14.06.2025, Марк Томпсон, Universe Today

Солнечные паруса представляют собой одну из самых элегантных концепций в освоении космоса: использование солнечного света для продвижения космических аппаратов через космос без топлива. Но эти тонкие, легкие гиганты сталкиваются с упрямой инженерной проблемой, которая преследовала все миссии с момента их создания; невозможность сохранения контроля во время полета на солнечном ветре.

Солнечные паруса работают, ловя фотоны от Солнца, так же, как ветер заполняет полотна парусного корабля. Эти ультратонкие, отражающие листы могут быть размером в десятки метров и весить всего несколько килограммов, предлагая теоретически неограниченную тягу для миссий в дальний космос. Однако огромный размер по сравнению с массой создает проблему контроля.

Большинство космических аппаратов используют вращающиеся колеса, называемые маховиками для ориентации, чтобы изменить свою направленность в космосе. Представьте их как гироскопы, которые могут наклонить космический корабль в любом направлении. Но солнечные паруса настолько велики и испытывают такие сложные силы от солнечного света, что эти маховики быстро перегружаются, вращаясь все быстрее и быстрее, пока не достигнут своего предела. В этом случае они больше не смогут функционировать. Это состояние называется «насыщением».

Когда такое происходит, космические аппараты теряют управление, что делает невозможным точное наведение инструментов или поддержание надлежащей ориентации. Предыдущие миссии, такие как LightSail 2, требовали ежедневного «сброса импульса» и использовали магнитные крутящие стержни, чтобы перезагрузить свои маховики, ограничивая их операционную эффективность.

Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса предложили элегантное решение, вдохновленное новаторской миссией Японии IKAROS: устройства контроля отражательной способности или RCD (Reflectivity Control Devices). Это, по сути, электронные зеркала, которые могут изменить способность отражать солнечный свет с помощью щелчка переключателя.

RCD - это тонкие гибкие мембраны, в которые встроены жидкие кристаллы, аналогичные тем, которые находятся в экранах ноутбуков. При подаче электричества они переключаются между двумя состояниями: высокоотражающим (зеркальным) и диффузно отражающим (рассеянным). Поскольку различные способы отражения создают различные силы от давления солнечной радиации, стратегически расположенные RCD могут генерировать точные крутящие моменты, чтобы помочь контролировать положение космического корабля.

Исследовательская группа разработала умную стратегию управления, которая чередуется между двумя режимами работы. Во время обычного режима «наведения на Землю» космический корабль использует свои маховики для точного наведения при проведении научных наблюдений. Когда маховики приближаются к насыщению, космический корабль автоматически переключается в режим «наведения на Солнце».

В режиме наведения на Солнце солнечный парус поворачивается прямо к Солнцу, максимизируя эффективность RCD. Затем электронные зеркала работают парами, одни с высокой отражающей способностью, другие с рассеянным отражением, создавая контролируемый дисбаланс солнечного давления, который создает точные крутящие моменты, необходимые для замедления вращения маховиков.

Благодаря детальному компьютерному моделированию с использованием космического аппарата, похожего на LightSail 2, на солнечной синхронной орбите в 700 километрах над Землей, исследователи продемонстрировали, что RCD могут успешно предотвратить насыщение маховика. Без RCD маховик достиг своего предела всего за 48 часов. С RCD система работала бесперебойно в течение недели, с сеансами разгрузки импульса продолжительностью около 5 часов, которые происходили примерно каждые два дня.

RCD доказали свою способность генерировать крутящий момент до 7,4 микроньютон- метров, небольшой, но достаточный для противодействия постепенному наращиванию импульса. Космический аппарат может переключаться между режимами наведением на Землю и Солнце в течение 11 минут, сохраняя эффективность работы и предотвращая сбои в системе управления.

Возможно, наиболее важным является то, что RCD предлагают преимущество для миссий в дальний космос, где традиционные инструменты управления импульсами, такие как магнитоторпеды или магнитодинамические исполнительные устройства, не смогут функционировать. Магнитоторпеды зависят от магнитного поля Земли, что делает их бесполезными за пределами непосредственной близости от нашей планеты. RCD, работающие только на солнечном свете, могут обеспечить точный контроль ориентации для миссий солнечных парусников к астероидам, другим планетам или даже в межзвездное пространство.

Технология также отличается механической простотой по сравнению с другими предлагаемыми решениями. В отличие от сложных систем подвеса или подвижных масс, RCD не имеют движущихся частей и добавляют минимальный вес космическому кораблю. Их успешная демонстрация на IKAROS доказывает, что они смогут работать в суровых условиях космоса.

В то время как нынешняя система RCD может управлять только двумя из трех вращательных осей, требуя дополнительных систем для полного контроля трех осей, исследование демонстрирует практический путь повышения надежности и эффективности плавания на солнечных парусах. Простота подхода, по сути, «умная окраска», которая меняет свою отражательную способность по команде, может сделать солнечные паруса более привлекательными для будущих миссий.

Поскольку космические агентства и частные компании все чаще обращаются к экологически чистым двигателям не требующим использования топлива для амбициозных исследований дальнего космоса, RCD представляют собой важный шаг на пути к тому, чтобы сделать корабли на солнечных парусах как надежными, так и элегантными. Иногда самые сложные решения одновременно являются и самыми простыми.

Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti)
Оригинал: A Better Way to Turn Solar Sails