабль, будет отступать под давлением заряженных частиц.
Изобретения
9 августа прошлого года японский институт космонавтики (ISAS) произвел запуск и развертывание двух полноценных солнечных парусов на низких орбитах (122 и 169 км.).
Но страна восходящего солнца не стала первой в области испытаний солнечных парусов. Пальма первенства (с некоторыми оговорками) опять принадлежит России - 4 февраля 1993 года был проведен эксперимент “Знамя-2 ” с развертыванием 20-метровой тонкопленочной конструкции за счет использования центробежных сил на борту корабля “Прогресс М-15”, пристыкованного к орбитальной станции “Мир”.
Почему это первенство с оговорками? Дело в том, что основной задачей эксперимента было не испытание тяговых качеств этого полотна, а освещение участка земной поверхности отраженным светом - еще одна вполне реальная функция солнечных парусов.
На эту весну (предположительные сроки - нынешний месяц) был запланирован кластерный (на одной ракете класса “Днепр”) запуск спутников АКС-1 и АКС-2 компании “Космотранс”. Каждый из них весит около двух килограммов (контейнер 30х30х40 см.) и несет в себе солнечный парус размером с теннисный корт (толщина - 2 микрометра).
На поверхности пленки будут смонтированы позолоченные сенсоры, регистрирующие динамику распределения зарядов по площади паруса над сейсмоопасными районами Земли.
Помимо испытаний ходовых качеств космических парусников, предполагается провести
ряд экспериментов по сверхчувствительному зондированию земной поверхности
(предсказание землетрясений) и освещению ее пятном света диаметром в пять
километров. Спутники будут выведены на 800-километровую орбиту и смогут
находиться там на протяжении нескольких столетий.
Рисунок солнечного паруса, который в 1970-х годах предполагалось запустить на
встречу с кометой Харли.
Солнечный парус модель
Миниатюрная (1 квадратный метр) модель солнечного паруса из милара.
НАСА выбрало три разработки, которые непременно окажутся в космосе
Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства определилось с так называемыми Technology Demonstration Missions, в число которых входят преобразование космической связи, навигация в глубоком космосе и двигатель для работы в космосе.
Отобраны следующие проекты: лазерная система космической связи, атомные часы и солнечный парус.
НАСА решило инвестировать именно в эти революционные технологии, поскольку они,
как полагает ведомство, смогут стать основой космических программ будущего, а
также, как ни странно, сократить расходы.
Наука и техника / Космос / Космонавтика и исследования космоса /
Атомные часы и спутник Iridium (иллюстрация НАСА).
«Демонстрация передачи данных с помощью лазера» (Laser Communications Relay Demonstration) - проект Дэвида Изрейла из Годдардовского центра космических полётов НАСА. Оптические технологии обещают «утолщение» канала связи с космическими аппаратами в 100 раз по сравнению с тем, что есть сегодня.
«Атомные часы глубокого космоса» (Deep Space Atomic Clock) - задумка Тодда Илая из Калифорнийского технологического института, аффилированного также с Лабораторией реактивного движения НАСА. В рамках этого проекта будут созданы и отправлены в космос на одном из спутников Iridium миниатюрные часы на ионах ртути, которые должны быть в 10 раз точнее нынешних систем.
«По ту сторону камеры Плам-Брук» (Beyond the Plum Brook Chamber) - так названа
разработка и демонстрация солнечного паруса, которой занимается Натан Барнс из
корпорации L"Garde. Плам-Брук - это полевая станция Исследовательского центра
НАСА им. Джона Гленна, где расположена крупнейшая в мире вакуумная камера для
имитации космических условий. Там, в частности, тестируют будущие космические
корабли, комплектующие и материалы. Так вот, площадь нового солнечного паруса,
как обещано, в семь раз превысит нынешние разработки. Как минимум, его можно
будет использовать в качестве очень точного орбитального датчика солнечного
ветра, а также сборщика космического мусора.
Два последних проекта будут готовы к полёту в течение трёх лет. Создатели
лазерной связи попросили все четыре. Общий размер инвестиций составляет $175
млн. Дополнительные средства предоставят партнёры, заинтересованные в
разработках.
***
Изобретен световой межпланетный корабль
Профессор Лос-Анджелесского университета изобрел модель сверхбыстрого корабля для межпланетных путешествий, который, как и солнечный парус, движется за счет света. В отличие от "паруса", новый корабль не отражает свет, а превращает его в электричество с помощью гигантской солнечной батареи, которая передает затем энергию ионным двигателям. Об этом сообщает EurekAlert.
Батарею предлагают сделать гибкой, чтобы ее можно было развернуть уже в космосе. "Электрическая мембрана" площадью в несколько тысяч квадратных метров позволит добраться до Плутона менее чем за год, разгоняясь при этом до скорости в сотни тысяч километров в час. Сотрудник NASA, прокомментировавший эту работу, заметил, что такое изобретение может пригодиться и для межзвездных экспедиций, когда источник света доступен только в самом начале пути. Пока нужных материалов для изготовления "мембраны" не придумано, но ученые надеются на быстрое развитие нанотехнологий.
(рисунок -выше)
Современные аппараты, которые отправляются на периферию Солнечной системы,
используют ядерное горючее и движутся заметно медленнее. Так, зонд NASA New
Horizons, запущенный в январе и снабженный плутониевым двигателем, достигнет
окрестностей Плутона только через девять лет.
Солнечный парус компании L"Garde. Людей рядом с ним почти не видно... (Фото
L’Garde Inc.)
Пока, однако, ни один запуск солнечного паруса (или родственных конструкций) не
был успешным. В июне прошлого года российская ракета с частным "парусником"
утонула, как и при первой попытке вывести аппарат на орбиту в 2001 году. С
другой стороны, известно, что "паруса" безо всякого груза удавалось развернуть
космонавтам вблизи станции "Мир" и шаттла.
Японский космический аппарат IKAROS
успешно расправил солнечный парус и
готовится к межпланетному полету
Согласно данным, полученным от представителей космического агентства Японии
JAXA, успешно завершена операция по разворачиванию в космосе первого солнечного
паруса космического аппарата IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by
Radiation Of the Sun). Но, тем не менее, развертывание паруса еще не является
успехом всей миссии. Космический аппарат IKAROS должен начать двигаться под
воздействием солнечного ветра, руководители миссии ожидают, что влияние
солнечного ветра на движение аппарата можно будет зарегистрировать не ранее, чем
несколько недель. Только после этого момента станет ясно, работает ли вообще
солнечный парус.
Парус космического аппарата изготовлен из тончайшей, 0.00076 см, полимерной пленки покрытый тонким слоем солнечных батарей. Когда фотоны света ударяются в парус, они поглощаются или отражаются, сообщая ему дополнительный импульс силы, которая разгоняет космический аппарат. Фотоны являются очень маленькими частицами и их импульс весьма мал, но, учитывая их огромное количество, можно надеяться, что в течение долгого времени космический аппарат накопит достаточную для полета скорость.
Из-за того, что этот космический аппарат приводится в движение Солнцем, он не нуждается в двигателе и другом источнике энергии, что делает такие аппараты главными претендентами для полетов в межзвездном пространстве. Поскольку солнечный парус является и солнечной батареей, то дополнительная полученная электроэнергия может накапливаться и использоваться для движения в те моменты, когда солнечный ветер попросту отсутствует.
Конечно, ничего из всего вышесказанного не будет действовать, если солнечный парус не развернется должным образом. Специалисты JAXA смогли обеспечить правильное разворачивание паруса, раскрутив достаточно быстро космический аппарат вокруг оси, после чего парус развернулся под воздействием центробежных сил.
К звездам на острие луча
Д
октор Роберт Л. Форвард
Симпозиум по межзвездным сообщениям и путешествиям.
Филадельфия, Пенсильвания.
Хотя и существует возможность использовать термоядерный синтез и антиматерию для медленного пут ешествия к самым близким звездам, вполне может быть, что ракета - не лучшее транспортное средство для межзвездного полета. Все ракеты состоят из полезной нагрузки, запаса реактивной массы, источник энергии, двигателя, движителя и конструкции все это соединяющей. Но имеется целый класс космических аппаратов, которые не должны нести никаких источников энергии, реактивной массы и даже двигателя на борту и состоят только из полезной нагрузки и движителя. Эти космические аппараты разгоняются энергией излучения внешнего источника. Опубликовано много работ, предлагающих разные идеи, реализующие такой привод. Три из них я хочу здесь обсудить. Первый - зонд, приводимый в движение выстреливаемыми шариками или пылинками материи. Маленькие пылинки вещества разгоняются в Солнечной системе и направляются на межзвездный зонд, где они перехватываются и отдают свой импульс кораблю. Так же мы рассмотрим идею использовать мазер для разгона зонда, который является, по сути, большой сеткой. Это зонд-парус из проволочной сетки с микросхемами в ее узлах. Парус-сетка помещается в поток микроволнового излучения и быстро разгоняется им. Высокое ускорение позволяет такому парусу достигнуть скорости сравнимой со скоростью света до того как линза уже не сможет фокусировать на нем энергию излучения. По прибытию такого корабля в чужую звездную систему передатчик у Земли опять направляет в сторону зонда микроволновую энергию. Используя провода сетки как антенны, микросхемы собирают эту энергию для питания оптических датчиков и своих логических схем, чтобы накопить научную информацию и получить изображение далекой планетной системы. Полученная картинка отправляется назад, на Землю. Третья схема привода - это разгоняемый лазером световой парус . Здесь большой парус из светоотражающего материала разгоняется к звездам давлением света, который генерирует большая батареей лазеров расположенных на орбите возле Солнца. Такой световой парус достиг бы релятивистских скоростей за несколько лет. По прибытию к цели, часть паруса в центре, отделяется от основного и ориентируется так, чтобы находиться перед большим кольцевым парусом который продолжает лететь вперед. Лазерный луч, посланный из Солнечной системы, отражается от большого кольцевого паруса, который теперь выполняет роль отражающего зеркала, и попадает на обратную сторону малого паруса. Отраженный таким образом луч из Солнечной системы тормозит малый парус и обеспечивает выход на орбиту звезды назначения. После того как команда исследует эту звездную систему в течении нескольких лет, еще один кольцевой парус, возвращает экспедицию назад, отделяется от паруса торможения. Лазерный луч из солнечной системы в этот раз опять переотражается от этого кольцевого паруса, разгоняя возвращаемый, еще меньший парус в направлении дома. Поскольку на этот раз парус летит в сторону Солнечной системы, луч, направленный на него при подлете, затормозит возвращающуюся экспедицию.
Оценка ракетной технологии
Нет никакой необходимости
использовать именно ракетный принцип, чтобы построить межзвездный корабль. Если
мы используем концепцию классической ракеты, мы обнаруживаем, что любое подобное
устройство состоит из полезной нагрузки, топлива (реактивной массы), источника
энергии, двигателя, который сообщает энергию топливу (реактивной массе),
движителя, то есть устройства, превращающее импульс реактивной массы в импульс
корабля, и конструкции все это соединяющей. Классическая химическая ракета
совмещает реактивную массу и источник энергии в химическом топливе. Но так как
любая ракета должна нести отбрасываемую реактивную массу наряду со всем
остальным, возможности разгона такого корабля существенно ограничены. Для
миссий, у которых конечная скорость v
больше чем скорость истечения u
,
необходимый запас топлива (отбрасываемой массы) возрастает как экспонента
отношения v/u
.
Можно придумать другой тип транспортного средства, которое не использует
ракетный принцип (то есть не несет всю реактивную массу на борту) и таким
образом избегает экспоненциального роста массы топлива, неизбежного в случае
классической ракеты. Некоторые из таких идей превосходные кандидат на роль
идеального межзвездного корабля. Например, прямоточная система Бассарда (Bussard
interstellar ramjet ). Межзвездная прямоточная система не несет
на себе никакого запаса реактивной массы и даже энергии, потому что она
использует специальный коллектор чтобы собирать атомы водорода, которые имеются
в "пустоте" космоса. Собранные атомы водорода используются как термоядерное
топливо в двигателе, где энергия синтеза применяется для разгона продуктов
реакции (обычно атомов гелия) которые и обеспечивают тягу для путешествия. К
сожалению никто пока не знает как построить реактор на синтезе голых протонов и
как создать коллектор для сбора водорода (который должен быть очень большой в
диаметре и очень легкий по массе).
И меется целый класс других космических кораблей, которые не должны нести с собой никаких источников энергии, запаса реактивной массы и даже никаких двигателей. Они состоят только из полезной нагрузки, движителя и, разумеется, конструкции все это соединяющей. Это корабли, приводимые в движение энергией излучения из внешнего источника. В такой схеме все тяжелые части (запас реактивной массы, источник энергии и двигатель) остаются дома, в Солнечной системе. Здесь, вокруг Солнца всегда имеется неограниченный запас всегда доступного топлива и мощный источник энергии (избыток обычного солнечного света). Оставленный дома двигатель может обслуживаться, ремонтироваться и даже модернизироваться по ходу миссии. Немало идей таких приводов на излучении были опубликованы в литературе. Три будут здесь рассмотрены. Все эти версии привода могут быть построены при разумной экстраполяции уже существующей на сегодняшний день технологии. Первый - это привод на луче материи (выстреливаемых частичках вещества), второй - микроволновый парус-сетка, третий - лазерный парус.
Зонд, разгоняемый лучом материиКонцепция "разгоняемого лучом материи зонда"
состоит в том, что маленькие частички вещества (шарики или
пылинки) разгоняются ускорителем в солнечной системе и аккуратно направляются на
межзвездный зонд, где те захватываются и передают свой импульс космическому
кораблю. При использовании маленьких порций вещества фундаментальные ограничения
электромагнитных волн при увеличении расстояния до цели могут быть легко
преодолены. Поэтому, кажется куда разумней использовать луч частичек, чем луч
фотонов для передачи импульса на большие расстояния. Шарики-частички могут быть
запущены очень длиным и мощным линейным ускорителем. Он должен быть установлен в
Солнечной системе, и использовать для разгона частичек либо энергию Солнца, либо
ядерную энергию.
Поток частичек должен быть очень аккуратно нацелен сразу же после запуска и,
возможно, нужна будет повторная переколлимация (поднастройка) еще несколько раз
в процесс полета. Луч вещества, в конце концов, должны быть перехвачены и
отражены назад межзвездным зондом, который примет от них разгонный импульс.
Кажущаяся важной, на первый взгляд, абсолютная точность прицеливания пусковой
установки, не является на самом деле серьезной проблемой. Зонд может
детектировать положение летящего на него потока частиц и сам корректировать свое
положение, всегда оставаться в его центре. Ряд корректирующих форму и
направление луча станций могли бы находиться далеко от ускорителя по направлению
движения потока частичек. Например, каждая очередная такая станция могла бы
находится в три раза дальше, чем предыдущая и производить одну треть настройки
(коллимации) скорости и формы потока.
Грубая настройка луча могла бы быть выполнена электромагнитным или статическим
полем, а тонкая коррекция может выполняться световым давлением лазера, потоком
плазмы или потоком нейтральных частиц.
Один из методов захвата высокоскоростных частиц на борту разгоняемого корабля
состоит в том, чтобы испарять подлетающие твердые нейтральные шарики импульсом
фотонов или частиц, превращая те в плазму. После этого заряженную плазму можно
отражать магнитным полем наподобие того, что отражает плазму в "магнитном сопле"
("магнитной пробке" или зеркале) на пульсирующих термоядерных ракетных
двигателях . Габариты магнитного зеркала должны
быть приняты из расчета того, что по крайней мере радиус витка подлетающего иона
протона, будет 3
метра при скорости подлетающих частичек 0.1
С и
магнитном поле напряженностью 10
Тесла.
Развивая дальше эту концепцию, можно предположить такое изменение состава и
скорости шариков-частичек, чтобы они представляли из себя термоядерное топливо,
подлетающее к зонду с относительно низкой скоростью, поэтому они не отражаются,
а улавливаются и используются в термоядерном двигателе для разгона и торможения.
Торможение у цели так же может быть реализовано с применением данной схеме
привода. От основного корабля отделяется беспилотный щит, от которого частицы
луча материи рикошетят и подлетают к основному кораблю со стороны цели,
обеспечивая ему тормозное ускорение.
Возможно, однажды где-нибудь войдет в строй "межзвездный хайвей"? Тогда поток
частиц будет запускаться с двух сторон, что обеспечит относительно простое и
удобное двусторонне движение по нему.
Starwisp ("Звездная дымка") - это сверхлегкий,
высокоскоростной межзвездный флай-бай зонд (зонд-робот исследующий цель без
торможения, пролетая мимо нее) разгоняемый потоком микроволнового излучения
. Основа конструкции: парус в виде тонкой проволочной сетки, в
узлах которой расположены микросхемы. Парус-сетка разгоняется с большим
ускорением мощным микроволновым лучом, который фокусируется на его поверхность
большой сегментной плоской линзой, состоящей из концентрических колец, в которых
чередуется кольца, заполненные металлической сеткой с кольцами пустого
пространства (см. рис 1). Такая конфигурация колец будет работать как простая,
но эффективная линза для микроволнового луча.
Длина микроволн намного больше, чем ячейки в сетке "Starwisp", поэтому ажурный
парус для микроволнового излучения столь же непроницаема как толстый лист
металла. Когда микроволны налетают на проволочную сетку, они отражаются от нее в
обратном направлении. В результате импульс отраженных микроволн передается
сетке-парусу. Величина импульса невелика, но если парус легкий, а мощность
микроволнового луча достаточна, итоговое ускорение корабля может быть во много
раз больше ускорения свободного падения на Земле (g). Большое ускорение зонда в
микроволновом луче позволяет "Звездной дымке" достичь околосветовой скорости,
все еще находясь недалеко от фокусирующей линзы - в пределах Солнечной системы.
Перед прибытием зонда к цели, передатчик микроволн у Земли снова включается и
буквально затапливает звездную систему-цель потоком микроволновой энергии.
Используя проволочные ячейки сетки как антенны, микросхемы "Starwisp" собирают
достаточное количество энергии для их оптических датчиков и логических схем,
чтобы увидеть и сформировать образ планет, находящихся в системе. Направление, с
которого поступают микроволны воспринимается буквально в каждой ячейке сетки и
эта информация о направлении используется микросхемами корабля для того чтобы
использовать ячейки на этот раз как микроволновые антенны, излучающие сигнал
обратно к Земле, содержащий данные о открывшейся зонду картине.
подробнее http://go2starss.narod.ru/pub/E001_FBPPS.html
Лазерный световой парусОдин из лучших методов путешествия к звездам, был
бы метод, использующий большой парус из светоотражающего материала разгоняемый
давлением луча сгенерированного большой батареей лазеров, расположенных на
низкой орбите возле Солнца. . С такой технологией мы могли бы
строить космические корабли, которые могут не только нести большую команду людей
с приличной скоростью к ближайшим звездам, но и смогли бы затормозить экспедицию
у цели исследования, а потом и вернуть команду назад на Землю. Мы могли бы
совершить такой полет в пределах одной человеческой жизни.
В системе с лазерным световым парусом свет от мощного лазера отражается от
большого зеркального паруса окружающего полезную нагрузку. Световой парус
изготавливается из тончайшей алюминиевой пленки прошитой тонкой и прочной
структурой силовых швов (такелажем), на которую в свою очередь подвешена
полезная нагрузка. Световое давление лазерного света толкает парус и полезную
нагрузку создавая необходимую тягу.
Звездолет на лазерном световом парусе настолько далек от концепции ракеты,
насколько это возможно. Такой звездолет состоит только из полезной нагрузи и
паруса, который является и движителем и несущей структурой корабля. Двигатель
нашего звездолета - лазер (их батарея), источник энергии - Солнце, и топливом
(реактивной массой) является лазерный свет сам по себе.
Парус, который будет использовать световой корабль, является развитием версии
солнечного паруса, который был спроектирован Лабораторией Реактивного Движения
NASA (Jet Propulsion Laboratory) для встречи с кометой Галлея и быстрого полета
в пояс астероидов. Необходимые для разгона лазеры были бы более мощной версией
высоко-мощных лазерных батарей лихорадочно исследуемых сейчас по программе
Стратегической Оборонной Инициативе Департаментом Вооружений (в СССР называемой
СОИ, а в США - SDI Space Defense Initiative. прим. пер.
). Очень важно
понимать, что мы не нуждаемся ни в каких крупных научных открытиях, чтобы
построит такой звездолет. Основные физические принципы лазеров, фокусирующая
линза, и парус - все это нам уже известно. Все что требуется, дабы построить
лазерный парусный звездолет реально и в металле - много конструкторского труда
(и много денег).
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
Солнечный парус представляет собой конструкцию, призванную заменить типовые ракетные двигатели на нашем пути к далеким звездам.
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.
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.
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.
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
В 2014 году NASA запустило в космос свой солнечный парус из каптона – термостойкого пластика, выдерживающего колебание температуры от +400 до -273 градусов Цельсия. Этот материал был разработан химической компанией DuPont. Рекордный по размеру проект, крупнейший из всех созданных на данный момент, имеет площадь 1200 м2. Его назвали Sunjammer. Он должен выяснить практическую эффективность использования солнечного паруса при межпланетных полетах. Предполагается удаление от Земли на 3 млн. км за счет действия потока фотонов. Аппарат, толкаемый солнечным ветром, направляется к первой точке Лагранжа.
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.
Солнечный парус
Солнечный парус – устройство для передвижения в космическом пространстве, принцип действия которого основан на давлении солнечного излучения (например, он может представлять собой металлизированную пленку-парус, на которую воздействует солнечное излучение). В роли паруса могут использоваться солнечные батареи, радиаторы системы терморегуляции и др. Большим минусом является то, что давление солнечного света чрезвычайно мало и уменьшается по мере удаления от Солнца пропорционально квадрату расстояния.
Первые исследования в области использования для космических перелетов давления солнечного излучения, которые могли бы претендовать на серьезность, осуществил в 1924-1925 гг. советский ученый и инженер Ф. А. Цандер. В своей первой научной публикации он заметил: «При желании перелететь на другие планеты… выгоднее будет лететь при помощи зеркал или экранов из тончайших листов… Зеркала не требуют горючего и не производят больших напряжений в материале корабля».
В своих трудах Цандеру не только удалось разработать теоретическую концепцию полета, но и вкратце представить особенности конструкции, называемой сегодня солнечным парусом.
На сегодняшний день соперничают две модификации простейшего солнечного паруса: квадратный парус и гелиоротор. Практический интерес к этим идеям возник в связи с необходимостью отправки космического аппарата на исследование кометы Галлея. Но несмотря на то что впоследствии от этой идеи отказались в пользу солнечно-электрических двигателей, интерес к солнечному парусу не пропал, а только усилился. Квадратный солнечный парус по конструкции чем-то напоминает воздушного змея. Конструкция имеет несущие мачты, изготовленные из жестких стержней. Все материалы и сплавы, используемые при создании таких конструкций, естественно, максимально легки. Тем не менее более подробный анализ конструкции паруса и ряда вопросов, касающихся управления полетом, принципов развертывания на орбите, заставили ученых на время перейти к изучению другой модификации солнечного паруса – гелиоротора, или солнечного гироскопа. Проект был разработан и предложен Р. Макнилом еще до появления квадратного паруса, но в связи с отсутствием идей о собственной траектории движения проектом не заинтересовались. По мнению современных конструкторов, этот тип паруса является наиболее перспективным направлением развития мысли на ближайшее десятилетие. Его основной особенностью является то, что он может выполнять полет с наклоном к орбите более 90°. По расчетам ученых, вывод на орбиту будет осуществляться в несколько этапов, последним из которых будет развертывание на орбите пленочных лопастей.
Теперь немного о практическом применении, которое было осуществлено мировыми державами на сегодняшний день. Солнечный парус применялся неоднократно в качестве корректора орбиты, также он применялся в системе ориентации и стабилизации в качестве исполнительного органа на американских автоматических межпланетных станциях «Маринер-3» и «Маринер-4» в 1964 г.
Первым космическим аппаратом, передвижение которого основывалось на принципе солнечного паруса, принято считать «Космос-1». Это был совместный российско-американский проект. Эксперимент позволил бы исследовать принцип полета с использованием солнечного паруса.
Цель исследования состояла в следующем: исследовать возможности солнечного паруса, в том числе в качестве буксирующего устройства; отработать навыки управления аппаратами, сконструированными по принципу солнечного паруса. «Космос-1» был оснащен солнечным парусом около 30 м в диаметре, который состоял из 8 сегментов. Окончательный запуск аппарата был назначен на 21 июня 2005 г. В 23.46 по московскому времени был произведен запуск аппарата с подводной лодки «Борисоглебск» в Баренцевом море. Запуск осуществлялся при помощи ракеты-носителя «Волна», которая была создана на основе боевой ракеты РСМ-50. К сожалению, на 83-й секунде полета первая ступень ракеты-носителя прекратила свою работу, и «Космос-1», не достигнув высоты, необходимой для выхода на заданную орбиту, упал.
Из книги 100 великих изобретений автора Рыжов Константин Владиславович12. ПАРУС И КОРАБЛЬ Считается, что прообраз паруса появился в глубокой древности, когда человек только начал строить лодки и отважился выйти в море. В начале парусом служила просто натянутая звериная шкура. Стоявшему в лодке человеку приходилось обеими руками держать и
Из книги Большая Советская Энциклопедия (МА) автора БСЭ Из книги Большая Советская Энциклопедия (ПА) автора БСЭ Из книги Большая Советская Энциклопедия (СО) автора БСЭ Из книги Энциклопедический словарь крылатых слов и выражений автора Серов Вадим Васильевич Из книги Все шедевры мировой литературы в кратком изложении. Сюжеты и характеры. Русская литература XX века автора Новиков В И Из книги Миллион блюд для семейных обедов. Лучшие рецепты автора Агапова О. Ю. Из книги Литературное чтение автора Шалаева Галина Петровна Из книги Автономное выживание в экстремальных условиях и автономная медицина автора Молодан Игорь Из книги Что делать в экстремальных ситуациях автора Ситников Виталий Павлович Из книги автораБелеет парус одинокий Из неоконченной поэмы (ч. 1, гл. 15, строфа 19) «Андрей - князь переяславский» русского писателя-романтика, офицера-декабриста Александра Александровича Бестужева (1797-1837), который писал под псевдонимом «Марлинский»: Белеет парус одинокий, Как
Из книги автораБелеет парус одинокий Повесть (1936)Дачный сезон закончился, и Василий Петрович Бачей с сыновьями Петей и Павликом возвращался в Одессу.Петя в последний раз окинул взглядом светящееся нежной голубизной бесконечное морское пространство. На память пришли строки: «Белеет
Из книги автора Из книги автораПарус Белеет парус одинокий В тумане моря голубом. - Что ищет он в стране далёкой? Что кинул он в краю родном? Играют волны, ветер свищет, И мачта гнётся и скрипит; Увы! – он счастия не ищет И не от счастия бежит! Под ним струя светлей лазури, Над ним луч солнца
Из книги автора10.8.5. Солнечный удар Симптомы. Увеличение пульса сердца до 100–120 ударов в минуту, покраснение кожных покровов, особенно лица, чувство пульсации виска, возможны тошнота, рвота, шум в ушах, головокружение, сонливость. В дальнейшем пульс становится слабым, аритмичным. В
Из книги автораСолнечный ожог Признаки: Покраснение кожи. Высокая температура. Рвота. Головная боль.? Лечение: Наложить на обожженный участок холодный компресс, постоянно меняя его. Для снятия боли можно принять аспирин
