Космический парус
ловит солнечный ветер
ловит солнечный ветер
Вместо традиционного ракетного двигателя в условиях невесомости может быть использован парус, принимающий на себя поток световых частиц (фотонов). И сегодня это уже не фантастика, а набор технологий.
Гипотезу о существовании давления света выдвинул немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571-1630), ее теоретическое обоснование спустя 200 с лишним лет (в 1873 году) сделал англичанин Джеймс Максвелл, а экспериментально подтвердил еще через 26 лет русский ученый Петр Лебедев. Физическая основа работы солнечного паруса как раз и состоит в том, что фотоны, не имея массы покоя, обладают импульсом, который они передают объектам, сталкиваясь с ними.
Надо сказать, что давление солнечного света вблизи земной орбиты составляет всего 4,54 микроньютона на квадратный метр, что в 22 млрд раз меньше обычного для Земли атмосферного давления. Эта оценка справедлива для условий, когда кванты излучения поглощаются, если же свет падает на идеальную отражающую поверхность, сила его давления увеличивается вдвое. В земных условиях такие величины незаметны, но в невесомости они производят значительный эффект. К примеру, траектория космического аппарата, летящего с Земли на Марс, за счет светового давления смещается от расчетной на расстояния до нескольких тысяч километров.
Первую реальную конструкцию солнечного паруса предложил в середине 1920-х годов наш соотечественник Фридрих Цандер. Ее основой служил каркас, поддерживающий полотнище-экран толщиной 0,01 мм площадью 1 км² и массой 300 кг. Изменяя угол наклона такого паруса относительно падающего на него светового потока, можно управлять космическим аппаратом, легко меняя его траекторию, что недоступно для ракетных двигателей, полагал ученый. Однако самое главное достоинство солнечного паруса – возможность перемещения в космосе без затрат топлива, что принципиально важно, когда речь идет о межпланетных путешествиях. Так, для полета на Марс космического аппарата с полезной нагрузкой около 90 т, по самым скромным расчетам, понадобится 900 т топлива.
Действующий солнечный парус впервые в мире был развернут и опробован в 1993 году в рамках эксперимента на российском корабле "Прогресс М-15". Диаметр его зеркала составил 20 м, а интенсивность отраженного им света была сопоставима со светом полной Луны. В 2004 году японцам удалось раскрыть на высоте 122 и 169 км два небольших паруса из полиамидной пленки толщиной 7,5 микрон, в которую для генерации электроэнергии были вшиты солнечные батареи. С 2010 года к экспериментам с солнечным парусом подключилось и агентство NASA (США).
Первую реальную конструкцию солнечного паруса предложил в середине 1920-х годов наш соотечественник Фридрих Цандер. Ее основой служил каркас, поддерживающий полотнище-экран толщиной 0,01 мм площадью 1 км² и массой 300 кг. Изменяя угол наклона такого паруса относительно падающего на него светового потока, можно управлять космическим аппаратом, легко меняя его траекторию, что недоступно для ракетных двигателей, полагал ученый. Однако самое главное достоинство солнечного паруса – возможность перемещения в космосе без затрат топлива, что принципиально важно, когда речь идет о межпланетных путешествиях. Так, для полета на Марс космического аппарата с полезной нагрузкой около 90 т, по самым скромным расчетам, понадобится 900 т топлива.
Действующий солнечный парус впервые в мире был развернут и опробован в 1993 году в рамках эксперимента на российском корабле "Прогресс М-15". Диаметр его зеркала составил 20 м, а интенсивность отраженного им света была сопоставима со светом полной Луны. В 2004 году японцам удалось раскрыть на высоте 122 и 169 км два небольших паруса из полиамидной пленки толщиной 7,5 микрон, в которую для генерации электроэнергии были вшиты солнечные батареи. С 2010 года к экспериментам с солнечным парусом подключилось и агентство NASA (США).
Однако до сих пор космический аппарат с этим движителем преследуют трудности, связанные с раскрытием паруса достаточной площади, а также с управлением им, что, впрочем, не останавливает энтузиастов исследования дальнего космоса. По их расчетам выходит, что космический аппарат на солнечной тяге сможет достичь Юпитера всего за два года, а звездная система Альфа Центавра, находящаяся от нашей планеты на расстоянии около 4,4 световых лет, ‒ менее чем за земной век.
С 1992 года парусными конструкциями занимаются на кафедре динамики полета и систем управления Самарского университета. Сегодня эти разработки ведутся совместно с Нью-Йоркским городским университетом. Команда под руководством профессора Ольги Стариновой ведет проект солнечного парусника, особенностью которого является надувная конструкция в форме бублика. Средняя часть этого космического аппарата закрыта тонкой мембраной ‒ парусом, который в нужный момент раскроется благодаря инертному газу, надувающему этот бублик. Поверхность мембраны покрыта специальным веществом, которое по мере приближения парусника к Солнцу начнет испаряться, что придаст космическому аппарату ускорение по принципу реактивного двигателя.
Сейчас готова 3D-модель парусника, ведутся прочностные и аэродинамические расчеты с тем, чтобы в следующем году начать его испытания. При этом масса космического аппарата вместе с научной аппаратурой составит около 12 кг (чуть больше наноспутника). А двигаться он будет в десятки раз быстрее, чем западные аналоги, так что до Юпитера вместо 5-6 лет он долетит примерно за год, надеются разработчики.
Правда, до создания опытного образца нужно провести еще много исследований, в том числе в орбитальных условиях. "Мы не знаем, как поведет себя материал паруса при длительном пребывании в космосе, как изменятся его свойства, выдержит ли он околосолнечные температуры", ‒ поясняет Ольга Старинова.
Правда, до создания опытного образца нужно провести еще много исследований, в том числе в орбитальных условиях. "Мы не знаем, как поведет себя материал паруса при длительном пребывании в космосе, как изменятся его свойства, выдержит ли он околосолнечные температуры", ‒ поясняет Ольга Старинова.
Между тем, если мы научимся разворачивать и использовать в космосе большие поверхности, их можно будет использовать не только для полетов к дальним планетам, но и для получения энергии, наблюдений за космосом и доставки технических средств на космические орбиты, утверждает Ольга Старинова. "А если послезавтра вдруг выяснится, что температура на Земле начнет повышаться на 10 градусов в год, придется разворачивать солнечный парус, чтобы закрыть нашу планету от Солнца, ‒ фантазирует она. – В научных исследованиях зачастую получаются такие побочные практические результаты, значимость которых едва ли не превосходит изначальные цели".
