Что такое космические паруса и как они устроены

В исследованиях космоса масштабные и дорогостоящие проекты наподобие Международной космической станции или роботов, колесящих по Марсу, нередко затмевают более скромные и не столь эффектные начинания. Между тем подобные "неброские" опыты прекрасно демонстрируют изобретательность человеческого ума. Например, заставить лучи Солнца двигать космический аппарат подобно тому, как попутный ветер несет яхту через океан.

НЕМНОГО ФИЗИКИ

Представим себе огромное зеркало. Падающие на него солнечные лучи будут отражаться. Если же говорить в терминах квантовой физики, то в зеркало ударяют испущенные Солнцем фотоны. "Отскакивая", они передают зеркалу часть своей энергии и придают маленький импульс. В условиях Земли импульс гасится трением, движением воздуха и т. д. Но если вынести зеркало в космос, то помехи исчезают. Поэтому импульс, который фотоны придают, становится ощутимым.

Деоккупация юга страны – как украинские военные отвоевывают территории

Запрет на передвижение по стране для военнообязанных – все детали

Ракетные удары по мирным украинским городам - июль 2022

Ядерный терроризм россии

Впервые в истории космонавтики давление солнечного света оказало негативное влияние на ситуацию в 1960 г. Тогда NASA вывели на орбиту гигантский баллон из зеркальной ткани диаметром около 60 м. Американские инженеры использовали его для отражения радиосигнала и создания линии межконтинентальной радиосвязи. Однако разработчики не учли влияние давления солнечных лучей, которое "столкнуло" шар с орбиты гораздо раньше расчетного времени. И еще один важный для нашего рассказа факт. То количество энергии, которое выбрасывает в космос "звезда по имени Солнце", не может дать ни одно устройство, созданное человеком. Количество тепла и света, излучаемого только с квадратного метра поверхности нашего светила, примерно соответствует тому, что дали бы 1 млн ламп накаливания, подключенных к источнику энергии мощностью около 60 МВт (мощность Запорожской АЭС — 6000 МВт).Осталось только научиться пользоваться этим океаном энергии.

ПЛЮСЫ И МИНУСЫ

Идея космического паруса в теории выглядит просто — нужно раскрыть в космосе полотнище побольше, потоньше и максимально легкое. Ударяющие в него фотоны потихоньку приведут в движение полотнище, а оно потянет за собой полезный груз.

ПРЕИМУЩЕСТВА. Очень слабая тяга будет компенсироваться непрерывностью воздействия солнечных лучей, и шаг за шагом космическая яхта может набрать приличную скорость. Расчеты показывают, что полезный груз массой в 2 т может быть доставлен в окрестности Марса с помощью паруса диаметром 800 м примерно за полгода. А если установить на такую станцию двигатели для маневров, то ее можно вернуть на орбиту Земли. Орбиты Юпитера такой "парусник" достигнет за два-три года. Самые дерзкие мечтатели даже предполагают, на солнечной тяге можно добраться до ближайшей к Солнечной системе звезде в созвездии Центавра (свет от нее достигает Земли за четыре года) примерно за 100 лет. Кроме полетов к другим планетам, солнечный парус может найти применение в других сферах — сбор космического мусора, постоянное наблюдение за Солнцем, освещение с околоземной орбиты территорий на поверхности Земли в темное время суток или в полярную ночь (полотнище выступит как зеркало, отражающее лучи на нужный участок).

Миниатюризация  электроники и  наноматериалы  подарили идее  второе дыхание.

Появление новых материалов и миниатюризация электроники сделали конструирование космических аппаратов с солнечным парусом благодатной сферой, где могут себя проявить не только государственные организации с щедрым финансированием, но и частные фонды, а то и просто студенты. Ведь вывод на орбиту малыша весом в несколько килограммов в наше время не так уж сложен технически и дорог в финансовом плане. Например, его можно отравить на орбиту с другими, более тяжелыми аппаратами, одной мощной ракетой-носителем. Или воспользоваться появляющимися сейчас более дешевыми ракетами, которые предлагают различные негосударственные фонды и частные фирмы.

НЕДОСТАТКИ. Помимо выгод, есть немало проблем, тормозящих применение космических парусников. Во-первых, чем дальше от Солнца, тем меньше света попадает на полотнище и тем слабее тяга паруса (которая и так невелика). Во-вторых, предельная скорость, которую может набрать такой аппарат, все равно меньше, чем та, которую обеспечивают традиционные химические двигатели или перспективные — ионные и термоядерные. В-третьих, открытие огромного полотнища в космосе — крайне сложная техническая задача, до конца не отработанная и по сей день.

Мечтатели. Калифорнийские студенты тестируют свою разработку.

ПЕРВЫЕ КРУШЕНИЯ И ПОБЕДЫ

Биография космического парусного флота только началась, и будущее его остается неясным.

ПРЕДЫСТОРИЯ. Астроном Иоганн Кеплер еще в XVII в. заметил, что хвосты комет всегда направлены в сторону, противоположную Солнцу. Кеплер предположил, что лучи оказывают давление на кометы. В 1873 г. англичанин Джеймс Максвелл теоретически обосновал давления света. В 1899 г. русский физик Петр Лебедев определил величину этого давления. Идея солнечного паруса принадлежит русскому ученому Фридриху Цандеру. Он обнародовал ее в 1924 г.

Шар "Эхо-1". Солнце "столкнуло" его с орбиты.

НАЧАЛО. Как уже говорилось, в космонавтике впервые столкнулись с давлением света в 1960 г., когда NASA вывело на орбиту баллон из отражающей ткани. Извлечь же пользу от этого явления удалось в 70-х годах. На межпланетной станции Mariner 10 парусами стали солнечные батареи, повернутые под углом к Солнцу.

Mariner 10. Солнечные батареи служили парусами.

НЕУДАЧИ. Поначалу судьба звездных яхт не заладилась. Первый парус вывели в космос в ходе российского проекта "Знамя" в 90-х. Тогда попытались создать подсветку (отражая на Землю солнечные лучи парусом) для зон стихийных бедствий и городов в Заполярье. Планировалось отбросить на землю огромный солнечный зайчик, который осветит местность не хуже полной Луны. Увы, парус зацепился за антенну транспортного корабля и не раскрылся.

В 2005 г. в России, по заказу "Планетарного общества" (США), создан ап­­па­­рат "Космос-1". Он выглядел как 30-метровая конструкция из восьми сегментов зеркальной пленки. За­­пуск произвели в Баренцевом море с атомной подводной лодки. Как носитель применили переоборудованную боевую ракету. Увы, что-то не заладилось, и она рухнула в океан.

В 2008 г. известная новациями компания SpaceX намеревалась ракетой Falcon 1 запустить аппарат NanoSail-D: парус из металлизированного полимера площадью 10 кв. м. Увы, снова подвела ракета.

ПЕРВЫЕ УСПЕХИ. В мае 2010 г. на орбиту благополучно вышла японская станция Ikaros: конструкция из четырех огромных трапеций. Толщина паруса была всего 7,5 микрон, но в него исхитрились вшить солнечные батареи. Парус разворачивался неделю. Затем Ikaros взял курс на Венеру, и через несколько месяцев аппарат передал фото планеты. В том же 2010-м новую попытку предприняли американцы. NanoSail-D2 ушел в космос "довеском" к более тяжелому спутнику. После некоторых проблем NanoSail-D2 таки раскрыл парус.

БЛИЖАЙШИЕ ПЛАНЫ. В начале 2015 г. NASA планировало отправить в космос при помощи ракеты компании SpaceX аппарат Sunjammer (назван в честь корабля, описанного в рассказе Артура Кларка). Он должен был стать крупнейшим на сегодня космическим парусником (площадь паруса — около 1,2 тыс. кв. м). Однако разработчики засомневались в ракете и перенесли запуск на 2018 г.

Наконец в мае 2015-го на орбиту вышел LightSail-1. Задачи его просты — отработать раскрытие паруса и работу систем. Результаты будут учтены при создании аппарата, который отправится на орбиту в следующем году. Планируется, что в том полете будет отработано маневрирование парусника.

Минимум места. Сложенный парус LightSail-1.