Солнечные паруса: Как летать в космосе без топлива?

Космический аппарат обычно приходится разгонять двигателем. А двигатель требует топлива. Чем дальше и сложнее полет, тем больше топлива нужно взять с собой — и тем тяжелее становится сам аппарат. Но существует другой способ движения, при котором топливо вообще не расходуется. Можно использовать свет.

Именно на этом принципе работают солнечные паруса — огромные и чрезвычайно легкие отражающие поверхности, которые получают небольшой, но постоянный толчок от солнечного излучения. Идея кажется почти фантастической. Однако в её основе лежит обычная физика: свет способен передавать импульс предметам, на которые он падает. А если поверхность отражает свет, эффект становится еще сильнее.

Авторы исследования Solar Sailing – Mission Opportunities and Innovative Technology Demonstration рассматривают солнечный парус именно как двигатель, который получает импульс от фотонов и поэтому не нуждается в запасе рабочего тела.

Свет действительно может толкать космический корабль

Каждый отдельный фотон передает поверхности ничтожный импульс. Настолько маленький, что в повседневной жизни давление света мы просто не замечаем. Но в космосе ситуация меняется.

Если сделать отражающую поверхность площадью в сотни или тысячи квадратных метров и одновременно сделать её чрезвычайно лёгкой, воздействие миллиардов миллиардов фотонов начинает создавать вполне реальную тягу.

Поэтому солнечный парус должен обладать двумя, на первый взгляд, плохо совместимыми свойствами: быть огромным и почти невесомым. В исследовании ESA рассматриваются конструкции с массой всего в десятки граммов на квадратный метр. Сам парус представляет собой тончайшую пленку с отражающим покрытием.

Причем отражение здесь принципиально важно. Если фотон просто поглощается поверхностью, он передаёт ей свой импульс. Если же свет отражается обратно, изменение импульса оказывается больше. Для почти идеального отражателя передаваемый импульс может приблизиться к удвоенному по сравнению с поглощением.

Получается своеобразный космический парусник.Только обычный парус ловит ветер, а солнечный — поток света от Солнца.

Если тяга такая слабая, какой от нее толк?

На первый взгляд — небольшой. В исследовании рассматриваются характерные ускорения порядка 0,1–1 мм/с².Это несравнимо с мощностью ракетного двигателя.

Но у солнечного паруса есть принципиальное преимущество: ракета работает минуты или часы, пока не закончится топливо. Свет давит на парус постоянно. Секунду за секундой. День за днём. Месяц за месяцем.

Поэтому небольшое ускорение постепенно накапливается. Именно отсутствие необходимости расходовать топливо позволяет рассматривать солнечные паруса для маневров, которые для обычного аппарата потребовали бы огромного запаса топлива.

Парусом можно управлять

Солнечный парус не просто толкает аппарат прочь от Солнца. Меняя угол паруса относительно солнечных лучей, можно менять направление возникающей силы. Таким образом аппарат способен изменять свой орбитальный момент и постепенно переходить на другие орбиты — в том числе двигаться не только наружу от Солнца, но и по спирали внутрь Солнечной системы.

По сути, вместо включения двигателя космический аппарат меняет ориентацию своего гигантского зеркала. Это и превращает давление солнечного света из любопытного физического эффекта в систему космической тяги.

Зачем вообще нужны солнечные паруса

Главная причина — не просто экономия топлива.Солнечный парус потенциально позволяет выполнять такие маневры, которые для традиционного аппарата оказываются слишком дорогими или практически невозможными. В исследовании приводится показательный пример — аппарат для изучения магнитного хвоста Земли.

Этот хвост постоянно ориентирован относительно направления Земля–Солнце. Обычный спутник на вытянутой орбите оказывается в удобном положении для наблюдений лишь часть года. Чтобы постоянно разворачивать его орбиту вслед за магнитным хвостом, потребовалось бы изменение скорости примерно на 3,2 км/с каждый год — чрезвычайно дорогое с точки зрения топлива.

Солнечный парус может создавать небольшое воздействие непрерывно. Расчеты авторов показали, что для такого изменения орбиты достаточно постоянного ускорения около 0,14 мм/с². То есть слабость солнечного паруса неожиданно становится его преимуществом: там, где требуется не мощный кратковременный импульс, а очень долгое и непрерывное воздействие, он оказывается особенно эффективным.

К Меркурию — на солнечных парусах 

Еще интереснее расчеты полета к Меркурию. Авторы сравнили традиционную схему миссии с вариантом, в котором транспортировку обеспечивает солнечный парус.

Для рассчитанного ими сценария перелёт к Меркурию занимал около 2,4 года при характерном ускорении порядка 0,3 мм/с². При этом не требовались гравитационные манёвры у других планет, а значит, исчезала и жесткая зависимость от подходящих планетарных конфигураций и связанных с ними стартовых окон.

Но особенно показательна масса. В приведенном авторами сравнении вариант миссии с солнечным парусом имел расчетную стартовую массу 872 кг, тогда как сравниваемая конфигурация с электрореактивной и химической двигательной системой — 2272 кг.

Причина проста: обычному аппарату приходится везти с собой не только научные приборы, но и двигатели, баки и сотни килограммов рабочего тела. Солнечный парус вместо топлива везет большую тонкую отражающую поверхность.

Можно добраться туда, где обычному аппарату очень трудно работать

В исследовании рассматривается и ещё более необычная возможность — приблизиться к Солнцу и затем изменить наклон орбиты так, чтобы наблюдать его полярные области.

Предложенный авторами аппарат мог бы постепенно спуститься до расстояния около 0,172 астрономической единицы от Солнца, а затем перейти к солнечной полярной орбите.Для такой миссии расчётный квадратный парус получался поистине гигантским — примерно 167 × 167 метров.

Почти три футбольных поля по площади — и все это должно быть тончайшей, чрезвычайно легкой конструкцией, которую сначала необходимо сложить для запуска, а затем безошибочно раскрыть в космосе.

Именно поэтому главная проблема солнечных парусов заключается сегодня не в самой физике.Она давно понятна. Проблема — в инженерии.

Главная сложность — построить гигантский парус, который почти ничего не весит

Чем больше площадь паруса и меньше его масса, тем эффективнее аппарат использует солнечный свет. Но огромную пленку необходимо упаковать в небольшой объём ракеты, доставить в космос, раскрыть, натянуть и затем точно ориентировать.

В описанном ESA демонстраторе, например, конструкция в сложенном состоянии должна была занимать объём всего около 60 × 60 × 80 см, после чего четыре длинные штанги разворачивали четыре секции, образуя квадратный парус размером 20 × 20 метров.Чем крупнее парус, тем сложнее эта задача. Нужно одновременно решить проблемы прочности, массы, управления, температурных нагрузок и долговечности тончайшей пленки.

Космический корабль, которому не нужно заправляться

Солнечный парус не заменит ракету при старте с Земли. Он не способен поднять аппарат с поверхности планеты и не даёт огромной мгновенной тяги. Его преимущество проявляется уже в космосе. Там практически незаметное давление света можно превратить в двигатель, способный работать месяцами и годами без расходования топлива.

Это меняет саму логику космического полёта.  Вместо схемы «взяли топливо — разогнались — израсходовали топливо» появляется другая: «раскрыли парус — и позволили Солнцу постепенно менять траекторию аппарата».

Поэтому солнечный парус интересен не как экзотическая замена обычному двигателю, а как инструмент для совершенно другого класса миссий — длительных перелётов, непрерывного изменения орбит и достижения областей пространства, куда традиционным способом добраться слишком дорого.

Как заключают авторы исследования, именно возможность получать практически неограниченный суммарный прирост скорости без расходования рабочего тела делает солнечные паруса потенциально способными не только улучшить существующие космические миссии, но и сделать возможными некоторые принципиально новые миссии.