+ Физика солнечного паруса
+ Кинематика солнечных парусных судов
+ Тепловое воздействие на парус
+ Конфигурации парусов
+ Недостатки солнечных парусов
+ Управление солнечным парусом
+ Материалы для изготовления солнечного паруса
+ Миссии на солнечных парусах
+ Ближайшие научные миссии
+ Космическая коммерция и защита Земли
+ Пояс Оорта и звезды
+ Дополнительная информация
Физика солнечного паруса
Фотонное парусное судно - космический аппарат, ускоряемый импульсом отраженных им электромагнитных фотонов. Есть несколько типов фотонных парусных судов: лазерные (ускоряемые лазерными лучами), мазерные (ускоряемые коллимированными пучками волн СВЧ-диапазона) и солнечные. Солнечные парусные суда движутся за счет импульса передаваемого фотонами, излученными Солнцем и ударяющимися о парус.
Если парус полностью непрозрачен, световое давление солнечных фотонов ударяющихся о парус, отражающая поверхность которого ориентирована перпендикулярно солнечным лучам, может быть вычислено следующим образом:
где Refsail - отражательная способность паруса, SF - уровень солнечной радиации, попадающей на парус (1,368 Ватт/м2 на расстоянии равном солнечной постоянной), а с - скорость света (3 x 108 м/сек). Уровень солнечной радиации изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния до центра Солнца.
Кинематика солнечных парусных судов
Если (1) умножить на площадь паруса ориентированного перпендикулярно солнечным лучам Asail выраженную в квадратных метрах, то результирующее уравнение даст силу солнечного света, действующую на поверхность паруса. Применив второй закон Ньютона и поделив результат на массу космического аппарата, выраженную в килограммах Ms/c , получим ускорение космического корабля, обусловленное световым давлением Солнца:
где σs/c - поверхностная плотность паруса в килограммах на квадратный метр.
Удобной характеристикой качества солнечного парусного судна является коэффициент легкости LFs/c - отношение ускорения обусловленного световым давлением Солнца к ускорению свободного падения аппарата на Солнце. Из закона всемирного тяготения Ньютона:
где G - гравитационная постоянная 6.67 * 10-11 Н м2 кг-2 , Rsun - расстояние от центра Солнца до аппарата (в астрономических единицах 1 АЕ = 1.5 * 1011 м) и Msun - масса Солнца (1.99 * 1030 кг). Подставив эти постоянные в (3), получим упрощенный результат:
На расстоянии от Солнца равном орбите Земли полностью раскрытый парус с коэффициентом легкости равном 1 будет двигаться под действием светового давления Солнца с ускорением 5.92 * 10-3 м/с2 , т.е. около 6 * 10-4 ускорения свободного падения на Земле. Поверхностная плотность такого аппарата будет около 0.00146 кг/м2. Поэтому солнечные паруса должны быть очень легкими и обладать высокой отражающей способностью. Если подобное солнечное парусное судно будет иметь массу в 500 кг, то площадь солнечного паруса, ориентированного перпендикулярно солнечным лучам должна быть примерно равна 3.42 x 105 м2. Этот парус будет намного больше футбольного поля.
Введем угол между направлением падения солнечных лучей и нормалью к солнечному парусу "θ". Если солнечный парус перпендикулярен солнечным лучам θ = 0 градусов, иначе в соответствии с законом Ламберта значение поверхностной плотности потока солнечного излучения падающего на парус (в Ваттах на квадратный метр) умножается на cos θ. Поскольку площадь поперечного сечения паруса перпендикулярного к солнечным лучам также уменьшается на cos θ, ускорение аппарата с парусом расположенном под углом к солнечным лучам θ (ACCs/c,θ) выражается через ускорение аппарата с парусом, расположенном перпендикулярно солнечным лучам, следующим образом:
Когда солнечный парус не перпендикулярен солнечным лучам вектор его ускорения будет иметь две составляющих: радиальное (ACCs/c,rad) и тангенциальное (ACCs/c,tan):
В описываемом ниже двухпарусном солнечном фотонном двигателе закон Ламберта не нужно использовать, поскольку основной парус-коллектор всегда направлен перпендикулярно солнечным лучам и весь свет, падающий на него, используется в двигателе. Для такого двигателя cos 2θ в выражении (5) заменяется cos θ.
Тепловое воздействие на парус
Помимо малой массы и высокой отражательной способности солнечный парус должен быть также изготовлен из жаропрочного материала, поскольку вся солнечная энергия, поглощенная парусом должна быть излучена им в виде инфракрасного электромагнитного излучения.
Мощность излучения поглощаемого непрозрачным парусом, расположенным перпендикулярно солнечным лучам:
Поскольку поглощенная энергия может быть излучена в виде инфракрасных волн с обеих сторон паруса, излучательная способность паруса может быть выражена следующим образом:
Согласно закону Стефана-Больцмана для серых тел излучательная способность паруса связана с абсолютной температурой излучения Tsail:
где σ - постоянная Стефана-Больцмана (5.67 * 10-8 Вт м-2 К-4), а ε - излучательная способность материала (для абсолютно черного тела ε=1). Приравняв выражения (8) и (9) и приняв SF = 1,368 Вт/м2 для расстояния 1 А.Е., получим:
Максимальная температура излучения паруса никогда не должна превышать температуру плавления материала паруса. Для большинства материалов максимально возможная температура излучения меньше температуры плавления на несколько сотен градусов шкалы Кельвина.
Конфигурации парусов
На рисунке 1 показаны 6 предложенных конфигураций солнечного паруса:
1. Дисковый парус состоит из круглого полотна поддерживаемого и укрепленного рядом перекладин. Полезная нагрузка располагается в точке пересечения перекладин.
2. Квадратные и прямоугольные паруса. Полезная нагрузка также располагается в точке пересечения перекладин.
3. В парашютных парусах полезная нагрузка располагается физически отдельно от паруса и крепится к нему несколькими тросами.
4. Параболический парус или солнечно-фотонный двигатель состоит из нескольких парусов. Основной парус-коллектор направлен перпендикулярно солнечным лучам и фокусирует солнечный свет на двигатель меньшего размера. Двигателем можно управлять позволяя космическому аппарату изменять направление отраженного света и потому обеспечивать большую маневренность.
5. Многие проекты солнечного парусного судна подразумевают вращение аппарата, необходимое для того, чтобы центростремительная сила могла поддержать развертывание паруса, такой гелиогироскоп вращается подобно обычному гироскопу, но более медленно. В некоторых вариантах полотно паруса развертывается вдоль перекладин из контейнеров расположенных в центре и занимает пространство в пределах солнечных лопастей.
6. Выпуклые паруса или паруса-подушки - надувные устройства, у которых направленная к Солнцу поверхность покрыта слоем отражающего материала. Несмотря на то, что такая конструкция легче развертывается, она более массивна, чем другие.
Недостатки солнечных парусов и пути их преодоления
Одним из главных недостатков солнечного паруса во внешней Солнечной системе и за ее пределами является закон уменьшения количества солнечного излучения обратно пропорционально квадрату расстоянии до Солнца. Как только расстояние от солнечного парусного судна до Солнца увеличивается в 2 раза, уровень солнечной радиации и светового давления уменьшается в 4 раза.
По идее, этот эффект может быть компенсирован во внешней Солнечной системе и за ее пределами заменой солнечного света на направленный свет. Исследования показали, что солнечные и инфракрасные лазеры, а также микроволновые мазеры, расположенные во внутренней Солнечной системе могут проецировать лучи на парус даже находящийся очень далеко от Солнца. Такие паруса можно назвать не солнечными, а световыми.
Маневрирование и управление солнечным парусом
Маневры солнечного парусного судна могут быть классифицированы аналогично обычным океанским парусным судам. Как показано на рисунке 2, если солнечный парус перпендикулярен солнечным лучам, отраженные фотоны передают максимальный импульс поверхности паруса. Судно летит словно под "солнечным бризом".
Если же парус расположен под углом к солнечным лучам судно "накреняется". В двухпарусном солнечном фотонном двигателе импульс может быть значительно уменьшен отражением света от двигателя к парусу-коллектору. Подобная ориентация парусов аналогично маневру "лечь в дрейф", используемому для замедления движения океанского парусного судна в условиях сильного ветра.
Материалы для изготовления солнечного паруса
Существует несколько вариантов изготовления солнечного паруса. Для запускаемых с Земли солнечно парусных судов рассчитанных на малые расстояния одним из вариантов является использование "сандвича" из трех материалов. Сначала металлический передний слой с высокой отражательной способностью, за ним - мягкий жаропрочный пластик, а затем - материал с высокой излучательной способностью, такой как хром. Функция переднего слоя - обеспечить как можно большую отражательную способность паруса, до 90% падающего света. Задача внутреннего слоя - повысить эластичность паруса во время раскрытия. Поглощенная парусом солнечная энергия будет излучаться задним эмиссионным слоем. На сегодняшний день некоторые изготовленные по такой технологии солнечные паруса имеют поверхностную плотность менее 10 грамм на квадратный метр и могут работать только в пределах расстояний от Солнца, не превышающих 0.1 астрономической единицы. Толщина солнечного паруса обычно составляет примерно несколько микрон.
Прочность солнечного паруса может быть увеличена за счет включения в парус металлических ребер. Такая конструкция может уменьшить повреждения от столкновений с микрометеорами. Некоторые исследователи рассмотрели возможность использования пластика, быстро разрушающегося под действием ультрафиолетового излучения Солнца. В таком парусе слои будут состоять из пластика, обладающего большой отражательной и излучательной способностью, а также чувствительному к ультрафиолетовому излучению Солнца. Подобная конструкция может значительно уменьшить поверхностную плотность паруса.
Самый тонкий запускаемый с земли солнечный парус может состоять из слоев крепкого, жаропрочного композитного волокна. Подобный парус, покрытый отражающим слоем, будет иметь поверхностную плотность менее 1 грамма на квадратный метр. Космический аппарат с таким парусом может успешно функционировать в пределах 0.1 А.Е.
Для получения максимальной выгоды от использования солнечных парусов необходима инфраструктура их производства непосредственно в космосе. Используя вакуумное напыление можно изготовлять в космосе большие металлические листы толщиной 20-30 нанометров. При этом возможно получить поверхностную плотность паруса до 0.05 грамм на квадратный метр. Некоторые гипертонкие металлические паруса могут (теоретически) приблизиться к Солнцу на расстояние до 0.05 А.Е от его центра.
В будущем нанотехнология может позволить создавать перфорированные или ячеистые солнечные паруса. Если перфорации в парусе будут существенно меньше длины волны падающего на него света, малая масса и высокая отражательная способность могут, дополнив друг друга, значительно повысить производительность солнечных парусов.
Миссии с использованием солнечных парусов
Солнечный парус - это самая уникальная технология космических двигателей среди других реально возможных на сегодняшний день, поскольку она не требует топлива и может бесконечно ускорять космический аппарат под воздействием солнечного света или другого источника электромагнитного излучения. Однажды раскрытый солнечный парус, изготовленный из материалов устойчивых к космическим условиям, прослужит долгое время. Благодаря солнечным парусам станут реальностью многие космические миссии трудновыполнимые или вообще не возможные при использовании существующих типов двигателей.
Это могут быть либо миссии во внутренней Солнечной системе, либо миссии в которых космический аппарат будет ускоряться не только солнечным светом, но и искусственными источниками излучения во внутренней Солнечной системе. Солнечное парусное судно может развивать скорость до 100 км/с или даже выше после раскрытия паруса во время близкого сближения с Солнцем. Однако в связи с тем, что в ходе перелета от Земли до Юпитера (около 5 А.Е.) уровень солнечной радиации уменьшится в 25 раз, солнечный парус будет не эффективен для миссий к объектам внешней Солнечной системы.
На низкой околоземной орбите сопротивление атмосферы может тормозить широкие и легкие солнечные паруса. Даже солнечные фотонные двигатели могут тормозиться атмосферой в зависимости от высоты орбиты над Землей, которая должна быть больше 500 км.
Ближайшие научные миссии
В ближайшее время солнечные паруса с поверхностной плотностью от 6 до 10 грамм на квадратный метр рассматриваются для использования в аппаратах для наблюдения за Солнцем. Помещенный между Солнцем и Землей на расстояние нескольких лет, такой аппарат сможет заранее предупреждать нас о солнечных вспышках приближающихся к Земле. Если солнечные парусные КА изготавливать по технологии солнечного-фотонного двигателя и использовать материалы, способные выдержать радиацию, порождаемую многократным прохождением через радиоактивные пояса Ван-Аллена, то эти аппараты смогут обеспечивать устойчивое положение групп искусственных спутников Земли на различных орбитах в пределах земной магнитосферы. Приборы этих аппаратов могут осуществлять мониторинг состояния околоземной плазмы для исследования магнитного взаимодействия Земли и космоса.
Аппараты с солнечно-фотонным двигателем могут позволить создание и использование "полярных сиделок". Это космические аппараты, выведенные на орбиту с радиусом равным лунной, над полюсами Земли. "Полярные сиделки" могут использоваться для высокоширотной спутниковой связи, исследования климата Земли. Также солнечные паруса могут использоваться для доставки грузов или межорбитальных полетов к планетам земной группы (даже к Марсу) а также для отправки зондов к объектам внешней Солнечной системы (возможны быстрые пролеты мимо объектов пояса Койпера, таких как кометойды, расположенных на расстоянии 30-50 А.Е. от Солнца).
Возможно самой волнующей миссией с использованием солнечного паруса в ближайшее время сможет стать отправка космического аппарата, который раскроет парус вблизи орбиты Венеры или даже Меркурия, а затем отправится за пределы Солнечной системы и за несколько десятилетий достигнет гелиопаузы (предельного расстояния на которое распространяется влияние Солнца - около 250 А.Е. от звезды). Этот аппарат сможет на месте наблюдать взаимодействие Солнца с галактикой.
Космическая коммерция и защита Земли
По мере развития человеческой космической инфраструктуры, запускаемые с Земли или создаваемые в космосе, солнечные парусные космические аппараты смогут помочь нам в освоении космоса и защиты планеты от космических столкновений. С помощью таких аппаратов могут быть исследованы и уничтожены околоземные астероиды и кометы.
Если лучшие наземные и орбитальные телескопы могут предсказать столкновение с Землей околоземных объектов на несколько десятилетий, то солнечные паруса могут быть развернуты непосредственно вблизи опасных астероидов и ядер комет. Давление солнечного света на паруса пристыкованные к опасным объектам может изменить их угрожающие траектории на безопасные. С другой стороны солнечные паруса могут быть использованы как концентраторы солнечной энергии. Они смогут нагреть поверхность опасных объектов до выброса джетов способных изменить их траекторию.
Пояс Оорта и звезды
Если в будущем будут созданы солнечные паруса с поверхностной плотность 0.1 грамм на квадратный метр, способные выдержать очень близкое сближение с Солнцем, то появится возможность достижения скорости покидании Солнечной системы выше 300 км/с. Могут быть созданы роботизированные миссии для полета к кометам около пояса Оорта, которые смогут преодолеть расстояния в несколько тысяч А.Е. от Солнца за несколько десятилетий.
Солнечные паруса создаваемые в космосе смогут сократить длительность перелета от Земли до Марса с нескольких лет до нескольких месяцев. Эта же технология сможет позволить полеты к ближним звездам со скоростью при покидании Солнечной системы выше 1000 км/с. Путешествие в один конец до ближайших звезд (Проксима и Альфа Центавра) потребует от такого аппарата около 1000 лет. Развитие лазерных и мазерных технологий может со временем значительно уменьшить продолжительность межзвездных перелетов.
Оригинальный текст © 2004, NASA
Перевод с английского © 2005, Кирилл Юдин
Дополнительная информация
+ Программа NASA по созданию новых видов космических двигателей
+ Новости о лабораторном тестировании солнечных парусов
Испытание солнечного паруса в лаборатории NASA.
