Солнечный парус

Эта статья о движении космического корабля за счет радиационного давления солнечного света. Чтобы узнать о движении с помощью солнечного ветра, см. Электрический парус и Магнитный парус . Чтобы узнать о космическом корабле Планетарного общества, см. LightSail .

«лазерный парус» перенаправляется сюда. Не путать с Лазером (лодкой) .

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 ) — это метод движения космического корабля , использующий радиационное давление, оказываемое 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. Высокоэнергетические лазерные лучи 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 .

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. системой с малой тягой что делает его двигательной , похожей на космический корабль, приводимый в движение электрическими двигателями , но, поскольку он не использует топливо, эта сила действует почти постоянно, а 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». Возможно, когда он писал эти слова, он имел в виду феномен хвоста кометы, хотя его публикации о хвостах комет появились несколько лет спустя.

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 «С Земли на Луну» . опубликованный 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». 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; Эрнест Николс и Гордон Халл провели аналогичный независимый эксперимент в 1901 году с использованием радиометра Николса .

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.

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».

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».

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».

Дж. Д. Бернал писал в 1929 году: «Можно разработать форму космического плавания, в которой вместо ветра будет использоваться отталкивающий эффект солнечных лучей. 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».

Артур Кларк написал Sunjammer , научно-фантастический рассказ , первоначально опубликованный в мартовском номере журнала Boys' Life за 1964 год. изображающий гонку 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.

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

Типы

Светоотражающий

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

дифракционный

Основная статья: Дифракционный солнечный парус

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

Альтернативы

Электрический солнечный ветер

Основная статья: Электрический парус

Пекка Янхунен из FMI предложил тип солнечного паруса, названный электрическим солнечным ветровым парусом . Механически он имеет мало общего с традиционной конструкцией солнечного паруса. Паруса заменяются выпрямленными проводящими тросами (тросами), расположенными радиально вокруг корабля-хозяина. Провода электрически заряжены, создавая электрическое поле вокруг них . 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.

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

Магнитный

Основная статья: Магнитный парус

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.

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

Основная статья: Радиационное давление

Сила, сообщаемая солнечному парусу, возникает из импульса фотонов. Импульс фотона или всего потока определяется соотношением Эйнштейна :

$p=E/c$

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

освещенности ( солнечной постоянной ) 1361 Вт/м. Давление солнечной радиации может быть связано со значением ² на расстоянии 1 а.е. (расстояние Земля-Солнце), в редакции 2011 г.:

• идеальное поглощение: F = 4,54 мкН на квадратный метр (4,54 мкПа ) в направлении падающего луча ( совершенно неупругое столкновение )
• идеальная отражательная способность: F = 9,08 мкН на квадратный метр (9,08 мкПа) в направлении, нормальном к поверхности ( упругое столкновение ).

Идеальный парус плоский и имеет 100% зеркальное отражение . Настоящий парус будет иметь общий КПД около 90%, около 8,17 мкН/м. ² , из-за кривизны (волн), морщин, 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 очень близко к Солнцу). ), и квадратом косинуса угла между вектором силы паруса и радиалом от Солнца, так

$F=F_{0}\cos ^{2}(\theta )/R^{2}$ (для идеального паруса)

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

$F=F_{0}(0.349+0.662\cos(2\theta )-0.011\cos(4\theta ))/R^{2}$

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.

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 давления солнечного излучения на отражающий парус.

Параметры паруса

Нагрузка паруса (плотность площади) — важный параметр, 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

Предполагая эффективность 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. Размеры квадратных и решетчатых парусов указаны по краям. Размер гелиогироскопа — от кончика лезвия до кончика лезвия.

Тип	с (г/м 2 )	а с (мм/с 2 )	л	Размер (км 2 )
Квадратный парус	5.27	1.56	0.26	0.820
Гелиогиро	6.39	1.29	0.22	15
Решетчатый парусник	0.07	117	20	0.840

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. корабля Управление ориентацией достигается за счет относительного смещения центра давления 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.

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.

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.

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. В частности, для Марса этот корабль может стать экономичным средством регулярного снабжения операций на планете. По словам Джерома Райта, «стоимость запуска необходимого обычного топлива с Земли огромна для пилотируемых миссий. Использование парусных кораблей потенциально может сэкономить более 10 миллиардов долларов на затратах на миссию».

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 .

Размер паруса м	Меркурий Рандеву		Венера Рандеву		Мартовское рандеву		Марс Аэробрейк
	дни	тонны	дни	тонны	дни	тонны	дни	тонны
800 σ = 5 г/м 2 без груза	600	9	200	1	400	2	131	2
	900	19	270	5	500	5	200	5
	1200	28			700	9	338	10
2000 σ = 3 г/м 2 без груза	600	66	200	17	400	23	131	20
	900	124	270	36	500	40	200	40
	1200	184			700	66	338	70

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 вылета относительно Земли составляет 2 года при использовании непрямого переноса (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.

Минимальное время до внешних планет ( a _c = 1 мм/с ² )

	Юпитер	Сатурн	Уран	Нептун
Время, год	2.0	3.3	5.8	8.5
Скорость, км/с	17	19	20	20

Облако Оорта/Фокус внутренней гравитации Солнца

Солнца Внутренняя точка гравитационного фокуса 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, таким образом эффективно служа очень большим объективом телескопа.

Было высказано предположение, что надутый парус из бериллия , находящийся на расстоянии 0,05 а.е. от Солнца, получит начальное ускорение 36,4 м/с. ² и достичь скорости 0,00264c (около 950 км/с) менее чем за сутки. 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. Такому парусу потребуется «два с половиной года, чтобы достичь гелиопаузы Солнца , шесть с половиной лет, чтобы достичь внутреннего гравитационного фокуса , с прибытием во внутреннее Облако Оорта не более чем через тридцать лет». «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. 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.

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.

Коррекция траектории

Зонд MESSENGER , вращающийся вокруг Меркурия, использовал световое давление на свои солнечные панели для точной коррекции траектории на пути к Меркурию. Изменяя угол солнечных панелей относительно Солнца, можно было варьировать величину давления солнечного излучения, чтобы более деликатно регулировать траекторию космического корабля, 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 .

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 » для этого будут использовать микроволны, а не видимый свет. 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. 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.

Другой, более физически реалистичный подход — использовать свет Солнца для ускорения космического корабля. Корабль сначала выйдет на орбиту, приближаясь к Солнцу, чтобы максимизировать поступление солнечной энергии в парус, а затем начнет ускоряться от системы, используя свет Солнца. Ускорение будет падать 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 полезную нагрузку массой 10 кг, с использованием тонких транспортных средств с солнечными парусами и эффективной плотностью поверхности 0,1 г/м. ² с тонкими парусами толщиной 0,1 мкм и размерами порядка одного квадратного километра. Альтернативно, стаи капсул размером 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.

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

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 . Парус для спуска с орбиты, разработанный в Университете Крэнфилда, является частью британского спутника TechDemoSat-1, запущенного в 2014 году. Парус был развернут в конце пятилетнего срока службы спутника в мае 2019 года. Цель паруса — вывести спутник с орбиты в течение примерно 25 лет. В июле 2015 года в космос был запущен британский спутник CubeSat высотой 3U под названием DeorbitSail с целью испытания 16-метрового спутника. ² структура схода с орбиты, но в конечном итоге развернуть его не удалось. Студенческая миссия CubeSat высотой 2U под названием PW-Sat2 была запущена в декабре 2018 года и протестировала 4-метровый спутник. ² сходной парус. Он успешно сошел с орбиты в феврале 2021 года. В июне 2017 года второй британский CubeSat высотой 3U под названием InflateSail развернул 10-метровый спутник CubeSat. ² сход с орбиты на высоте 500 километров (310 миль). В июне 2017 года спутник Cubesat URSAMAIOR высотой 3U был запущен на низкую околоземную орбиту для испытания системы спуска с орбиты ARTICA, разработанной Spacemind . Аппарат, занимающий всего 0,4 U кубсата, должен развернуть парус длиной 2,1 м. ² увести спутник с орбиты по окончании срока его эксплуатации.

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. Он разворачивается с вращением, с законцовками 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. 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.

Конструкцией наибольшей тяги к массе для наземных развертываемых конструкций являются квадратные паруса с мачтами и оттяжками 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.

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.

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. CubeSail (UltraSail) — действующий проект, целью которого является использование 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.

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.

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

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. 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 конструкции планировалось использовать космическое производство пленочных панелей, соединяя их с развертываемой натяжной конструкцией. Паруса этого класса будут иметь большую площадь на единицу массы и, следовательно, ускорение до «пятидесяти раз выше», чем конструкции, основанные на развертываемых пластиковых пленках. Материал, разработанный для солнечного паруса Дрекслера, представлял собой тонкую алюминиевую пленку 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 передовых 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.

В 2000 году Energy Science Laboratories разработала новый материал из углеродного волокна , который может быть полезен для солнечных парусов. Этот материал более чем в 200 раз толще, чем традиционные конструкции солнечных парусов, но он настолько пористый, что имеет такую ​​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 промышленных масштабах еще не доступны, такие материалы могут иметь массу менее 0,1 г/м. ² , что делает их легче любого существующего материала для парусов как минимум в 30 раз. Для сравнения: майларовый материал паруса толщиной 5 микрометров имеет массу 7 г/м. ² алюминизированные каптоновые пленки имеют массу до 12 г/м. ² , и Energy Science Laboratories, новый материал из углеродного волокна, масса 3 г/м. ² .

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 пределе можно построить парусное судно с общей плотностью около 0,02 г/м. ² , что дает ему легкость 67 и скорость _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.

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.

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.

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 повороту парусника на ветер нет. Для изменения наклонения 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.

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 другой конструкции, 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, отправляющихся с Земли или прибывающих на нее. Это может сократить время путешествия, особенно в тех случаях, когда парус сильно загружен. Обход 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.

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

Миссия	Мощность лазера	Масса автомобиля	Ускорение	Диаметр паруса	Максимальная скорость (% от скорости света)
1. Облет – Альфа Центавра, 40 лет.
исходящий этап	65 ГВт	1 т	0,036 г	3,6 км	11% @ 0,17 световых лет
2. Свидание – Альфа Центавра, 41 год.
исходящий этап	7200 ГВт	785 т	0,005 г	100 км	21% @ 4,29 световых лет
этап торможения	26 000 ГВт	71 т	0,2 г	30 км	21% @ 4,29 световых лет
3. В составе экипажа – Эпсилон Эридана, 51 год (включая 5 лет исследования звездной системы)
исходящий этап	75 000 000 ГВт	78 500 т	0,3 г	1000 км	50 % при 0,4 лет.
этап торможения	21 500 000 ГВт	7850 т	0,3 г	320 км	50% @ 10,4 лет
возвратный этап	710 000 ГВт	785 т	0,3 г	100 км	50% @ 10,4 лет
этап торможения	60 000 ГВт	785 т	0,3 г	100 км	50 % при 0,4 лет.

Каталог межзвездных путешествий будет использовать фотогравитационную помощь для полной остановки

Имя	Время в пути ()	Расстояние (ли)	Яркость ( L ☉ )
Сириус А	68.90	8.58	24.20
Центавра А	101.25	4.36	1.52
Центавра Б	147.58	4.36	0.50
Процион А	154.06	11.44	6.94
Вега	167.39	25.02	50.05
Альтаир	176.67	16.69	10.70
Фомальгаут А	221.33	25.13	16.67
Денебола	325.56	35.78	14.66
Кастор А	341.35	50.98	49.85
Эпсилон Эридана	363.35	10.50	0.50

• Последовательные передачи на α Cen A и B могут позволить продлить время путешествия до 75 лет до обеих звезд.
• Lightsail имеет номинальное соотношение массы к поверхности (σ _ном ) 8,6×10. ⁻⁴ грамм м ⁻² для номинального паруса графенового класса.
• Площадь светового паруса, около 10 ⁵ м ² = (316 м) ²
• Скорость до 37300 км/с. ⁻¹ (12,5% в)

. Ссылка:

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 солнечной батареи вносит небольшие корректировки в баланс крутящего момента.

Испытания наземного развертывания

НАСА успешно протестировало технологии развертывания небольших парусов в вакуумных камерах.

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

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.

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 веерный – на высоте 169 км. В обоих парусах использовалась толщиной 7,5 микрометра пленка . В ходе эксперимента проверялись исключительно механизмы развертывания, а не двигательная установка.

Znamya 2

Знамя-2 (Знамя-2) после развертывания

4 февраля 1993 года был успешно запущен « Знамя-2» с российской «Мир» космической станции , 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. Хотя развертывание удалось, движение не было продемонстрировано. Второй тест 1999 года, «Знамя 2.5» , не прошел должным образом.

ИКАРУС 2010

Основная статья: ИКАРОС

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

21 мая 2010 года Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) запустило мире к Венере первый в межпланетный с солнечным парусом космический корабль « ИКАРОС » (межпланетный воздушный змей, ускоряемый излучением Солнца). Используя новый метод движения солнечных фотонов, это был первый космический корабль с солнечным парусом, полностью приводимый в движение солнечным светом. и был первым космическим кораблем, которому удалось совершить полет на солнечном парусе.

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.

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 развернул 200-метровую орбиту. ² Экспериментальный солнечный парус из полиимида 10 июня. В июле начался следующий этап демонстрации ускорения радиацией. 9 июля 2010 года было подтверждено, что ИКАРОС собирает радиацию Солнца и начинает 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. Данные показали, что IKAROS, судя по всему, находился в плавании на солнечной энергии с 3 июня, когда он развернул парус.

ИКАРОС имеет квадратный парус диагонального вращения 14х14 м (196 м). ² ) изготовлен 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. восемь ЖК- В парус встроены панелей, отражающую способность которых можно регулировать для управления ориентацией . ИКАРОС провел шесть месяцев в путешествии к Венере, а затем начал трехлетнее путешествие на обратную сторону Солнца.

НаноПарус-Д 2010

Основная статья: НаноПарус-Д2

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. . Вторая резервная версия, NanoSail-D2 , также иногда называемая просто NanoSail-D, был запущен с помощью FASTSAT на Minotaur IV 19 ноября 2010 года, став первым солнечным парусом НАСА, развернутым на низкой околоземной орбите. Задачи миссии заключались в проверке технологий развертывания парусов и сборе данных об использовании солнечных парусов в качестве простого, «пассивного» средства вывода с орбиты мертвых спутников и космического мусора. Конструкция NanoSail-D была изготовлена ​​из алюминия и пластика, а масса космического корабля составляла менее 10 фунтов (4,5 кг). Площадь паруса составляет около 100 квадратных футов (9,3 м2). ² ) светоотражающей поверхности. После некоторых первоначальных проблем с развертыванием солнечный парус был развернут и, как сообщается, в течение своей 240-дневной миссии собрал «множество данных» об использовании солнечных парусов в качестве устройств пассивного спуска с орбиты.

НАСА запустило второй блок NanoSail-D, размещенный внутри спутника FASTSAT на Минотавре IV, 19 ноября 2010 года. Дата катапультирования микроспутника FASTSAT была запланирована на 6 декабря 2010 года, но развертывание произошло только 20 января 2011 года.

Планетарное общество LightSail Projects

Основная статья: LightSail

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. Несмотря на неудачную попытку запуска «Космоса-1», Планетарное общество получило аплодисменты космического сообщества за свои усилия и возродило интерес к технологии солнечных парусов.

В день 75-летия Карла Сагана (9 ноября 2009 г.) Планетарное общество объявило о планах сделать еще три попытки, получившие название LightSail-1 , -2 и -3. В новой конструкции будет использоваться 32-метровый ² Майларовый парус, развернутый в четырех треугольных сегментах, как NanoSail-D. Конфигурация запуска представляет собой формат CubeSat высотой 3U , и с 2015 года он был запланирован в качестве вторичной полезной нагрузки для запуска в 2016 году при первом запуске SpaceX Falcon Heavy .

« LightSail-1 » был спущен на воду 20 мая 2015 года. Целью испытания было обеспечить полную проверку 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. Он снова вошел в атмосферу 17 ноября 2022 года.

Разведчик АЯЭ

Концепт NEA Scout : управляемый космический корабль CubeSat с солнечным парусом

Основная статья: Разведчик околоземных астероидов

«Разведчик околоземных астероидов» (NEA Scout) — это миссия, совместно разработанная Маршалла НАСА имени Центром космических полетов (MSFC) и Лабораторией реактивного движения (JPL), состоящая из управляемого недорогого космического корабля CubeSat с солнечным парусом, способного сталкиваться с близкими объектами. -Земные астероиды (ЗЕМЛ). Необходимо было развернуть четыре стрелы длиной 7 м (23 фута), развернув 83-метровую стрелу. ² (890 кв. футов) солнечный парус из алюминизированного полиимида. В 2015 году НАСА объявило, что выбрало NEA Scout для запуска в качестве одной из нескольких вторичных полезных нагрузок на борту «Артемиды-1» агентства SLS . , первого полета тяжелой ракеты- носителя Однако корабль был признан потерянным из-за того, что не удалось установить связь вскоре после запуска в 2022 году.

Усовершенствованная композитная солнечная парусная система (ACS3)

Тестирование усовершенствованной композитной солнечной парусной системы

Усовершенствованная композитная солнечная парусная система НАСА (ACS3) представляет собой демонстрацию технологии солнечного паруса для будущих малых космических кораблей. В 2019 году он был выбран Инициативой запуска CubeSat НАСА (CSLI) для запуска в рамках программы ELaNa .

ACS3 состоит из небольшого спутника CubeSat высотой 12U (23 x 23 x 34 см; 16 кг), который разворачивает квадратный 81-метровый спутник. ² Солнечный парус, состоящий из полиэтиленнафталатной пленки, покрытой с одной стороны алюминием для отражательной способности, а с другой стороны хромом для увеличения теплоизлучения. Парус удерживается новой системой раскладывания из четырех стрел длиной 7 м , изготовленных из полимера, армированного углеродным волокном .

ACS3 запущен 23 апреля 2024 года в рамках миссии Electron «Beginning Of The Swarm» . ACS3 успешно установил связь с наземными станциями после развертывания в начале мая. Ожидается, что солнечный парус будет развернут в августе.

Проекты предложены, отменены или не выбраны

Несмотря на потери «Космоса-1» и «НаноПаруса-Д» (около 23см х 23см х 34см; ), произошедшие из-за выхода из строя их ракет-носителей, ученые и инженеры всего мира остаются воодушевленными 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 ) поверхности в космосе и парус продвигаются вперед. Разработка солнечных парусов для пилотируемых космических полетов все еще находится в зачаточном состоянии.

Санджаммер 2015

Основная статья: Sunjammer (космический корабль)

Парусное судно для демонстрации технологий, получившее название Sunjammer , разрабатывалось с целью доказать жизнеспособность и ценность парусных технологий. У Sunjammer был квадратный парус шириной 38 метров (125 футов) с каждой стороны, что давало ему эффективную площадь 1200 квадратных метров (13 000 квадратных футов). Солнце-Земля L ₁ Он должен был пройти от точки Лагранжа на расстоянии 1,5 миллиона километров (930 000 миль) от Земли на расстояние 3 миллиона километров (1,9 миллиона миль). Ожидалось, что демонстрация будет запущена на Falcon 9 в январе 2015 года. Это должна была быть вторичная полезная нагрузка, выпущенная после размещения климатического спутника DSCOVR в точке L1. Ссылаясь на отсутствие уверенности в способности своего подрядчика L'Garde выполнить поставленные задачи, НАСА отменило миссию в октябре 2014 года.

ОКЕАНОС

Основная статья: ОКЕАНОС

OKEANOS (Негабаритный воздушный змей для исследования и астронавтики во внешней Солнечной системе) — это предложенная японским JAXA Юпитера концепция миссии к троянским астероидам с использованием гибридного солнечного паруса в качестве двигателя; парус должен был быть покрыт тонкими солнечными панелями для питания ионного двигателя . на месте Анализ собранных образцов 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. Троянский исследователь астероидов OKEANOS Jupiter стал финалистом второй японской большого класса ISAS миссии , которая будет запущена в конце 2020-х годов. Однако оно не было выбрано.

Солнечный крейсер

Основная статья: Солнечный крейсер

В августе 2019 года НАСА выделило команде Solar Cruiser 400 000 долларов на девятимесячное исследование концепции миссии. Космический корабль будет иметь высоту 1672 м. ² (18 000 кв. футов) солнечного паруса и будет вращаться вокруг Солнца по полярной орбите, а коронограф позволит одновременно измерять структуру магнитного поля Солнца и скорость корональных выбросов массы . 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.

Проекты все еще в разработке или статус неизвестен

Паутинка схода с орбиты

По состоянию на декабрь 2013 г. Европейское космическое агентство (ЕКА) предложило спустить с орбиты парус под названием « Паутина », который будет использоваться для ускорения схода с орбиты небольших (менее 700 кг (1500 фунтов)) искусственных спутников с низких околоземных орбит . 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 .

Прорыв Старшота

Основная статья: 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. Путешествие продлится 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 опубликовали рассказы о солнечных парусах, оба рассказа под названием «Санджаммер», в 1964 году. Кларк переименовал свой рассказ в «Ветер от Солнца», когда он был переиздан, чтобы чтобы избежать путаницы.

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 » сериала «Звёздный путь: Глубокий космос девять эпизода « Исследователи ». В этом эпизоде ​​корабли-маяки описываются как древняя технология, используемая баджорцами для путешествий за пределы своей 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. ).

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

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

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

В заключительном эпизоде ​​первого сезона Netflix телешоу 2024 2024 года «3 Проблема с телом» один из главных героев, Уилл Даунинг, запускает свой криогенно замороженный мозг в космос к приближающемуся трисолярийскому космическому кораблю, используя солнечные паруса и ядерный импульсный двигатель для ускорения. это до доли скорости света.

См. также

• Инопланетяне: первые признаки разумной жизни за пределами Земли - научно-популярная книга Ави Леба, 2021 г.
• Оптический подъемник – подъемная сила, обусловленная светом.
• Эффект Пойнтинга-Робертсона - процесс, при котором солнечное излучение заставляет пылинку, вращающуюся вокруг звезды, терять угловой момент.
• Техносигнатура - собственность, которая предоставляет научные доказательства присутствия технологии.
• Эффект Ярковского - Сила, действующая на вращающееся тело в космосе.

Библиография

• Дж. Вулпетти, Быстрое солнечное плавание: астродинамика траекторий специальных парусных судов , Библиотека космических технологий, том. 30, Springer, август 2012 г., (твердый переплет) https://www.springer.com/engineering/mechanical+engineering/book/978-94-007-4776-0 , (Kindle-edition), ASIN: B00A9YGY4I
• Дж. Вулпетти, Л. Джонсон, Г. Л. Матлофф, Солнечные паруса: новый подход к межпланетным полетам , Springer, август 2008 г., ISBN   978-0-387-34404-1
• Дж. Л. Райт, Космический парусный спорт , издательство Gordon and Breach Science, Лондон, 1992; Райт участвовал в попытках Лаборатории реактивного движения использовать солнечный парус для встречи с кометой Галлея.
• NASA/CR 2002-211730, Глава IV - представляет оптимизированную траекторию ухода с помощью режима движения с разворотом H.
• Дж. Вулпетти, Концепция разделения парусного судна, JBIS , Vol. 59, стр. 48–53, февраль 2006 г.
• Г. Л. Матлофф, Зонды глубокого космоса: до внешней Солнечной системы и за ее пределами , 2-е изд., Springer-Praxis, Великобритания, 2005 г., ISBN   978-3-540-24772-2
• Т. Тейлор, Д. Робинсон, Т. Мотон, Т.С. Пауэлл, Г. Мэтлофф и Дж. Холл, «Интеграция и анализ двигательных систем солнечного паруса (на опционный период)», итоговый отчет для NASA/MSFC, контракт № H. -35191D Период действия опциона, Teledyne Brown Engineering Inc., Хантсвилл, Алабама, 11 мая 2004 г.
• Дж. Вулпетти, «Варианты траектории парусного корабля для межзвездного зонда: математическая теория и численные результаты», глава IV NASA / CR-2002-211730, Межзвездный зонд (ISP): траектории предперигелия и применение голографии , июнь 2002 г.
• Дж. Вулпетти, Миссия Sailcraft к солнечной гравитационной линзе, STAIF-2000, Альбукерке (Нью-Мексико, США), 30 января – 3 февраля 2000 г.
• Дж. Вулпетти, «Общие 3D-траектории разворота H для высокоскоростных парусных судов», Acta Astronautica , Vol. 44, № 1, стр. 67–73, 1999 г.
• Ч.Р. Макиннес, Солнечное плавание: технологии, динамика и применение в миссии , Springer-Praxis Publishing Ltd, Чичестер, Великобритания, 1999 г., ISBN   978-3-540-21062-7
• Гента Г. и Бруса Э. «Проект АВРОРА: новая схема паруса», Acta Astronautica , 44, No. 2–4, с. 141–146 (1999)
• С. Скальоне и Дж. Вулпетти, «Проект Аврора: удаление пластиковой подложки для получения цельнометаллического солнечного паруса», специальный выпуск Acta Astronautica , vol. 44, № 2–4, стр. 147–150, 1999 г.

Внешние ссылки

• «Отклонение астероидов» , Грегори Л. Мэтлофф, IEEE Spectrum, апрель 2012 г.
• Проект Солнечного парусного общества Планетарного общества
• Парус солнечных фотонов достигает зрелости Грегори Л. Мэтлофф
• Сайт миссии НАСА для NanoSail-D. Архивировано 7 июля 2008 г. в Wayback Machine.
• Миссия NanoSail-D : Дана Коултер, «НАСА попытается развернуть исторический солнечный парус» , НАСА, 28 июня 2008 г.
• Далекие пути в космос: солнечные паруса. Архивировано 17 октября 2006 г. в Wayback Machine НАСА.
• Солнечные паруса. Обширная коллекция информации и ссылок по солнечным парусам, поддерживаемая Бенджамином Дидрихом. Хорошие диаграммы, показывающие, как легкие моряки должны поворачивать поворот.
• U3P Многоязычный сайт с новостями и авиасимуляторами.
• ISAS развернула в космосе пленку «Солнечный парус»
• Предложение солнечного паруса с роликовыми рифами, гибридной силовой установкой и центральной стыковочной станцией и станцией полезной нагрузки.
• Интервью с Лабораторией реактивного движения НАСА о технологии солнечных парусов и миссиях
• Веб-сайт с техническими PDF-файлами о солнечном парусном спорте, включая отчет НАСА и лекции в Школе аэрокосмической инженерии Римского университета.
• Усовершенствованные концепции светового паруса с солнечной и лазерной тягой
• Эндрюс, генеральный директор (2003). «Межзвездный транспорт с использованием современной физики» (PDF) . Документ AIAA 2003-4691 . Архивировано из оригинала (PDF) 11 марта 2006 г.
• www.aibep.org: Официальный сайт Американского института лучевой энергии.
• Космический парусный спорт Концепции, операции и история парусных кораблей
• Веб-сайт Бернда Дахвальда. Подробная информация о парусных двигателях и миссиях.