Солнечные паруса — первый «парусник» отправлен

Все так и есть — запущенный 21 мая 2010 года японский зонд IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun; примерный перевод — Межпланетный планер, ускоряемый излучением Солнца) впервые в истории космонавтики раскрыл солнечный парус, предназначенный для рабочего полета. Раскрытие паруса было завершено 11 июня 2010 года  и аппарат отправился в полет к Венере, а оттуда — к дальней стороне Солнца. Несмотря на великое множество теорий работы солнечного паруса, еще большее количество всевозможных моделей, макетов, патентов и изобретений, ни один не дожил до практического применения. Все, что удавалось до этого — выводить на орбиту демонстрационные макеты, по разным причинам не имеющие возможности совершать длительные перелеты при помощи этих самых солнечных парусов.

Давайте рассмотрим лежащую в основе IKAROS технологию чуть подробней. Просто говоря, солнечный парус конвертирует давление света в поступательное движение аппарата, на котором он установлен. Это может быть даже и не обязательно видимый свет, но любое излучение исходящее от источника, имеющего бОльшую массу, нежели наш "парусник". В случае с Солнцем это может быть как солнечный свет, так и давление "солнечного ветра" — выброса потоков заряженных частиц из верхних слоев атмосферы нашего светила. Так же, солнечный парусник можно "толкать" мощным лазерным или микроволновым излучением с Земли, Луны или каких-либо искусственных спутников.
 
С точки зрения полезной энергии, извлекаемой солнечным парусом, предпочтительней использовать давление света. Подсчитано, что в Солнечной Системе давление, развиваемое светом на 1 квадратный метр площади больше, чем давление заряженных частиц солнечного ветра на этот же метр приблизительно на 3 порядка. В обоих случаях давление уменьшается прямо пропорционально удалению от Солнца, что логично. В 1900 году было эскпирементально доказано, что свет может оказывать давление на неподвижные тела. Позже была измерена величина "тяги" при движении фотонов строго перпендикулярно поглощающей свет поверхности — 4.57×10−6 N/m2 и вдвое больше если поверхность была зеркальной и могла отражать свет.
 
Понятно, что такая мизерная тяга не позволит использовать "паруса" для преодоления земной гравитации (и не только земной), но вот для длительных межпланетных перелетов может и подойти. Скорость аппарат, оснащенный подобной двигательной установкой, будет набирать месяцами, если не годами, но за то, все будет "бесплатно", без использования топлива. Хотя, мне кажется, что материал солнечных парусов и будет тем самым "топливом", выгорая и подвергаясь эрозии от радиации солнечного ветра. Для практического применения паруса должны, имея огромную площадь, быть очень тонкими, порядка нескольких микрометров, и легкими. Гораздо более "толстые" конструкции из любых материалов со временем разрушаются под воздействием солнечной радиации. Так что, такие паруса будут со временем "выгорать", уменьшая полезную площадь конвертации давления света в движение. Однако, это не останавливает энтузиастов идеи.

По конструкции самого паруса идей существует тоже очень много. А самые умные, без тестовых полетов, уже даже запатентовали "самую эффективную на сегодняшний день конструкцию солнечного паруса". Так или иначе, но форма этих парусов бывает круглой, овальное, квадратной, треугольной, прямоугольной или даже в форме ромба — вообще любой. Пока оно не летает — рисовать чертежи, воплощая самые смелые свои парусные фантазии ни кто не запрещает. Японцы для своего парусника IKAROS выбрали форму квадрата. А совместный проект российских ученых и частной компании The Planetary Society  (Планетарное Общество) — Космос-1 вообще имел набор из треугольников — лопастей.

Кстати, этот самый Космос-1 имеет очень примечательную судьбу. Русскую по самое не могу, с медведями и балалайками в метель на красной площади. По завершении постройки, аппарат запустили при помощи ракеты — носителя "Волна" с атомной подводной лодки "Борисоглебск" в Баренцевом море! Мне уже холодно…В результате неполадок в самой ракете, заглушившей маршевый двигатель раньше положенного, аппарат упал и разбился, не достигнув орбиты. В этом плане вообще показательны все "коммерческие" пуски ракет "Волна" с атомных подводных лодок в Баренцевом море — из 5 пусков ни один не был удачным. Причины неудач каждый раз были разными — то проблемы в аппаратном взаимодействии российской части ракеты-носителя с "коммерческой боеголовкой", подготовленной иностранными партнерами, то проблемы
с управлением и навигацией, то с механическим износом двигателей. Наверное, полярные мишки были против, или следовало запускать ближе к экватору…

 

Я отвлекся. В любом случае, солнечные паруса могут иметь любую форму, могут вращаться вместе с аппаратом или лететь в строго заданном положении. Вращающиеся конструкции считаются более подходящими, так как, в перспективе при постройке "обитаемых" парусников, могли бы обеспечивать живущих в них "морячков" искусственной гравитацией. Кстати, японский корабль вращается со скоростью 20-25 оборотов в минуту. Маневрирование может осуществляться при помощи изменения геометрии паруса и, как следствие, изменение направления приложения давления света на его отдельные участки. Разность в давлении может разворачивать всю конструкцию относительно первоначального направления движения. Понятно, что такое маневрирование не слишком "маневренно". По этому более простой способ – набор химических и ионных двигателей различной тяги, расположенных в ключевых местах конструкции. Именно при помощи таких двигателей и маневрирует IKAROS.

Кстати, существует еще один интересный подвид "солнечных парусов". В кавычки я это взял по тому, что в данном случае видимых парусов как таковых на корабле как раз и нет. Горячий финский парень Pekka Janhunen предложил использовать для движения энергию электронов плазмы солнечного ветра. По его проекту корабль оборудуется специальными проводами, на которые подается высокое напряжение переменного тока, вырабатываемое при помощи солнечных батарей. Эти провода расположены радиально корусу корабля и образую вокруг него электрическое поле, простирающееся на несколько десятков метров вокруг всей конструкции. Электроны из солнечного ветра, попадая в это поле, действуют аналогично фотонам в солнечном парусе. Меняя напряжение на проводах, можно менять площадь паруса, скорость и направление движения. Но делать это очень медленно. В прочем, Pekka Janhunen как раз и не спешит.

Существует похожая концепция использования для движения уже магнитных, а не электрических зарядов частиц солнечного ветра. Вокруг корабля создается обмотка, по которой пускается уже постоянный ток, получаемый от все тех же солнечных батарей. Вокруг корабля образуется электромагнитное поле, управляя параметрами которого можно управлять движением "парусника"…тоже очень медленно.

Так или иначе, до настоящего времени, единственным аппаратом на "световой" солнечной тяге является японский IKAROS. Его параметры таковы — паруса в форме квадрата с диагональю 20 метров, 8 солнечных панелей в "мачтах", расходящихся от центра аппарата по углам квадрата "паруса", общая масса конструкции с парусами составляет примерно 300 килограмм. Материал паруса — полиамидные мембраны толщиной 7,5 микрометра. Венеры этот аппарат должен достичь в течение 6 месяцев, а затем в течение 2 лет будет лететь к Солнцу. Так что расчетная скорость солнечного "парусника" сравнима с таковой у ионных двигателей, а как оно будет на самом деле — покажет время.

В любом случае, японцев можно только поздравить. Кстати, вчера на Землю вернулся японский же зонд Hayabusa, который, возможно, принес нам образцы грунта с астероида Itokawa. Этот аппарат был запущен аж в 2003 году и в данный момент приземлился в Австралии. Это первый в истории человечества удачный проект по доставке образцов грунта с астероида, завершившийся возвращением на Землю хотя бы части того, что было отправлено. Капсулу с образцами ищут прямо сейчас. Кстати, связи с зондом, после того, как он побывал на астероиде, не было несколько лет и он считался утерянным.

Однако, сигнал от него был обнаружен уже при подлете к нашей планете и сейчас не известно, что же все таки находится внутри капсулы с образцами…чем не сюжет для очередного фильма про космические вирусы и людей-зомби?