Кратко о статье: Раньше извозчики кричали: «Но, пошла!», летчики - «От винта!», а Гагарин ограничился лаконичным: «Поехали!». Вполне возможно, что через каких-нибудь 20-30 лет космонавты будут оглашать радиоэфир «морскими» возгласами типа: «Поднять грот, убрать бом-брамсели!», ведь солнечный парус - дешевое, доступное, и очень эффективное средство перемещения в космосе, которое сейчас рассматривается как один из лучших способов путешествия человека на Марс. Все, что вы хотели бы узнать об этом - в новой статье «Поднять паруса!».
Поднять паруса!
Солнечный парус - путь к звездам
Все с детства знают, что то-то и то-то невозможно. Но всегда находится невежда, который этого не знает. Он-то и делает открытие.
Альберт Эйнштейн
Парус - простейшее устройство, сотни лет исправно служившее людям. Земля осваивалась именно под парусами. Но в конце 19 века они уступили место сначала паровым машинам, затем - дизельным двигателям, а позже на службу человеку встали космические ракеты и атомная энергия. Казалось бы, парусные корабли навсегда “уплыли” в область спорта, отдыха богачей, дорогих исторических фильмов и авантюрных морских романов.
Как говорил Рабинович в известном анекдоте: “Не дождетесь!”. Ведущие специалисты в области исследования космоса уже не один десяток лет серьезно обсуждают вопрос о применении солнечного паруса в космосе. Многие из нас слышали этот термин и примерно представляют себе принципы работы солнечного паруса. Но что такое солнечный парус при ближайшем рассмотрении? Действительно ли он эффективнее химических ракетных двигателей?
Автора!
Почти 400 лет назад выдающийся немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571-1630), наблюдая кометы, установил, что их хвосты постоянно направлены в сторону, противоположную от Солнца. Трактат “О кометах”, опубликованный им в 1619 году, объяснял это явление воздействием солнечного света (идея по тем временам не только бредовая, но и откровенно опасная). Так или иначе, Кеплер был первым, кто предположил, что солнечный свет оказывает давление на хвосты комет.
На протяжении нескольких последующих столетий космосом интересовались лишь астрономы, шарлатаны и шизофреники, причем первые исследовали его чисто академически - лететь туда они не собирались, а остальные уж и подавно не могли придумать способа использовать солнечный свет для путешествий к другим планетам.
Теория давления света в рамках классической электродинамики была выдвинута Джеймсом Кларком Максвеллом в 1873 году, который связал это явление с передачей импульса электромагнитного поля веществу.
Так уж сложилось - западные ученые в наше время крайне неохотно вспоминают о том, что некоторые великие научные открытия были сделаны в России. Они совершенно не связывают изобретение радио с Поповым, а лампочка накаливания никак не ассоциируется у них с Лодыгиным. Однако все без исключения исследователи признают, что пионерами в области разработок космического паруса являются наши соотечественники.
Так, давление света на твердые тела было впервые исследовано Петром Николаевичем Лебедевым (1866-1912) в 1899 году. В его опытах использовался вакуумированный (~10 в минус четвертой степени миллиметров ртутного столба) стеклянный сосуд, где на тонкой серебряной нити были подвешены коромысла крутильных весов с закрепленными на них тонкими дисками-крылышками из слюды (они-то и подвергались облучению). Именно Лебедев экспериментально подтвердил справедливость теории Максвелла о давлении света.
Солнечный 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.
| Это нтересно: |
|
Что мы имеем?
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.
На орбите Земли (1 астрономическая единица расстояния от Солнца) парус массой 0,8 г/м 2 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/м 2 начальное ускорение будет равно 1,2 мм/с 2). В условиях безвоздушного пространства это позволит достичь огромных скоростей за весьма короткие сроки.
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.
Материя и форма
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.
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).
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.
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.
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.
Что день грядущий нам готовит?
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.
Словом - если посмотреть на состояние дел в области развития космоплавания (Циолковский, кстати, называл космонавтику именно так), то освоение ближайших планет солнечной системы перестает быть научной фантастикой. В настоящее время солнечный парус - самый перспективное устройство для передвижения в космосе, имеющее целый ряд преимуществ перед химическими ракетными двигателями. Кто знает, может быть, через 20-30 лет мы с вами сможем купить билет на космический парусник и полететь в отпуск на Марс?
| Как почитать? | ||
“Солнечный ветер” , Артур Кларк - рассказ (и одноименная антология) о гонке космических парусников. “Мошка в зенице Господней” , Ларри Нивен, Джерри Пурнелл - в книге показан инопланетный корабль, приводимый в движение при помощи солнечного паруса и лазера. “Мир Роша” , Роберт Лалл Форвард - цикл романов, в котором описывается межзвездное путешествие на солнечном парусе, освещаемом лазером. “Путь на Амальтею” , “Стажер” , А. Стругацкий, Б. Стругацкий - описан космический грузовик “Тахмасиб”, оснащенный генератором фотонов на термоядерной плазме и 750-метровым отражателем. |
Так уж сложилось, что когда мы слышим о космических исследованиях, то представляем себе ракеты, межпланетные зонды, марсианские роверы NASA и советские луноходы. Но уже сейчас мы стоим на пороге нового этапа исследования космического пространства и небесных тел, когда к далеким мирам отправятся корабли на солнечных парусах, а в очень дальнее плавание по морям далеких планет отправятся автономные субмарины.
С чем подошли к этому этапу и что хотим получить, мы и рассмотрим в статье.
Космические парусники
На заре мореплавания, когда до создания пароходов и теплоходов оставалось ещё долгое время, люди использовали энергию ветра для путешествия по бескрайним морским просторам. Запрягая ветер в паруса можно было достичь дальних неизвестных берегов и вернуться с богатством и славой. В эпоху Великих географических открытий благодаря парусу, европейские путешественники достигли самых отдалённых уголков нашей планеты.
Мы только мечтаем о взрыволетах, двигателях на антиматерии, варп-двигателях и других фантастических решениях которые позволят нам путешествовать в космосе. А если так, то почему бы не воспользоваться проверенными решениями – использовать для передвижения в космосе паруса. Тем более что «ветры» которые можно оседлать в космосе есть, а паруса уже придуманы.
Солнечный парус
Ещё в 17 веке немецкий астроном, математик, механик и оптик Иоганн Кеплер, наблюдая развевающиеся хвосты комет при движении по околосолнечной орбите, высказал идею о том, что свет может оказывать давление. До конца прошлого века полёты на солнечных парусах были уделом мечтателей и фантастов. Но сейчас мы подошли вплотную к возможности практического использования этой идеи.
Технология солнечного паруса проста - фотон солнечного света отдаёт свой импульс парусу, тем самым оказывает на него давление и заставляет двигаться космический аппарат, на котором парус установлен.
Не стоит думать, что солнечный свет оказывает давление только на паруса. Любой космический аппарат, отправленный с Земли в дальнее путешествие, будет «сдуваться» со своего пути давлением солнечного света. Например, на маршруте Земля-Марс такое отклонение от маршрута составит несколько тысяч километров.
На сегодняшний день пока нет аппаратов отправившихся на исследование космоса под солнечными парусами. Пока изучают сами паруса и их возможности. Проведённые запуски спутников, на которых были установлены солнечные паруса: IKAROS (JAXA), NanoSail-D2 (NASA) и LightSail-1 (The Planetary Society) были совершены для отработки процессов разворачивания парусов и совершения манёвров.
Первое преимущество космических путешествий под парусом в том, что корабль, использующий солнечные паруса не требует топлива, так же как и парусники прошлого. Второе - солнечные парусники могут перемещаться в космическом пространстве куда быстрее, чем используемые сейчас космические аппараты.
Так, космический зонд весом в две тонны, оснащённый солнечным парусом, достигнет Марса всего за четыре месяца, а Юпитера за два года. Космические миссии станут быстрее и дешевле. Мы сможем более подробно исследовать Солнечную систему, и в частности астероиды, что имеет решающее значение для добычи полезных ископаемых в космосе.
Зонды, оснащённые солнечными парусами, конечно, могут совершить революцию в изучении Солнечной системы, но такой парус теряет свою эффективность по мере удаления от Солнца. Наибольшую эффективность он имеет при путешествиях в пределах Главного пояса астероидов. А как дальше? А дальше нам на помощь придёт электрический парус.
Электрический парус
Когда мы говорим о солнечном парусе, надо понимать что он движется не за счёт солнечного ветра, а именно за счёт солнечного света - фотонов. А вот солнечный ветер - поток мегаионизированных частиц, ловит электрический парус.
Такой парус не является парусом в прямом смысле этого слова. Концепт электрического паруса от NASA, Heliopause Electrostatic Rapid Transit System (HERTS) представляет собой массив из тонких заряженных алюминиевых тросов длиной около 20 километров. Центробежная сила, возникающая в результате вращения аппарата, позволяет раскрыть парус.
Растянувшиеся в пространстве положительно заряженные тросы будут отталкивать протоны солнечного ветра, получать импульс и в результате этого двигаться.
Первым аппаратом, на котором был установлен электрический парус, стал эстонский спутник ESTCube-1, запущенный 7 мая 2013 года с космодрома в Куру. Целью запуска было тестирование электрического паруса, но он так и не раскрылся на орбите. Что впрочем не останавливает его создателей.
Благодаря электрическому парусу за какие-то 5 лет мы сможем долететь до Плутона, а за 10 лет сможем достигнуть гелиопаузы – условной границы нашей Солнечной системы. Для сравнения, автоматической межпланетной станции Voyager 1 потребовалось почти 35 лет чтобы достигнуть этой границы.
Лазерный парус
Вы наверное уже слышали о проекте Стивена Хокинга и Юрия Мильнера Breakthrough Starshot. Известный предприниматель и знаменитый физик планируют создать целый флот космических парусников и отправить их к ближайшей к нам звезде Альфа Центавра.
Для того что бы выйти за пределы Солнечной системы и достигнуть ближайшей звезды, солнечные паруса надуют «лазерным ветром». Миниатюрные нанозонды размером всего в несколько сантиметров будут снабжены солнечными парусами размером 4 на 4 метра каждый.
Всего будет около 1000 таких микрокорабликов, ведь есть высокая вероятность, что не каждый из них долетит к цели. Разгоняться они будут наземными лазерами, мощностью до 100 гигаватт. Для ускорения каждого такого аппарата до необходимой скорости потребуется порядка 10 минут.
До звезды соседки кораблики долетят приблизительно за 20 лет, еще 4 года мы будем ждать от них фотографий самой звезды и её планет. В 2012 году европейские астрономы уже сообщали об обнаружении планеты на орбите вокруг Альфа Центавра-Б, одной из звёзд в системе Альфа Центавра. Миссию планируется спланировать так, чтобы удалось получить максимально возможное количество информации о звезде и её планетах, вплоть до изображения рельефа планет.
Если эта миссия будет удачной, то наверняка мы полетим и к другим ближайшим звёздам. На расстоянии 12 световых лет от нас находятся 24 звёзды. А это значит, что при желании, в течение примерно 100 лет мы сможем все их изучить. И даже дать найденным планетам около этих звёзд имена, если конечно мы не встретим там братьев по разуму, которые уже назвали планеты по-своему.
Дирижабли на Венере
Меньше чем даже сто лет назад небо на нашей планете бороздили дирижабли. Имеющие небольшой удельный расход топлива и способные находиться в воздухе продолжительное время они и сейчас иногда находят применение на Земле. Будучи легче воздуха они поднимаются в атмосферу за счёт выталкивающей (подъёмной) силы, если средняя плотность газа, которым наполнена оболочка дирижабля, равна или меньше плотности атмосферы.
В такой ситуации, почему бы не использовать дирижабли на тех планетах, где есть достаточно плотная атмосфера. Правда, в Солнечной системе такая планета одна – Венера. Если вспомним, её атмосферу наблюдал ещё Михайло Ломоносов.
Вот об этом и задумались исследователи из NASA, предложив в результате концепцию исследовательской миссии к Венере, которая получила название High Altitude Venus Operational Concept (HAVOC).
Идея основывается на том, что в верхних слоях венерианской атмосферы условия подобны земным. На высоте 50 километров атмосферное давление составляет всего 1 земную атмосферу, а температура составляет 75 градусов Цельсия, что по сравнению с другими местами на этой горячей планете совсем не много. Радиационный фон так же сравним с земным. В этом отношении Венера куда более предпочтительнее для освоения, чем Марс.
Миссия предполагает доставку к Венере вначале небольшого (длинной 31 метр) роботизированного дирижабля, а затем уже и большого пилотируемого дирижабля длина которого составит 129 метров, а высота 34 метра. По сравнению с земными аналогами, эпохи небесных гигантов, пилотируемый венерианский дирижабль меньше, чем печально известный Гинденбург, длина которого составляла 245 метров и последний из гигантов Граф Цеппелин (236,6 м), и примерно равен первым цеппелинам, длина которых составляла 128 – 148 метров.
В атмосферу планеты дирижабль планируют доставить в специальной капсуле. В нужный момент она раскроется, освободив гондолу с экипажем и сам аэростат, который сразу же начнет наполняться газом. После чего дирижабль начнет своё «плавание» по венерианской атмосфере.
Поверхность дирижабля будет покрыта солнечными батареями, и учитывая, что Венера получает солнечного света гораздо больше чем Земля, дефицита энергии астронавты испытывать не будут.
В космос на воздушном шаре
Стоит сразу сказать, что в космос на воздушном шаре не улетишь. Но это формальности. Компания World View Enterprises позиционирует себя именно как космический туроператор. Незабываемые впечатления от околокосмического путешествия должна подарить туристам капсула поднимаемая воздушным шаром на высоту 32 километра. В капсуле поместятся шесть пассажиров и два пилота.
Полет будет продолжаться около двух часов, невесомости пассажиры не почувствуют, но зато смогут насладиться, поистине завораживающим видом. На борту капсулы можно будет совершенно свободно перемещаться, пассажиры смогут воспользоваться баром и загрузить сделанные на борту фотографии в социальные сети.
Отметим, что самолеты не поднимаются на высоту более 20 километров, а Линия Кармана (ударение на первый слог) являющаяся условной границей между атмосферой планеты и космосом проходит на высоте 100 километров над уровнем моря.
Марсианский дрон-разведчик
Как вы наверное помните на Марсе тоже есть атмосфера. Пусть не такая плотная, как на Земле и тем более на Венере, но использовать парашюты для мягкой посадки она позволяет. А если атмосфера есть, то почему бы в ней и не полетать.
Такой целью задались специалисты Лаборатории реактивного движения NASA. Да и практическая потребность в этом уже назрела.
Снимки с поверхности Красной планеты мы получаем в основном благодаря камерам установленным на борту марсоходов. Но «глаза» которыми оснащены роверы не дают нам необходимого обзора. Вот для такой цели в NASA и разрабатывают марсианский дрон–разведчик.
Небольшой винтокрылый робот, летящий на малых высотах, будет сопровождать марсоход в пути. С его помощью можно будет выбрать оптимальный маршрут движения, а так же интересные цели для исследований. Для самого ровера, аппарат может выступать также и в качестве селфи-дрона. Ведь с его помощью можно будет осмотреть марсоход в случае неисправности. Да и фотографии ровера на фоне марсианских пейзажей обещают быть весьма эффектными.
Вес дрона составит один килограмм, а длина лопастей чуть более метра. Энергией его будут снабжать солнечные батареи. А помимо фотосъемки он сможет переносить и небольшие грузы.
В NASA не исключают, что на Марс дрон-разведчик отправиться вместе с новым марсоходом уже в 2020 году.
Подводная лодка для Титана
Как правило, моря и океаны на небесных объектах в Солнечной системе ассоциируются с чем-то пустынным и абсолютно сухим. Например, американские астронавты, высадившиеся в лунном Море Спокойствия, не то, что не утонули, даже ноги не замочили. Но даже в нашей системе так не везде.
Море Кракена, находящееся на Титане, спутнике Сатурна, вполне себе «мокрое» и жидкое. Причём этот водоём, получивший название по имени мифического морского чудовища, не единственный водоём на этой луне Сатурна.
Моря, озера, проливы и каналы на этой маленькой планетке заполнены жидкими углеводородами, в основном метаном и этаном, так что, наверное, даже правильнее их называть не водоёмами, а углеводоёмами. Кроме этого, учёные предполагают, что возможно на Титане есть подповерхностный океан, содержащий жидкую воду со значительным содержанием аммиака и экстремально высокой солёностью.
При таких условиях идея поплавать в морях Титана выглядит весьма заманчиво. Вот об этом и задумались в NASA.
Внешне субмарина будет напоминать подводные лодки используемые в земных морях и океанах, единственное существенное отличие большая фазированная антенна напоминающая спинной плавник.
Вес аппарата должен составить одну тонну, и это позволит ему поместиться в грузовом отсеке автоматического челнока, прообразом которого выступит Boeing Х-37. К спутнику Сатурна субмарину с челноком доставит космический корабль. Челнок обеспечит бережный спуск и точное «приводнение» в нужном месте, а сам после этого утонет в метановом море.
Обеспечивать энергией лодку будет 1-киловаттный термогенератор Стирлинга, который также и убережет расположенную на борту электронику от замерзания. Двигаясь с небольшой скоростью, около 1 метра в секунду (3,6 км/ч), субмарина за 90 дней плавания должна преодолеть расстояние в 2000 километров по периметру моря Кракена.
Примечательно, что для передачи на Землю собранных данных не планируется оставлять на орбите Титана спутник-ретранслятор. Данные будут передаваться напрямую на Землю. Но это накладывает временные ограничения на реализацию миссии. Земля поднимется над горизонтом в северных широтах Титана, где и расположено море Кракена, только к 2040 году, на это время и запланирована исследовательская миссия.
» (поток фотонов , именно он используется солнечным парусом) и «солнечный ветер » (поток элементарных частиц и ионов, который предполагается использовать для полётов на электрическом парусе - другой разновидности космического паруса).
Давление солнечного света чрезвычайно мало (на Земной орбите - около 5·10 −6 Н/м 2 ) и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца . Однако солнечный парус совсем не требует ракетного топлива , и может действовать в течение почти неограниченного периода времени, поэтому в некоторых случаях его использование может быть привлекательно. Эффект солнечного паруса использовался несколько раз для проведения малых коррекций орбиты космических аппаратов, в роли паруса использовались солнечные батареи или радиаторы системы терморегуляции. Однако на сегодня ни один из космических аппаратов не использовал солнечный парус в качестве основного двигателя .
Солнечный парус в проектах звездолётов
Солнечный парус - самый перспективный и реалистичный на сегодня вариант звездолёта .
Преимуществом солнечного парусника является отсутствие топлива на борту, что позволит увеличить полезную нагрузку по сравнению с космическим кораблем на реактивном движении.
Недостатком солнечного парусника является тот факт, что за пределами Солнечной системы давление солнечного света приблизится к нулю. Поэтому существует проект разгона солнечного парусника лазерными установками с какого-нибудь астероида. Данный проект ставит проблему точного наведения лазеров на сверхдальних расстояниях и создания лазерных генераторов соответствующей мощности.
Уже сейчас можно построить межзвёздный зонд, использующий давление солнечного ветра.
Существует 2 варианта солнечных парусников: на давлении электромагнитных волн и на потоке частиц.
Космическая регата
Солнечный парус диаметром 20 метров, разработанный в НАСА
Толщина солнечного паруса
В 1989 году юбилейной комиссией Конгресса США в честь 500-летия открытия Америки был объявлен конкурс. Его идея заключалась в выведении на орбиту нескольких солнечных парусных кораблей, разработанных в разных странах, и проведении гонки под парусами к Марсу. Весь путь планировалось пройти за 500 дней. Свои заявки на участие в конкурсе подали США, Канада, Великобритания, Италия, Китай, Япония и Советский Союз. Старт должен был состояться в 1992 году.
Претенденты на участие стали выбывать почти сразу, столкнувшись с рядом проблем технического и экономического плана. Распад Советского Союза, однако, не привёл к прекращению работы над отечественным проектом, который по мнению разработчиков, имел все шансы на победу. Но регата была отменена ввиду финансовых трудностей у юбилейной комиссии (а возможно, ввиду всей совокупности причин). Грандиозное шоу не состоялось. Однако, солнечный парус российского производства был создан (единственный из всех) совместно НПО «Энергия» и ДКБА , и получил первую премию конкурса .
Космические аппараты, использующие солнечный парус
Схема стабилизации космического аппарата
Советскими учёными была изобретена схема радиационно-гравитационной стабилизации космического аппарата, основанная на применении солнечного паруса .
Первое развёртывание солнечного паруса
Первое развёртывание солнечного паруса в космосе было произведено на российском корабле «Прогресс» 4 февраля 1993 года в рамках проекта «Знамя» .
См. также
- Космический парус
- Магнитный парус
Примечания
Ссылки
- Консорциум «Космическая регата» - Проекты - Солнечные паруса и рефлекторы
Литература
- Эльясберг П. Е. Введение в теорию полёта искусственных спутников Земли. - М., 1965.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Солнечный парус" в других словарях:
Устройство (напр., в виде металлизированной пленки паруса) для движения космического аппарата с помощью давления солнечного излучения. Применялось в качестве исполнительного органа системы ориентации и стабилизации автоматических межпланетных… … Большой Энциклопедический словарь
Устройство (например, в виде металлизированной плёнки паруса) для движения космического аппарата с помощью давления солнечного излучения. Применялось в качестве исполнительного органа системы ориентации и стабилизации автоматических межпланетных… … Энциклопедический словарь
Солнечный парус - (тент) использовался летом в амфитеатрах для защиты от солнца во время многочасовых представлений. Надписи на стенах в Помпее, возвещающие о таких представлениях, снабжались особой пометкой: vela erunt имеется С. п. Археологами обнаружены … Словарь античности
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.
Один из возможных движителей космического летательного аппарата (КЛА); представляет собой устанавливаемую на КЛА и развёртываемую в полёте непрозрачную плёнку (например, металлизированная полимерная) большой площади, способную сообщить… … Большая советская энциклопедия
Солнечный парус - тент, использов. летом в амфитеатрах для защиты от солнца во время многочас. представл. Надписи на стенах в Помпее, возвещ. о таких представл., снабжались особой пометкой: имеется С. п. Археологами обнаруж. спец. конструкции для натягив … Древний мир. Энциклопедический словарь
солнечный парус - Устройство в виде, например, металлизированной плёнки большой площади, служащее для перемещения в космосе объекта (тела) под действием светового давления солнечных лучей. В современной космонавтике это пока единственный нереактивный двигатель. E … Толковый уфологический словарь с эквивалентами на английском и немецком языках
Космос 1 Cosmos 1 Космос 1 (компьютерная модель) Производитель … Википедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Парус (значения). Парусное судно Парус ткань или пластина, прикрепляемая к средству передвижения и преобразующая энергию ветра в энергию поступательного движения … Википедия
Форма двигателя для космического аппарата, использующая в качестве источника тяги импульс ионов солнечного ветра. Придуман в 2006 году доктором финского метеорологического института Пекка Янхуненым Власти Евросоюза проявляют повышеный интерес … Википедия
Книги
- Солнечный парус. Фантастика или реальность космоплавания? С дополнениями. Solar Sail Motion in Near-Sun Regions. Русско-английский путеводитель по современной терминологии , Е. Н. Поляхова, В. В. Коблик. В настоящей книге отражены основные динамические принципы современной теории космоплавания, т. е. полета в космосе под солнечным парусом, движущимся под действием светового давления солнечных…
Солнечный парус представляет собой способ передвижения космического корабля с использованием давления световых и высокоскоростных газов (также называемого давлением солнечного света), излучаемого звездой. Рассмотрим подробнее его устройство.
Использование паруса предполагает недорогие космические путешествия в сочетании с увеличенным сроком использования. Из-за отсутствия множества движущихся частей, а также необходимости использовать пропеллент, потенциально становится возможным многоразовое использование такого корабля для доставки полезных грузов. Также иногда используются названия световой или фотонный парус.
История концепции
Йоханес Кеплер как-то заметил, что хвост кометы смотрит по направлению от Солнца, и предположил, что именно звезда производит такой эффект. В письме Галилею в 1610 году он писал: "Обеспечьте корабль парусом, приспособленным к солнечному бризу, и найдутся те, кто отважится исследовать и эту пустоту". Возможно, при этих словах он ссылался именно на феномен "хвоста кометы", хотя публикации на эту тему появились несколько лет спустя.
Джеймс К. Максвелл в 60-х годах XIX века опубликовал теорию электромагнитного поля и излучений, в которой показал, что свет имеет импульс и таким образом может оказывать давление на объекты. Уравнения Максвелла дают теоретическую основу для передвижения при помощи светового давления. Поэтому уже в 1864 году в сообществе физиков и вне его было известно, что солнечный свет несет импульс, оказывающий давление на объекты.
Сначала Петр Лебедев в 1899 году экспериментально продемонстрировал а затем Эрнест Николс и Гордон Халл провели аналогичный независимый эксперимент в 1901 году с использованием радиометра Николса.
Альберт Эйнштейн представил другую формулировку, признав эквивалентность массы и энергии. Теперь мы можем написать просто p = E/c как соотношение между импульсом, энергией и скоростью света.
Предсказал в 1908 году возможность давления солнечной радиации, переносящей живые споры на межзвездные расстояния, и, как следствие, понятие панспермии. Он был первым ученым, заявившим, что свет может перемещать объекты между звездами.
Первые официальные проекты по разработке этой технологии начались в 1976 году в Лаборатории реактивного движения для предлагаемой миссии по «рандеву» с кометой Галлея.
Принцип работы солнечного паруса
Свет оказывает влияние на все аппараты на орбите планеты или в К примеру, обычный космический корабль, следующий на Марс, будет смещен более чем на 1000 км по направлению от Солнца. Эти эффекты учитываются при планировании траектории космического путешествия со времен самого первого межпланетного космического корабля 1960-х годов. Излучение также влияет на позицию аппарата, и этот фактор должен учитываться в проекте судна. Сила, воздействующая на солнечный парус, составляет 1 ньютон и меньше.
Использование этой технологии удобно на межзвездных орбитах, где любые действия выполняются низкими темпами. Вектор силы светового паруса ориентирован вдоль солнечной линии, что увеличивает энергию орбиты и момент импульса, в результате чего корабль движется дальше от Солнца. Для изменения наклона орбиты вектор силы оказывается вне плоскости вектора скорости.
Контроль позиции
Система управления ориентацией (ACS) космического корабля необходима для достижения и изменения желаемой позиции при путешествии по Вселенной. Заданное положение аппарата меняется очень медленно, часто меньше одного градуса в день на межпланетном пространстве. Этот процесс происходит гораздо быстрее на орбитах планет. Система управления аппаратом, использующим солнечный парус, должна удовлетворять всем требованиям к ориентации.
Контроль достигается путем относительного сдвига между центром давления судна и его центром масс. Этого можно достичь с помощью управляющих лопаток, движения отдельных парусов, перемещения контрольной массы или изменения отражательной способности.
Неизменная позиция требует, чтобы ACS поддерживал чистый крутящий момент на нуле. Момент силы паруса не постоянен вдоль траектории. Изменения с расстоянием от Солнца и углом, который корректирует вал паруса и отклоняет некоторые элементы опорной конструкции, что приводит к изменениям силы и крутящего момента.
Ограничения
Солнечный парус не сможет работать на высоте ниже, чем 800 км от Земли, так как до этого расстояния сила сопротивления воздуха превышает силу светового давления. То есть влияние солнечного давления слабо ощутимо, и он просто не будет работать. Скорость поворота должна быть совместима с орбитой, что обычно является проблемой только для конфигурации вращающихся дисков.
Рабочая температура зависит от солнечного расстояния, угла, отражательной способности, а также передних и задних излучателей. Парус можно использовать только там, где температура поддерживается в его материальных пределах. Как правило, он может использоваться довольно близко к солнцу, около 0,25 астрономических единиц, если корабль тщательно спроектирован для этих условий.
Конфигурация
Эрик Дрекслер изготовил прототип солнечного паруса из специального материала. Он представляет собой каркас с панелью из тонкой алюминиевой пленки толщиной от 30 до 100 нанометров. Парус вращается и должен постоянно находиться под давлением. Конструкция такого типа обладает высокой площадью на единицу массы и, следовательно, получает ускорение «в пятьдесят раз выше», чем основанные на развертываемых пластиковых пленках. Она представляет собой квадратные паруса с мачтами и парными линиями на темной стороне паруса. Четыре пересекающиеся мачты и одна - перпендикулярно центру, чтобы удерживать провода.
Электронная конструкция
Пекка Янхунен изобрел электрический парус. Механически он имеет мало общего с традиционным дизайном светового. Паруса заменяются выпрямленными проводящими тросами (проводами), расположенными радиально вокруг корабля. Они создают электрическое поле. Оно простирается на несколько десятков метров в плазму окружающего солнечного ветра. Солнечные электроны отражаются электрическим полем (как фотоны на традиционном солнечном парусе). Корабль может управляться путем регулирования электрического заряда проводов. Электрический парус имеет 50-100 выпрямленных проводов длиной около 20 км.
Из чего изготовлен?
Материал, разработанный для солнечного паруса Дрекслера, представляет собой тонкую алюминиевую пленку толщиной 0,1 микрометра. Как и ожидалось, она продемонстрировала достаточную прочность и надежность для использования в космосе, но не для складывания, запуска и развертывания.
Наиболее распространенным материалом в современных конструкциях является алюминиевая пленка "Каптон" размером 2 мкм. Она сопротивляется высоким температурам рядом с Солнцем и достаточно крепкая.
Были некоторые теоретические предположения о применении методов молекулярного производства для создания продвинутого, сильного, сверхлегкого паруса, основанного на тканевых сетках из нанотрубок, где плетеные «промежутки» меньше половины длины волны света. Такой материал был создан только в лабораторных условиях, а средства для изготовления в промышленном масштабе пока недоступны.
Световой парус открывает огромные перспективы для межзвездных передвижений. Конечно, есть еще много вопросов и проблем, с которыми придется столкнуться, прежде чем путешествие по Вселенной при помощи такой конструкции космического корабля станет привычным делом для человечества.
Солнечный парус шириной 20 метров, разработанный в НАСА
Солнечный парус (также называемый световым парусом или фотонным парусом ) - приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение .
Следует различать понятия «солнечный свет» (поток фотонов, именно он используется солнечным парусом) и (поток элементарных частиц и ионов, который используется для полётов на электрическом парусе - другой разновидности космического паруса).
Идея полетов в космосе с использованием солнечного паруса возникла в 1920-е годы в России и принадлежит одному из пионеров ракетостроения Фридриху Цандеру, исходившему из того, что частицы солнечного света - фотоны - имеют импульс и передают его любой освещаемой поверхности, создавая давление. Величину давления солнечного света впервые измерил русский физик Пётр Лебедев в 1900 году.
Давление солнечного света чрезвычайно мало (на Земной орбите - около 9·10 −6 Н/м 2) и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от . Однако солнечный парус может действовать в течение почти неограниченного периода времени, и совсем не требует топлива, и поэтому в некоторых случаях его использование может быть привлекательно. Однако на сегодня ни один из космических аппаратов не использовал солнечный парус в качестве основного двигателя.
Солнечный парус в проектах звездолётов
«Гелиопаузная электростатическая быстрая транзитная система» HERTS E-Sail НАСА
Солнечный парус - самый перспективный и реалистичный на сегодняшний день вариант звездолёта.
Преимуществом солнечного парусника является отсутствие топлива на борту, что позволяет увеличить полезную нагрузку по сравнению с космическим кораблём на реактивном движении. Однако концепция солнечного паруса требует легкого по массе и одновременно большого по площади паруса.
Недостатком солнечного парусника является зависимость ускорения от расстояния до Солнца: чем дальше от Солнца, тем меньше давление солнечного света и тем самым меньше ускорение паруса, а за пределами давление солнечного света и соответственно эффективность солнечного паруса приблизится к нулю. Световое давление от Солнца довольно мало, поэтому для увеличения ускорения существуют проекты разгона солнечного парусника лазерными установками с генерирующих станций вне . Однако данные проекты сталкиваются с проблемой точного наведения лазеров на сверхдальних расстояниях и создания лазерных генераторов соответствующей мощности.
Джеффри Ландис предложил использовать для передачи энергии через лазер от базовой станции на межзвёздный зонд с ионным двигателем, что дает некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом (в настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений).
Космическая регата
В 1989 году юбилейной комиссией Конгресса США в честь 500-летия открытия Америки был объявлен конкурс. Его идея заключалась в выведении на орбиту нескольких солнечных парусных кораблей, разработанных в разных странах, и проведении гонки под парусами к . Весь путь планировалось пройти за 500 дней. Свои заявки на участие в конкурсе подали США, Канада, Великобритания, Италия, Китай, Япония и Советский Союз. Старт должен был состояться в 1992 году.
Претенденты на участие стали выбывать почти сразу, столкнувшись с рядом проблем технического и экономического плана. Распад Советского Союза, однако, не привёл к прекращению работы над отечественным проектом, который по мнению разработчиков, имел все шансы на победу. Но регата была отменена ввиду финансовых трудностей у юбилейной комиссии (а возможно, ввиду всей совокупности причин). Грандиозное шоу не состоялось. Однако, солнечный парус российского производства был создан (единственный из всех) совместно НПО «Энергия» и ДКБА, и получил первую премию конкурса.
Космические аппараты, использующие солнечный парус
Советскими учёными была изобретена схема радиационно-гравитационной стабилизации космического аппарата, основанная на применении солнечного паруса.
Первое развёртывание солнечного паруса в космосе было произведено на российском 24 февраля 1993 года в рамках проекта «Знамя-2».
21 мая 2010 года Японское космическое агентство (JAXA) запустило , на борту которой находились космический аппарат “IKAROS” с солнечным парусом и метеорологический аппарат для изучения . “IKAROS” оснащён тончайшей мембраной размером 14 на 14 метров. С его помощью предполагается исследовать особенности движения аппаратов при помощи солнечного света. На создание аппарата было потрачено 16 миллионов долларов, отмечает агентство. Раскрытие солнечного паруса началось 3 июня 2010 года, а 10 июня успешно завершилось. По кадрам, переданным с борта “IKAROS”, можно сделать вывод, что все 200 квадратных метров ультратонкого полотна расправились успешно, а тонкоплёночные солнечные батареи начали вырабатывать энергию.