Где будут востребованы космические солнечные парусники?

Ученые Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королёва совместно с коллегами из городского университета Нью-Йорка разрабатывают космический солнечный парусник, который сможет обогнать ныне существующие самые скоростные зонды и добраться до самых отдаленных уголков космоса.

Исследователи убеждены: именно такие космические аппараты без использования даже грамма земного топлива могут стать серьезной альтернативой традиционным звездолетам, двигатели которых поедают тонны ракетной горючего. Чтобы лететь в космосе, такому паруснику достаточно лишь тонкого давления фотонов, излучаемых Солнцем.

Частицы солнечного света обладают импульсом и передают его любой освещаемой поверхности, создавая давление, которое и увлекает за собой космический аппарат. Создаваемая тяга зависит от площади паруса, а еще от того, насколько легкий сам корабль. Парус разворачивается и ориентируется на светило. Разгоняясь, потенциально он способен передвигаться со скоростью 120 тыс. км/с и больше. Для сравнения: самый быстрый "Вояджер-1" – 17,2 км/с.

Главное преимущество, конечно, очевидно. Двигатели на химическом горючем могут работать сотни секунд, плазменные – тысячи часов, но и те, и другие ограничены запасом рабочего тела. А вот паруса могут давать тягу, пока их поверхность просто освещена Солнцем. И по прогнозам астрономов, это будет продолжаться еще около 5 млрд лет.

Способность к неограниченным по длительности полетам делает паруса идеальными для исследования внутренней части Солнечной системы, где солнечный свет в изобилии.

Ранее ученые американского университета участвовали в разработке солнечных парусов каркасного типа NanoSail-D и NEA Scout. Космические аппараты выводили в космос в 2010 и 2022 годах. Первый успешно развернулся и функционировал на орбите Земли, а вот второй был потерян, и данные с него получить не удалось.

Аппарат, который создается сейчас, имеет круглую надувную конструкцию – форму бублика. Средняя часть закрыта тонкой мембраной – это и есть солнечный парус. Как рассказывают разработчики, в нужный момент инертный газ ксенон надует всю конструкцию, и парус раскроется.

Корпус покроют специальным веществом, которое начнет испаряться, когда он приблизится к Солнцу. Дополнительный импульс обеспечит ускорение по принципу реактивного двигателя. По предварительным расчетам, новый парусник разовьет скорость, с которой сможет добраться даже до облака Оорта на краю Солнечной системы за 20-30 лет.

Облако Оорта расположено в 2000 раз дальше от Солнца, чем Земля. Тому же звездному стайеру "Вояджер-1" потребуется около 300 лет, чтобы туда добраться.

"Это значит, что мы или ближайшее поколение сможем получить новую информацию из облака Оорта, предположительно, порождающего все кометы, и изучить вещество, которое осталось неизменным с момента формирования Солнечной системы около 4,6 миллиарда лет назад", – говорит заведующая кафедрой динамики полета и систем управления Самарского университета им. академика С.П. Королева, профессор Ольга Старинова.

Ученые просчитали варианты перелетов парусника ко всем планетам Солнечной системы. Так, небольшие парусники могут долго находиться на орбитах около Юпитера, Сатурна или Марса, передавая на Землю научные данные. Кстати, до Юпитера парусник сможет долететь всего за год вместо четырех-пяти лет обычным ходом.

Также разработчики уже рассчитали траектории путешествия к Солнцу, которые позволят максимально приблизиться к светилу, использовать для набора скорости солнечную энергию и при этом не спалить аппарат. А в ближайшее время хотят испытать еще один способ набора скорости для дальних космических миссий.

По словам Ольги Стариновой, американцы сейчас сосредоточены на испытаниях в космосе другого паруса. Речь идет об усовершенствованной композитной системе солнечных парусов (ACS3) НАСА – это демонстрация технологии изготовления и развертывания солнечных парусов для будущих малых космических аппаратов. Запуск экспериментального спутника-кубсата состоялся 24 апреля этого года из Новой Зеландии. Основная задачи миссии – испытать композитные мачты из гибкого полимера и углеродного волокна, которые способны из небольших конструкций разворачиваться в жесткие и легкие распорки длиной семь метров каждая. При этом парус толщиной всего два микрона (тоньше листа папиросной бумаги) должен выдержать нагрузки и не разорваться.

"Если ACS3 полетит успешно, то следующий должен быть наш. Это года через три", – отметила Ольга Старинова.

Кстати, солнечные паруса можно использовать для научных исследований не только в дальнем космосе, но и на околоземных орбитах. Например, для освещения городов или плавучих платформ в полярных широтах.

Впервые настоящий солнечный парус появился в космосе не у кого-нибудь, а у России: был испытан еще в начале 90-х годов прошлого века в рамках орбитального эксперимента "Знамя-2". О неизвестных или забытых уже подробностях "РГ" рассказал генеральный директор консорциума "Космическая регата" Олег Сапрыкин: "В 1989 году был объявлен международный конкурс на создание космических кораблей с солнечными парусами и их полет к Марсу. Заявки на участие подали США, Канада, Великобритания, Италия, Китай, Япония и Советский Союз. Но построить легкий и надежный космический корабль с большим парусом оказалось нелегко. Зарубежные претенденты для поддержания формы паруса предусматривали ту или иную рамную конструкцию, и общая масса корабля становилась неприемлемо большой. В нашем проекте не было никакой рамы: солнечный парус представлял собой диск из полимерной пленки толщиной 5 микрон с алюминиевым покрытием. На корабле должны были устанавливаться два таких диска, вращающихся в противоположных направлениях. Так создавались центробежные силы, которые растягивали пленку, обеспечивая ее плоскую форму. Проект оказался лучшим и получил наивысшую оценку жюри конкурса".

Но гонка под солнечными парусами не состоялась из-за отсутствия у организаторов финансовой поддержки. Несмотря на ее отмену и распад Советского Союза, работы над отечественным проектом не прекратились. В 1993 году российский парус был выведен в сложенном виде на околоземную орбиту на транспортном космическом корабле "Прогресс М-10" и развернут в рабочее состояние.

Диаметр паруса-диска, образованного восемью секторами тонкой зеркальной пленки, равнялся 20 метрам. Цель эксперимента состояла в проверке способа разворачивания тонкопленочной конструкции в космосе и поддержания ее устойчивости за счет вращения. Изучалась также как раз возможность освещения Земли отраженным от паруса солнечным светом. Это стало вторым, весьма обещающим направлением использования создаваемой технологии.

Эксперимент в целом оказался успешным, хотя выявились и некоторые недостатки конструкции. Затем был запущен проект усовершенствованного отражателя "Знамя-3" и начата подготовка промежуточного "Знамя-2.5". Запуск последнего в космос состоялся в октябре 1998 года на корабле "Прогресс М-40". Однако все было прекращено досрочно из-за ошибки в автоматической программе управления.

А вот третий проект – "Знамя-3", в котором предполагалось развертывание большого зеркала диаметром 60-70 метров и для которого был выбран другой, с повышенной радиационной стойкостью, материал, так и не состоялся. Как говорят специалисты, не спасло и его включение в долгосрочную программу космических экспериментов.

"Финансирование так и не было открыто, – замечает Олег Сапрыкин. – Программа неоднократно пересматривалась, но этот в ней всегда присутствовал. Во время эксплуатации станции "Мир", а после ее затопления – МКС проект "Знамя-3" оставался важной составляющей планируемых научно-технологических работ на борту. Однако деньги все равно не выделили".

Наработки остались. Ученые считают, что летные испытания солнечного парусного корабля в эксперименте "Знамя-3" имеют не только прикладное, но и фундаментальное значение. Результаты откроют перспективы для создания уникальных космических аппаратов, способных не только осуществлять длительные перелеты в пределах Солнечной системы без топлива, но и освещать северные районы нашей страны с помощью космических зеркал, регулировать направленное на Землю солнечное излучение для "компенсации" климатических изменений, а также играть роль "космических маяков" и выполнять другие важные научные и технические задачи, требующие долгого пребывания в космосе.

Кстати, был в России и еще один интересный проект. В 1999 году НПО имени Лавочкина приняло заказ "Планетарного общества" США на проектирование солнечного парусника "Космос-1". Он должен был использовать для ускорения 30-метровую зеркальную пленку, состоящую из восьми отдельных сегментов.

Первым действующим солнечным парусником стал японский аппарат IKAROS, запущенный в 2010 году. Этот аппарат был оснащен парусом размером 14х14 метров. В 2015 году с американского космодрома на мысе Канаверал был отправлен в пробный полет наноспутник LightSail-1 с солнечным парусом в 32 квадратных метра. Второй подобный корабль был запущен в 2019-м.

Ученые считают, что солнечные паруса могут быть использованы для исследования двух перспективных ледяных спутников в нашей Солнечной системе: спутника Юпитера – Европы и спутника Сатурна – Энцелада. Они считаются главными объектами для поиска внеземной жизни из-за вероятного наличия соленого океана под их поверхностью.

Гейзеры воды, выбрасываемые Энцеладом, и шлейфы, наблюдаемые на Европе, предоставят уникальные возможности для изучения состава этих океанов без необходимости высаживаться на них, говорится в работе, опубликованной в журнале Acta Astronautica. По оценкам авторов исследования, 100-килограммовый солнечный парус может достичь Европы всего за один-четыре года, а Энцелада – за три-шесть лет. Современные технологии демонстрируют потенциал для обеспечения межзвездных миссий и исследования новых горизонтов.

По материалам Российской газеты: rg.ru