stringtranslate.com

Солнечный парус

Космический зонд ИКАРОС с солнечным парусом в полете (изображение художника) с типичной квадратной конфигурацией паруса.

Солнечные паруса (также известные как световые паруса , световые паруса и фотонные паруса ) представляют собой метод движения космического корабля с использованием радиационного давления , оказываемого солнечным светом на большие поверхности. С 1980-х годов было предложено несколько космических полетов для проверки солнечной энергии и навигации. Первым космическим кораблем, использовавшим эту технологию, был IKAROS , запущенный в 2010 году.

Полезной аналогией солнечного плавания может быть парусная лодка; свет, оказывающий силу на большую поверхность, подобен парусу, развиваемому ветром. Лазерные лучи высокой энергии можно использовать в качестве альтернативного источника света, оказывающего гораздо большую силу, чем это было бы возможно при использовании солнечного света. Эта концепция известна как «парусный луч». Солнечные парусные суда предлагают возможность недорогих операций в сочетании с высокими скоростями (по сравнению с химическими ракетами ) и длительным сроком службы. Поскольку у них мало движущихся частей и они не используют топливо, их потенциально можно многократно использовать для доставки полезной нагрузки.

Солнечные паруса используют явление, которое имеет доказанный и измеренный эффект на астродинамику . Солнечное давление влияет на все космические корабли, будь то в межпланетном пространстве или на орбите вокруг планеты или небольшого тела. Например, типичный космический корабль, отправляющийся на Марс, будет смещен на тысячи километров под действием солнечного давления, поэтому последствия необходимо учитывать при планировании траектории, что делается со времен первых межпланетных космических кораблей 1960-х годов. Солнечное давление также влияет на ориентацию космического корабля — фактор, который необходимо учитывать при проектировании космического корабля . [1]

Например, общая сила, действующая на солнечный парус размером 800 на 800 метров (2600 на 2600 футов), составляет около 5  Н (1,1  фунт-сила ) на расстоянии Земли от Солнца, [2] что делает его двигательной установкой с малой тягой , аналогичной к космическому кораблю, приводимому в движение электрическими двигателями , но, поскольку он не использует топливо, эта сила действует почти постоянно, и коллективный эффект с течением времени достаточно велик, чтобы его можно было рассматривать как потенциальный способ приведения в движение космического корабля.

История концепции

Иоганн Кеплер заметил, что хвосты комет направлены от Солнца , и предположил, что этот эффект вызван Солнцем. В письме Галилею в 1610 году он писал: «Предоставьте корабли или паруса, приспособленные к небесным ветрам, и найдутся такие, кто выдержит даже эту пустоту». [3] Возможно, он имел в виду феномен хвоста кометы, когда писал эти слова, хотя его публикации о хвостах комет появились несколько лет спустя. [4]

Джеймс Клерк Максвелл в 1861–1864 годах опубликовал свою теорию электромагнитных полей и излучения, которая показывает, что свет имеет импульс и, таким образом, может оказывать давление на объекты. Уравнения Максвелла обеспечивают теоретическую основу для плавания при небольшом давлении. Итак, к 1864 году физическое сообщество и не только знали, что солнечный свет обладает импульсом, который оказывает давление на объекты.

Жюль Верн в книге «От Земли до Луны» [5] , опубликованной в 1865 году, писал: «Когда-нибудь появятся скорости, намного превышающие эти [планет и снаряда], механическим агентом которых, вероятно, будет свет или электричество. ... однажды мы отправимся на Луну, планеты и звезды». [6] Возможно, это первое опубликованное признание того, что свет может перемещать корабли в космосе.

Петр Лебедев первым успешно продемонстрировал легкое давление, что он и сделал в 1899 году на крутильных весах; [7] Эрнест Николс и Гордон Халл провели аналогичный независимый эксперимент в 1901 году с использованием радиометра Николса . [8]

Сванте Аррениус в 1908 году предсказал возможность того, что давление солнечного излучения будет распространять споры жизни на межзвездные расстояния, что стало одним из способов объяснения концепции панспермии . Вероятно, он был первым ученым, заявившим, что свет может перемещать объекты между звездами. [9]

Константин Циолковский первым предложил использовать давление солнечного света для продвижения космического корабля в космосе и предложил «использовать огромные зеркала из очень тонких листов, чтобы использовать давление солнечного света для достижения космических скоростей». [10]

Фридрих Цандер (Цандер) опубликовал в 1925 году техническую статью, в которой содержался технический анализ солнечного плавания. Зандер писал о «приложении малых сил», используя «световое давление или передачу световой энергии на расстояния с помощью очень тонких зеркал». [11]

Дж. Б. С. Холдейн в 1927 году размышлял об изобретении трубчатых космических кораблей, которые доставят человечество в космос, и о том, как «крылья из металлической фольги площадью в квадратный километр или более расправляются, чтобы поймать радиационное давление Солнца». [12]

Дж. Д. Бернал писал в 1929 году: «Можно было бы разработать такую ​​форму космического плавания, которая бы использовала отталкивающий эффект солнечных лучей вместо ветра. предел орбиты Нептуна. Затем, чтобы увеличить свою скорость, он должен был лавировать с крутым курсом вниз по гравитационному полю, снова расправив все паруса и промчавшись мимо Солнца». [13]

Артур Кларк написал «Санджаммер» , научно-фантастический рассказ, первоначально опубликованный в мартовском номере журнала Boys' Life за 1964 год [14], в котором описывается гонка на яхтах между космическими кораблями с солнечными парусами.

Карл Саган в 1970-х годах популяризировал идею плавания на свету, используя гигантскую структуру, которая отражала бы фотоны в одном направлении, создавая импульс. Он излагал свои идеи на лекциях в колледже, в книгах и телевизионных шоу. Он был зациклен на том, чтобы как можно скорее запустить этот космический корабль и успеть встретиться с кометой Галлея . К сожалению, миссия не состоялась вовремя, и он никогда не доживет до ее завершения. [15]

Первые официальные разработки технологии и проектирования солнечного паруса начались в 1976 году в Лаборатории реактивного движения для предполагаемой миссии по сближению с кометой Галлея . [2]

Типы

Светоотражающий

Большинство солнечных парусов основано на отражении . [16] Поверхность паруса обладает высокой отражающей способностью, как зеркало , и свет, отражающийся от поверхности, придает силу.

дифракционный

В 2018 году дифракция была предложена в качестве другого механизма движения солнечного паруса, который, как утверждается, имеет ряд преимуществ. [17] [18]

Альтернативы

Электрический солнечный ветер

Пекка Янхунен из FMI предложил тип солнечного паруса, названный электрическим солнечным ветровым парусом . [19] Механически он имеет мало общего с традиционной конструкцией солнечного паруса. Паруса заменены выпрямленными проводящими тросами (тросами), расположенными радиально вокруг корабля-хозяина. Провода электрически заряжены, создавая вокруг них электрическое поле . Электрическое поле распространяется на несколько десятков метров в плазму окружающего солнечного ветра. Солнечные электроны отражаются электрическим полем (как фотоны на традиционном солнечном парусе). Радиус паруса зависит от электрического поля, а не от самого провода, что делает парус легче. Судном также можно управлять, регулируя электрический заряд проводов. Практический электрический парус будет иметь 50–100 выпрямленных проводов длиной около 20 км каждый. [20]

Электрические паруса на солнечном ветру могут регулировать свои электростатические поля и положение паруса.

Магнитный

Магнитный парус также будет использовать солнечный ветер. Однако магнитное поле отклоняет электрически заряженные частицы на ветру. Он использует проволочные петли и пропускает через них статический ток вместо подачи статического напряжения. [21]

Все эти конструкции маневренные, хотя механизмы разные.

Магнитные паруса искривляют путь заряженных протонов, находящихся в солнечном ветре . Изменяя положение парусов и размер магнитных полей, они могут изменить величину и направление тяги.

Физические принципы светоотражающих парусов

Давление солнечной радиации

Сила, сообщаемая солнечному парусу, возникает из-за импульса фотонов. Импульс фотона или всего потока определяется соотношением Эйнштейна : [22] [23]

где p — импульс, E — энергия (фотона или потока), а c — скорость света . В частности, импульс фотона зависит от его длины волны p = h/λ.

Давление солнечного излучения может быть связано со значением освещенности ( солнечной постоянной ) 1361 Вт/м 2 на расстоянии 1  а.е. (расстояние Земля-Солнце), как было пересмотрено в 2011 году: [24]

Идеальный парус плоский и имеет 100% зеркальное отражение . Реальный парус будет иметь общую эффективность около 90%, около 8,17 мкН/м 2 , [23] из-за кривизны (волн), складок, поглощения, повторного излучения спереди и сзади, незеркальных эффектов и других факторов. .

Сила, действующая на парус, возникает в результате отражения потока фотонов.

Сила, действующая на парус, и фактическое ускорение корабля изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца (если только оно не находится слишком близко к Солнцу [25] ) и квадрату косинуса угла между вектором силы паруса и радиал от Солнца, поэтому

(для идеального паруса)

где R — расстояние от Солнца в астрономических единицах. Фактический квадратный парус можно смоделировать следующим образом:

Обратите внимание, что сила и ускорение обычно приближаются к нулю при θ = 60°, а не при угле 90°, как можно было бы ожидать от идеального паруса. [26]

Если часть энергии поглощается, поглощенная энергия нагревает парус, который повторно излучает эту энергию с передней и задней поверхностей, в зависимости от излучательной способности этих двух поверхностей.

Солнечный ветер , поток заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем, оказывает номинальное динамическое давление примерно от 3 до 4 нПа , что на три порядка меньше, чем давление солнечного излучения на отражающий парус. [27]

Параметры паруса

Нагрузка паруса (плотность площади) является важным параметром, который представляет собой общую массу, разделенную на площадь паруса, выраженную в г/м 2 . Обозначается греческой буквой σ (сигма).

Парусное судно имеет характерное ускорение ac , которое оно испытывает на расстоянии 1 а.е., когда оно обращено к Солнцу. Обратите внимание, что это значение учитывает как падающий, так и отраженный импульсы. Используя приведенное выше значение 9,08 мкН на квадратный метр радиационного давления на расстоянии 1 а.е., a c связана с поверхностной плотностью следующим образом:

a c = 9,08(КПД) / σ мм/с 2

Принимая КПД 90 %, a c = 8,17 / σ мм/с 2

Число легкости λ представляет собой безразмерное отношение максимального ускорения транспортного средства к местной силе тяжести Солнца. Используя значения в 1 AU:

λ = а с / 5,93

Число легкости также не зависит от расстояния от Солнца, поскольку и гравитация, и световое давление падают обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Следовательно, это число определяет типы орбитальных маневров, которые возможны для данного корабля.

В таблице представлены некоторые примеры значений. Полезные нагрузки не включены. Первые два взяты из детального проектирования в Лаборатории реактивного движения в 1970-х годах. Третий, решетчатый парус, может представлять собой наилучший возможный уровень производительности. [2] Размеры квадратных и решетчатых парусов указаны по краям. Размер гелиогироскопа — от кончика лезвия до кончика лезвия.

Контроль отношения

Активная система ориентации (ACS) необходима парусному судну для достижения и поддержания желаемой ориентации. Требуемая ориентация паруса меняется медленно (часто менее 1 градуса в день) в межпланетном пространстве, но гораздо быстрее на планетарной орбите. Система ACS должна соответствовать этим требованиям ориентации. Управление ориентацией достигается за счет относительного смещения центра давления корабля и его центра масс . Этого можно достичь с помощью рулевых лопастей, движения отдельных парусов, движения управляющей массы или изменения отражательной способности.

Для поддержания постоянного положения требуется, чтобы система ACS поддерживала нулевой чистый крутящий момент на аппарате. Суммарная сила и крутящий момент паруса или набора парусов не являются постоянными на траектории. Сила меняется в зависимости от расстояния до Солнца и угла паруса, что изменяет волну паруса и отклоняет некоторые элементы несущей конструкции, что приводит к изменению силы и крутящего момента паруса.

Температура паруса также меняется в зависимости от расстояния до Солнца и угла паруса, что приводит к изменению размеров паруса. Лучистое тепло от паруса меняет температуру несущей конструкции. Оба фактора влияют на общую силу и крутящий момент.

Чтобы поддерживать желаемое отношение, ACS должна компенсировать все эти изменения. [28]

Ограничения

На околоземной орбите солнечное давление и сопротивление сопротивления обычно равны на высоте около 800 км, а это означает, что парусному кораблю придется работать выше этой высоты. Парусные корабли должны работать на орбитах, скорость поворота которых совместима с орбитами, что обычно касается только конфигураций с вращающимся диском.

Рабочая температура паруса зависит от расстояния до Солнца, угла паруса, отражательной способности, а также передней и задней излучательной способности. Парус можно использовать только в том случае, если его температура поддерживается в пределах допустимых для материала свойств. Как правило, парус можно использовать достаточно близко к Солнцу, около 0,25 а.е., или даже ближе, если он тщательно спроектирован для таких условий. [2]

Приложения

Потенциальные возможности применения парусных судов простираются по всей Солнечной системе , от Солнца до кометных облаков за пределами Нептуна. Судно может совершать дальние рейсы для доставки грузов или стоянки в пункте назначения. Их можно использовать для перевозки грузов, а также, возможно, для путешествий людей. [2]

Внутренние планеты

Для путешествий внутри Солнечной системы они могут доставлять полезные грузы, а затем возвращаться на Землю для последующих путешествий, работая в качестве межпланетного шаттла. По словам Джерома Райта, в частности, для Марса корабль может стать экономичным средством регулярного снабжения операций на планете: «Стоимость запуска необходимого обычного топлива с Земли огромна для пилотируемых миссий. Использование парусных кораблей потенциально может сэкономить более 10 долларов». миллиарда расходов на миссию». [2]

Солнечные парусные корабли могут приближаться к Солнцу для доставки наблюдательной нагрузки или для поддержания орбиты станции. Они могут работать на расстоянии 0,25 а.е. или ближе. Они могут достигать высоких наклонений орбит, в том числе полярных.

Солнечные паруса могут путешествовать на все внутренние планеты и обратно. Полеты к Меркурию и Венере предназначены для встречи и выхода на орбиту полезной нагрузки. Полеты на Марс могут быть либо для встречи, либо для пролета с выпуском полезной нагрузки для аэродинамического торможения . [2]

Внешние планеты

Минимальное время перехода на внешние планеты выигрывает от использования непрямого перехода (солнечного перехода). Однако этот метод приводит к высокой скорости прибытия. Более медленные трансферы имеют более низкую скорость прибытия.

Минимальное время перехода к Юпитеру при скорости c 1 мм/с 2 без скорости удаления относительно Земли составляет 2 года при использовании непрямого перехода (солнечного пролета). Скорость прибытия ( V ∞ ) близка к 17 км/с. Для Сатурна минимальное время полета составляет 3,3 года, а скорость прибытия около 19 км/с. [2]

Облако Оорта/Фокус внутренней гравитации Солнца

Внутренняя точка гравитационного фокуса Солнца находится на минимальном расстоянии 550 а.е. от Солнца и является точкой, в которую свет от удаленных объектов фокусируется под действием силы тяжести в результате его прохождения мимо Солнца. Таким образом, это удаленная точка, в которой солнечная гравитация заставит сфокусироваться область глубокого космоса по другую сторону Солнца, тем самым эффективно служа очень большим объективом телескопа. [29] [30]

Было высказано предположение, что надутый парус, сделанный из бериллия , который начинается на расстоянии 0,05 а.е. от Солнца, получит начальное ускорение 36,4 м/с 2 и достигнет скорости 0,00264c (около 950 км/с) менее чем за день. Такая близость к Солнцу может оказаться непрактичной в ближайшем будущем из-за структурной деградации бериллия при высоких температурах, диффузии водорода при высоких температурах, а также электростатического градиента, создаваемого ионизацией бериллия солнечным ветром, что создает угрозу риск взрыва. Пересмотренный перигелий в 0,1 а.е. уменьшит вышеупомянутую температуру и воздействие солнечного потока. [31] Такому парусу потребуется «два с половиной года, чтобы достичь гелиопаузы , шесть с половиной лет, чтобы достичь внутреннего гравитационного фокуса Солнца , с прибытием во внутреннее Облако Оорта не более чем через тридцать лет». [30] «Такая миссия могла бы проводить полезные астрофизические наблюдения по пути, исследовать методы гравитационной фокусировки и получать изображения объектов Облака Оорта, одновременно исследуя частицы и поля в этом регионе, которые имеют галактическое, а не солнечное происхождение».

Спутники

Роберт Л. Форвард отметил, что солнечный парус можно использовать для изменения орбиты спутника вокруг Земли. В пределе парус можно было бы использовать для «зависания» спутника над одним полюсом Земли. Космический корабль, оснащенный солнечными парусами, также может быть размещен на близких орбитах, так что они будут неподвижны по отношению к Солнцу или Земле, тип спутника, названный Форвардом «статитом » . Это возможно, потому что движение, обеспечиваемое парусом, компенсирует гравитационное притяжение Солнца. Такая орбита могла бы быть полезна для изучения свойств Солнца в течение длительного времени. [32] Точно так же космический корабль, оснащенный солнечным парусом, также может оставаться на станции почти над полярным солнечным терминатором такой планеты, как Земля, наклоняя парус под соответствующим углом, необходимым для противодействия гравитации планеты. [32]

В своей книге «Дело в пользу Марса» Роберт Зубрин указывает, что отраженный солнечный свет от большого статита, расположенного вблизи полярного терминатора планеты Марс, мог бы быть сфокусирован на одной из марсианских полярных ледяных шапок, чтобы значительно нагреть атмосферу планеты. Такой статит мог быть сделан из астероидного материала.

Группа спутников, предназначенных для работы в качестве парусов, была предложена для измерения энергетического дисбаланса Земли , который является наиболее фундаментальным показателем скорости глобального потепления на планете . Бортовые современные акселерометры будут измерять сдвиги в перепаде давления между приходящим солнечным и уходящим тепловым излучением на противоположных сторонах каждого спутника. Предполагается, что точность измерений будет лучше, чем достижимая с помощью компактных радиометрических детекторов. [33]

Коррекция траектории

Зонд MESSENGER , вращающийся вокруг Меркурия , использовал световое давление на свои солнечные панели для точной коррекции траектории на пути к Меркурию. [34] Изменяя угол солнечных панелей относительно Солнца, можно было варьировать величину давления солнечного излучения, чтобы корректировать траекторию космического корабля более деликатно, чем это возможно с помощью двигателей. Незначительные ошибки значительно усиливаются гравитационными маневрами, поэтому использование радиационного давления для внесения очень небольших поправок позволяет сэкономить большое количество топлива.

Межзвездный полет

В 1970-х годах Роберт Форвард предложил две схемы движения с лучевым приводом , в которых используются лазеры или мазеры , чтобы разогнать гигантские паруса до значительной части скорости света . [35]

В научно-фантастическом романе «Мир Рош» Форвард описал световой парус, приводимый в движение суперлазерами. Когда звездолет приближался к месту назначения, внешняя часть паруса отделялась. Затем внешний парус перефокусировался и отразил лазеры обратно на меньший внутренний парус. Это обеспечит тормозную тягу и остановит корабль в звездной системе назначения.

Оба метода создают монументальные инженерные проблемы. Лазерам придется работать годами непрерывно с мощностью в гигаватты . Решение этой проблемы, предложенное Форвардом, требует строительства огромных массивов солнечных батарей на планете Меркурий или рядом с ней. Зеркало размером с планету или линзу Френеля необходимо будет расположить на расстоянии нескольких десятков астрономических единиц от Солнца, чтобы лазеры фокусировались на парусе. Гигантский тормозной парус должен был бы действовать как точное зеркало, чтобы сфокусировать тормозной луч на внутреннем «замедляющем» парусе.

Потенциально более простым подходом было бы использование мазера для управления «солнечным парусом», состоящим из сетки проводов с тем же расстоянием, что и длина волны микроволн, направленных на парус, поскольку манипулирование микроволновым излучением несколько проще, чем манипулирование видимого света. Гипотетическая конструкция межзвездного зонда « Звездный огонь » [36] [37] будет использовать микроволны, а не видимый свет, для перемещения. Мазеры распространяются быстрее, чем оптические лазеры, из-за их большей длины волны, и поэтому их эффективный радиус действия не будет таким большим.

Мазеры также можно использовать для питания окрашенного солнечного паруса — обычного паруса, покрытого слоем химикатов, предназначенных для испарения при воздействии микроволнового излучения. [38] Импульс, создаваемый этим испарением , может значительно увеличить тягу , создаваемую солнечными парусами как формой легкого абляционного лазерного двигателя .

Чтобы еще больше сфокусировать энергию на далеком солнечном парусе, Форвард предложил линзу, выполненную в виде большой зонной пластинки . Его можно будет разместить между лазером или мазером и космическим кораблем. [35]

Другой, более физически реалистичный подход — использовать свет Солнца для ускорения космического корабля. [39] Корабль сначала выйдет на орбиту, приближаясь к Солнцу, чтобы максимизировать поступление солнечной энергии на парус, затем он начнет ускоряться от системы, используя свет Солнца. Ускорение упадет примерно пропорционально квадрату расстояния от Солнца, и за некоторым расстоянием корабль больше не будет получать достаточно света для значительного ускорения, но будет сохранять достигнутую конечную скорость. Приближаясь к целевой звезде, корабль мог повернуть к ней паруса и начать использовать внешнее давление целевой звезды для замедления. Ракеты могут увеличить солнечную тягу.

Аналогичный запуск и захват солнечного паруса были предложены для направленной панспермии с целью расширения жизни в других солнечных системах. Скорости 0,05% от скорости света можно было бы получить с помощью солнечных парусов, несущих 10 кг полезной нагрузки, используя тонкие солнечные паруса с эффективной плотностью поверхности 0,1 г/м 2 с тонкими парусами толщиной 0,1  мкм и размерами порядка одного квадратного километра. . Альтернативно, стаи капсул диаметром 1 мм могут быть запущены на солнечных парусах радиусом 42 см, каждая из которых будет нести 10 000 капсул со сотней миллионов экстремофильных микроорганизмов для посева жизни в различных целевых средах. [40] [41]

Теоретические исследования предполагают релятивистские скорости, если солнечный парус использует сверхновую. [42]

Увод искусственных спутников с орбиты

Небольшие солнечные паруса были предложены для ускорения вывода небольших искусственных спутников с орбит Земли. Спутники на низкой околоземной орбите могут использовать сочетание солнечного давления на парус и повышенного сопротивления атмосферы для ускорения входа спутника в атмосферу . [43] Парус для спуска с орбиты, разработанный в Крэнфилдском университете, является частью британского спутника TechDemoSat-1, запущенного в 2014 году. Парус был развернут в конце пятилетнего срока службы спутника в мае 2019 года. [44] Назначение паруса заключается в том, чтобы вывести спутник с орбиты в течение примерно 25 лет. [45] В июле 2015 года британский спутник CubeSat высотой 3U под названием DeorbitSail был запущен в космос с целью тестирования сходящей с орбиты конструкции площадью 16 м 2 , [46] но в конечном итоге развернуть ее не удалось. [47] Студенческая миссия CubeSat высотой 2U под названием PW-Sat2 , запущенная в декабре 2018 года, провела испытания сходящего с орбиты паруса площадью 4 м 2 . Он успешно сошел с орбиты в феврале 2021 года. [48] В июне 2017 года второй британский спутник CubeSat высотой 3U под названием InflateSail развернул сход с орбиты парусом площадью 10 м 2 на высоте 500 километров (310 миль). [49] В июне 2017 года спутник Cubesat URSAMAIOR высотой 3U был запущен на низкую околоземную орбиту для испытания системы спуска с орбиты ARTICA, разработанной Spacemind. [50] Устройство, занимающее всего 0,4 U кубсата, должно развернуть парус площадью 2,1 м 2 для увода спутника с орбиты в конце срока службы. [51]

Конфигурации парусов

Иллюстрация НАСА неосвещенной стороны полукилометрового солнечного паруса, показывающая стойки, натягивающие парус.
Изображение художника космического корабля типа "Космос-1" на орбите.

IKAROS , выпущенный в 2010 году, стал первым практическим парусным транспортным средством на солнечных батареях. По состоянию на 2015 год он все еще находился в стадии разработки, что доказывало практичность солнечного паруса для длительных миссий. [52] Он вращается, с наконечниками в углах квадратного паруса. Парус изготовлен из тонкой полиимидной пленки, покрытой напыленным алюминием. Он управляется с помощью жидкокристаллических панелей с электрическим управлением. Парус медленно вращается, и эти панели включаются и выключаются, чтобы контролировать положение транспортного средства. Когда они включены, они рассеивают свет, уменьшая передачу импульса этой части паруса. В выключенном состоянии парус отражает больше света, передавая больше импульса. Таким образом они поворачивают парус. [53] Тонкопленочные солнечные элементы также интегрированы в парус, питающий космический корабль. Конструкция очень надежна, поскольку развертывание вращения, предпочтительное для больших парусов, упрощает механизмы раскладывания паруса, а ЖК-панели не имеют движущихся частей.

Парашюты имеют очень малую массу, но парашют не является подходящей конфигурацией для солнечного паруса. Анализ показывает, что конфигурация парашюта разрушится под действием сил, оказываемых стропами кожуха, поскольку радиационное давление не ведет себя как аэродинамическое давление и не будет удерживать парашют открытым. [54]

Наибольшее значение тяги к массе для наземных развертываемых конструкций представляют собой квадратные паруса с мачтами и растяжками на темной стороне паруса. Обычно имеется четыре мачты, которые раздвигают углы паруса, и мачта в центре, удерживающая оттяжки . Одним из самых больших преимуществ является то, что в такелаже нет мест перегрева из-за складок или мешков, а парус защищает конструкцию от солнца. Таким образом, эта форма может приближаться к Солнцу для достижения максимальной тяги. Большинство конструкций управляются с помощью небольших подвижных парусов на концах лонжеронов. [55]

В 1970-х годах Лаборатория реактивного движения изучила множество вращающихся лопастей и кольцевых парусов для миссии по встрече с кометой Галлея . Цель заключалась в том, чтобы придать конструкциям жесткость за счет углового момента, устранив необходимость в стойках и сэкономив массу. Во всех случаях требовалась удивительно большая прочность на растяжение, чтобы справиться с динамическими нагрузками. Более слабые паруса будут пульсировать или колебаться при изменении положения паруса, а колебания будут усиливаться и вызывать разрушение конструкции. Разница в соотношении тяги к массе между практическими конструкциями была почти нулевой, а статичными конструкциями было легче управлять. [55]

Эталонный проект JPL назывался «гелиогиро». Лопасти из пластиковой пленки выдвигались из роликов и удерживались центробежными силами при вращении. Положение и направление космического корабля должны были полностью контролироваться путем изменения угла лопастей различными способами, аналогично циклическому и коллективному шагу вертолета . Хотя эта конструкция не имела преимущества в массе перед квадратным парусом, она оставалась привлекательной, поскольку метод развертывания паруса был проще, чем у конструкции на основе подкосов. [55] CubeSail (UltraSail) — действующий проект, целью которого является внедрение гелиогироскопического паруса.

Конструкция гелиогира аналогична лопастям вертолета. Конструкция быстрее изготавливается за счет облегчения центробежной жесткости парусов. Кроме того, они очень эффективны с точки зрения стоимости и скорости, поскольку лопасти легкие и длинные. В отличие от конструкций с квадратным диском и вращающимся диском, гелиогироскоп легче развернуть, поскольку лопасти уплотнены на катушке. Лопасти выкатываются при развертывании после катапультирования из космического корабля. Когда гелиогир путешествует в пространстве, система вращается за счет центробежного ускорения. Наконец, полезная нагрузка для космических полетов размещается в центре тяжести, чтобы выровнять распределение веса и обеспечить стабильный полет. [55]

Лаборатория реактивного движения также исследовала «кольцевые паруса» (парус вращающегося диска на диаграмме выше), панели, прикрепленные к краю вращающегося космического корабля. Панели будут иметь небольшие зазоры, примерно от одного до пяти процентов от общей площади. Линии соединяли край одного паруса с другим. Массы в середине этих линий будут туго натягивать паруса против конуса, вызванного радиационным давлением. Исследователи Лаборатории реактивного движения заявили, что это может быть привлекательной конструкцией парусов для больших кораблей с экипажем. В частности, внутреннее кольцо может иметь искусственную гравитацию, примерно равную гравитации на поверхности Марса. [55]

Солнечный парус может выполнять двойную функцию антенны с высоким коэффициентом усиления. [56] Конструкции различаются, но большинство из них изменяют рисунок металлизации для создания голографической монохроматической линзы или зеркала в интересующих радиочастотах, включая видимый свет. [56]

Изготовление светоотражающего паруса

Предлагаемый материал конструкции солнечных парусов – углеволокно.

Материалы

Наиболее распространенным материалом в современных конструкциях является тонкий слой алюминиевого покрытия на полимерном (пластиковом) листе, например алюминизированная каптоновая пленка толщиной 2 мкм. Полимер обеспечивает механическую поддержку, а также гибкость, а тонкий металлический слой обеспечивает отражательную способность. Такой материал выдерживает жару при прохождении вблизи Солнца и при этом остается достаточно прочным. Алюминиевая отражающая пленка находится на солнечной стороне. Паруса «Космоса-1» были изготовлены из алюминизированной ПЭТ-пленки ( майлара ).

Эрик Дрекслер разработал концепцию паруса, в котором был удален полимер. [57] Он предложил солнечные паруса с очень высоким соотношением тяги к массе и изготовил прототипы материала парусов. В его парусе будут использоваться панели из тонкой алюминиевой пленки (толщиной от 30 до 100 нанометров ), поддерживаемые натяжной конструкцией. Парус будет вращаться и должен будет постоянно находиться под тягой. Он изготавливал образцы пленки и обрабатывал их в лаборатории, но материал был слишком хрупким, чтобы его можно было сложить, запустить и развернуть. В проекте планировалось использовать космическое производство пленочных панелей, соединяя их в развертываемую натяжную конструкцию. Паруса этого класса будут иметь большую площадь на единицу массы и, следовательно, ускорение до «пятидесяти раз выше», чем конструкции, основанные на развертываемых пластиковых пленках. [57] Материал, разработанный для солнечного паруса Дрекслера, представлял собой тонкую алюминиевую пленку с базовой толщиной 0,1 мкм, которая должна была быть изготовлена ​​методом осаждения из паровой фазы в космической системе. Дрекслер использовал аналогичный процесс для подготовки фильмов на местах. Как и ожидалось, эти пленки продемонстрировали достаточную прочность и надежность для использования в лаборатории и в космосе, но не для складывания, запуска и развертывания.

Исследования Джеффри Лэндиса в 1998–1999 годах, финансируемые Институтом перспективных концепций НАСА , показали, что различные материалы, такие как оксид алюминия для лазерных световых парусов и углеродное волокно для микроволновых световых парусов, превосходят материалы для парусов по сравнению с ранее стандартными алюминиевыми или каптоновыми пленками. [58]

В 2000 году Energy Science Laboratories разработала новый материал из углеродного волокна , который может быть полезен для солнечных парусов. [59] [60] Этот материал более чем в 200 раз толще, чем традиционные конструкции солнечных парусов, но он настолько пористый, что имеет ту же массу. Жесткость и долговечность этого материала позволяют сделать солнечные паруса значительно прочнее пластиковых пленок. Материал может саморазвертываться и должен выдерживать более высокие температуры.

Были некоторые теоретические предположения об использовании методов молекулярного производства для создания современного, прочного, сверхлегкого материала для парусов на основе переплетения сетки из нанотрубок , где «пространства» переплетения составляют менее половины длины волны света, падающего на парус. Хотя такие материалы до сих пор производятся только в лабораторных условиях, а средства для производства такого материала в промышленном масштабе еще не доступны, такие материалы могут иметь массу менее 0,1 г/м 2 , [61] что делает их легче любых существующих сейчас материалов. Материал паруса увеличивается как минимум в 30 раз. Для сравнения, материал паруса из майлара толщиной 5 микрометров и массой 7 г/м 2 , алюминизированные каптоновые пленки имеют массу до 12 г/м 2 , [55] и новый материал Energy Science Laboratories. масса углеродного волокна 3 г/м 2 . [59]

Наименее плотный металл — литий , примерно в 5 раз менее плотный, чем алюминий. Свежие, неокисленные поверхности отражают свет. При толщине 20 нм литий имеет поверхностную плотность 0,011 г/м 2 . Высокопроизводительный парус может быть изготовлен только из лития с длиной волны 20 нм (без эмиссионного слоя). Его придется изготовить в космосе, а не использовать для приближения к Солнцу. В предельном случае парусное судно может быть построено с общей поверхностной плотностью около 0,02 г/м 2 , что дает ему показатель легкости 67 и c около 400 мм/с 2 . Магний и бериллий также являются потенциальными материалами для изготовления высокопроизводительных парусов. Эти три металла можно легировать друг с другом и с алюминием. [2]

Слои отражения и излучательной способности

Алюминий является распространенным выбором в качестве отражающего слоя. Обычно он имеет толщину не менее 20 нм и коэффициент отражения от 0,88 до 0,90. Хром — хороший выбор для эмиссионного слоя на стороне, удаленной от Солнца. Он может легко обеспечить значения коэффициента излучения от 0,63 до 0,73 для толщины пластиковой пленки от 5 до 20 нм. Используемые значения излучательной способности являются эмпирическими, поскольку преобладают эффекты тонкой пленки; Значения объемной излучательной способности в этих случаях не сохраняются, поскольку толщина материала намного меньше излучаемых длин волн. [62]

Изготовление

Паруса изготавливаются на Земле на длинных столах, где ленты раскручиваются и соединяются, образуя паруса. Материал паруса должен был иметь как можно меньший вес, поскольку для доставки корабля на орбиту потребуется использование шаттла. Таким образом, эти паруса упаковываются, запускаются и разворачиваются в космосе. [63]

В будущем изготовление может осуществляться на орбите внутри больших каркасов, поддерживающих парус. Это приведет к снижению массы парусов и устранению риска неудачного развертывания.

Операции

Солнечный парус может двигаться по спирали внутрь или наружу, регулируя угол паруса.

Изменение орбит

Парусные операции проще всего осуществлять на межпланетных орбитах, где изменение высоты происходит с низкой скоростью. Для траекторий, направленных наружу, вектор силы паруса ориентирован вперед от линии Солнца, что увеличивает орбитальную энергию и угловой момент, в результате чего корабль движется дальше от Солнца. Для внутренних траекторий вектор силы паруса ориентирован за линией Солнца, что уменьшает орбитальную энергию и угловой момент, в результате чего корабль движется к Солнцу. Стоит отметить, что только гравитация Солнца тянет судно к Солнцу — аналога поворота парусника на ветер нет. Для изменения наклона орбиты вектор силы выворачивают из плоскости вектора скорости.

На орбитах вокруг планет или других тел парус ориентирован так, что его вектор силы имеет составляющую вдоль вектора скорости либо в направлении движения для внешней спирали, либо против направления движения для внутренней спирали.

Оптимизация траектории часто может требовать интервалов пониженной или нулевой тяги. Этого можно достичь, повернув судно вокруг линии Солнца с парусом, установленным под соответствующим углом, чтобы уменьшить или устранить тягу. [2]

Маневры с поворотом

Близкий солнечный проход можно использовать для увеличения энергии корабля. Повышенное радиационное давление в сочетании с эффективностью пребывания в гравитационном колодце Солнца существенно увеличивает энергию для полетов за пределы Солнечной системы. Оптимальный подход к Солнцу достигается за счет увеличения эксцентриситета орбиты при сохранении максимально высокого уровня энергии. Минимальное расстояние подхода зависит от угла паруса, тепловых свойств паруса и других конструкций, воздействия нагрузки на конструкцию и оптических характеристик паруса (отражательная и излучательная способность). Близкий проход может привести к существенной оптической деградации. Требуемая скорость поворота может существенно увеличиться при близком проходе. Парусный корабль, прибывающий к звезде, может использовать тесный проход для снижения энергии, что также применимо к парусному кораблю, возвращающемуся из внешней Солнечной системы.

Проход Луны может иметь важные преимущества для траекторий отправления или прибытия на Землю. Это может сократить время путешествия, особенно в тех случаях, когда парус сильно загружен. Пролет также можно использовать для получения благоприятных направлений вылета или прибытия относительно Земли.

Также можно было бы использовать планетарный пролет, аналогично тому, как это делается с движущимся по инерции космическим кораблем, но хорошего выравнивания может не быть из-за требований общей оптимизации траектории. [64]

В следующей таблице перечислены некоторые примеры концепций использования лучевого лазерного движения, предложенные физиком Робертом Л. Форвардом : [65]

Каталог межзвездных путешествий будет использовать фотогравитационную помощь для полной остановки

. Ссылка: [66]

Действующие или завершенные проекты

Контроль отношения (ориентации)

И миссия Mariner 10 , пролетевшая мимо планет Меркурий и Венера , и миссия MESSENGER к Меркурию продемонстрировали использование солнечного давления в качестве метода управления ориентацией с целью экономии топлива для управления ориентацией.

Хаябуса также использовал солнечное давление на своих солнечных лопастях в качестве метода управления ориентацией, чтобы компенсировать поломку реактивных колес и химического двигателя.

Солнечный парус MTSAT-1R ( Многофункциональный транспортный спутник ) противодействует крутящему моменту, создаваемому давлением солнечного света на солнечную батарею. Триммер на солнечной батарее вносит небольшие корректировки в баланс крутящего момента.

Испытания наземного развертывания

НАСА успешно протестировало технологии развертывания небольших парусов в вакуумных камерах. [67]

В 1999 году полномасштабное развертывание солнечного паруса было испытано на земле в DLR/ESA в Кёльне. [68]

Суборбитальные испытания

«Космос-1» , совместный частный проект Планетарного общества , Cosmos Studios и Российской академии наук , в 2005 году предпринял попытку запустить суборбитальный прототип корабля, который был разрушен из-за отказа ракеты.

Солнечный парус диаметром 15 метров (SSP, Solar Sail Sub Payload, soraseiru sabupeiro-do ) был запущен вместе с ASTRO-F на ракете MV 21 февраля 2006 года и вышел на орбиту. Он развернулся со сцены, но открылся не полностью. [69]

9 августа 2004 года японская ISAS успешно запустила два прототипа солнечных парусов с зондирующей ракеты. Парус в форме клевера был развернут на высоте 122 км, а веерообразный – на высоте 169 км. В обоих парусах использовалась пленка толщиной 7,5 микрометра . В ходе эксперимента проверялись исключительно механизмы развертывания, а не двигательная установка. [70]

Знамя 2

4 февраля 1993 года с российской космической станции « Мир» был успешно запущен «Знамя-2 », отражатель из алюминизированного майлара шириной 20 метров . Это был первый тонкопленочный отражатель такого типа, успешно развернутый в космосе с использованием механизма, основанного на центробежной силе. [71] Хотя развертывание удалось, движение не было продемонстрировано. Второй тест 1999 года, «Знамя 2.5» , не удалось развернуть должным образом.

Знамя-2 (Знамя-2) после развертывания

ИКАРОС 2010

Модель ИКАРОСа на 61-м Международном астронавтическом конгрессе в 2010 году.

21 мая 2010 года Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) запустило к Венере первый в мире межпланетный космический корабль с солнечным парусом « ИКАРОС » (межпланетный воздушный змей, ускоряемый излучением Солнца). [72] Используя новый метод движения солнечных фотонов, [73] это был первый настоящий космический корабль с солнечным парусом, полностью приводимый в движение солнечным светом, [74] [75] и первый космический корабль, добившийся успеха в полете с солнечным парусом. [76]

JAXA успешно испытало IKAROS в 2010 году. Целью было развернуть парус и управлять им, а также впервые определить малейшие возмущения орбиты, вызванные световым давлением. Определение орбиты было выполнено близлежащим зондом АКАЦУКИ , от которого отделился ИКАРОС после того, как оба были переведены на переходную орбиту к Венере. Суммарный эффект за шесть месяцев полета составил 100 м/с. [77]

До 2010 года солнечные паруса не использовались в космосе в качестве основных двигательных установок. 21 мая 2010 года Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) запустило космический корабль IKAROS, который 10 июня развернул экспериментальный солнечный парус из полиимида площадью 200 м 2 . [78] [79] [80] В июле начнется следующий этап демонстрации началось ускорение излучением. 9 июля 2010 года было подтверждено, что ИКАРОС собрал радиацию от Солнца и начал ускорение фотонов путем определения орбиты ИКАРОСа по дальности и дальности (RARR), которая заново рассчитывается в дополнение к данным о скорости релятивизационного ускорения. ИКАРОС между ИКАРОСом и Землей, снятый еще до того, как был использован эффект Доплера. [81] Данные показали, что IKAROS, судя по всему, находился в плавании на солнечной энергии с 3 июня, когда он развернул парус.

IKAROS имеет диагонально вращающийся квадратный парус размером 14×14 м (196 м 2 ), изготовленный из листа полиимида толщиной 7,5 микрометра (0,0075 мм ) . Лист полиимида имел массу около 10 граммов на квадратный метр. В парус встроена тонкопленочная солнечная батарея. В парус встроены восемь ЖК- панелей, отражающую способность которых можно регулировать для управления ориентацией . [82] [83] ИКАРОС провел шесть месяцев, путешествуя к Венере, а затем начал трехлетнее путешествие на обратную сторону Солнца. [84]

НаноПарус-Д 2010

Фотография экспериментального солнечного паруса NanoSail-D.

Команда из Центра космических полетов имени Маршалла НАСА (Маршалл) вместе с командой из Исследовательского центра Эймса НАСА разработала миссию с солнечным парусом под названием NanoSail-D, которая была потеряна в результате неудачного запуска на борту ракеты Falcon 1 3 августа 2008 года. [85] [86] Вторая резервная версия, NanoSail-D2 , также иногда называемая просто NanoSail-D, [87] была запущена с помощью FASTSAT на Minotaur IV 19 ноября 2010 года, став первым солнечным парусом НАСА, развернутым на низкой Земле . орбита. Задачи миссии заключались в проверке технологий развертывания парусов и сборе данных об использовании солнечных парусов в качестве простого, «пассивного» средства спуска с орбиты мертвых спутников и космического мусора. [88] Конструкция NanoSail-D была изготовлена ​​из алюминия и пластика, а масса космического корабля составляла менее 10 фунтов (4,5 кг). Парус имеет светоотражающую поверхность площадью около 100 квадратных футов (9,3 м 2 ). После некоторых первоначальных проблем с развертыванием солнечный парус был развернут и, как сообщается, в течение своей 240-дневной миссии собрал «богатство данных» об использовании солнечных парусов в качестве устройств пассивного спуска с орбиты. [89]

НАСА запустило второй блок NanoSail-D, размещенный внутри спутника FASTSAT на «Минотавре IV», 19 ноября 2010 г. Дата катапультирования микроспутника FASTSAT планировалась на 6 декабря 2010 г., но развертывание произошло только 20 января 2011 г. [90] ] [ нужно обновить ]

Планетарное общество LightSail Projects

21 июня 2005 года в рамках совместного частного проекта Планетарного общества , студии «Космос» и Российской академии наук был запущен прототип парусного корабля «Космос-1» с подводной лодки в Баренцевом море , однако ракета «Волна» потерпела неудачу, и космический корабль не смог выйти на орбиту. Они намеревались использовать парус для постепенного вывода космического корабля на более высокую околоземную орбиту в течение миссии продолжительностью в один месяц. По словам Луиса Фридмана, попытка запуска вызвала общественный интерес. [91] Несмотря на неудачную попытку запуска «Космоса-1», Планетарное общество получило аплодисменты космического сообщества за свои усилия и вызвало возрождение интереса к технологии солнечных парусов.

В день 75-летия Карла Сагана (9 ноября 2009 г.) Планетарное общество объявило о планах [92] предпринять еще три попытки, получившие названия LightSail-1 , -2 и -3. [93] В новой конструкции будет использоваться майларовый парус площадью 32 м 2 , развернутый в четырех треугольных сегментах, как NanoSail-D. [93] Конфигурация запуска представляет собой формат CubeSat высотой 3U , и по состоянию на 2015 год он был запланирован в качестве вторичной полезной нагрузки для запуска в 2016 году в рамках первого запуска SpaceX Falcon Heavy . [94]

« LightSail-1 » был запущен 20 мая 2015 года. [95] Целью испытания было обеспечение полной проверки систем спутника перед запуском LightSail-2. Орбита его развертывания была недостаточно высокой, чтобы избежать сопротивления атмосферы Земли и продемонстрировать настоящее солнечное плавание.

« LightSail-2 » был запущен 25 июня 2019 года и выведен на гораздо более высокую околоземную орбиту. Его солнечные паруса были развернуты 23 июля 2019 года. [96] Он снова вошел в атмосферу 17 ноября 2022 года.

Разведчик АЯЭ

Концепт NEA Scout : управляемый космический корабль CubeSat с солнечным парусом

«Разведчик околоземных астероидов» (NEA Scout) — это миссия, совместно разработанная Центром космических полетов имени Маршалла НАСА (MSFC) и Лабораторией реактивного движения (JPL), состоящая из управляемого недорогого космического корабля CubeSat с солнечным парусом, способного сталкиваться с близкими объектами . -Земные астероиды (ЗЕМЛ). [97] Четыре стрелы длиной 7 м (23 фута) должны были быть развернуты, разворачивая солнечный парус из алюминизированного полиимида площадью 83 м 2 (890 кв. футов). [98] [99] [100] В 2015 году НАСА объявило, что выбрало NEA Scout для запуска в качестве одной из нескольких вторичных полезных нагрузок на борту « Артемиды-1» , первого полета тяжелой ракеты-носителя агентства SLS . [101] Однако корабль был признан потерянным из-за невозможности установить связь вскоре после запуска в 2022 году. [102]

Проекты предложены, отменены или не выбраны

Несмотря на потери «Космоса-1» и «НаноПаруса-Д» (которые произошли из-за выхода из строя их ракет-носителей), ученые и инженеры всего мира сохраняют воодушевление и продолжают работать над солнечными парусами. В то время как большинство созданных к настоящему времени приложений нацелены на использование парусов в качестве недорогих видов грузового транспорта, некоторые ученые исследуют возможность использования солнечных парусов в качестве средства транспортировки людей. Эта цель тесно связана с управлением очень большими (т.е. значительно более 1 км 2 ) поверхностями в космосе и развитием парусного спорта. Разработка солнечных парусов для пилотируемых космических полетов все еще находится в зачаточном состоянии.

Санджаммер 2015

Парусное судно для демонстрации технологий, получившее название Sunjammer , разрабатывалось с целью доказать жизнеспособность и ценность парусных технологий. [103] Sunjammer имел квадратный парус шириной 38 метров (125 футов) с каждой стороны, что давало ему эффективную площадь 1200 квадратных метров (13 000 квадратных футов). Он должен был пройти от точки Лагранжа Солнце-Земля L 1 на расстоянии 1,5 миллиона километров (930 000 миль) от Земли на расстояние 3 миллиона километров (1,9 миллиона миль). [104] Ожидалось, что демонстрационный запуск состоится на Falcon 9 в январе 2015 года. [105] Это должна была быть вторичная полезная нагрузка, выпущенная после размещения климатического спутника DSCOVR в точке L1. [105] В октябре 2014 года НАСА отменило миссию из-за отсутствия уверенности в способности ее подрядчика L'Garde выполнить поставленную задачу . [106]


ОКЕАНОС

OKEANOS (Негабаритный воздушный змей для исследования и астронавтики во внешней Солнечной системе) — это предложенная японским JAXA концепция миссии к троянским астероидам Юпитера с использованием гибридного солнечного паруса в качестве двигателя; парус должен был быть покрыт тонкими солнечными панелями для питания ионного двигателя . Анализ собранных образцов на месте мог быть проведен либо путем прямого контакта, либо с использованием спускаемого аппарата с масс-спектрометром высокого разрешения. Посадочный модуль и возврат образцов на Землю рассматривались в качестве вариантов. [107] Троянский исследователь астероидов Юпитера OKEANOS стал финалистом второй японской миссии большого класса ISAS , которая будет запущена в конце 2020 - х годов. Однако оно не было выбрано.


Солнечный крейсер

В августе 2019 года НАСА выделило команде Solar Cruiser 400 000 долларов на девятимесячное исследование концепции миссии. Космический корабль будет иметь солнечный парус площадью 1672 м 2 (18 000 кв. футов) и будет вращаться вокруг Солнца по полярной орбите, а прибор -коронограф позволит одновременно измерять структуру магнитного поля Солнца и скорость корональных выбросов массы . [108] Если бы он был выбран для дальнейшей разработки, он был бы запущен в 2025 году. Однако Solar Cruiser не был одобрен для перехода к этапу C цикла разработки и впоследствии был снят с производства. [109]

Проекты все еще в разработке или статус неизвестен

Паутинка схода с орбиты

По состоянию на декабрь 2013 года Европейское космическое агентство (ЕКА) предложило спустить с орбиты парус под названием « Паутина », который будет использоваться для ускорения спуска с орбиты небольших (менее 700 кг (1500 фунтов)) искусственных спутников с низких Земные орбиты . Стартовая масса составляет 2 килограмма (4,4 фунта) при стартовом объеме всего 15×15×25 сантиметров (0,49×0,49×0,82 фута). После развертывания парус расширится до размеров 5 на 5 метров (16 футов × 16 футов) и будет использовать комбинацию солнечного давления на парус и повышенного сопротивления атмосферы для ускорения входа спутника в атмосферу . [43]


Прорыв Старшота

Хорошо финансируемый проект Breakthrough Starshot, объявленный 12 апреля 2016 года, направлен на создание флота из 1000 легких парусных нанокораблей с миниатюрными камерами, приводимыми в движение наземными лазерами, и отправку их к Альфе Центавра со скоростью 20% скорости света. [110] [111] [112] Путешествие займет 20 лет.

В популярной культуре

Кордвайнер Смит дает описание космических кораблей с солнечными парусами в книге «Леди, которая плавала душой», впервые опубликованной в апреле 1960 года.

Джек Вэнс написал рассказ об тренировочной миссии на космическом корабле с солнечным парусом в книге «Парус 25», опубликованной в 1961 году.

Артур Кларк и Пол Андерсон (писавший как Уинстон П. Сандерс) независимо друг от друга опубликовали в 1964 году рассказы о солнечных парусах, оба рассказа под названием «Санджаммер». Кларк переименовал свой рассказ в «Ветер от Солнца», когда он был переиздан, чтобы чтобы избежать путаницы. [113]

В романе Ларри Нивена и Джерри Пурнелла 1974 года «Соринка в глазу Бога » инопланетяне обнаруживаются, когда их зонд с лазерным парусом входит в человеческое пространство.

Похожая технология была темой эпизода « Исследователи » сериала « Звёздный путь: Глубокий космос девять ». В этом эпизоде ​​корабли-маяки описываются как древняя технология, используемая баджорцами для путешествий за пределы солнечной системы с помощью света баджорского солнца и специально сконструированных парусов для перемещения в космосе ( «Исследователи». « Звездный путь: Глубокий космос, девять» . Сезон 3). Эпизод 22.). [114]

В фильме «Звездные войны» 2002 года «Атака клонов » главный злодей граф Дуку был замечен использующим космический корабль с солнечными парусами. [115]

В фильме 2009 года «Аватар» космический корабль ISV Venture Star, который доставляет главного героя Джейка Салли в систему Альфа Центавра , использует солнечные паруса в качестве средства движения для ускорения корабля от Земли к Альфе Центавра.

В третьем сезоне альтернативного исторического телешоу «Для всего человечества» на Apple TV+ вымышленный космический корабль НАСА «Соджорнер-1» использует солнечные паруса в качестве дополнительного двигателя на пути к Марсу.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Георгевич, Р.М. (1973) «Модель сил давления и крутящих моментов солнечного излучения», Журнал астронавтических наук , Vol. 27, № 1, январь–февраль. Первая известная публикация, описывающая, как давление солнечного излучения создает силы и крутящие моменты, воздействующие на космический корабль.
  2. ^ abcdefghij Джером Райт (1992), Space Sailing , Gordon and Breach Science Publishers
  3. ^ "Da naves aut vela coelesti aurae accommoda, eruntqui ne ab illa quidem обширный выбор." - Диссертация нунция Сидерео
  4. ^ Иоганн Кеплер (1604) Ad vitellionem parali pomena , Франкфурт; (1619) De Cometis liballi tres , Аугсбург
  5. ^ Жюль Верн (1865) De la Terre à la Lune ( С Земли на Луну )
  6. ^ Крис Импи, За гранью: наше будущее в космосе, WW Norton & Company (2015)
  7. ^ П. Лебедев, 1901, "Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes", Annalen der Physik , 1901.
  8. ^ Ли, Диллон (2008). «Празднование наследия физики в Дартмуте». Дартмутский студенческий научный журнал . Дартмутский колледж . Проверено 11 июня 2009 г.
  9. ^ Сванте Аррениус (1908) Миры в процессе создания
  10. ^ Урбанчик, магистр, «Солнечные паруса - реалистичная двигательная установка для космических кораблей», Отделение переводов Редстоунского научно-информационного центра, Управление исследований и разработок, Ракетное командование армии США, Редстоунский арсенал, Алабама, 1965.
  11. ^ Статья Фридриха Зандера 1925 года «Проблемы полета на реактивном двигателе: межпланетные полеты» была переведена НАСА. См. Технический перевод НАСА F-147 (1964), стр. 230.
  12. ^ Дж.Б.С. Холдейн, Страшный суд , Нью-Йорк и Лондон, Harper & Brothers, 1927.
  13. ^ Дж. Д. Бернал (1929) Мир, плоть и дьявол: исследование будущего трех врагов рациональной души
  14. ^ Рассказы, заархивированные 2 октября 2011 г. в Wayback Machine . Arthurcclarke.net , 2007–2011, получено 22 июня 2011 г.
  15. ↑ Пол Гилстер (5 мая 2017 г.). «Вспоминая полет к комете Галлея».
  16. ^ Дворский, Джордж. «НАСА продвигается вперед с концепцией дикого солнечного паруса» . Гизмодо . № 25 мая 2022 г. Проверено 25 мая 2022 г.
  17. ↑ Холл, Лора (24 мая 2022 г.). «Дифракционное солнечное плавание». НАСА . Архивировано из оригинала 9 февраля 2023 года . Проверено 9 февраля 2023 г.
  18. ^ НАСА. «Солнечные паруса могут отправить космический корабль в плавание в космосе».
  19. ^ "Электрический солнечный ветровой парус (E-парус)" . Проверено 2 января 2022 г.
  20. ^ «Встреча товарищей» (PDF) . www.niac.usra.edu/files . 1999.
  21. ^ «Релятивистский импульс». HyperPhysics.phy-astr.gsu.edu . Проверено 2 февраля 2015 г.
  22. ^ аб Райт, Приложение A
  23. ^ Копп, Г.; Лин, Дж.Л. (2011). «Новое, более низкое значение общего солнечного излучения: доказательства и климатическое значение». Письма о геофизических исследованиях . 38 (1): н/д. Бибкод : 2011GeoRL..38.1706K. дои : 10.1029/2010GL045777 .
  24. ^ Макиннес, К.Р. и Браун, Дж.К. (1989) Динамика солнечного паруса с расширенным источником радиационного давления , Международная астронавтическая федерация , IAF-89-350, октябрь.
  25. ^ Райт, Приложение B.
  26. ^ "НОАА / Центр прогнозирования космической погоды" . Архивировано из оригинала 27 ноября 2014 года.
  27. ^ Райт, там же, глава 6 и приложение B.
  28. ^ Эшлеман, Фон Р., «Гравитационная линза Солнца: ее потенциал для наблюдений и связи на межзвездных расстояниях», Science, Vol. 205 , № 4411 (1979), стр. 1133-1135. дои : 10.1126/science.205.4411.1133
  29. ^ аб Макконе, Клаудио. «Солнце как гравитационная линза: цель для космических миссий Цель для космических миссий на расстоянии от 550 до 1000 а.е.» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 15 июля 2010 года . Проверено 29 октября 2014 г.
  30. ^ Пол Гилстер (12 ноября 2008 г.). «Надувной парус к облаку Оорта». Centauri-dreams.org . Проверено 2 февраля 2015 г.
  31. ^ аб М. Лейпольд, Д. Кассинг, М. Эйден, Л. Хербек (1999). «Солнечные паруса для исследования космоса – разработка и демонстрация критически важных технологий в партнерстве» (PDF) . Бюллетень ЕКА . 98 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  32. ^ Хакуба, Мария З.; Стивенс, Грэм Л.; Кристоф, Бруно; Нэш, Альфред Э.; Фулон, Бернар; и другие. (2019). «Энергетический дисбаланс Земли, измеренный из космоса» (PDF) . Транзакции IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию . 57 (1): 32–45. Бибкод : 2019ITGRS..57...32H. дои :10.1109/TGRS.2018.2851976. S2CID  57192349.
  33. ^ «МЕССЕНДЖЕР плывет в огне Солнца во второй облет Меркурия» . 05 сентября 2008 г. Архивировано из оригинала 14 мая 2013 г. 4 сентября команда MESSENGER объявила, что ей не потребуется выполнять плановый маневр для корректировки траектории зонда. Это четвертый раз в этом году, когда подобный маневр отменяется. Причина? Недавно внедренная навигационная техника, использующая давление солнечного излучения (SRP) для управления зондом, оказалась чрезвычайно успешной в удержании MESSENGER на траектории, которая проведет его над кратерной поверхностью Меркурия во второй раз 6 октября.
  34. ^ ab Форвард, RL (1984). «Межзвездное путешествие туда и обратно с использованием световых парусов с лазерным приводом». J Космический корабль . 21 (2): 187–195. Бибкод : 1984JSpRo..21..187F. дои : 10.2514/3.8632.
  35. ^ Форвард, Роберт Л., «Звездный огонь: сверхлегкий межзвездный зонд», J. Spacecraft and Rockets, том 22 , май – июнь 1985 г., стр. 345-350.
  36. ^ Лэндис, Джеффри А., «Межзвездный парус, толкаемый микроволновой печью: возвращение к Звездному огоньку», документ AIAA-2000-3337, 36-я совместная конференция по движению, Хантсвилл, Алабама, 17–19 июля 2000 г.
  37. ^ «От Земли до Марса за месяц с нарисованным солнечным парусом». SPACE.com. 11 февраля 2005 г. Проверено 18 января 2011 г.
  38. ^ «Звёздные корабли с солнечным парусом: корабли-клиперы галактики», глава 6, Юджин Ф. Мэллов и Грегори Л. Мэтлофф, « Справочник по звездным полетам: Путеводитель по межзвездным путешествиям для пионеров» , стр. 89–106, John Wiley & Sons, 1989. ISBN 978-0471619123 
  39. ^ Меот-Нер (Маутнер), Майкл Н.; Мэтлофф, Грегори Л. (1979). «Направленная панспермия: техническая и этическая оценка посева близлежащих солнечных систем» (PDF) . Журнал Британского межпланетного общества . 32 : 419–423. Бибкод : 1979JBIS...32..419M.[ мертвая ссылка ]
  40. ^ Маутнер, Майкл Н. (1995). «Направленная панспермия. 2. Технологические достижения в области засеивания других солнечных систем и основы панбиотической этики». Журнал Британского межпланетного общества . 48 : 435–440.
  41. ↑ Леб, Авраам (3 февраля 2019 г.). «Серфинг сверхновой». Научные американские блоги . Проверено 14 февраля 2020 г.
  42. ^ Аб Мессье, Дуг (26 декабря 2013 г.). «ЕКА разрабатывает солнечный парус для безопасного спуска спутников с орбиты». Параболическая дуга . Проверено 28 декабря 2013 г.
  43. ^ «Бортовая камера TechDemoSat-1 фиксирует развертывание тормозного паруса» . Проверено 10 ноября 2022 г.
  44. ^ «22 295 864 удивительных факта, которые вам нужно знать о новейшем спутнике Великобритании». Архивировано 8 декабря 2015 г. в Wayback Machine . Инновационная Великобритания .
  45. ^ «Миссия». www.surrey.ac.uk . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 30 января 2016 г.
  46. ^ «Обновление DeorbitSail и исходное изображение с камеры» . АМСАТ-Великобритания . 13 ноября 2015 г. Проверено 30 января 2016 г.
  47. ^ «PW-Sat2 получает 180 000 евро на финансирование запуска» . PW-Sat2: Польский студенческий спутниковый проект . Архивировано из оригинала 31 января 2016 г. Проверено 30 января 2016 г.
  48. ^ «Космический центр Суррея отмечает успешную работу спутника InflateSail» . Surrey.ac.uk . Проверено 15 июля 2017 г.
  49. ^ "БОЛЬШАЯ МЕДВЕДИЦА (QB50 IT02)" . Проверено 4 июля 2018 г.
  50. ^ "АРТИКА Космический разум" . Проверено 4 июля 2018 г.
  51. ^ «Маленькая машина-демонстратор паруса на солнечной энергии (小型ソーラー電力セイル実証機)» (PDF) . ДЖАКСА . Проверено 24 марта 2014 г.
  52. ^ ДЖАКСА. «Успешный контроль ориентации небольшого демонстратора паруса на солнечной энергии «ИКАРОС» с помощью жидкокристаллического устройства» . ДЖАКСА . Проверено 24 марта 2014 г.
  53. ^ Райт, там же, с. 71, последний абзац
  54. ^ abcdef «Проектирование и строительство». Лаборатория реактивного движения НАСА. Архивировано из оригинала 11 марта 2005 г.
  55. ^ Аб Хаятян, Б.; Рахмат-Сами, Ю.; Погожельски, Р. «Концепция антенны, интегрированная с будущими солнечными парусами» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 мая 2010 г.
  56. ^ аб Дрекслер, К.Э. (1977). «Проектирование высокоэффективной солнечной парусной системы, магистерская диссертация» (PDF) . Кафедра аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института, Бостон. Архивировано из оригинала (PDF) 4 июня 2011 г.
  57. ^ Джеффри А. Лэндис, Аэрокосмический институт Огайо (1999). «Передовые концепции светового паруса с солнечным и лазерным приводом» (PDF) .
  58. ^ ab «Прорыв в технологии солнечных парусов». SPACE.com . Архивировано из оригинала 1 января 2011 года.
  59. ^ "Углеродный солнечный парус". sbir.nasa.gov . Архивировано из оригинала 22 октября 2011 г. Проверено 25 декабря 2015 г.
  60. ^ «Исследователи производят прочные и прозрачные листы углеродных нанотрубок» . Физорг.com. 18 августа 2005 г. Проверено 18 января 2011 г.
  61. ^ Райт, там же. Глава 4
  62. ^ Роу, W.m. «Материалы для пленки паруса и опорная конструкция для солнечного паруса, эскизный проект, том 4». Лаборатория реактивного движения. Калифорния, Пасадена, Калифорния.
  63. ^ Райт, там же, глава 6 и приложение C.
  64. ^ Лэндис, Джеффри А. (2003). «Идеальное исследование: обзор концепций движения для межзвездных полетов». В Йоджи Кондо; Фредерик Брювайлер; Джон Х. Мур, Чарльз Шеффилд (ред.). Межзвездные путешествия и космические корабли нескольких поколений . Книги Апогея. п. 52. ИСБН 978-1-896522-99-9.
  65. ^ Хеллер, Рене; Хиппке, Майкл; Кервелла, Пьер (2017). «Оптимизированные траектории к ближайшим звездам с использованием легких высокоскоростных фотонных парусов». Астрономический журнал . 154 (3): 115. arXiv : 1704.03871 . Бибкод : 2017AJ....154..115H. дои : 10.3847/1538-3881/aa813f . S2CID  119070263.
  66. ^ «НАСА - Солнечные паруса могут отправить космический корабль в плавание в космосе» . www.nasa.gov . Архивировано из оригинала 15 ноября 2016 г. Проверено 22 июля 2019 г.
  67. ^ «Полномасштабное испытание развертывания солнечного паруса DLR/ESA» (PDF) . 1999.
  68. ^ "СССат 1, 2" . Space.skyrocket.de . Проверено 18 января 2011 г.
  69. ^ «Космос-1 - Солнечный парус (2004). Японские исследователи успешно протестировали развертывание солнечного паруса во время полета ракеты» . 2004. Архивировано из оригинала 3 февраля 2006 г.
  70. ^ Тим Фолджер, «Новолуние — российский спутник действует как зеркало, освещающее отдаленные районы» Discover , январь 1994 г. (веб-версия. Архивировано 20 сентября 2008 г. на Wayback Machine (по состоянию на 29 августа 2008 г.)).
  71. ^ «Проект IKAROS ｜Центр космических исследований JAXA» . Jspec.jaxa.jp. 21 мая 2010 г. Архивировано из оригинала 22 сентября 2008 г. Проверено 18 января 2011 г.
  72. ^ Клейман, Джейкоб; Тагава, Масахито; Кимото, Юго (22 сентября 2012 г.). Защита материалов и конструкций от космической среды. Springer Science & Business Media. ISBN 9783642302299– через Google Книги.
  73. ^ Первое путешествие в первый настоящий космический полет, New Scientist
  74. ^ Вулпетти, Джованни; Джонсон, Лес; Мэтлофф, Грегори Л. (5 ноября 2014 г.). Солнечные паруса: новый подход к межпланетным путешествиям. Спрингер. ISBN 9781493909414– через Google Книги.
  75. ↑ Фридман, Луи (5 ноября 2015 г.). Полет человека в космос: от Марса к звездам. Издательство Университета Аризоны. ISBN 9780816531462– через Google Книги.
  76. ^ Цуда, Юичи (2011). «Технология солнечной парусной навигации ИКАРОС». ДЖАКСА .
  77. ^ «Успешное развертывание малого солнечного паруса 'IKAROS'» . Пресс-релиз на сайте JAXA . Японское агентство аэрокосмических исследований. 11 июня 2010 г. Проверено 17 июня 2010 г.
  78. ^ «Новостной брифинг: 27 мая 2010 г.» . ПриродаНОВОСТИ . 26 мая 2010 года . Проверено 2 июня 2010 г.
  79. ↑ Саманта Харви (21 мая 2010 г.). «Исследование Солнечной системы: Миссии: По цели: Венера: Будущее: Акацуки». НАСА. Архивировано из оригинала 27 мая 2010 г. Проверено 21 мая 2010 г.
  80. ^ "О подтверждении ускорения фотонов небольшого демонстрационного корабля с солнечным парусом "ИКАРОС" (англоязычного пресс-релиза пока нет)" . Пресс-релиз на сайте JAXA . Японское агентство аэрокосмических исследований. 09.07.2010 . Проверено 10 июля 2010 г.
  81. ^ "Маленький демонстратор парусов на солнечной энергии" . ДЖАКСА. 11 марта 2010 г. Архивировано из оригинала 30 октября 2013 г. Проверено 7 мая 2010 г.
  82. ^ "Проект ИКАРОС". ДЖАКСА. 2008. Архивировано из оригинала 22 сентября 2008 года . Проверено 30 марта 2010 г.
  83. ^ МакКарри, Джастин (17 мая 2010 г.). «Космическая яхта «Икарос» готова отправиться на обратную сторону Солнца». Еженедельник Гардиан . Лондон . Проверено 18 мая 2010 г.
  84. ^ "NASASpaceflight.com - SpaceX Falcon I ОТКАЗАЛСЯ во время полета первой ступени" . Архивировано из оригинала 11 августа 2008 года.
  85. ^ «НАСА попытается развернуть исторический солнечный парус» . НАСА. 26 июня 2008 г. Архивировано из оригинала 11 февраля 2009 г.
  86. ^ «Чат НАСА: Первый солнечный парус разворачивается на низкой околоземной орбите» . НАСА. 27 января 2011 г. Архивировано из оригинала 22 июня 2012 г. Проверено 18 мая 2012 г. Иногда спутник называют NanoSail-D, а иногда NanoSail-D2. ... Дин: Проект — это всего лишь NanoSail-D. NanoSail-D2 — серийная версия №2.
  87. ^ «НАСА - Спутник НАСА NanoSail-D продолжает медленно сводить с орбиты верхнюю атмосферу Земли» . www.nasa.gov . Архивировано из оригинала 6 января 2012 г. Проверено 4 января 2012 г.
  88. ^ «НАСА - «Паруса» НАСА Nanosail-D Home - Миссия завершена» . www.nasa.gov . Архивировано из оригинала 1 декабря 2011 г. Проверено 4 января 2012 г.
  89. ^ "НАСА - Домашняя страница NanoSail-D" . НАСА.gov. 21 января 2011 г. Архивировано из оригинала 7 июля 2008 г. Проверено 24 января 2011 г.
  90. ^ Фридман, Луи. «Взлет и падение Космоса 1». Sail.planetary.org .
  91. ^ Прощай, Деннис (9 ноября 2009 г.). «Отправляясь в космос, движимый солнечным светом». Нью-Йорк Таймс . Проверено 18 мая 2012 г. Планетарное общество, ... следующие три года, ... серия космических кораблей с солнечным парусом, получивших название LightSails.
  92. ^ ab «Часто задаваемые вопросы о миссии LightSail». Планетарное общество . Архивировано из оригинала 30 апреля 2012 года . Проверено 18 мая 2012 г.
  93. ^ Най, Билл. Кикстарт LightSail. Событие происходит в 3:20. Архивировано из оригинала 17 ноября 2021 г. Проверено 15 мая 2015 г.
  94. ^ «Взлет! Космический самолет X-37B и солнечный парус LightSail выходят на орбиту» . Новости Эн-Би-Си . 20 мая 2015 г.
  95. ↑ Стирон, Шеннон (23 июля 2019 г.). «Развертывание LightSail 2, следующий шаг на пути к космическим путешествиям на солнечном парусе - Планетарное общество развернуло LightSail 2 с целью дальнейшей демонстрации потенциала технологии космического движения». Нью-Йорк Таймс . Проверено 24 июля 2019 г.
  96. ^ "Разведчик NEA". НАСА. 2015-10-30. Архивировано из оригинала 23 мая 2017 г. Проверено 11 февраля 2016 г.
  97. ^ МакНатт, Лесли; Кастильо-Рогез, Джули (2014). «Разведчик околоземных астероидов» (PDF) . НАСА . Американский институт аэронавтики и астронавтики . Проверено 13 мая 2015 г.
  98. ↑ Кребс, Гюнтер Дирк (13 апреля 2015 г.). «СВА-Скаут» . Проверено 13 мая 2015 г.
  99. ^ Кастильо-Рогез, Джули; Абель, Пол. «Миссия по разведке околоземных астероидов» (PDF) . НАСА . Лунно-планетарный институт . Проверено 13 мая 2015 г.
  100. ↑ Гебхардт, Крис (27 ноября 2015 г.). «НАСА определяет вторичную полезную нагрузку для миссии SLS EM-1». Космический полет НАСА.
  101. ↑ Дикинсон, Дэвид (6 декабря 2022 г.). «Обновление статуса: миссии SmallSat Артемиды-1». Небо и телескоп . Небо и телескоп . Проверено 8 декабря 2022 г.
  102. ^ "Демонстрация солнечного паруса НАСА" . www.nasa.gov. 28 октября 2013 г. Архивировано из оригинала 24 декабря 2015 г. Проверено 25 марта 2013 г.
  103. ↑ Леонард Дэвид (31 января 2013 г.). «НАСА запустит самый большой в мире солнечный парус в 2014 году» . Space.com . Проверено 13 июня 2013 г.
  104. ↑ ab Майк Уолл (13 июня 2013 г.). «Самый большой в мире солнечный парус будет запущен в ноябре 2014 года». Space.com . Проверено 13 июня 2013 г.
  105. ↑ Леоне, Дэн (17 октября 2014 г.). «НАСА отменяет миссию Sunjammer, ссылается на интеграцию, риск планирования». spacenews.com . Архивировано из оригинала 18 октября 2014 года.
  106. ^ Выборочный сценарий для миссии по исследованию троянского астероида. Архивировано 31 декабря 2017 г. в Wayback Machine (PDF). Дзюн Мацумото, Дзюн Аоки, Юске Оки, Хадзиме Яно. 2015.
  107. ^ НАСА отбирает предложения по демонстрации технологий SmallSat для изучения межпланетного пространства. Пресс-релиз НАСА, 15 августа 2019 г.
  108. ^ Кристе, Стив (2 августа 2023 г.). «Солнечный крейсер: открывая новые перспективы для гелиофизической науки». Управление стратегических технологий гелиофизики . НАСА . Проверено 5 декабря 2023 г.
  109. ^ "Прорыв Старшота". Прорывные инициативы . 12 апреля 2016 года . Проверено 12 апреля 2016 г.
  110. ^ Звездный снимок - Концепция.
  111. ^ «Прорывные инициативы». www.breakinitiatives.org .
  112. ^ Санджаммер, ISFDB.
  113. ^ "Исследователи "Звездного пути: глубокий космос девять" (телеэпизод 1995) - IMDB" . ИМДБ . 8 февраля 2018 г.
  114. ^ Кертис Сакстон (2002). «Звездные войны: Атака клонов. Невероятные срезы» . Издательство ДК. ISBN 9780789485748.

Библиография

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с солнечными парусами .