Солнечный парус

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Солнечный парус шириной 20 метров, разработанный в НАСА
Толщина солнечного паруса

Со́лнечный па́рус (также называемый световым парусом или фотонным парусом) — приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.

Следует различать понятия «солнечный свет» (поток фотонов, именно он используется солнечным парусом) и «солнечный ветер» (поток элементарных частиц и ионов, который используется для полётов на электрическом парусе — другой разновидности космического паруса).

Идея полётов 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 относительно мало (на Земной орбите — около 9·10−6 Н/м2) и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца[1]. Солнечный парус может действовать в течение почти неограниченного периода времени, и совсем не требует расхода рабочего тела, и поэтому в некоторых случаях его использование может быть предпочтительно. Однако до настоящего времени ни один из космических аппаратов не использовал солнечный парус в качестве основного двигателя по причине крайне низкой тяги.

Физика явления[править | править код]

Предположим, что на неподвижное плоское идеальное зеркало массы нормально к его поверхности падает плоская световая волна с энергией . Обозначим энергию отражённой световой волны как , скорость, приобретённую зеркалом в результате отражения волны как . Тогда закон сохранения энергии: и закон сохранения импульса: . Из этих уравнений можно получить:

(1)
(2)

Отсюда следует, что коэффициент полезного действия фотонного паруса (доля энергии падающей волны, передаваемая парусу) тем больше, чем больше отношение энергии падающей волны к энергии покоя паруса. При энергии падающей волны, много большей энергии покоя зеркала практически вся энергия волны передаётся зеркалу.

В другом крайнем случае, когда энергия падающей волны много меньше энергии покоя зеркала . В этом случае из формулы (1) получаем: . Из формулы (2) получаем:. Из этой формулы видно, что в этом случае световая волна передаёт парусу лишь ничтожную часть своей энергии[2].

Солнечный парус в проектах звездолётов[править | править код]

Солнечный парус на аппарате Космос 1 (модель)

Солнечный парус и другие виды космического паруса могут быть использованы в будущем при постройке звездолётов[3][4][5][6][7][8]. 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 лёгкого 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 Солнечной системы 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 Земли[3][9]. Данные проекты сталкиваются с проблемой точного наведения лазеров на сверхдальних расстояниях и создания лазерных генераторов соответствующей мощности.

Джеффри Ландис (англ.) предложил использовать солнечную батарею для передачи энергии через лазер от базовой станции на межзвёздный зонд с ионным двигателем[10][11], что даёт некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом (в настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений)[12].

Конфигурации паруса[править | править код]

Космическая регата[править | править код]

В 1989 году юбилейной комиссией Конгресса США в честь 500-летия открытия Америки был объявлен конкурс о 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[13].

Космические аппараты, использующие солнечный парус[править | править код]

Советскими учёными была изобретена схема радиационно-гравитационной стабилизации космического аппарата, основанная на применении солнечного паруса[14][15]. Первое развёртывание солнечного паруса в космосе было произведено на российском корабле «Прогресс М-15» 24 февраля 1993 года в рамках проекта «Знамя-2»[16].

Первым использовавшим космический парус как двигатель аппаратом стал японский IKAROS, который и считается первым в истории космическим парусником[источник не указан 73 дня]. 21 мая 2010 года Японское космическое агентство (JAXA) запустило ракету-носитель H-IIA, на борту которой находились космический аппарат IKAROS с солнечным парусом и метеорологический аппарат для изучения атмосферы Венеры[17]. IKAROS оснащён парусом из тончайшей мембраны размером 14 на 14 метров по длине и ширине. С его помощью предполагается исследовать особенности движения аппаратов при помощи солнечного света. На создание аппарата было потрачено 16 миллионов долларов. Раскрытие солнечного паруса началось 3 июня 2010 года, а 10 июня успешно завершилось. По кадрам, переданным с борта IKAROS, можно сделать вывод, что все 196 квадратных метров ультратонкого полотна расправились успешно, а тонкоплёночные солнечные батареи начали вырабатывать энергию.

Сейчас в России существует консорциум «Космическая регата», который провёл несколько опытов с солнечными отражателями с целью освещения районов нефте- и газодобычи. Также существуют проекты выплавления зеркал на орбите из астероидов.

20 мая 2015 года с космодрома на мысе Канаверал первый в истории частный спутник на солнечном парусе «LightSail-1» был отправлен в тестовый полёт[18][19].

В культуре[править | править код]

  • Рассказ «Солнечный ветер» («Sunny Wind», 1963) писателя-фантаста Артура Чарльза Кларка, вошедший в сборник рассказов «Обмен Разумов»[20], целиком посвящён космической регате яхт, оснащенных солнечным парусом и приводимых в движение исключительно солнечным ветром. В рассказе, повествуемом от имени одного из участвующих в регате капитанов, перечислены яхты с различными вариантами исполнения солнечного паруса и средств стабилизации полёта. В рассказе также описывается инцидент, в ходе которого произошло столкновение двух яхт.
  • В книге Бернара Вербера «Звёздная бабочка» повествование идёт о фантастическом космическом корабле в форме бабочки с использованием фотонового паруса.
  • В сериале «Звёздный путь. Дальний космос 9» (s03e22 Explorers) коммандер Бенджамин Сиско строит корабль с солнечными парусами, чтобы доказать правдивость истории о древнем контакте баджорцев с кардассианской цивилизацией
  • В фильме «Звёздные войны: Эпизод II: Атака клонов» после битвы на Джеонозисе граф Дуку улетает на Корусант на солнечном паруснике.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. A. Bolonkin High Speed AB-Solar Sail (англ.). — 2007. — arXiv:physics/0701073.
  2. Бутиков Е. И., Быков А. А., Кондратьев А. С. Физика в примерах и задачах // М.: Наука. — 1989. — С. 443. — ISBN 5-02-014057-0
  3. 1 2 Форвард: Путешествие к звездам на энергетическом луче. Проверено 27 сентября 2017.
  4. Дэнфорт. Под парусом в протонном ветре. Проверено 27 сентября 2017.
  5. Jones, E. A Manned Interstellar Vessel Using Microwave Propulsion: A Dysonship (англ.) // Journal of the British Interplanetary Society. — 1985. — Vol. 38. — P. 270−273.
  6. Грегори Мэтлофф, Юджин Малов. Звездолеты на солнечных парусах: клипера галактики
  7. Ден Спиз, Роберт Зубрин. Ультратонкие солнечные паруса для межзвездного путешествия
  8. Interstellar Migration and the Human Experience Paperback — January 1, 1985 by Ben R Finney (Author),‎ Eric M Jones (Author)
  9. Лэндис: Малый межзвездный зонд, разгоняемый лазером. go2starss.narod.ru. Проверено 27 сентября 2017.
  10. Laser-Powered Interstellar Probe. scholar.google.ru. Проверено 27 сентября 2017.
  11. Geoffrey A. Landis. Laser-powered Interstellar Probe Архивировано 22 июля 2012 года. on the Geoffrey A. Landis: Science. papers available on the web
  12. Лендис. Межзвездный ионный зонд, снабжаемый энергией по лазерному лучу. go2starss.narod.ru. Проверено 27 сентября 2017.
  13. Нина БАВИНА. Космоса тогда не было…
  14. Гурко О. В., Слабкий Л. И. Использование силовых влияний гравитационного и светового полей Солнца для ориентации космических аппаратов — В кн: «Искусственные спутники земли», вып. 16 — М. : Из-во АН СССР, 1963, 34-45.
  15. Поляхова Е. Н. «Космический полёт солнечным парусом: проблемы и перспективы», М., Изд. «Наука», Глав. ред. физ-мат. литературы, 1986 г. 304 л.
  16. Гудилин В. Е., Слабкий Л. И. Космические грузовые корабли «Прогресс», «Прогресс-М» и их модификации // Ракетно-космические системы (История. Развитие. Перспективы). — М., 1996. — 326 с.
  17. Сайт проекта «ИКАРОС» (англ.)
  18. Blastoff! X-37B Space Plane and LightSail Solar Sail Go Into Orbit (англ.), NBC News. Проверено 27 сентября 2017.
  19. Королёв Владимир. На всех парусах. nplus1.ru (22.05.2015).
  20. С Земли на небеса // Обмен разумов / Михаил Гребенюк. — Ташкент: Ёш гвардия, 1989. — С. 238-256. — 464 с. — 400 000 экз. — ISBN 5-633-00221-0.

Литература[править | править код]

  • Эльясберг П. Е. Введение в теорию полёта искусственных спутников Земли. — М., 1965.

Ссылки[править | править код]