• Энциклопедия
  
• Кроссвордорешалка
  
• Анаграммоподбиралка
  
• Фразеологизмы
  

Как работает солнечный парус

По замыслу Цандера солнечный парус имел площадь в 1 квадратный километр при толщине экрана 0,01 миллиметра и массу 300 килограммов. Конструкция его представляла собой центральную ось, некоторый набор элементов каркаса, поддерживающих форму полотнища-экрана.

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 лазерного ветра, обеспечивающего существенно большее давление на поверхность, чем солнечные лучи.

Первым идею о существовании давления света выдвинул выдающийся немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571-1630). Наблюдая кометы он обратил внимание, что их хвосты всегда направлены в сторону, противоположную от Солнца.

Теория давления света в рамках классической электродинамики была выдвинута Джеймсом Кларком Максвеллом в 1873 году. Он связал это явление с передачей импульса электромагнитного поля веществу.

При нормальном падении света на поверхность твердого тела давление света определяется формулой p = S(1 — R)/c, где S — плотность потока энергии (интенсивность света), R — коэффициент отражения света от поверхности.

Тщательное и полное исследование давления света на твердые тела было впервые проведено Петром Николаевичем Лебедевым (1866-1912) в 1899 году. В его опытах использовался стеклянный сосуд, из которого откачивался воздух. Внутри сосуда 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.

Итак, принцип работы солнечного паруса.

Идея проста — космический корабль разворачивает большое полотно (сотни квадратных метров или даже несколько километров (речь-то идет о космосе, вот и масштабы соответствующие) — парус - отражающий, либо поглощающий фотоны света.

На орбите Земли парус массой 0,8 г/м² испытывает воздействие солнечного света порядка одного грамма. Давление обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Даже при большей массе, парус еще возможно использовать. Проблемы могут возникнуть только при его развертывании - придется использовать дополнительные механические устройства.

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.

Когда речь заходит о межпланетных путешествиях, преимущества такого движетеля очевидны. Реактивные вдигатели не способны обеспечить кораблю постоянное ускорение из-за ограниченности их объема. 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/м² начальное ускорение будет равно 1,2 мм/с²). В условиях безвоздушного пространства это позволит достичь огромных скоростей за весьма короткие сроки.

Теоретически, корабль с космическим парусом способен достичь скорости в 100000 км/с и даже выше. Если в 2010 году запустить в космос такой зонд, то (в идеальных условиях) в 2018 он догонит “Вояджер-1”, которому для этого путешествия потребовался 41 год. В настоящее время “Вояджер-1” (запущенный в 1997) находится от нас на расстоянии в 12 световых часов и является самым удаленным от Земли космическим кораблем.

Американские ученые не так давно создали плазменный излучатель High Power Helicon — самый мощный генератор плазмы в мире. Сейчас специалисты NASA всерьез задумываются над перспективами его использования в тандеме с солнечным парусом. Это позволит обеспечить космическому паруснику такой разгон, что полет до Марса займет 45 дней (вместо двух лет на кораблях с обычным ракетным двигателем).

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%.

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.

В 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”. Основной задачей эксперимента было не испытание тяговых качеств этого полотна, а освещение участка земной поверхности отраженным светом — еще одна вполне реальная функция солнечных парусов.

Диаметр светового пятна на Земле должен был достигнуть 8 км, а освещенность — 5 лунетт (полных лун).

В настоящее время солнечный парус — самое перспективное устройство для передвижения в космосе, имеющее целый ряд преимуществ перед химическими ракетными двигателями.