Солнечный парус (Vkluycudw hgjrv)
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/68/Solar_sail_tests.jpg/220px-Solar_sail_tests.jpg)
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/56/Myla32rp.jpg/220px-Myla32rp.jpg)
Со́лнечный па́рус (также называемый световым парусом или фотонным парусом) — приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.
Следует различать понятия «солнечный свет» (поток фотонов, именно он используется солнечным парусом) и «солнечный ветер» (поток элементарных частиц и ионов, который используется для полётов на электрическом парусе — другой разновидности космического паруса).
Идея полётов 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 относительно мало (на Земной орбите — около 9·10−6 Н/м2) и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца[1]. Например, общая сила, действующая на солнечный парус 800 на 800 метров, составляет около 5 ньютонов на расстоянии Земли от Солнца.[2] Солнечный парус может действовать в течение почти неограниченного периода времени, и совсем не требует расхода рабочего тела, и поэтому в некоторых случаях его использование может быть предпочтительно. Однако до настоящего времени ни один из космических аппаратов не использовал солнечный парус в качестве основного двигателя по причине крайне низкой тяги.
Физика явления
[править | править код]Предположим, что на неподвижное плоское идеальное зеркало массы нормально к его поверхности падает плоская световая волна с энергией . Обозначим энергию отражённой световой волны как , скорость, приобретённую зеркалом в результате отражения волны как . Тогда закон сохранения энергии: и закон сохранения импульса: . Из этих уравнений можно получить:
- (1)
- (2)
Отсюда следует, что коэффициент полезного действия фотонного паруса (доля энергии падающей волны, передаваемая парусу) тем больше, чем больше отношение энергии падающей волны к энергии покоя паруса. При энергии падающей волны, много большей энергии покоя зеркала практически вся энергия волны передаётся зеркалу.
В другом крайнем случае энергия падающей волны много меньше энергии покоя зеркала . В этом случае из формулы (1) получаем: . Из формулы (2) получаем:. Из этой формулы видно, что в этом случае световая волна передаёт парусу лишь ничтожную часть своей энергии[3].
Солнечный парус в проектах звездолётов
[править | править код]![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d1/Cosmos_1_solar_sail.jpg/220px-Cosmos_1_solar_sail.jpg)
Солнечный парус и другие виды космического паруса планируется использовать в некоторых проектах звездолётов[4][5][6][7][8][9][10]. 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 лёгкого 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 Солнечной системы 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 Земли[4][11]. Данные проекты сталкиваются с проблемой точного наведения лазеров на сверхдальних расстояниях и создания лазерных генераторов соответствующей мощности.
Джеффри Ландис[англ.] предложил использовать солнечную батарею для передачи энергии через лазер от базовой станции на межзвёздный зонд с ионным двигателем[12][13], что даёт некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом (в настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений)[14].
По оценкам Митио Каку в книге Физика невозможного теоретически возможен разгоняемый лазерами с Луны солнечный парус, который может достичь до половины скорости света и долететь до ближайшей звезды за 8 лет. Однако это потребует строительства солнечного паруса поперечником в несколько сотен километров и тысяч лазеров на Луне с продолжительностью работы в десятилетия, что трудно реализовать по экономическим и техническим причинам[15].
Конфигурации паруса
[править | править код]Космическая регата
[править | править код]В 1989 году юбилейной комиссией Конгресса США в честь 500-летия открытия Америки был объявлен конкурс о выведении на орбиту нескольких солнечных парусных кораблей, разработанных в разных странах, и проведении гонки под парусами к Марсу. 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[16].
Космические аппараты, использующие солнечный парус
[править | править код]Советскими учёными была изобретена схема радиационно-гравитационной стабилизации космического аппарата, основанная на применении солнечного паруса[17][18]. Первое развёртывание солнечного паруса в космосе было произведено на российском корабле «Прогресс М-15» 24 февраля 1993 года в рамках проекта «Знамя-2»[19].
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/05/Znamya-2.jpg/220px-Znamya-2.jpg)
Первым использовавшим космический парус как движитель аппаратом стал японский IKAROS, который и считается первым в истории космическим парусником[источник не указан 2515 дней]. 21 мая 2010 года Японское космическое агентство (JAXA) запустило ракету-носитель H-IIA, на борту которой находились космический аппарат IKAROS с солнечным парусом и метеорологический аппарат для изучения атмосферы Венеры[20]. IKAROS оснащён парусом из тончайшей мембраны размером 14 на 14 метров по длине и ширине. С его помощью предполагается исследовать особенности движения аппаратов при помощи солнечного света. На создание аппарата было потрачено 16 миллионов долларов. Раскрытие солнечного паруса началось 3 июня 2010 года, а 10 июня успешно завершилось. По кадрам, переданным с борта IKAROS, можно сделать вывод, что все 196 квадратных метров ультратонкого полотна расправились успешно, а тонкоплёночные солнечные батареи начали вырабатывать энергию.
Сейчас в России существует консорциум «Космическая регата», который провёл несколько опытов с солнечными отражателями с целью освещения районов нефте- и газодобычи. Также существуют проекты выплавления зеркал на орбите из астероидов.
20 мая 2015 года с космодрома на мысе Канаверал первый в истории частный спутник на солнечном парусе «LightSail-1» был отправлен в тестовый полёт[21][22].
В культуре
[править | править код]- Рассказ «Солнечный ветер[англ.]» (1963) писателя-фантаста Артура Чарльза Кларка, вошедший в сборник рассказов «Обмен Разумов»[23], целиком посвящён космической регате яхт, оснащенных солнечным парусом и приводимых в движение исключительно солнечным ветром. В рассказе, написанном от имени одного из участвующих в регате капитанов, перечислены яхты с различными вариантами исполнения солнечного паруса и средств стабилизации полёта. В рассказе также описывается инцидент, в ходе которого произошло столкновение двух яхт.
- В книге Бернара Вербера «Звёздная бабочка» повествование идёт о фантастическом космическом корабле в форме бабочки с использованием фотонного паруса.
- В сериале «Звёздный путь. Дальний космос 9» (s03e22 Explorers) коммандер Бенджамин Сиско строит корабль с солнечными парусами, чтобы доказать правдивость истории о древнем контакте баджорцев с кардассианской цивилизацией
- В фильме «Звёздные войны. Эпизод II: Атака клонов» после битвы на Джеонозисе граф Дуку улетает на Корусант на солнечном паруснике.
- В анимационном фильме студии Disney «Планета сокровищ» на сёрфере, корабле и шлюпке установлены солнечные паруса, как и на других судах которые можно увидеть в порту. В игре по мотивам фильма так же присутствуют суда, использующие солнечные паруса.
- Во вселенной Warhammer 40000 солнечными парусами оснащены корабли расы эльдар.
- Одна из серий мультсерий Смешарики: Пин-код (спин-оффа мультсериала Смешарики), а именно — двадцатая серия «Солнечный бриз» — посвящена теме солнечного паруса
- В третьем сезоне сериала «Ради Всего Человечества» американский пилотируемый марсианский корабль «Соджернер-1» оснащён, помимо ядерных двигателей, солнечными парусами.
См. также
[править | править код]Примечания
[править | править код]- ↑ A. Bolonkin. High Speed AB-Solar Sail (англ.). — 2007. — arXiv:physics/0701073.
- ↑ Jerome Wright (1992), Space Sailing, Gordon and Breach Science Publishers
- ↑ Бутиков Е. И., Быков А. А., Кондратьев А. С. Физика в примерах и задачах // М.: Наука. — 1989. — С. 443. — ISBN 5-02-014057-0
- ↑ 1 2 Форвард: Путешествие к звездам на энергетическом луче . Дата обращения: 27 сентября 2017. Архивировано 6 ноября 2017 года.
- ↑ Роберт Л. Форвард К звездам на острие луча . Дата обращения: 14 ноября 2017. Архивировано 6 ноября 2017 года.
- ↑ Ч. Дэнфорт Под парусом в протонном ветре . Дата обращения: 13 ноября 2017. Архивировано 31 октября 2017 года.
- ↑ Jones, E. A Manned Interstellar Vessel Using Microwave Propulsion: A Dysonship (англ.) // Journal of the British Interplanetary Society. — 1985. — Vol. 38. — P. 270−273. Архивировано 15 ноября 2017 года.
- ↑ Грегори Мэтлофф, Юджин Малов. Звездолеты на солнечных парусах: клипера галактики . Дата обращения: 13 ноября 2017. Архивировано 7 января 2018 года.
- ↑ Ден Спиз, Роберт Зубрин. Ультратонкие солнечные паруса для межзвездного путешествия . Дата обращения: 13 ноября 2017. Архивировано 15 ноября 2017 года.
- ↑ Interstellar Migration and the Human Experience Paperback — January 1, 1985 by Ben R Finney (Author), Eric M Jones (Author) . Дата обращения: 14 ноября 2017. Архивировано 4 апреля 2016 года.
- ↑ Лэндис: Малый межзвездный зонд, разгоняемый лазером . go2starss.narod.ru. Дата обращения: 27 сентября 2017. Архивировано 16 октября 2017 года.
- ↑ Laser-Powered Interstellar Probe . scholar.google.ru. Дата обращения: 27 сентября 2017.
- ↑ Geoffrey A. Landis. Laser-powered Interstellar Probe Архивировано 22 июля 2012 года. on the Geoffrey A. Landis: Science. papers available on the web Архивная копия от 15 сентября 2013 на Wayback Machine
- ↑ Лендис. Межзвездный ионный зонд, снабжаемый энергией по лазерному лучу . go2starss.narod.ru. Дата обращения: 27 сентября 2017. Архивировано 27 сентября 2017 года.
- ↑ Митио Каку. Физика невозможного. С. 224—225.
- ↑ Нина БАВИНА. Космоса тогда не было… Дата обращения: 25 мая 2011. Архивировано 13 октября 2011 года.
- ↑ Гурко О. В., Слабкий Л. И. Использование силовых влияний гравитационного и светового полей Солнца для ориентации космических аппаратов — В кн: «Искусственные спутники земли», вып. 16 — М. : Из-во АН СССР, 1963, 34-45. Дата обращения: 3 октября 2017. Архивировано 27 мая 2022 года.
- ↑ Поляхова Е. Н. «Космический полёт солнечным парусом: проблемы и перспективы», М., Изд. «Наука», Глав. ред. физ-мат. литературы, 1986 г. 304 л.
- ↑ Гудилин В. Е., Слабкий Л. И. Космические грузовые корабли «Прогресс», «Прогресс-М» и их модификации // Ракетно-космические системы (История. Развитие. Перспективы). — М., 1996. — 326 с. Архивировано 10 декабря 2012 года.
- ↑ Сайт проекта «ИКАРОС» Архивная копия от 22 июля 2010 на Wayback Machine (англ.)
- ↑ "Blastoff! X-37B Space Plane and LightSail Solar Sail Go Into Orbit". NBC News (англ.). Архивировано 28 сентября 2017. Дата обращения: 27 сентября 2017.
- ↑ Королёв Владимир. На всех парусах . nplus1.ru (22 мая 2015). Дата обращения: 30 мая 2015. Архивировано 19 июня 2015 года.
- ↑ С Земли на небеса // Обмен разумов / Михаил Гребенюк. — Ташкент: Ёш гвардия, 1989. — С. 238—256. — 464 с. — 400 000 экз. — ISBN 5-633-00221-0.
Литература
[править | править код]- Эльясберг П. Е. Введение в теорию полёта искусственных спутников Земли. — М., 1965.
Ссылки
[править | править код]- Королёв Владимир. На всех парусах . nplus1.ru (22 мая 2015).
- Лунная пыль – в стальные паруса звездолетов // Независимая газета, 9.04.2024
- Солнечный парус засияет звездой в память об астрономе // Мембрана, ноя 2009 /вебархив/