Так уж сложилось, что когда мы слышим о космических исследованиях, то представляем себе ракеты, межпланетные зонды, марсианские роверы NASA и советские луноходы. Но уже сейчас мы стоим на пороге нового этапа исследования космического пространства и небесных тел, когда к далеким мирам отправятся корабли на солнечных парусах, а в очень дальнее плавание по морям далеких планет отправятся автономные субмарины.

С чем подошли к этому этапу и что хотим получить, мы и рассмотрим в статье.

Космические парусники

На заре мореплавания, когда до создания пароходов и теплоходов оставалось ещё долгое время, люди использовали энергию ветра для путешествия по бескрайним морским просторам. Запрягая ветер в паруса можно было достичь дальних неизвестных берегов и вернуться с богатством и славой. В эпоху Великих географических открытий благодаря парусу, европейские путешественники достигли самых отдалённых уголков нашей планеты.

Мы только мечтаем о взрыволетах, двигателях на антиматерии, варп-двигателях и других фантастических решениях которые позволят нам путешествовать в космосе. А если так, то почему бы не воспользоваться проверенными решениями – использовать для передвижения в космосе паруса. Тем более что «ветры» которые можно оседлать в космосе есть, а паруса уже придуманы.

Солнечный парус

Ещё в 17 веке немецкий астроном, математик, механик и оптик Иоганн Кеплер, наблюдая развевающиеся хвосты комет при движении по околосолнечной орбите, высказал идею о том, что свет может оказывать давление. До конца прошлого века полёты на солнечных парусах были уделом мечтателей и фантастов. Но сейчас мы подошли вплотную к возможности практического использования этой идеи.

Технология солнечного паруса проста - фотон солнечного света отдаёт свой импульс парусу, тем самым оказывает на него давление и заставляет двигаться космический аппарат, на котором парус установлен.

Не стоит думать, что солнечный свет оказывает давление только на паруса. Любой космический аппарат, отправленный с Земли в дальнее путешествие, будет «сдуваться» со своего пути давлением солнечного света. Например, на маршруте Земля-Марс такое отклонение от маршрута составит несколько тысяч километров.

На сегодняшний день пока нет аппаратов отправившихся на исследование космоса под солнечными парусами. Пока изучают сами паруса и их возможности. Проведённые запуски спутников, на которых были установлены солнечные паруса: IKAROS (JAXA), NanoSail-D2 (NASA) и LightSail-1 (The Planetary Society) были совершены для отработки процессов разворачивания парусов и совершения манёвров.

Первое преимущество космических путешествий под парусом в том, что корабль, использующий солнечные паруса не требует топлива, так же как и парусники прошлого. Второе - солнечные парусники могут перемещаться в космическом пространстве куда быстрее, чем используемые сейчас космические аппараты.

Так, космический зонд весом в две тонны, оснащённый солнечным парусом, достигнет Марса всего за четыре месяца, а Юпитера за два года. Космические миссии станут быстрее и дешевле. Мы сможем более подробно исследовать Солнечную систему, и в частности астероиды, что имеет решающее значение для добычи полезных ископаемых в космосе.

Зонды, оснащённые солнечными парусами, конечно, могут совершить революцию в изучении Солнечной системы, но такой парус теряет свою эффективность по мере удаления от Солнца. Наибольшую эффективность он имеет при путешествиях в пределах Главного пояса астероидов. А как дальше? А дальше нам на помощь придёт электрический парус.

Электрический парус

Когда мы говорим о солнечном парусе, надо понимать что он движется не за счёт солнечного ветра, а именно за счёт солнечного света - фотонов. А вот солнечный ветер - поток мегаионизированных частиц, ловит электрический парус.

Такой парус не является парусом в прямом смысле этого слова. Концепт электрического паруса от NASA, Heliopause Electrostatic Rapid Transit System (HERTS) представляет собой массив из тонких заряженных алюминиевых тросов длиной около 20 километров. Центробежная сила, возникающая в результате вращения аппарата, позволяет раскрыть парус.

Растянувшиеся в пространстве положительно заряженные тросы будут отталкивать протоны солнечного ветра, получать импульс и в результате этого двигаться.

Первым аппаратом, на котором был установлен электрический парус, стал эстонский спутник ESTCube-1, запущенный 7 мая 2013 года с космодрома в Куру. Целью запуска было тестирование электрического паруса, но он так и не раскрылся на орбите. Что впрочем не останавливает его создателей.

Благодаря электрическому парусу за какие-то 5 лет мы сможем долететь до Плутона, а за 10 лет сможем достигнуть гелиопаузы – условной границы нашей Солнечной системы. Для сравнения, автоматической межпланетной станции Voyager 1 потребовалось почти 35 лет чтобы достигнуть этой границы.

Лазерный парус

Вы наверное уже слышали о проекте Стивена Хокинга и Юрия Мильнера Breakthrough Starshot. Известный предприниматель и знаменитый физик планируют создать целый флот космических парусников и отправить их к ближайшей к нам звезде Альфа Центавра.

Для того что бы выйти за пределы Солнечной системы и достигнуть ближайшей звезды, солнечные паруса надуют «лазерным ветром». Миниатюрные нанозонды размером всего в несколько сантиметров будут снабжены солнечными парусами размером 4 на 4 метра каждый.

Всего будет около 1000 таких микрокорабликов, ведь есть высокая вероятность, что не каждый из них долетит к цели. Разгоняться они будут наземными лазерами, мощностью до 100 гигаватт. Для ускорения каждого такого аппарата до необходимой скорости потребуется порядка 10 минут.

До звезды соседки кораблики долетят приблизительно за 20 лет, еще 4 года мы будем ждать от них фотографий самой звезды и её планет. В 2012 году европейские астрономы уже сообщали об обнаружении планеты на орбите вокруг Альфа Центавра-Б, одной из звёзд в системе Альфа Центавра. Миссию планируется спланировать так, чтобы удалось получить максимально возможное количество информации о звезде и её планетах, вплоть до изображения рельефа планет.

Если эта миссия будет удачной, то наверняка мы полетим и к другим ближайшим звёздам. На расстоянии 12 световых лет от нас находятся 24 звёзды. А это значит, что при желании, в течение примерно 100 лет мы сможем все их изучить. И даже дать найденным планетам около этих звёзд имена, если конечно мы не встретим там братьев по разуму, которые уже назвали планеты по-своему.

Дирижабли на Венере

Меньше чем даже сто лет назад небо на нашей планете бороздили дирижабли. Имеющие небольшой удельный расход топлива и способные находиться в воздухе продолжительное время они и сейчас иногда находят применение на Земле. Будучи легче воздуха они поднимаются в атмосферу за счёт выталкивающей (подъёмной) силы, если средняя плотность газа, которым наполнена оболочка дирижабля, равна или меньше плотности атмосферы.

В такой ситуации, почему бы не использовать дирижабли на тех планетах, где есть достаточно плотная атмосфера. Правда, в Солнечной системе такая планета одна – Венера. Если вспомним, её атмосферу наблюдал ещё Михайло Ломоносов.

Вот об этом и задумались исследователи из NASA, предложив в результате концепцию исследовательской миссии к Венере, которая получила название High Altitude Venus Operational Concept (HAVOC).

Идея основывается на том, что в верхних слоях венерианской атмосферы условия подобны земным. На высоте 50 километров атмосферное давление составляет всего 1 земную атмосферу, а температура составляет 75 градусов Цельсия, что по сравнению с другими местами на этой горячей планете совсем не много. Радиационный фон так же сравним с земным. В этом отношении Венера куда более предпочтительнее для освоения, чем Марс.

Миссия предполагает доставку к Венере вначале небольшого (длинной 31 метр) роботизированного дирижабля, а затем уже и большого пилотируемого дирижабля длина которого составит 129 метров, а высота 34 метра. По сравнению с земными аналогами, эпохи небесных гигантов, пилотируемый венерианский дирижабль меньше, чем печально известный Гинденбург, длина которого составляла 245 метров и последний из гигантов Граф Цеппелин (236,6 м), и примерно равен первым цеппелинам, длина которых составляла 128 – 148 метров.

В атмосферу планеты дирижабль планируют доставить в специальной капсуле. В нужный момент она раскроется, освободив гондолу с экипажем и сам аэростат, который сразу же начнет наполняться газом. После чего дирижабль начнет своё «плавание» по венерианской атмосфере.

Поверхность дирижабля будет покрыта солнечными батареями, и учитывая, что Венера получает солнечного света гораздо больше чем Земля, дефицита энергии астронавты испытывать не будут.

В космос на воздушном шаре

Стоит сразу сказать, что в космос на воздушном шаре не улетишь. Но это формальности. Компания World View Enterprises позиционирует себя именно как космический туроператор. Незабываемые впечатления от околокосмического путешествия должна подарить туристам капсула поднимаемая воздушным шаром на высоту 32 километра. В капсуле поместятся шесть пассажиров и два пилота.

Полет будет продолжаться около двух часов, невесомости пассажиры не почувствуют, но зато смогут насладиться, поистине завораживающим видом. На борту капсулы можно будет совершенно свободно перемещаться, пассажиры смогут воспользоваться баром и загрузить сделанные на борту фотографии в социальные сети.

Отметим, что самолеты не поднимаются на высоту более 20 километров, а Линия Кармана (ударение на первый слог) являющаяся условной границей между атмосферой планеты и космосом проходит на высоте 100 километров над уровнем моря.

Марсианский дрон-разведчик

Как вы наверное помните на Марсе тоже есть атмосфера. Пусть не такая плотная, как на Земле и тем более на Венере, но использовать парашюты для мягкой посадки она позволяет. А если атмосфера есть, то почему бы в ней и не полетать.

Такой целью задались специалисты Лаборатории реактивного движения NASA. Да и практическая потребность в этом уже назрела.

Снимки с поверхности Красной планеты мы получаем в основном благодаря камерам установленным на борту марсоходов. Но «глаза» которыми оснащены роверы не дают нам необходимого обзора. Вот для такой цели в NASA и разрабатывают марсианский дрон–разведчик.

Небольшой винтокрылый робот, летящий на малых высотах, будет сопровождать марсоход в пути. С его помощью можно будет выбрать оптимальный маршрут движения, а так же интересные цели для исследований. Для самого ровера, аппарат может выступать также и в качестве селфи-дрона. Ведь с его помощью можно будет осмотреть марсоход в случае неисправности. Да и фотографии ровера на фоне марсианских пейзажей обещают быть весьма эффектными.

Вес дрона составит один килограмм, а длина лопастей чуть более метра. Энергией его будут снабжать солнечные батареи. А помимо фотосъемки он сможет переносить и небольшие грузы.

В NASA не исключают, что на Марс дрон-разведчик отправиться вместе с новым марсоходом уже в 2020 году.

Подводная лодка для Титана

Как правило, моря и океаны на небесных объектах в Солнечной системе ассоциируются с чем-то пустынным и абсолютно сухим. Например, американские астронавты, высадившиеся в лунном Море Спокойствия, не то, что не утонули, даже ноги не замочили. Но даже в нашей системе так не везде.

Море Кракена, находящееся на Титане, спутнике Сатурна, вполне себе «мокрое» и жидкое. Причём этот водоём, получивший название по имени мифического морского чудовища, не единственный водоём на этой луне Сатурна.

Моря, озера, проливы и каналы на этой маленькой планетке заполнены жидкими углеводородами, в основном метаном и этаном, так что, наверное, даже правильнее их называть не водоёмами, а углеводоёмами. Кроме этого, учёные предполагают, что возможно на Титане есть подповерхностный океан, содержащий жидкую воду со значительным содержанием аммиака и экстремально высокой солёностью.

При таких условиях идея поплавать в морях Титана выглядит весьма заманчиво. Вот об этом и задумались в NASA.

Внешне субмарина будет напоминать подводные лодки используемые в земных морях и океанах, единственное существенное отличие большая фазированная антенна напоминающая спинной плавник.

Вес аппарата должен составить одну тонну, и это позволит ему поместиться в грузовом отсеке автоматического челнока, прообразом которого выступит Boeing Х-37. К спутнику Сатурна субмарину с челноком доставит космический корабль. Челнок обеспечит бережный спуск и точное «приводнение» в нужном месте, а сам после этого утонет в метановом море.

Обеспечивать энергией лодку будет 1-киловаттный термогенератор Стирлинга, который также и убережет расположенную на борту электронику от замерзания. Двигаясь с небольшой скоростью, около 1 метра в секунду (3,6 км/ч), субмарина за 90 дней плавания должна преодолеть расстояние в 2000 километров по периметру моря Кракена.

Примечательно, что для передачи на Землю собранных данных не планируется оставлять на орбите Титана спутник-ретранслятор. Данные будут передаваться напрямую на Землю. Но это накладывает временные ограничения на реализацию миссии. Земля поднимется над горизонтом в северных широтах Титана, где и расположено море Кракена, только к 2040 году, на это время и запланирована исследовательская миссия.

Рождение Солнечного паруса

Когда родилась идея Звездного паруса, паруса Космических кораблей? Быть может когда был построен первый парусный корабль, или маленькая лодка под маленьким парусом?

Из истории науки достоверно изветсно, что cолнечный парус как таковой был изобретен другим русским ученым - Фридрихом Артуровичем Цандером (1887 - 1933). Он впервые рассмотрел несколько конструкций этого устройства, наиболее целесообразная из которых была подробно описана им в 1924 году в неопубликованном варианте статьи “Перелеты на другие планеты”.

Солнечный парус, по замыслу ученого, должен был иметь площадь в 1 квадратный километр при толщине экрана 0,01 миллиметра и массу 300 килограммов. Парус должен был иметь центральную ось и некоторый набор силовых элементов, поддерживающих его форму. Цандер отмечал, что толщина экрана может быть еще меньше, так как Эдисону удалось изготовить никелевые листы толщиной 0,001 миллиметра и размером 3200 квадратных метров.

Ученый также попытался разработать основы теории движения космических аппаратов под солнечным парусом. Он считал целесообразным направлять на солнечный парус космического аппарата поток света, собранный вторым парусом, расположенным на некоторой промежуточной межпланетной станции. Эта его идея перекликается с современными предложениями об использовании для разгона космического аппарата искусственного лучистого (лазерного) ветра, обеспечивающего существенно большее давление на поверхность, чем солнечные лучи.

Лазер может толкать солнечный парус на огромные расстояния.

Цандер также принимал участие в создании первой советской жидкотопливной ракеты (она была испытана в 1933 году вскоре после его смерти), создал чертежи крылатой ракеты и впервые предложил выращивать на борту космического аппарата растения, чтобы обеспечивать космонавтов кислородом и едой. Именем Цандера назван кратер на луне, а Латвийская Академия Наук учредила ежегодный приз (по физике и математике) имени этого выдающегося ученого.

Солнечный парус - путь к звездам

Солнечный парус-характеристики

Некоторые источники называют солнечный парус “световым” - чаще всего это происходит в тех случаях, когда в качестве источника света предлагается использовать не Солнце, а, например, лазер.

Принцип работы этого устройства прост до безобразия - космический корабль разворачивает большое полотно - парус, который либо отражает, либо поглощает (рассматриваются варианты и с черным парусом) фотоны света.
17 Kb

На орбите Земли (1 астрономическая единица расстояния от Солнца) парус массой 0,8 г/м2 испытывает примерно такое же по силе воздействие солнечного света. Давление обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Заметим, что парус может быть гораздо тяжелее - и все равно он останется более-менее функциональным, хотя и не сможет самостоятельно раскрываться под действием солнечного ветра (придется разворачивать его механическим путем).

Главным неудобством солнечного паруса является то, что он может двигать корабль лишь в сторону от Солнца, а не к нему. Иногда высказывается мнение, что полет в направлении Солнца возможен, если идти галсами (здесь очевидна аналогия с зигзагообразным движением морского парусника против ветра). Изменяя угол наклона солнечного паруса относительно падающего на него света, можно легко управлять космическим кораблем, сколь угодно часто меняя его траекторию (удовольствие, недоступное для ракетных двигателей).

Основное и самое главное достоинство “парусного” способа перемещения в космическом пространстве - полное отсутствие топливных затрат. Альтернатив современным химическим ракетам на околоземном пространстве пока нет - они сравнительно дешевы и способны вывести на орбиту грузы в сотни тонн.

Однако когда речь заходит о межпланетных путешествиях, преимущества химических ракет заканчиваются. Они попросту не способны обеспечить кораблю постоянное ускорение (а, следовательно, сообщить ему как можно более высокую скорость) - ведь, по сути, свыше 90% их массы составляет стремительно расходуемое горючее. По самым скромным расчетам, для путешествия на Марс понадобится 900 тонн топлива - и это при том, что масса полезной нагрузки будет примерно в 10 раз меньше. Про ракеты еще говорят - “топливо везет само себя”.

На первый взгляд, космический парус очень медлителен. Да, действительно, начальные этапы его разгона будут напоминать гонки черепах. Однако не следует забывать, что ускорение действует постоянно (для паруса массой 0,8 г/м2 начальное ускорение будет равно 1,2 мм/с2). В условиях безвоздушного пространства это позволит достичь огромных скоростей за весьма короткие сроки.

Теоретически, корабль с космическим парусом способен достичь скорости в100000 км/с и даже выше. Если в 2010 году запустить в космос такой зонд, то (в идеальных условиях) в 2018 он догонит “Вояджер-1”, которому для этого путешествия потребовался 41 год. В настоящее время “Вояджер-1” (запущенный в 1997) находится от нас на расстоянии в 12 световых часов и является самым удаленным от Земли космическим кораблем.

К сожалению, обсуждение перспектив использования солнечного паруса в космосе не касается одного очень важного вопроса - как будет осуществляться торможение корабля на таких гигантских скоростях? Для межзвездных экспедиций ответ есть - за счет использования солнечного паруса, развернутого в противоположную сторону (однако это существенно увеличит время полета). А как быть с путешествием, допустим, на Марс? Везти с собой ракетное топливо неэффективно, а использование новых типов двигателей (например, разрабатываемых в настоящее время ионных) пока находится под вопросом.

Теоретически, корабль с космическим парусом способен достичь скорости в100000 км/с и даже выше. Если в 2010 году запустить в космос такой зонд, то (в идеальных условиях) в 2018 он догонит “Вояджер-1”, которому для этого путешествия потребовался 41 год. В настоящее время “Вояджер-1” (запущенный в 1997) находится от нас на расстоянии в 12 световых часов и является самым удаленным от Земли космическим кораблем.

Материя и форма Солнечного паруса

Материал, из которого сделаны солнечные паруса, должен быть максимально легким и прочным. В настоящее время наиболее перспективными являются полимерные пленки - милар и каптон (толщиной 5 микрон), алюминизированные (тончайший слой металла в 100 нанометров) с одной стороны, что придает им отражающую способность до 90%.

Здесь есть свои сложности. Милар очень дешев и легкодоступен (чуть более толстые пленки имеются в открытой продаже), но непригоден для длительного применения в космосе, так как разрушается под воздействием ультрафиолетового излучения. Каптон более устойчив, однако минимальная толщина такой пленки - 8 микрон, и это уменьшает ходовые качества такого паруса.

Для межзвездных полетов космическому паруснику необходимо набрать невероятную скорость. Для этого ученые предлагают начинать путешествие не с земной орбиты, а с места поближе к Солнцу (например, с орбиты Меркурия). Это позволит значительно увеличить эффективность солнечного паруса, однако потребует для него более прочных, термостойких материалов. Согласно расчетам агентства NASA (США), при таком старте космический “парусник” достигнет Альфы Центавра за 32 года.

В настоящее время ученые надеются на развитие нанотехнологий - с их помощью можно будет создать легчайший и сверхэффективный солнечный парус из углеродных нанотрубок.

Форма (конструкция) парусов имеет едва ли не большее значение, чем материал, из которого они сделаны.

Самый простой и надежный (но более тяжелый, а, следовательно - не слишком быстрый) солнечный парус имеет каркасную конструкцию. Больше всего он напоминает воздушного змея - легкая крестообразная рама является несущей основой для четырех треугольных парусов, надежно закрепленных на ней. Форма каркаса может быть разной - даже круглой. Очевидное преимущество такой конструкции заключается в надежной фиксации парусов - они не смогут свернуться и ими легко управлять (поворачивать под разным углом к свету).

.

Каркасный солнечный парус.

Солнечный парус

Существуют проекты парусов, не имеющих каркаса - так называемая “вращающаяся конструкция”. Эти модели выполнены в виде лент, закрепленных на космическом аппарате. Как следует из названия, раскрытие парусов этого типа обеспечивается вращением корабля вокруг своей оси. Центробежные силы (на концах лент закреплен небольшой груз) вытягивают их в разные стороны, позволяя обойтись без тяжелого каркаса. Теоретически, такая конструкция обеспечивает более высокую скорость передвижения в космосе, чем каркасная, за счет своего малого веса.

Модель вращающегося солнечного паруса.

Таковы основные варианты строения солнечного паруса. Предлагаются также и другие модели, например - полотна, свободно парящие в космосе и прикрепленные к кораблю при помощи тросов. Это - своеобразный “гоночный” вариант парусов - при всех их скоростных преимуществах они ненадежны и сложны в управлении.

Свободно парящее полотно космического паруса (рисунок с сайта NASA).

Еще один вариант (хотя некоторые исследователи и склонны выводить его в отдельный класс транспортных средств будущего) - это так называемый “плазменный парус”.

Плазменные паруса будут представлять собой миниатюрную модель магнитного поля Земли. Точно так же, как наше магнитное поле прогибается под напором солнечного ветра, магнитное поле (диаметром 15-20 километров), окружающее космический корабль, будет отступать под давлением заряженных частиц.

Изобретения

9 августа прошлого года японский институт космонавтики (ISAS) произвел запуск и развертывание двух полноценных солнечных парусов на низких орбитах (122 и 169 км.).

Но страна восходящего солнца не стала первой в области испытаний солнечных парусов. Пальма первенства (с некоторыми оговорками) опять принадлежит России - 4 февраля 1993 года был проведен эксперимент “Знамя-2 ” с развертыванием 20-метровой тонкопленочной конструкции за счет использования центробежных сил на борту корабля “Прогресс М-15”, пристыкованного к орбитальной станции “Мир”.

Почему это первенство с оговорками? Дело в том, что основной задачей эксперимента было не испытание тяговых качеств этого полотна, а освещение участка земной поверхности отраженным светом - еще одна вполне реальная функция солнечных парусов.

На эту весну (предположительные сроки - нынешний месяц) был запланирован кластерный (на одной ракете класса “Днепр”) запуск спутников АКС-1 и АКС-2 компании “Космотранс”. Каждый из них весит около двух килограммов (контейнер 30х30х40 см.) и несет в себе солнечный парус размером с теннисный корт (толщина - 2 микрометра).

На поверхности пленки будут смонтированы позолоченные сенсоры, регистрирующие динамику распределения зарядов по площади паруса над сейсмоопасными районами Земли.

Помимо испытаний ходовых качеств космических парусников, предполагается провести ряд экспериментов по сверхчувствительному зондированию земной поверхности (предсказание землетрясений) и освещению ее пятном света диаметром в пять километров. Спутники будут выведены на 800-километровую орбиту и смогут находиться там на протяжении нескольких столетий.

Рисунок солнечного паруса, который в 1970-х годах предполагалось запустить на встречу с кометой Харли.

Солнечный парус модель

Миниатюрная (1 квадратный метр) модель солнечного паруса из милара.

НАСА выбрало три разработки, которые непременно окажутся в космосе

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства определилось с так называемыми Technology Demonstration Missions, в число которых входят преобразование космической связи, навигация в глубоком космосе и двигатель для работы в космосе.

Отобраны следующие проекты: лазерная система космической связи, атомные часы и солнечный парус.

НАСА решило инвестировать именно в эти революционные технологии, поскольку они, как полагает ведомство, смогут стать основой космических программ будущего, а также, как ни странно, сократить расходы.

Наука и техника / Космос / Космонавтика и исследования космоса /

Атомные часы и спутник Iridium (иллюстрация НАСА).

«Демонстрация передачи данных с помощью лазера» (Laser Communications Relay Demonstration) - проект Дэвида Изрейла из Годдардовского центра космических полётов НАСА. Оптические технологии обещают «утолщение» канала связи с космическими аппаратами в 100 раз по сравнению с тем, что есть сегодня.

«Атомные часы глубокого космоса» (Deep Space Atomic Clock) - задумка Тодда Илая из Калифорнийского технологического института, аффилированного также с Лабораторией реактивного движения НАСА. В рамках этого проекта будут созданы и отправлены в космос на одном из спутников Iridium миниатюрные часы на ионах ртути, которые должны быть в 10 раз точнее нынешних систем.

«По ту сторону камеры Плам-Брук» (Beyond the Plum Brook Chamber) - так названа разработка и демонстрация солнечного паруса, которой занимается Натан Барнс из корпорации L"Garde. Плам-Брук - это полевая станция Исследовательского центра НАСА им. Джона Гленна, где расположена крупнейшая в мире вакуумная камера для имитации космических условий. Там, в частности, тестируют будущие космические корабли, комплектующие и материалы. Так вот, площадь нового солнечного паруса, как обещано, в семь раз превысит нынешние разработки. Как минимум, его можно будет использовать в качестве очень точного орбитального датчика солнечного ветра, а также сборщика космического мусора.

Два последних проекта будут готовы к полёту в течение трёх лет. Создатели лазерной связи попросили все четыре. Общий размер инвестиций составляет $175 млн. Дополнительные средства предоставят партнёры, заинтересованные в разработках.

***
Изобретен световой межпланетный корабль

Профессор Лос-Анджелесского университета изобрел модель сверхбыстрого корабля для межпланетных путешествий, который, как и солнечный парус, движется за счет света. В отличие от "паруса", новый корабль не отражает свет, а превращает его в электричество с помощью гигантской солнечной батареи, которая передает затем энергию ионным двигателям. Об этом сообщает EurekAlert.

Батарею предлагают сделать гибкой, чтобы ее можно было развернуть уже в космосе. "Электрическая мембрана" площадью в несколько тысяч квадратных метров позволит добраться до Плутона менее чем за год, разгоняясь при этом до скорости в сотни тысяч километров в час. Сотрудник NASA, прокомментировавший эту работу, заметил, что такое изобретение может пригодиться и для межзвездных экспедиций, когда источник света доступен только в самом начале пути. Пока нужных материалов для изготовления "мембраны" не придумано, но ученые надеются на быстрое развитие нанотехнологий.

(рисунок -выше)

Современные аппараты, которые отправляются на периферию Солнечной системы, используют ядерное горючее и движутся заметно медленнее. Так, зонд NASA New Horizons, запущенный в январе и снабженный плутониевым двигателем, достигнет окрестностей Плутона только через девять лет.
Солнечный парус компании L"Garde. Людей рядом с ним почти не видно... (Фото L’Garde Inc.)
Пока, однако, ни один запуск солнечного паруса (или родственных конструкций) не был успешным. В июне прошлого года российская ракета с частным "парусником" утонула, как и при первой попытке вывести аппарат на орбиту в 2001 году. С другой стороны, известно, что "паруса" безо всякого груза удавалось развернуть космонавтам вблизи станции "Мир" и шаттла.

Японский космический аппарат IKAROS
успешно расправил солнечный парус и
готовится к межпланетному полету

Согласно данным, полученным от представителей космического агентства Японии JAXA, успешно завершена операция по разворачиванию в космосе первого солнечного паруса космического аппарата IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun). Но, тем не менее, развертывание паруса еще не является успехом всей миссии. Космический аппарат IKAROS должен начать двигаться под воздействием солнечного ветра, руководители миссии ожидают, что влияние солнечного ветра на движение аппарата можно будет зарегистрировать не ранее, чем несколько недель. Только после этого момента станет ясно, работает ли вообще солнечный парус.

Парус космического аппарата изготовлен из тончайшей, 0.00076 см, полимерной пленки покрытый тонким слоем солнечных батарей. Когда фотоны света ударяются в парус, они поглощаются или отражаются, сообщая ему дополнительный импульс силы, которая разгоняет космический аппарат. Фотоны являются очень маленькими частицами и их импульс весьма мал, но, учитывая их огромное количество, можно надеяться, что в течение долгого времени космический аппарат накопит достаточную для полета скорость.

Из-за того, что этот космический аппарат приводится в движение Солнцем, он не нуждается в двигателе и другом источнике энергии, что делает такие аппараты главными претендентами для полетов в межзвездном пространстве. Поскольку солнечный парус является и солнечной батареей, то дополнительная полученная электроэнергия может накапливаться и использоваться для движения в те моменты, когда солнечный ветер попросту отсутствует.

Конечно, ничего из всего вышесказанного не будет действовать, если солнечный парус не развернется должным образом. Специалисты JAXA смогли обеспечить правильное разворачивание паруса, раскрутив достаточно быстро космический аппарат вокруг оси, после чего парус развернулся под воздействием центробежных сил.

К звездам на острие луча

Д октор Роберт Л. Форвард Симпозиум по межзвездным сообщениям и путешествиям.
Филадельфия, Пенсильвания.

Хотя и существует возможность использовать термоядерный синтез и антиматерию для медленного пут ешествия к самым близким звездам, вполне может быть, что ракета - не лучшее транспортное средство для межзвездного полета. Все ракеты состоят из полезной нагрузки, запаса реактивной массы, источник энергии, двигателя, движителя и конструкции все это соединяющей. Но имеется целый класс космических аппаратов, которые не должны нести никаких источников энергии, реактивной массы и даже двигателя на борту и состоят только из полезной нагрузки и движителя. Эти космические аппараты разгоняются энергией излучения внешнего источника. Опубликовано много работ, предлагающих разные идеи, реализующие такой привод. Три из них я хочу здесь обсудить. Первый - зонд, приводимый в движение выстреливаемыми шариками или пылинками материи. Маленькие пылинки вещества разгоняются в Солнечной системе и направляются на межзвездный зонд, где они перехватываются и отдают свой импульс кораблю. Так же мы рассмотрим идею использовать мазер для разгона зонда, который является, по сути, большой сеткой. Это зонд-парус из проволочной сетки с микросхемами в ее узлах. Парус-сетка помещается в поток микроволнового излучения и быстро разгоняется им. Высокое ускорение позволяет такому парусу достигнуть скорости сравнимой со скоростью света до того как линза уже не сможет фокусировать на нем энергию излучения. По прибытию такого корабля в чужую звездную систему передатчик у Земли опять направляет в сторону зонда микроволновую энергию. Используя провода сетки как антенны, микросхемы собирают эту энергию для питания оптических датчиков и своих логических схем, чтобы накопить научную информацию и получить изображение далекой планетной системы. Полученная картинка отправляется назад, на Землю. Третья схема привода - это разгоняемый лазером световой парус . Здесь большой парус из светоотражающего материала разгоняется к звездам давлением света, который генерирует большая батареей лазеров расположенных на орбите возле Солнца. Такой световой парус достиг бы релятивистских скоростей за несколько лет. По прибытию к цели, часть паруса в центре, отделяется от основного и ориентируется так, чтобы находиться перед большим кольцевым парусом который продолжает лететь вперед. Лазерный луч, посланный из Солнечной системы, отражается от большого кольцевого паруса, который теперь выполняет роль отражающего зеркала, и попадает на обратную сторону малого паруса. Отраженный таким образом луч из Солнечной системы тормозит малый парус и обеспечивает выход на орбиту звезды назначения. После того как команда исследует эту звездную систему в течении нескольких лет, еще один кольцевой парус, возвращает экспедицию назад, отделяется от паруса торможения. Лазерный луч из солнечной системы в этот раз опять переотражается от этого кольцевого паруса, разгоняя возвращаемый, еще меньший парус в направлении дома. Поскольку на этот раз парус летит в сторону Солнечной системы, луч, направленный на него при подлете, затормозит возвращающуюся экспедицию.

Оценка ракетной технологии

Нет никакой необходимости использовать именно ракетный принцип, чтобы построить межзвездный корабль. Если мы используем концепцию классической ракеты, мы обнаруживаем, что любое подобное устройство состоит из полезной нагрузки, топлива (реактивной массы), источника энергии, двигателя, который сообщает энергию топливу (реактивной массе), движителя, то есть устройства, превращающее импульс реактивной массы в импульс корабля, и конструкции все это соединяющей. Классическая химическая ракета совмещает реактивную массу и источник энергии в химическом топливе. Но так как любая ракета должна нести отбрасываемую реактивную массу наряду со всем остальным, возможности разгона такого корабля существенно ограничены. Для миссий, у которых конечная скорость v больше чем скорость истечения u , необходимый запас топлива (отбрасываемой массы) возрастает как экспонента отношения v/u .
Можно придумать другой тип транспортного средства, которое не использует ракетный принцип (то есть не несет всю реактивную массу на борту) и таким образом избегает экспоненциального роста массы топлива, неизбежного в случае классической ракеты. Некоторые из таких идей превосходные кандидат на роль идеального межзвездного корабля. Например, прямоточная система Бассарда (Bussard interstellar ramjet ). Межзвездная прямоточная система не несет на себе никакого запаса реактивной массы и даже энергии, потому что она использует специальный коллектор чтобы собирать атомы водорода, которые имеются в "пустоте" космоса. Собранные атомы водорода используются как термоядерное топливо в двигателе, где энергия синтеза применяется для разгона продуктов реакции (обычно атомов гелия) которые и обеспечивают тягу для путешествия. К сожалению никто пока не знает как построить реактор на синтезе голых протонов и как создать коллектор для сбора водорода (который должен быть очень большой в диаметре и очень легкий по массе).

И меется целый класс других космических кораблей, которые не должны нести с собой никаких источников энергии, запаса реактивной массы и даже никаких двигателей. Они состоят только из полезной нагрузки, движителя и, разумеется, конструкции все это соединяющей. Это корабли, приводимые в движение энергией излучения из внешнего источника. В такой схеме все тяжелые части (запас реактивной массы, источник энергии и двигатель) остаются дома, в Солнечной системе. Здесь, вокруг Солнца всегда имеется неограниченный запас всегда доступного топлива и мощный источник энергии (избыток обычного солнечного света). Оставленный дома двигатель может обслуживаться, ремонтироваться и даже модернизироваться по ходу миссии. Немало идей таких приводов на излучении были опубликованы в литературе. Три будут здесь рассмотрены. Все эти версии привода могут быть построены при разумной экстраполяции уже существующей на сегодняшний день технологии. Первый - это привод на луче материи (выстреливаемых частичках вещества), второй - микроволновый парус-сетка, третий - лазерный парус.