Регата под солнечным парусом

Спутник LightSail-2 успешно увеличил высоту своей орбиты, используя давление света на солнечный парус, сообщается на сайте Планетного общества. LightSail-2 стал вторым аппаратом после японского IKAROS, продемонстрировавшим управляемое маневрирование с помощью солнечного паруса.

«Нас радует, что миссия LightSail-2 завершилась полным успехом. Мы показали, что можем управлять положением зонда на орбите, используя лишь давление света Солнца. Раньше это никому не удавалось продемонстрировать, и я очень горд, что наша команда справилась с этой задачей», — заявил ведущий научный сотрудник Планетного общества Брюс Беттс.

Мечта о космической регате

Планетное общество — это частная некоммерческая организация, которая реализует различные проекты в области астрономии и исследования космоса. Она была основана в 1980 году Карлом Саганом, Луисом Фридманом и Брюсом Мюрреем.

Основой LightSail-2 является наноспутник CubeSat. Это модуль, из которого, как из конструктора, можно собирать большие по размерам устройства. Например, в данном случае использовались три CubeSat, объединенные в единый прибор. Размеры аппарата невелики — 30 × 10 × 10 сантиметров, разработчики сравнивают его с буханкой хлеба. Вес такой «буханки» — около пяти килограммов. Два модуля из трех отвечают за разворачивание паруса площадью 32 квадратных метра, последний — за электронику. Сам парус изготовлен из металлизированного полимера майлара толщиной 4,5 микрона и имеет форму квадрата.

Солнечный парус — единственный способ реализации космических полетов без расхода рабочего тела. Даже в прямоточных ионных двигателях рабочее тело используется, оно забирается из атмосферы.

Ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН Натан Эйсмонт

scientificrussia.ru

«Предположим, что отражение — зеркальное, при котором фотоны от поверхности отскакивают как шарики, то есть угол падения равен углу отражения, а модуль (величина) скорости сохраняется. В таком случае тяга солнечного паруса в тысячу квадратных метров, если аппарат на том же расстоянии от Солнца, что и Земля (примерно 150 миллионов километров), составляет одну сотую Ньютона, то есть примерно один Грамм, — пояснил “Стимулу” ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН Натан Эйсмонт. — Для аппарата с электроракетным двигателем на ксеноне (имеется в виду существующий двигатель) с тягой один Грамм площадь солнечных батарей составляет один квадратный метр. Согласитесь, разница впечатляет. К тому же парус в тысячу квадратных метров — это еще и большие проблемы, возникающие при раскрытии».

Принцип работы солнечного паруса основан на давлении света. Поскольку фотоны, испускаемые Солнцем, имеют импульс, при столкновении с предметом они передают импульс ему. В условиях Земли сила такого взаимодействия крайне мала, однако при использовании большой отражающей поверхности аппарату, находящемуся в космическом пространстве, этого достаточно для изменения орбиты без использования топлива.

«Когда была мода на паруса, предлагалось организовать международную регату в виде гонок к Луне на солнечном парусе, — рассказывает Натан Эйсмонт. — Даже ИКИ РАН поддался этому модному течению. Был запущен проект (недешевый) под названием “Регата”. Но результат нулевой, даже отрицательный: ведь деньги-то были потрачены. Будем надеяться, что энтузиасты парусов достигнут желаемых целей. Когда — предсказать трудно. Последнее достижение Планетного общества — это только начало пути».

История солнечного паруса

Идея путешествий на солнечном парусе появилась на страницах фантастических повестей еще в конце XIX века — первой ласточкой стала книга французского драматурга Жоржа Ле Фора и талантливого инженера Анри де Графиньи «Необычные приключения одного русского ученого» (1889 год). В ней герои летели на Венеру, используя огромное параболическое зеркало, отражавшее свет Солнца.

Книга французского драматурга Жоржа Ле Фора и талантливого инженера Анри де Графиньи «Необычные приключения одного русского ученого» (1889 год)

kobo.com

Первым, кто предложил реальную конструкцию аппарата на солнечном парусе, был советский инженер Фридрих Цандер. В 1924 году он подал в Комитет по изобретениям заявку на космический самолет на основе аэроплана — аппарат должен был подниматься сквозь плотные слои атмосферы сначала с помощью двигателя высокого давления, затем, в более разреженной среде, — с помощью жидкостного ракетного двигателя, который использовал «ненужные части» в качестве топлива. В результате на орбиту выводилось сравнительно небольшое крылатое устройство, передвигающееся с помощью солнечного паруса и способное к возврату на Землю. Однако комитет посчитал проект слишком фантастическим.

В практическом плане в историю космонавтики давление солнечного света вошло в связи с историей падения аппарата «Эхо-1». Это был зеркальный баллон диаметром около 60 метров, наполненный газообразным ацетальдегидом. В 1960 году, когда «Эхо-1» был выведен на орбиту, инженеры NASA использовали его для пассивного отражения радиосигнала и создания межконтинентальной линии теле- и радиосвязи. Однако расчетное время на орбите аппарат не смог продержаться — как раз из-за давления солнечного ветра, которое не учли инженеры. Вследствие этого, а также из-за тормозящего действия верхних слоев атмосферы Земли спутник постепенно замедлял движение и снижал высоту, что привело к его разрушению спустя восемь лет после запуска.

Обуздать силу солнечного давления удалось уже в 1974 году, при запуске аппарата «Маринер-10». Хотя сам он не был разработан непосредственно для «светоплавания», в роли паруса выступили его солнечные батареи. Их развернули под определенным углом к Солнцу, чтобы скорректировать расположение аппарата в пространстве в тот момент, когда маневровый газ уже подошел к концу. Это стало первым примером использования давления света для управления космическим аппаратом.

Впервые настоящий солнечный парус появился в космосе в рамках российского проекта «Знамя-2». Вообще говоря, его целью был вовсе не полет к дальним планетам, а, как ни странно, создание искусственного источника света — возможно, самого необычного из существовавших до сих пор. В случае успешной реализации проекта появилась бы возможность прямо из космоса освещать места стихийных бедствий, а также крупные города во время полярной ночи — по крайней мере, именно такими идеями вдохновлялись авторы проекта. В 1993 году в рамках эксперимента «Знамя-2» удалось развернуть солнечный парус, установленный на корабле «Прогресс М-15». Диаметр зеркала составил 20 метров, а интенсивность отраженного им света была сопоставима со светом полной Луны (из-за облачности наблюдать его так и не удалось). Следующим шагом должен был стать существенно больший отражатель «Знамя-2.5». Он был способен создавать на поверхности семикилометровый «солнечный зайчик», внутри которого светимость составляла 5–10 полных Лун. Как это могло бы выглядеть с Земли, мы, к сожалению, так и не узнаем: при разворачивании металлизированная пленка зацепилась за антенну и не раскрылась. Проект космического освещения закрыли.

Луис Фридман, основатель Планетного общества, осматривает аппарат «Космос-1», собранный НПО имени Лавочкина

Lavochkin Association / The Planetary Society

В 1999 году НПО Лавочкина приняло заказ Планетного общества на проектирование солнечного парусника «Космос-1». Он должен был использовать для ускорения 30-метровую зеркальную пленку, состоящую из восьми отдельных сегментов. В качестве материала для паруса инженеры взяли покрытый тонким слоем алюминия полиэтилентерефталат (используемый, в частности, в пластиковых бутылках). Суммарная площадь паруса составила более 600 квадратных метров. В качестве платформы для пуска была выбрана атомная подводная лодка «Борисоглебск», носителем спутника выступила ракета-носитель «Волна», созданная на базе боевой ракеты РСМ-50.

Первый пуск тестового аппарата (с двумя лепестками паруса) состоялся в 2001 году, однако его постигла неудача. На протяжении года инженеры пытались определить, в чем была проблема с ракетой. Следующий запуск, уже с готовым спутником, был запланирован на июнь 2005 года. К сожалению, и он провалился: после 83 секунд полета первая ступень неожиданно прекратила работу, в результате чего ракета не набрала необходимую скорость. Спутник затонул в океане.

Проблемы с запуском аппаратов мешали развитию солнечных парусов и в США. Так, в 2008 году компания SpaceX должна была с помощью ракеты Falcon 1 запустить на орбиту аппарат NanoSail-D. Его парус был изготовлен из металлизированного полимера и имел площадь около 10 квадратных метров. К сожалению, и эта попытка провалилась: во время запуска Falcon первая ступень не отделилась.

Первым действительно успешным экспериментом с солнечным парусом стал старт японского спутника IKAROS. Еще в 2004 году японцам удалось раскрыть на высоте 122 и 169 километров два небольших экспериментальных тонкопленочных паруса. А 21 мая 2010 года на орбиту из космического центра Танегасима на борту ракеты-носителя HII-A отправился сам IKAROS. В качестве отражающей поверхности он использует квадратную полиимидную пленку (каптон, производства DuPont), состоящую из четырех трапециевидных фрагментов. Толщина паруса составляет 7,5 микрон, но в нее дополнительно вшиты тонкопленочные солнечные батареи, предназначенные для генерации электричества. В результате вращения аппарата грузики, к которым привязана пленка, растягиваются центробежной силой и тем самым раскрывают парус в квадрат со стороной 14 метров. Сам процесс раскрытия занял семь дней, после чего IKAROS отправился к Венере.

Первым действительно успешным экспериментом с солнечным парусом стал старт японского спутника IKAROS

JAXA

Интересно, что инженерам удалось заснять аппарат со стороны. Для этого он в определенный момент выбросил цилиндр с камерой. Она успела сделать ряд фотографий, которые передала обратно на спутники. Возврат камеры предусмотрен не был. Затем спутник пролетел в 80 тыс. километров от Венеры и получил ее изображения. Последний раз сигналы со спутника были получены 22 мая 2014 года, с тех пор он находится в режиме гибернации из-за нехватки энергии.

Вслед за IKAROS дела с солнечными парусами стали выправляться и в NASA. Спустя всего полгода после запуска японского спутника, 19 ноября 2010 года, ракета Minotaur IV вывела экспериментальный спутник FASTSAT на орбиту высотой 653 километра. Дублер предыдущего проекта, аппарат NanoSail-D2, сыграл роль полезной нагрузки для FASTSAT. Он должен был отделиться от него сразу после выхода на орбиту, однако этого не произошло ни в ноябре, ни в декабре. Лишь 19 января 2011 года операторы получили сигнал о срабатывании механизма отделения аппарата. Спустя три дня NanoSail-D2 раскрыл парус — в отличие от японского спутника на сам процесс разворачивания пленки у него ушло всего несколько секунд. Оно проводилось с помощью металлических полосок, которые выдвигаются из аппарата наподобие измерительной рулетки.

NanoSail-D2 обладал очень большой площадью отражающей поверхности, поэтому за те восемь месяцев, что он провел на орбите, его неоднократно наблюдали с Земли как яркую точку, двигающуюся по ночному небу. Точно так же благодаря отражению света от солнечных батарей у нас есть возможность наблюдать пролеты спутников Iridium и МКС. Яркость этих объектов на звездном небе порой сравнивается с ярчайшими планетами и даже превышает ее.

Следующим должен был состояться запуск спутника Sunjammer — аппарата, названного в честь одноименного рассказа Артура Кларка, посвященного гонкам на солнечных парусах. Пуск был запланирован в 2015 году на ракете Falcon 9. Но NASA прекратило финансирование создания аппарата в связи с тем, что разработчик, калифорнийская компания L’Garde, не справился с проектом. Вместо маршевых двигателей зонд предполагалось наделить самым большим парусом из всех, что были построены до сих пор: площадью 1200 квадратных метров и тягой в одну сотую Ньютона. При этом масса спутника не превышала 32 килограммов. Парус был выполнен в виде квадрата со стороной 38 метров и состоял из металлизированной каптоновой пленки толщиной пять микрон.

Планетное общество не оставляет надежды

Для Планетного общества LightSail-2 — это уже третий аппарат для проверки концепции управляемого полета на космическом парусе. Первым на орбиту должен был отправиться созданный в НПО Лавочкина аппарат «Космос-1», но его запуск в 2005 году был неудачным. В 2015 году в космос был запущен спутник LightSail-A, который затем успешно развернул солнечный парус. Однако космический аппарат находился на такой высоте, что сила торможения об атмосферу превышала силу, с которой солнечный свет воздействовал на парус, поэтому его миссия заключалась лишь в проверке механизма развертывания, а не в поднятии высоты орбиты.

LightSail-2, запущенный в июне 2019 года, предназначен для полноценной проверки этой технологии. 23 июля он успешно раскрыл солнечный парус, а 31 июля Планетное общество объявило, что аппарату удалось достигнуть роста максимальной высоты орбиты со скоростью около километра в сутки. Для этого аппарат должен был периодически менять ориентацию, чтобы быть развернутым к Солнцу только в определенных сегментах своей орбиты. В течение августа аппарат будет продолжать поднимать высоту орбиты.