Путешествие под парусом в космосе может показаться чем-то из области научной фантастики, но эта концепция больше не ограничивается книгами или большим экраном. В апреле солнечный парус нового поколения, технология изготовления которого известна как Advanced Composite Solar Sail System, будет запущен на борту ракеты Electron компании Rocket Lab со стартового комплекса 1 в Махии, Новая Зеландия. Эта технология может способствовать будущим космическим путешествиям и расширению наших представлений о Солнце и Солнечной системе.
Солнечные паруса используют давление солнечного света для движения, меняя угол наклона по отношению к Солнцу так, что фотоны отражаются от отражающего паруса и толкают космический корабль. Это позволяет отказаться от тяжёлых двигательных установок, увеличить продолжительность и снизить стоимость полётов. Несмотря на уменьшение массы, солнечные паруса были ограничены материалом и структурой мачт, которые действуют подобно мачтам парусника. Но НАСА собирается изменить концепцию космических парусников будущего.
Усовершенствованная композитная система солнечного паруса НАСА призвана способствовать будущим космическим путешествиям и расширению наших представлений о Солнце и Солнечной системе.
Новый лёгкий парусник НАСА
В демонстрационном проекте Advanced Composite Solar Sail System используется состоящий из двенадцати блоков аппарат CubeSat (12U), построенный компанией NanoAvionics, для испытания новой композитной мачты из гибкого полимера и углеродного волокна, которая жёстче и легче, чем предыдущие конструкции мачт. Главная цель миссии — успешно продемонстрировать развёртывание новой мачты, но после развёртывания команда также надеется доказать эффективность паруса.
Подобно паруснику, который поворачивается, чтобы поймать ветер, солнечный парус может корректировать свою орбиту, наклоняя парус. После оценки развёртывания мачты миссия испытает серию манёвров по изменению орбиты космического аппарата и соберёт данные для будущих миссий с ещё более крупными парусами.
«Мачты, как правило, делают либо тяжёлыми и металлическими, либо из лёгкого композита и громоздкой конструкции — ни то, ни другое не подходит для современных небольших космических аппаратов. Солнечным парусам нужны очень большие, стабильные и лёгкие мачты, которые могут компактно складываться, — говорит Китс Уилки, главный исследователь миссии в Исследовательском центре Лэнгли НАСА в Хэмптоне, штат Вирджиния. — Мачты паруса имеют трубчатую форму и могут сжиматься и сворачиваться, как рулетка, в небольшой пакет, обладая при этом всеми преимуществами композитных материалов, например, меньшим изгибом и деформацией при изменении температуры».
После выхода на солнечно-синхронную орбиту, расположенную на высоте около 1000 километров над Землёй, космический аппарат начнёт разворачивать композитные мачты, идущие по диагоналям полимерного паруса. Примерно через 25 минут солнечный парус будет полностью развёрнут, его площадь составит около 80 квадратных метров — примерно как шесть парковочных мест. Камеры, установленные на космическом аппарате, будут фиксировать этот важный момент, следя за формой и симметрией паруса во время его развёртывания.
Благодаря большому парусу космический аппарат можно будет увидеть с Земли, если условия освещения будут подходящими. После полного раскрытия и правильной ориентации отражающий материал паруса будет таким же ярким, как Сириус, самая яркая звезда на ночном небе.
«Семь метров развёртываемых мачт могут свернуться в форму, которая поместится в руке, — говорит Алан Родс, ведущий системный инженер миссии в Исследовательском центре НАСА имени Эймса в калифорнийской Силиконовой долине. — Мы надеемся, что новые технологии, проверенные на этом космическом аппарате, вдохновят других на их использование в тех областях, о которых мы даже не задумывались».
Создание солнечных парусов будущего
В рамках программы НАСА «Технологии малых космических аппаратов» успешное развёртывание и эксплуатация лёгких композитных мачт солнечного паруса докажет его возможности и откроет путь к более масштабным полётам на Луну, Марс и другие планеты.
Такая конструкция мачты может потенциально поддерживать будущие солнечные паруса площадью до 500 квадратных метров, что примерно соответствует размеру баскетбольной площадки, а технология, полученная в результате успешной миссии, может поддерживать паруса площадью до 2000 квадратных метров — примерно половина футбольного поля.
«Солнце будет продолжать гореть ещё миллиарды лет, так что у нас есть безграничный источник движущей силы. Вместо того чтобы запускать массивные топливные баки для будущих миссий, мы можем запустить более крупные паруса, которые будут использовать уже имеющееся "топливо", — говорит Родс. — Мы продемонстрируем систему, которая использует этот богатый ресурс, чтобы сделать следующие гигантские шаги в исследовании и науке».
Поскольку паруса используют энергию Солнца, они могут обеспечить постоянную тягу для поддержки миссий, требующих уникальных точек обзора, например, тех, которые стремятся понять наше Солнце и его влияние на Землю. Солнечные паруса уже давно являются предпочтительным вариантом для миссий, которые могли бы нести системы раннего предупреждения для мониторинга солнечной погоды. Солнечные бури и выбросы корональной массы могут нанести значительный ущерб Земле, перегружая электросети, нарушая радиосвязь и воздействуя на самолёты и космические аппараты.
Композитные мачты могут в будущем пригодиться и за пределами области солнечных парусов: лёгкая конструкция и компактная система упаковки могут сделать их идеальным материалом для строительства мест обитания на Луне и Марсе, в качестве каркасных конструкций для зданий или компактных антенных столбов для создания ретрансляторов связи для астронавтов, исследующих лунную поверхность.
«Эта технология будоражит воображение, переосмысливая всю идею космических парусов и применяя её для космических путешествий, — говорит Руди Аквилина, руководитель проекта по созданию солнечного паруса в НАСА имени Эймса. — Демонстрация возможностей солнечных парусов и лёгких композитных мачт — это следующий шаг в использовании этой технологии для вдохновения будущих миссий».
Комментарии (17)
NickDoom
18.04.2024 19:23+6используется состоящий из двенадцати блоков аппарат CubeSat (12U)
Пояснительная бригада: аппарат стандартного форм-фактора CubeSat, размера 12U (то есть два на два на три стандартных кубсатовых юнита).
Я просто пытался запустить одиночный «кубик» когда-то, но здоровье распорядилось иначе :( поэтому я хотя бы знаю, что это не название аппарата :-D
khablander62
18.04.2024 19:23А годится ли парус для орбитальных аппаратов? Разворачивать парус, когда "по пути" и сворачивать когда против. Или остатки атмосферу сведут на нет такой подход?
dyadyaSerezha
18.04.2024 19:23Думаю, зависит от высоты орбиты и размеров паруса. Но мне кажется, что на достаточно высокой орбите сам аппарат устареет быстрее, чем атмосфера на него пагубно повлияет. Да, совсем забыл - сопротивление самого паруса...
smrl
18.04.2024 19:23Теоретически, если спутник может ставить парус очень быстро (и так же быстро убирать), то какую-то микроскопическую выгоду можно получать на любой высоте, особенно если орбита удачного наклонения.
Практически же - можно использовать на высотах от 800 км, если мы про Землю.
rudakov_da
18.04.2024 19:23Эта уникальная технология использует энергию Солнца для движения, что делает космические путешествия более эффективными и экологически чистыми. Но интересно как дела будут обстоять с космическим мусором, не критично будет появление маленьких отверстий в парусе?
DenisYahnovec
18.04.2024 19:23Вопрос солнечного паруса очень интересный, есть проекты по отправке наноспутников к соседней звезде которые будут как раз двигаться за счет солнечных парусов, но там планируется разгонять из лазером, Юрий Мильнер, наш бывший соотечественник, сейчас миллиардер в США, спонсирует этот проект, но там еще много турдностей, есть много вопросов с живучестью самих парусов не будут ли они рваться от самого излучения, кажется там квантовые вопросы появляются....
Да и были еще предложения отправить флот таких парусных спутников к предполагаемой планете 9, или тому что там может быть, может быть небольшой черной дыре, и по гравитации определить ее положение, если она там есть, это почти за пределами солнечной системы где то в области оорта, достаточно далеко в общем.
А на самом деле гораздо перспективней на мой взгляд это ядерный буксир паром, ядерные двигательные установки в космосе, если получится сделать то сможем летать к ближайшим планетам а возможно и дальше т.е. за границы солнечной системы...
AnatolyEmelin
18.04.2024 19:23Для работы в космосе у нас есть не много вариантов:
Метановый двигатель
Ионный двигатель
-
Ядерный … , но это пока фантастика
метановая космонавтика, в настоящее время, единственный вариант как-то готовый к практическому применению.
Важно научиться производить метан и кислород в космосе, что вообще говоря, придётся производить в любом случае. Для космической экономики нужны материалы: металлы и пластик. С земли их не навозишься.
что касается парусников - отличный эксперимент, посмотрим , что из этого получиться.
DenisYahnovec
18.04.2024 19:23Метановый двигатель требует много метана, топлива для путешествий по солнечной системе и за ее границы ... ну незнаю очень большая масса, даже если пробовать его добывать на других планетах в общем , это ли не еще большая фантастика
Ионный двигатель, слабоват хотя и работает долго и топлива нужно гораздо меньше, для полетов человека время полета очень критично
Вот ядерная установка в космосе это не такая уж и фантастика, еще во времена СССР и США , противостояния в космосе применялись спутники с питанием от ядерных установок, другой вопрос на каком принципе это будет сделано, прямоточный двигатель или преобразовать в электроэнергию а потом эту энергию использовать для того же Ионного двигателя (я в этом смысле имел ядерный двигатель)
Посмотрите проект паром который недавно одобрил ВВП как перспективный,
AnatolyEmelin
18.04.2024 19:23Кто-то говорит о полетах дальше пояса астероидов? Кто-то пишет о межзвездных полетах? Используя метановый двигатель вполне возможно положить начало космической экономике. Предел для таких решений пояс австероидов
Ионный двигатель слаб и применим лишь для научных исследований. Там же и паруса.
Ядерная космонавтика возможно только за пределами Земли, а испытания лучше за пределами орбиты. Все это потребует создания ядерной промышленности в космосе. А это пока фантастика.
…. С одобрением у нас всегда все хорошо.
Космическая экономика - это гражданская космонавтика. Это космонавтика как бизнес. Без экономики в космосе не будет никакого его «освоения», потому как не будет целей.
DenisYahnovec
18.04.2024 19:23С Вами согласен, я просто чуть чуть дальше марса начал смотреть уже к ближайшей соседней звезде , и понесло)
AnatolyEmelin
18.04.2024 19:23Хочется , но мечты или даже фантазии. Ядерный и даже термоядерный (!?) двигатели это Солнечная система в лучшем случае. Дальше , что-то будет летать в научных целях.
dyadyaSerezha
Нигде не написали, какое реальное ускорение получат системы с 80, 500 и 2000 кв. м. и каких скоростей и когда (с начала полёта) достигнут в разных точках солнечной системы и за ее пределами. Правда, тормозить придётся об другую звезду... это ж я несколько раз побриться успею.
Dmitry_Dor
Давление солнечного света на Расстоянии от Солнца 1 а.е (орбита Земли) - 9.08 мкН/м²
Т.о. тяга паруса площадью 80 м² - 725 мкН
При массе CubeSat (12U) порядка 15кг получаем ускорение ~50 микрометров/с², т.е. перегрузка порядка 0,0000005g
По мере удаления от Солнца давление Солнечного ветра (и ускорение) падает пропорционально квадрату расстояния, так что на расстоянии пояса астероидов в перегрузке появится еще один нолик после запятой, на орбите Сатурна еще один нолик, ну и далее везде...
Ну вот так как-то ¯\_(ツ)_/¯
dyadyaSerezha
Вот так и знал, что кто-то напишет значения ускорения. Я же спрашивал более конкретные вещи - когда такой аппарат (с каким-то полезным весом, а не один парус) достигнет того же пояса или Сатурна, когда выйдет за пределы солнечной системы, когда достигнет ближайшей звезды и т.п. Или вы хотите, чтобы я тут перемножал ускорение, интегрировал и всё такое?? Ну уж нет)
VBDUnit
Ну посчитать когда оно долетит до орбиты Сатурна не очень трудно — расстояние есть, ускорение есть, интегрируем и решаем, всё. А вот когда оно долетит именно до Сатурна — тут уже будет кривая траектория, хитро выбранный момент старта и всё такое — здесь уже всё довольно сурово.
Dmitry_Dor
Ну, для начала нужно покинуть родную гавань, и уйти с орбиты Земли, а тут не надо интегрировать, и в первом приближении* достаточно простой арифметики.
Итак:
Наш парусник уже имеет первую космическую скорость - 7,9 км/с
Для того, чтобы уйти в свободное плавание по Солнечной системе нужно набрать вторую космическую - 11,2 км/с
Итого требуется Δv - 3.3 км/с
Ускорение нашего парусника на расстоянии 1 а.е от Солнца мы уже знаем - 50 мкм/с²
Итого для осуществления данного маневра паруснику потребуется порядка 65 миллионов секунд* (ну, или около двух лет*)
★На самом деле намного дольше, поскольку при нахождении на орбите Земли паруснику для набора скорости придется маневрировать, и идти галсами относительно солнечного ветра, значительную часть времени при боковом, а на части околоземной орбиты и при встречном ветре, так что эффективность работы солнечного паруса будет существенно снижаться.
Ну вот так как-то ¯\_(ツ)_/¯
dyadyaSerezha
Спасибо, хотя карта с галсами на воде не катит - в космосе нет киля (под которым 7 футов) и нет эффекта крыла. Но я успею и пива попить.