Солнечный парус — одна из тех технологий, которые в перспективе помогут нам достичь звезд. При этом в данном способе ускорения космического аппарата энергия берется из ниоткуда или, по крайней мере, для ее получения не нужно тратить такое невероятное количество рабочего тела, как в ракетных двигателях. Применять этот метод можно только для ускорения относительно небольших космических аппаратов и не всегда можно так долететь, куда пожелаешь.
Снова о законе сохранения импульса
Линия развития ракетных двигателей в космической отрасли от самых первых химических до пока что вполне фантастических термоядерных предполагает изменение силы, которая влечет за собой утечку газов из сопла и постоянное наращивание удельного импульса.
При этом инженеры стремятся сохранить достаточно высокий показатель удельной мощности, но сам по себе принцип ускорения корабля не меняется. Мы вынуждены каждую секунду выбрасывать из него определенную массу, создавая импульс, толкающий корабль в противоположную сторону.
Увеличение удельного импульса двигателя позволяет ускорять корабль, расходуя меньше рабочего тела на единичное изменение вектора скорости. Но каким бы эффективным ни был двигатель, он все равно тратит рабочее тело очень быстро, и даже при удельном импульсе, близком к скорости света, всего за несколько месяцев постоянного ускорения масса рабочего тела, которая будет использована, сравнится с массой остальных конструкций корабля. Возникает вопрос, нельзя ли получить импульс для ускорения из какого-либо другого источника. И такой источник в космосе есть — электромагнитное излучение, к которому относится и видимый свет.
Опыт Лебедева
Чтобы понять, насколько эффективно использование света как силы, движущей космический аппарат, необходимо вернуться на более чем сто лет, во времена, когда все еще велась дискуссия о том, является ли свет частицей или волной. Сейчас мы знаем, что из-за своей квантовой природы он одновременно является и тем, и другим, но на рубеже девятнадцатого и двадцатого веков ученые все еще проводили опыты, которые должны были поддержать одну из двух точек зрения.
Один из опытов, которые должны подтвердить то, что свет является частицей и имеет собственную силу и импульс, был проведен в 1899 году. Петр Лебедев построил экспериментальную установку, которая состояла из очень легкого стержня, подвешенного на стеклянной нити в колбе с вакуумом. К нему с двух сторон были прикреплены две круглые очень легкие пластины: одна — черная, вторая — зеркальная. Ученый много экспериментировал, пытаясь выкачать из колбы абсолютно весь воздух и освещая пластины максимально равномерно.
В результате даже в условиях очень глубокого вакуума и при равномерном освещении стержень начинал вращаться. Это свидетельствовало о том, что свет действует на пластинки и его действие (обычно его называют давлением, хотя это совсем не то же, что давление газа) на зеркальную пластинку сильнее, чем на черную.
Так происходило потому, что черная пластинка поглощает все фотоны, а зеркальная — наоборот, отражает их. При этом говорить, что первая импульса от света не получает — неправильно. Просто импульс этот вдвое меньше, чем у зеркальной пластинки.
Что такое солнечный парус?
То, что импульс электромагнитного излучения может играть значительную роль в космосе, люди подозревали еще до опытов Лебедева. Еще Иоганн Кеплер в своем письме к Галилею в 1610 году намекал на аналогию между солнечным светом и ветром в земной атмосфере. Но к началу 20 века и практическому измерению силы давления света никто не задумывался о том, что это за сила и насколько она сильна.
Проблема в том, что сила эта очень слаба. На расстоянии в одну астрономическую единицу количество поступающей энергии от Солнца составляет 1361 Ватт/м2. А сила, действующая на метр зеркальной поверхности, составляет всего лишь 9,08 микроньютона. То есть она примерно в 1 100 000 раз меньше силы тяжести на поверхности Земли, и, на первый взгляд, кажется, что практическое применение ее невозможно.
Однако уже в 1908 году Сванте Аррениус предположил, что давление света в космическом вакууме может оказывать ускорение таким крошечным и легким объектам, как споры микроорганизмов, и способствовать распространению жизни между звезд. Что касается использования солнечного света для передвижения в космосе человеком, то первыми техническое решение этого вопроса предложили сначала Константин Циолковский, а затем Фридрих Цандер. Пусть импульс, который получает от солнечного света квадратный метр зеркала, очень мал, надо просто сделать само зеркало очень легким и при этом большим.
В этом случае отсутствие в космосе среды, которая обычно мешает разгоняться, как на Земле, становится положительным фактором. Достаточно развернуть очень тонкую зеркальную пленку площадью, измеряемую сотнями, тысячами и сотнями тысяч квадратных километров — и суммарный импульс, который будет получать от солнечного света поверхность в целом, составит уже не микро-, а мили-, а то и просто ньютоны. Эта конструкция и получила название солнечного паруса.
Солнечный парус в двадцатом веке
В 20-х годах, когда появилась концепция солнечных парусов, инженеры относились к ней скептически. Для старта с Земли такой парус совершенно не подходит. А перед инженерами прежде всего стояла задача вывести космический аппарат на орбиту. И гораздо более простые химические ракеты с этой задачей справлялись значительно лучше. Поэтому до конца 60-х об идее в основном упоминали писатели-фантасты.
Однако в начале 60-х годов стало ясно, что задача вывода аппаратов на орбиту решена. Но для достижения больших скоростей уже в космосе химические ракеты подходили плохо, поскольку были слишком затратными. Плазменные и ядерные двигатели реализовать не удалось. И тогда инженеры снова вспомнили о концепции солнечного паруса. Одним из самых последовательных ее популяризаторов был Карл Саган.
Чем же так заинтересовали инженеров те несколько десятков миллиньютонов, которые может создавать гигантская конструкция паруса площадью в сотни квадратных метров? Тем, что крохотное ускорение от этих парусов корабль получает все время, и при этом рабочее тело на это не расходуется вообще. Это позволяет аппаратам с солнечным парусом ускоряться месяцами и годами, набирая все большую и большую скорость. 1 мм/с может показаться смешным ускорением. Но каждую минуту скорость такого корабля будет увеличиваться уже на 6 см/с. Через час это уже будет прирост в 3,6 м/с, а за сутки полета скорость увеличится уже на 86,4 м/с. За шесть месяцев непрерывного разгона и при постоянном освещении корабль с солнечным парусом способен набрать дополнительные 15,5 км/с, а это уже сравнимо с максимальной скоростью, которую развил космический аппарат, созданный человеком.
Концепция солнечного паруса казалась в 1970-х годах настолько простой, что их эпоху ждали буквально завтра. В 1976 году NASA уже разрабатывала космический зонд с таким парусом, который должен был отправиться в космос в начале 1980-х для встречи с кометой Галлея. Но в конце концов от проекта отказались.
В 1992 году были огромные планы совершить к 500-летию путешествия Христофора Колумба в Америку международную регату солнечных парусников, но разговоры так и остались разговорами. Точнее, один из аппаратов — российский «Знамя-2» — до орбиты в 1993 году все же добрался, но использовался он не для получения тяги от света, а в качестве эксперимента по освещению поверхности Земли орбитальным зеркалом. И даже этот эксперимент завершился ничем.
До конца 20 века ни один солнечный парус в космосе не был развернут. Многие автоматические зонды, начиная с «Маринера-10», использовали механическое действие солнечного света на их солнечные панели для изменения своей ориентации, но, собственно, для разгона корабля этот способ так и не был использован.
Первые солнечные паруса в космосе
21 июня 2005 года история космических путешествий могла измениться навсегда. В этот день с российской подводной лодки в Баренцевом море на орбиту стартовала ракета с прототипом космического аппарата с солнечным парусом «Космос-1». Его главным разработчиком было Планетарное общество — американская некоммерческая организация, основанная Карлом Саганом. Но ракета так и не добралась до орбиты и аппарат упал в океан.
А вот следующая попытка оказалась более успешной. В 2010 году Агентство аэрокосмических исследований Японии (JAXA) запустило в космос зонд IKAROS. Этот аппарат массой 315 кг был оснащен солнечным парусом в виде квадрата со стороной 14 м. Для питания приборов на борту аппарата на поверхности паруса располагались тонкопленочные солнечные батареи. IKAROS благодаря своему солнечному парусу смог не только набрать дополнительную скорость в 400 м/с, но и управлять его направлением, корректируя угол падения лучей на парус.
В том же 2010 году в космос вывели еще один аппарат, использовавший зеркальную поверхность для создания ускорения — NanoSail-D2. Это был совсем маленький зонд массой всего 10 кг. У него был очень похожий на IKAROS квадратный парус, правда, площадью всего 10 метров. Благодаря ему аппарат смог успешно менять свою орбиту, проработал девять месяцев, после чего упал в океан.
В 2015 году после длительных задержек был запущен преемник «Космоса-1» — аппарат LightSail-1. Как и NanoSail-D2, этот аппарат имел размеры основного блока 30х10х10 см, но его парус был значительно больше, его площадь составила 32 м². Миссию нельзя считать полностью успешной, поскольку с аппаратом все время прерывалась связь, но зеркальная пленка была полностью развернута и с ее помощью даже удавалось корректировать орбиту аппарата.
Значительно более успешным был запуск LightSail-2. Этот аппарат создало все то же Планетарное общество, и конструктивно он был аналогичен предыдущему. В этот раз полет аппарата длился около года и был полностью успешным. К примеру, всего за одну неделю LightSail 2 исключительно благодаря парусу смог поднять высоту своей орбиты на 1,7 км. Вместе с тем аппараты Планетарного общества, в отличие от IKAROS, не могли изменять угол своего паруса по отношению к Солнцу и столь же эффективно маневрировать.
Предстоящие миссии
Успехи 2010-х годов привели к возобновлению интереса к использованию солнечных парусов для исследовательских миссий. Несколько из них разрабатывается прямо сейчас. Первой из таких миссий является Near-Earth Asteroid Scout (NEAScout), запуск которой планируется в рамках миссии Artemis I. Ядро этого аппарата состоит из шести соединенных вместе кубсатов, а вес достигает 14 кг. Он оснащен прямоугольным парусом, похожим на паруса IKAROS и NanoSail-D2, но площадью поверхности 85 м².
Планируется, что этот аппарат совершит несколько пролетов мимо Луны, после чего отправится к 1991 VG. Это небольшой околоземный астероид, время от времени сближающийся с Землей на расстояние менее 800 тыс. км. NEAScout сможет подробно рассмотреть поверхность этого астероида с помощью камеры высокого разрешения и передать эти изображения ученым.
Еще более амбитным проектом является Oversize Kite-craft для Exploration and Astronautics в Outer Solar system, который чаще всего называют OKEANOS. Это японский аппарат, запуск которого намечен на 2026 год. OKEANOS предусматривает применение гибридной установки, которая будет состоять из квадратного солнечного паруса со стороной 40 м, оснащенного пленочными солнечными батареями и ионным двигателем.
Масса аппарата составляет 1400 кг. По сути, он является сочетанием двух успешных проектов JAXA — IKAROS и «Хаябуса». Целью его миссии станет какой-то из «троянцев» Юпитера. Аппарат подлетит к нему, выйдет на орбиту, спустит на поверхность маленького робота, проанализирует на месте образцы и, возможно, сможет до 2050 года привезти их на Землю.
А в 2025 году в космос должен быть выведен аппарат Solar Cruiser, предназначенный для изучения частиц солнечного ветра и их взаимодействия с атмосферами планет. Планируется, что он будет оснащен самым большим из созданных человеком солнечных парусов площадью 1672 м², выйдет на полярную орбиту вокруг Солнца и сможет изучать его полюса.
Форма и материал парусов
Одним из интересных вопросов по солнечным парусам является их форма. Сейчас рассматриваются три основных формы паруса: квадратная, гелиогиро и дисковая. Из всех этих форм на сегодняшний день в космосе использовалась преимущественно квадратная. Что касается гелиогиро, то эта конструкция состоит из четырех узких «лезвий» или лент, каждая из которых имеет ширину всего несколько десятков сантиметров, зато ее длина измеряется сотнями метров. Как правило, «лезвия» стабилизированы вращением аппарата вокруг собственной оси. Этакая космическая карусель.
Теоретически именно такая форма паруса считается наиболее перспективной. Во-первых, узкую длинную ленту, площадь которой составляет сотни квадратных метров, можно легко упаковать в один «рулон» и при развертывании не волноваться, что она развернется неправильно или не развернется до конца.
Во-вторых, «лезвия» гелиогиро можно достаточно легко поворачивать вокруг их оси, регулируя тем самым импульс, который они получают от солнечного света. А поскольку каждое из них поворачивается отдельно, поворотом некоторых из них можно эффективно изменять вектор движения, получаемого космическим аппаратом от солнечного света.
На практике за всю историю развития космонавтики был произведен только один старт космического аппарата с солнечным парусом типа «гелиогиро». Случилось это 16 декабря 2018 года. Аппарат UltraSail состоял из двух кубсатов, между которыми натягивалась одна лента шириной 7,7 см и длиной 260 м. Аппарат был выведен на орбиту, но установить с ним связь так и не вышло, так что удалось ли ленте правильно развернуться, неизвестно.
Несмотря на это, появились новые проекты аппаратов, которые используют солнечный парус типа «гелиогиро». Примером здесь может быть I-Sail, который планировалось запустить в 2022 году, но о проекте уже давно нет известий.
Аппарат должен был иметь массу 25 кг, а парус представлял собой две ленты, которые разворачивались в обе стороны от самого аппарата и должны были иметь суммарную площадь в 2500 м². Таким образом, из всех конструкций солнечного паруса на сегодняшний день наиболее успешно используются на практике именно квадратные паруса.
Длительное время в качестве материала для парусов предлагалась металлическая фольга. Действительно, очень много металлов можно раскатать в плоский лист, толщина которого измеряется всего десятками микронов.
Но с 1920-х годов, когда этот концепт был впервые предложен, химия сделала огромный шаг вперед, и появилась куча синтетических материалов, из которых можно сделать очень тонкие пленки, и коэффициент конструктивного качества (т.е. отношение прочностных показателей к массе) у таких пленок будет выше, чем у металлической фольги. Так что на практике ни один солнечный парус из металлической фольги до орбиты так и не долетел. Вместо этого обычно используются материалы на основе полиэстера или полипропилена.
Какие перспективы имеет солнечный парус?
И все же, насколько эффективна концепция солнечного паруса? Там, где речь идет о полете, который в любом случае должен занимать годы и десятилетия, с эффективностью солнечного паруса ничто не может сравниться. Лучшей идеи для грузовых кораблей, направляющихся к внешним планетам Солнечной системы или межзвездных зондов, чем медленный пассивный разгон благодаря солнечным парусам, просто не существует.
Но у этой концепции есть три больших «но». Первое — это то, что корабль в космосе мало разогнать, его у цели еще нужно затормозить. В случае межзвездного перелета звезды, испускающие свет, находятся на обоих концах путешествия. Свет одной звезды зонд разгоняет, свет другой — тормозит. С планетами не все так однозначно, ибо количество отраженного от них света достаточно мало и его явно не хватит для полноценного торможения аппарата.
К счастью, орбитальная механика при измеряемых десятками километров в секунду скоростях предполагает полет не по прямой, а по определенной кривой траектории, то есть на последнем участке полета можно надеяться если не на «солнечный бейдевинд», то хотя бы на «солнечный галфвинд» или «солнечный бакштаг».
«Бакштаг», «галфвинд», «бейдевинд» и с ними еще и «левентик» — это термины часов парусного морского флота, которые нужно изучить всем, кто хочет использовать солнечный парус в качестве двигателя в космосе. Отмечают они ситуацию, когда угол между направлением, откуда дует ветер, и курсом судна составляет от 168 до 90 градусов, от 90 до 78 градусов, от 78 до 11 градусов и менее 12 градусов соответственно.
Как несложно догадаться, в положении «левентик» ни парусное судно, ни зонд с космическим парусом ускоряться не могут. Существует также положение «фордевинд» — ситуация, когда указанный выше угол составляет от 168 до 180 градусов, но здесь все и так понятно: ветер дует туда, куда нам нужно.
Во-вторых, чем дальше от Солнца находится парус, тем меньше интенсивность света, который на него падает. При этом интенсивность эта снижается пропорционально квадрату расстояния до светила. То есть на расстоянии в две астрономические единицы от Солнца импульс, который будет получать солнечный парус ежесекундно, будет меньше того, что он получает на орбите Земли не в два, а в четыре раза.
Но работает это и в обратную сторону. Чем ближе к нашему светилу находится парус, тем больший импульс он получает. Например, на расстоянии 37 млн км, то есть чуть ближе к Солнцу, чем Меркурий, он будет уже в 16 раз выше, чем на орбите Земли, а на расстоянии в 9 млн км, что сравнимо с расстоянием до Солнца зонда Паркер, он вырастет в 256 раз.
Это приводит к интересному решению. Для того чтобы улететь на большой скорости от Солнца, корабль с солнечным парусом может сначала приблизиться к нему, раскрыть парус и начать интенсивно набирать скорость.
В-третьих, для того чтобы эффективно ускорять грузы, масса которых измеряется тонами, площадь парусов должна измеряться гектарами. Есть даже проекты солнечных парусов для межзвездных путешествий, площадь которых измеряется квадратными километрами. Конечно, такие проекты достаточно малореалистичны, но о пригодности солнечных парусов для ускорения больших грузов говорят следующие цифры, полученные из расчетов.
Подсчитано, что квадратный солнечный парус со стороной 800 м сможет доставить груз весом 9 тонн от Земли до Меркурия за 600 дней, а груз в 19 тонн — за 900 дней. На Венеру этот самый парус сможет доставить одну тонну груза за 200 дней или 5 тонн за 270 дней. Путешествие к Марсу с таким парусом займет 400 дней для груза в 2 тонны или 500 — для пяти тонн.
Для внешних планет также сделаны подсчеты. Если парус сможет обеспечить грузу ускорение всего в 1 мм/с, то до Юпитера этот груз долетит за 2 года, до Сатурна — за 3,3, до Урана — за 5,8 и до Нептуна — за 8,5 лет. Таким образом, солнечный парус — это медленный, но очень экономичный способ доставить куда-то относительно небольшой груз. И, возможно, что в будущем именно такие парусники будут составлять основу грузовых перевозок в Солнечной системе.
Вы можете узнать больше об околоземном пространстве, заглянув в наш раздел «Знания о космосе».
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t. me/ustmagazine
