Целью эксперимента «Знамя-2» была проверка концепции паруса из пленочного материала. Будет ли устойчив парус, как он себя поведет, можно ли им управлять? При разработке паруса старались максимально использовать уже имеющееся оборудование и прототипы.
Солнечный парус: что это такое, как работает, преимущества
Солнечный парус используется в космосе, а не в море. Это предполагает использование солнечного излучения, а не ракетного топлива или ядерной энергии для приведения в движение космических аппаратов. Его источник энергии практически неограничен (по крайней мере, в течение следующих нескольких миллиардов лет), его преимущества могут быть значительными, и он демонстрирует новаторское использование солнечной энергии для развития современной цивилизации.
Как работает солнечный парус
Солнечный парус работает так же, как фотоэлектрические (PV) элементы в солнечной панели путем преобразования света в другую форму энергии. Фотоны (частицы света) не имеют массы, но любой, кто знает самое известное уравнение Эйнштейна, знает, что масса это просто форма энергии.
Фотоны представляют собой пакеты энергии, движущиеся по определению со скоростью света, и, поскольку они движутся, их импульс пропорционален переносимой ими энергии. Когда эта энергия попадает в солнечный фотоэлектрический элемент, фотоны возмущают ее электроны, создавая ток, измеряемый в вольтах (отсюда и термин фотоэлектрический). Однако, когда энергия фотона попадает в отражающий объект, например солнечный парус, часть этой энергии передается объекту в виде кинетической энергии, как это происходит, когда движущийся бильярдный шар ударяется о неподвижный шар. Солнечный парус может быть единственной движущей силой, источник которой безмассовый. (1)
Подобно тому, как солнечная панель производит больше электричества, чем сильнее падает солнечный свет, так и солнечный парус движется быстрее. В космическом пространстве, незащищенном атмосферой Земли, солнечный парус бомбардируется частями электромагнитного спектра с большей энергией (например, гамма-лучами), чем объекты на поверхности Земли, которая защищена атмосферой Земли от таких высокоэнергетических волн солнечного излучения. А поскольку космическое пространство является вакуумом, миллиарды фотонов сталкиваются с солнечным парусом и перемещают его вперед. Пока солнечный парус остается достаточно близко к Солнцу, он может использовать солнечную энергию для перемещения в космосе.
Солнечный парус работает так же, как паруса на парусной лодке. Изменяя угол наклона паруса относительно Солнца, космический корабль может плыть со светом позади него или лавировать против направления света. Скорость космического корабля зависит от соотношения между размером паруса, расстоянием от источника света и массой корабля. Ускорение также может быть увеличено за счет использования земных лазеров, которые несут более высокий уровень энергии, чем обычный свет. Поскольку бомбардировка фотонами Солнца никогда не прекращается и отсутствует сопротивление, ускорение спутника со временем увеличивается, что делает солнечные паруса эффективным средством передвижения на большие расстояния.
Парус был развернут на борту грузового корабля «Прогресс М-15» силами российских космонавтов, работавших на орбитальной станции «Мир».
Как летают спутники?
Дело в том, что в космосе есть замечательная альтернатива ветру — солнечный свет, который состоит из невообразимого количества частиц, называемых фотонами. Каждая из них может ударяться о твердые поверхности и создавать давление, которое способно толкать объекты вперед. Представьте, как бильярдный шар сталкивается с другими шарами на столе — примерно так фотоны света и воздействуют на поверхность паруса. Так почему бы не сделать так, чтобы этой твердой поверхностью был огромный парус, а движимым объектом — крошечный спутник?
Ученые много раз пытались привести космические спутники в движение при помощи солнечных парусов, но им это долго не удавалось. Дело в том, что сила частиц солнечного света очень мала и ее не хватает для того, чтобы толкать большие спутники вперед. Ученым потребовались десятки лет, чтобы уменьшить спутники до размеров крохотных смартфонов. Одними из таких компактных аппаратов являются кубсаты, которые изготавливаются в размерах 10 х 10 х 11 сантиметров. Несмотря на малые размеры, у них есть все необходимое для наблюдения за Землей.
Первый работающий солнечный парус
Первым космическим спутником с работающим солнечным парусом стал японский аппарат IKAROS. Его запуск состоялся 21 мая 2010 года, когда тонкий парус с 20-метровой диагональю пребывал в сложенном виде. После выхода на орбиту, парус начал раскрываться и завершил этот процесс только спустя неделю после начала. При помощи этого паруса и солнечного света, аппарат смог регулировать направление своего движения. Однако, потом аппарат попал в тень и впал в «спячку», из-за чего эксперимент пришлось остановить.
IKAROS — первый космический аппарат с работающим солнечным парусом
солнечный парус — Light Sailor Световой (солнечный) парус Система приведения в движение космического корабля, которая получает толчок от давления света, падающего на тонкую металлическую плёнку … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. — М.
Почему солнечные паруса?
Ученые, которые готовятся к серьезным и сложным космическим полетам на другие планеты, всегда сталкиваются с одной и той же проблемой. Им нужно понимать – как доставить исследователей и оборудование из точки А в точку Б в космосе. Чтобы преодолеть гравитацию Земли и доставить все необходимое в космос, нужны мощные ракеты-носители. Но потом нужда в них отпадает.
Именно здесь могут пригодится солнечные паруса. Космические корабли на солнечных парусах можно использовать для перемещения полезных грузов с орбиты Земли на другие планеты. Например, для осуществления миссий на Марс. Строительные материалы и другое оборудование можно отправлять в самостоятельные полеты. Они могут достичь нужных планет и ждать, когда там появятся люди. Затем парус можно отправить обратно на Землю, чтобы переправить еще больше материалов.
Как работают солнечные паруса?
Принцип, который заложен в технологию использования солнечных парусов основан на явлении, называемом «давление солнечного света». Солнечный свет просто дает «толчок» солнечному парусу. При достаточном солнечном излучении космический корабль, оборудованный солнечным парусом, получает небольшую, но постоянную тягу, и способен развить со временем приличную скорость.
Расчеты показывают, что космический корабль, оборудованный солнечными парусами, может разогнаться на дистанции в 1 астрономическую единицу до скорости в пять раз большей, чем способна на это обычная ракета. Вот такое внушительное количество энергии скрыто в солнечном свете!
Солнечный парус должен быть очень тонким, даже намного тоньше листа бумаги. Он также должен иметь отражающую поверхность. И должен быть в состоянии выжить в экстремальных условиях.
Работает экологическим и научным журналистом более 15 лет. Пишет о науке, культуре, космосе и устойчивом развитии. Внештатный автор сайта «Знание – свет».
А что было до этого?
В 1989 году Конгресс США объявил о старте международного проекта космической регаты к Марсу. Событие было приурочено к 500-летию открытия Америки. Планировалось устроить гонку на космических кораблях, оснащенных солнечными парусами в качестве основного двигателя. Свои заявки на участие в конкурсе подали США, Канада, Великобритания, Италия, Китай, Япония и СССР.
Но это грандиозное мероприятие так и не состоялось. Участники столкнулись с техническими и экономическими проблемами и планомерно начали выбывать из конкурса еще до его начала, которое планировалось в 1992 году. Учитывая ситуацию, Конгресс решил отменить мероприятие, к тому же и сам он испытывал недостаток финансирования.
Развал СССР не прекратил развитие отечественного проекта, который трансформировался в миссию “Знамя 2”. В 1992 году корабль “Прогресс М-15” состыковался со станцией “Мир”, экипаж которой установил на него механизм развертывания паруса, диаметр которого составил 20 м.
После отстыковки “Прогресса” на расстоянии 160 м от станции, парус начал развертывание. На четвертом витке вокруг Земли, с его помощью была освещена ночная сторона планеты отраженным солнечным светом. И хотя небо над Европой было затянуто облаками, немецкие метеорологи измерили яркость светового пятна диаметром около 5 км. Она была сопоставима с яркостью полной Луны.
Парус проекта «Знамя 2». Фото со станции «Мир»
В этом эксперименте солнечный парус не использовался в качестве двигателя. Здесь лишь проверили концепцию развертывания и провели эксперимент с отраженным светом.
Первым аппаратом, который по настоящему использовал солнечный парус в качестве двигателя, стал японский IKAROS. Его вывели на орбиту 21 мая 2010 года на борту ракеты-носителя HII-A. Материалом для паруса послужила полиимидная пленка толщиной 7,5 микрон. Дополнительно в неё были вшиты тонкие солнечные батареи для генерации электричества. Сам парус представлял собой квадрат со стороной 14 м. Развертывание происходило под действием центробежной силы. В результате вращения спутника, грузы к которым был привязан парус, начали растягивать его. Весь процесс занял почти 7 дней.
Фото солнечного паруса корабля IKAROS. Источник: JAXA
На землю были переданы фотографии развернутого паруса, которые сделала самоотстреливающаяся камера. Ее возврат к аппарату предусмотрен не был. После этого IKAROS отправился к Венере и в декабре получил ее изображения, пролетев в 80 тыс. км от планеты. Последние сигналы от корабля были получены в 2014 году.
Еще один аппарат с солнечным парусом, который до сих пор находится на орбите Земли – LightSail-2. Это проект, созданный Планетарным обществом США и запущенный 25 июня 2019 года ракета-носителем Falcon Heavy. Тестовый образец с обозначением LightSail-1 был запущен еще в 2015 году. Это был меньший прототип и как такового полета на солнечных парусах не было. Уже меньше чем через месяц он завершил свою работу. Но данные, полученные в ходе эксперимента, позволили создать LightSail-2.
Этот аппарат реализован на базе спутника CubesSat 10х10х30 см. Сам парус изготовлен из майлара, его площадь составляет 32 кв. метра. Более подробные характеристики ниже на изображении:
