Солнечный парус космос 1. Исследовательская работа на тему "солнечный парус". Солнечный парус модель

Солнечный парус представляет собой конструкцию, призванную заменить типовые ракетные двигатели на нашем пути к далеким звездам.

Человечество давно использует свойство паруса передвигать предметы по воде или суше при помощи энергии ветра. Как ни странно это может звучать, но в эпоху освоения космоса мы снова вернулись к этому проверенному средству. В этот раз вместо ткани используется тончайшая зеркальная поверхность, а роль ветра играет движущая сила солнечного света.

Преимущество применения такой конструкции – это возможность совершать полет без ограничений временными рамками. Любое топливо, используемо для космических аппаратов, когда-либо заканчивается, а кванты солнечного света, посылающие импульс на поверхность тел, не иссякнуть еще несколько миллиардов лет.

Как это работает?

Идея создания космического аппарата, использующего солнечный парус, разрабатывалась советским ученым, стоявшим у истоков ракетостроения, Фридрихом Цандером. В 1924 году он написал статью «Перелеты на другие планеты», в которой представил схему конструкции паруса и принципы его работы. Цандер построил свою теорию на опытах П. Н. Лебедева, подтвердивших существование давления света. Теоретическую основу этого явления обосновал Дж. Максвелл в 1873 году, но в те времена многие ученые отнеслись к ней со скептицизмом. Частицей, создающий такой импульс, является фотон. Он наделен свойствами электромагнитной волны и частицы, не имеет заряда и является квантом света. Поток фотонов оказывает определенное давление на освещаемую поверхность. Для использования на космических кораблях необходим парус размером порядка нескольких квадратных километров.

Давление, создаваемое потоком солнечного света (фотонами), заставит аппарат двигаться в сторону от Солнца, при этом не будет расходоваться ракетное топливо. По аналогии с морскими парусами происходит маневрирование в космосе. Изменяя угол расположения конструкции, можно корректировать направление полета. Недостатком использования паруса является отсутствие возможности движения к Солнцу. При большом удалении от нашей звезды фотонный поток слабеет пропорционально квадрату расстояния, а на границе системы его сила упадет до 0. Поэтому чтобы обеспечить стабильный поток света и начальный разгон паруса, необходимы мощные лазерные установки. На сегодня разработаны конструкции двух типов: разгоняемые электромагнитными волнами и фотонными импульсами.

Из чего изготавливают парус?

Для межпланетных полетов важным аспектом является вес корабля и количество ракетного топлива. Применение солнечного паруса в качестве замены двигателя позволит значительно снизить эту нагрузку. Материал для его изготовления должен быть легким и прочным, иметь высокую отражающую способность. Добавление металлических ребер повышает безопасность использования, ведь полотно подвергается ударам метеоритов.

Плотность поверхности материала из композитного волокна не превышает 1 г/м3, а его толщина – несколько микрон. Из существующих вариантов самыми перспективными считаются каптон и милар – тончайшие полимерные пленки с алюминиевым покрытием. Разработка новых нанотехнологий открывает удивительные перспективы в производстве солнечных парусов, их можно создавать перфорированными и практически невесомыми, а это означает повышение эффективности использования.

Первые испытания

В рамках российского проекта «Знамя-2», созданного для экспериментов с отражателями, в 1993 году был впервые развернут солнечный парус. Размер конструкции из тонкой пленки с отражающим покрытием составил 20 метров. Японскими учеными была создана модель солнечного паруса, состоящая из четырех лепестков, в качестве материала использовалась сверхтонкая полиамидная пленка в 7,5 мкм. Конструкция была установлена на спутник IKAROS, который ракета-носитель вывела на орбиту 21 мая 2010 года. Испытания солнечного паруса начались с его раскрытия, полотно в 200 кв. м было успешно расправлено. Второй этап миссии, состоящий в регулировании скорости и направления, также был осуществлен.

При поддержке Планетарного общества США НПО им. Лавочкина разработало и создало конструкцию солнечного паруса, состоящую из 8 лепестков. Его поверхность покрывал слой алюминия, а прочность обеспечивало армирование. Запуск аппарата осуществлялся ракетой «Волна», которая из-за технического сбоя рухнула в море. Дальнейшие работы над проектом пока остановлены.

Перспективы использования солнечного паруса

В 2014 году NASA запустило в космос свой солнечный парус из каптона – термостойкого пластика, выдерживающего колебание температуры от +400 до -273 градусов Цельсия. Этот материал был разработан химической компанией DuPont. Рекордный по размеру проект, крупнейший из всех созданных на данный момент, имеет площадь 1200 м2. Его назвали Sunjammer. Он должен выяснить практическую эффективность использования солнечного паруса при межпланетных полетах. Предполагается удаление от Земли на 3 млн. км за счет действия потока фотонов. Аппарат, толкаемый солнечным ветром, направляется к первой точке Лагранжа.

В ближайших планах ученых – оснащение солнечными парусами аппаратов, наблюдающих за активностью нашей звезды. Они смогут вовремя предупреждать землян о возникающих вспышках и катаклизмах на Солнце. Созданный в России консорциум «Космическая регата», планировавший участие в конкурсе конгресса США по выведению на орбиту кораблей с солнечными парусами, успешно работает в области использования солнечных отражателей для освещения районов добычи газа.

30 мая 2015 года на орбите Земли состоится первый тест солнечного паруса LightSail-1 – приспособления, применение которого позволит в будущем совершать космические перелеты на самые дальние дистанции. Сегодня мы расскажем, что такое солнечный парус , какие у него перспективы, а также про роль знаменитого астронома Карла Сагана и российского ученого Фридриха Цандера в появлении этой идеи.

Принцип действия

Солнечный парус – это приспособление, которое использует давление солнечного света на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.

Применение данной технологии позволит совершать даже самые длительные космические полеты, ведь для движения в межзвездном пространстве кораблю не нужно будет иметь на борту огромный запас физического топлива – источник движения будет находиться повсюду.

Конечно, чем дальше будет расстояние космического корабля с солнечным парусом от источника света, тем меньшим будет его давление. Но ведь огромные пространства Вселенной представляют собой вакуум, следовательно, не будет силы, замедляющей движение космолета. Зато даже самый слабый свет от далеких звезд будет постепенно увеличивать скорость полета.

Считается, что космический аппарат, движимый солнечным парусом достаточного размера, может развить скорость примерно в одну десятую от световой.

Существуют также идеи, предполагающие замену основного источника движения такого паруса с солнечного света на лазерный луч. Изначально предполагалось устанавливать источник этого луча на Земле, но сейчас появились куда более смелые предложения по созданию таких конструкций где-нибудь на отделенных планетах Солнечной Системы или даже на космических станциях в межзвездном пространстве. Идеальным вариантом будет развертывание целой системы лазерных установок по дороге к другим звездам. Но это – дело далекого будущего.

История

Истоки идеи солнечного парус следует искать в работах знаменитого шотландского физика Джеймса Максвелла (вторая половина девятнадцатого века), который сформулировал электромагнитную теорию света и предсказал существование давления света.

Мечты о космических кораблях, которые будут передвигаться благодаря давлению солнечного света, появились уже в конце девятнадцатого века в работах писателей-фантастов. К примеру, в романе «Необычные приключения одного русского ученого» французов Жоржа ле Фора и Анри де Графиньи идет речь об экспедиции на Венеру, во время которой для движения было использовано огромное параболическое зеркало.

По иронии судьбы именно российский ученый и разработал первую в истории реальную конструкцию летательного аппарата на солнечном парусе. Советский инженер Фридрих Цандер в 1924 году подал в Комиссию по изобретениям соответствующую заявку, но эксперты назвали ее слишком фантастической и отклонили.

На Западе идею создания солнечного паруса связывают, в первую очередь, со знаменитым астрономом, астрофизиком и популяризатором науки Карлом Саганом. Он был большим сторонником межзвездных полетов, и как ученый стал одним из самых авторитетных консультантов NASA.

Саган впервые упомянул идею солнечного паруса в 1976 году. До этого он столкнулся с проблемой невозможности дальних космических полетов при помощи летательных аппаратов на основе физического двигателя. Но солнечный парус в теории позволял выйти из данного технологического тупика.

В 1980 году Карл Саган с единомышленниками, другими знаменитыми учеными, основал Планетарное общество, целью которого значится исследование космического пространства, поиск внеземной жизни, а также поддержка направленных на это проектов. Данная организация и является одним из главных сторонников и лоббистов идеи солнечного паруса.

Попытки создания

Еще в 1974 году инженерам удалось впервые «обуздать» солнечный ветер. Произошло это в рамках запуска американской автоматической межпланетной станции Маринер-10. В качестве солнечного паруса выступили ее панели солнечных батарей. Их развернули под нужным углом к Солнцу, что позволило корректировать расположение корабля в пространстве.

Следующей конструкцией, похожей на солнечной парус, стал отражатель Знамя-2, установленный в 1993 году на орбитальной станции Мир. Но он использовался не в качестве ускорителя, а как дополнительный источник света для Земли. Эта конструкция создала на поверхности нашей планеты огромный «солнечный зайчик» диаметром 8 километров.

В дальнейшем процесс создания и развертывания солнечных парусов столкнулся с настоящим злым роком. Так, в 2005 году упала во время старта российская ракета Волна, несущая на орбиту спутник Космос-1 с солнечным парусом диаметром 30 метров.

Неудачами закончились попытки запустить солнечные паруса в 2001 и 2005 году. Ракета Falcon 1 от американской компании , стартовавшая в августе 2008, также должна была отправить на орбиту солнечный парус, NanoSail-D. Но она упала на третьей минуте полета.

Первый по-настоящему удачный запуск солнечного паруса состоялся в 2010 году в рамках японского проекта IKAROS. Японские инженеры отправили на орбиту и смогли там полностью развернуть полиамидную пленку толщиной 7,5 мкм и площадью 196 квадратных метров.

Этот солнечный парус функционировал в течение многих месяцев во время полета автоматической межпланетной станции Акацуки в сторону Венеры. Возможно, он действует и сейчас, но с 2012 года с аппаратом нет связи.

В ноябре 2010 года американская ракета Минотавр-4 вынесла на орбиту солнечный парус NanoSail-D2. Объект летал вокруг Земли в течение восьми месяцев, и многие жители нашей планеты успели увидеть его на ночном небе в виде яркой точки, плывущей по небосводу.

А дальше снова неудача. Вернее, отсутствие удачи. В январе 2015 года NASA планировало вывести на орбиту при помощи частной ракет-носителя Falcon 9 солнечный парус Sunjammer, названный в честь одноименного рассказа Артура Кларка. Он должен был стать самым большим в истории объектом подобного рода, ведь площадь его поверхности составляет около 1200 квадратных метров.

Но в ноябре 2014 года стало известно, что Американское космическое агентство отменило этот запуск, так что ракета Falcon 9 отправилась на орбиту без солнечного паруса на борту. Запуск Sunjammer пока что перенесен на 2018 год.

Текущие и будущие проекты

А теперь вернемся к Планетарному обществу. Именно оно инициировало запуск солнечного паруса LightSail-1, тестовое применение которого состоится 30 мая 2015 года. Правда, речь пока что идет лишь об отработке технологий, а не о полноценном проекте.

Парус LightSail-1 имеет площадь 32 квадратных метра. Он будет работать в паре с миниатюрным спутником CubeSat (так же, как и NanoSail-D2). Задача этого запуска заключается в тесте систем развертывания паруса, а также системы управления и связи. Аппарат проработает на орбите максимум десять дней. При этом его можно будет наблюдать с Земли в темное время суток.

Если же эти тестовые испытания дадут положительный результат, уже в 2016 году Планетарное общество запустит на орбиту полноценный солнечный парус LightSail-1. Он будет функционировать на высоте 800 километров, при этом время работы данного аппарата составит около четырех месяцев.

Создатели LightSail-1 надеются изучить за это время возможности маневрирования в Космосе с помощью солнечного паруса.

Интересно, что Планетарное общество решило обратиться за помощью в финансировании данного проекта ко всем жителям Земли. Организация запустила кампанию по сбору средств на сайте Kickstarter. Она стартовала всего несколько дней назад и уже собрала около 763 тысяч долларов при 200 тысячах изначально запрашиваемых. На данный момент, в ее фонд пожертвовало более 15 тысяч человек.

Можно сказать, что реальная история солнечных парусов начинается прямо на наших глазах. Красивая теория, которая дает нам перспективу межзвездных путешествий, пока что остается лишь теорией. Но в ближайшие десятилетия практика покажет, насколько верны предположения Максвелла, Цандера и Сагана.

Впрочем, солнечный парус – это лишь одна из многих технологий, которые в будущем откроют нам путь к звездам. Про остальные, не менее смелые и гениальные идеи, можно прочитать в .

Идея о том, что свет может оказывать давление, приписывается Иоганну Кеплеру – на такую мысль его навели в 1619 году развевающиеся хвосты комет при движении по околосолнечной орбите. В 1873 году Джеймс Максвелл, исходя из своей электромагнитной теории света, теоретически оценил величину этого давления, а в 1900 году наш соотечественник – знаменитый физик Петр Лебедев – сумел экспериментально обнаружить и измерить силу светового давления. Первыми решили использовать солнечную тягу россияне – о солнечном парусе еще в 1913 году написал фантаст Борис Красногорский. В его романе «По волнам эфира» корабль «Победитель пространства» передвигался в космосе, используя солнечный свет и кольцевое зеркало из тончайших листов отполированного металла. А в середине 1920-х, тоже в России, за эту идею взялся ученый и изобретатель Фридрих Цандер, один из основоположников теории космических полетов и реактивных двигателей. В 1924 году он подал в Комитет по изобретениям авторскую заявку на космический самолет, который для передвижения в межпланетном пространстве использовал бы огромные и очень тонкие зеркала.

Тогда эту идею никто не воспринял всерьез – подходящих материалов и технологий просто не существовало. Но в 1960-х годах к солнечным парусам вновь вернулись фантасты (известный пример – рассказ Артура Кларка «Солнечный ветер»), а затем и инженеры. В 1970-х солнечный парус вполне серьезно рассматривался NASA как один из вариантов двигателя для зонда, отправляющегося на рандеву с кометой Галлея. От этой идеи по разным причинам отказались, но ее не забыли.
В 2000 году в НПО им. Лавочкина и Институте космических исследований (ИКИ) РАН начались работы по программе КАСП (Космический аппарат «Солнечный парус»). Спонсировали проект Планетарное общество США, учрежденное в 1980-м тремя учеными – профессором Калтеха Брюсом Мюрреем, сотрудником JPL Луисом Фридманом и астрономом и писателем Карлом Саганом, и общественная организация Cosmos Studios, руководит которой Энн Друян – вдова Карла Сагана. Солнечный парус – это тонкая, 5 микрон толщиной, полиэфирная пленка, с «солнечной» стороны покрытая субмикронным слоем алюминия (коэффициент отражения 0,85). «Такая пленка достаточно прочна, но стоит ее повредить, например, микрометеоритом – и разрыв сразу же ползет по всей поверхности, – рассказал «Популярной механике» российский руководитель проекта Виктор Кудряшов. – Чтобы пленка не рвалась, ее армируют. В нашем случае полотно паруса было усилено узкими полосками специальной ленты, которая останавливает разрывы, не позволяя им ‘ползти’ через весь парус».
Среди возможных конструкций паруса в НПО им. Лавочкина остановились на 8-лепестковом «цветке». Каждый треугольный лепесток площадью 75 квадратных метров должен был разворачиваться и поддерживаться специальным пневмокаркасом, который приобретает жесткость после наполнения азотом. В сложенном виде лепесток помещается в контейнер размером с кирпич – сначала его вакуумируют, удаляя оставшийся воздух, а затем многократно сворачивают по специально разработанной схеме укладки. В раскрытом состоянии космический парусник представляет собой небольшую (1 м длиной) платформу, из которой «растут» 8 треугольных лепестков. «Для космического аппарата с солнечным парусом полет по околоземной орбите имеет свои особенности. В различные моменты времени он может быть освещен Солнцем или находиться в тени Земли. Для организации управления аппаратом планировалось, в частности, поворачивать лепестки паруса вокруг оси каждого из них», – говорит Виктор Кудряшов.
Зачем нужны солнечные паруса? Ведь их тяга очень мала (давление солнечного света на уровне земной орбиты на идеально отражающее зеркало площадью 1000 м 2 составляет всего 10 мН) и несравнима с мощными реактивными двигателями. Впрочем, двигатели на химическом горючем могут работать сотни секунд, плазменные двигатели – тысячи часов, и те и другие ограничены запасом рабочего тела. А вот паруса могут давать тягу, пока их поверхность освещена Солнцем (по прогнозам астрономов, это будет продолжаться еще около 5 миллиардов лет), и при этом не расходуется ни энергия, ни рабочее тело. Поэтому перед солнечными парусами открываются блестящие перспективы. К сожалению, полет солнечного парусника с экипажем на борту – пока дело отдаленного будущего. Но автоматические станции, оснащенные таким двигателем, – реальность ближайшего времени. Парусные аппараты вполне серьезно рассматриваются как зонды для полета к внутренним планетам Солнечной системы, к Плутону, к некоторым астероидам и кометам. Для продвижения ближе к границам Солнечной системы, где интенсивность солнечного света существенно снижается, уже появляются фантастические проекты орбитальных лазеров, «подталкивающих» парус.
На сегодняшний день космический аппарат с солнечным парусом способен решать не только научные задачи. Одним из его реальных прикладных применений может стать проект НПО им. Лавочкина и ИКИ РАН «Солнечная погода». Речь идет о 30-килограммовой космической обсерватории для наблюдения за Солнцем и предсказания магнитных бурь, размещаемой на расстоянии, например, три миллиона километров на линии Земля–Солнце. Это в два раза ближе к Солнцу, чем точка либрации (то есть гравитационного равновесия), в которой висит европейско-американская солнечная обсерватория SOHO. Используя парус площадью в 1000 квадратных метров, «Солнечная погода» будет компенсировать увеличение притяжения Солнца – это даст возможность предупреждать о магнитной буре за большее время, чем сейчас.
Российскому солнечному парусу не повезло – на 83-й секунде полета в работе первой ступени «Волны» произошел сбой и ракета рухнула в море (такая же судьба постигла и прототип, тоже выводимый «Волной» – в 2001 году он должен был продемонстрировать возможность раскрытия двух «лепестков»). Однако директор проекта и исполнительный директор Планетарного общества США Луис Фридман не намерен бросать идею: «Случаются и неудачи. Но сразу после падения Cosmos-1 я начал получать сообщения от ученых, инженеров и просто энтузиастов, и все в один голос говорили: ‘Давайте сделаем еще один солнечный парус и запустим его!’. Это вполне совпадает с нашими собственными планами. Конечно, скорее всего, ракету-носитель придется сменить, и мы сейчас рассматриваем два возможных варианта – ‘Союз-Фрегат’ и ‘Космос-3М’. Остается только найти средства – весь проект будет стоить около $4 млн.». Но в настоящее время, по сообщениям официального сайта НПО им. Лавочкина, проект нового солнечного паруса, к сожалению, заморожен.

Конструкция "солнечного паруса" Космос-1 Космический аппарат с солнечным парусом (КАСП), на котором снаружи установлены специальным образом сложенные лепестки паруса, невелик - примерно 1 метр длиной и 100 кг весом, но это не мешает ему иметь в своем составе все необходимые для работы самого аппарата и паруса системы. Основой конструкции КАСП является приборная платформа, на которой крепится разгонная двигательная установка, 4 панели солнечных батарей, служебная аппаратура, фото- и телекамеры, антенны, и - самое главное- блок солнечных парусов. В сложенном виде каждый из 8 лепестков представляет собой небольшую упаковку 30 см х 20 см х 20см. Эти 8 упаковок расположены в двух плоскостях - по 4 в каждой. Развертывание лепестков происходит в два этапа: сначала раскрываются 4 лепестка, лежащие в одной плоскости, а затем - 4 лепестка, лежащие в другой. Каждый лепесток в развернутом виде представляет собой равнобедренный треугольник, расширяющийся от продольной оси аппарата к периферии. Эти 8 лепестков расположены таким образом, что после развертывания всех восьми, они образуют практически окружность диаметром около 30 м и площадью 600 квадратных метров. Изготовлены лепестки солнечного паруса из полимерной пленки толщиной 5 мкм, которая с одной стороны (обращенной к Солнцу) металлизирована. По двум длинным сторонам каждого лепестка проложен пневмокаркас, который представляет собой полую трубку диаметром 15см и сделан также из полимерного материала, но толщиной не 5, а 20 мкм. Каркас необходим для организации процесса развертывания каждого лепестка (внутрь трубки по команде на раскрытие паруса подается сжатый азот и постепенно разворачивающиеся трубки и растягивают тонкие лепестки) и создания жесткости каждой из частей паруса. Каждый лепесток имеет возможность поворачиваться вокруг оси крепления на заданный угол. Тягу солнечному парусу обеспечивают фотоны. При поглощении или отражении от солнечного паруса они передают свой импульс (в первом случае одинарный, во втором – двойной) космическому аппарату. Именно свет, а не солнечный ветер (в отличие от парусных судов, движимых ветром) и толкает космический парус. Солнечный ветер – это поток плазмы, относительно медленных (300–700 км/с) заряженных частиц, в основном протонов и электронов (встречаются ядра гелия и даже ионы более тяжелых элементов), связанных собственным магнитным полем. Солнечный ветер берет свое начало в короне и «дует» к границам Солнечной системы. Взаимодействуя с магнитным полем Земли, он вызывает северное сияние, с кометами – приводит к образованию их плазменных или ионных хвостов. Хотя солнечный ветер нельзя «запрячь» в паруса космических аппаратов из-за его крайней разреженности (давление примерно в тысячу раз меньше светового), любопытно, что именно он подсказал такой способ передвижения в космосе: в XVII веке Иоганн Кеплер в результате наблюдений за хвостами комет предположил, что парусные корабли смогут передвигаться в небесах.

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.

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.