На смену романтики путешествий морских пришла романтика путешествий космических. Но, как ни странно, парусам – неизменному атрибуту и символу первооткрывателей, найдётся место и в космосе. Сегодня мы поговорим о космическом парусе.
Начиная с середины 18го века учёные всего мира (Эйлер, Френель, Бессель и др.) пытались измерить силу давления света. Впервые осуществить такие измерения удалось П. Лебедеву в 1899 году. Всем сразу стало ясно, что и солнечный свет давит на космические тела. Вскоре советскому учёному Ф. Цандеру пришла в голову идея солнечного паруса.
Солнечный парус – это приспособление, использующее давление света Солнца для перемещения в космическом пространстве.
История изучения природы света и светового давления. Старый, но очень понятный фильм.
Если поместить в космосе зеркальную металлическую пластинку, то поток света от Солнца будет «давить» на её поверхность. Подуйте с силой на свою ладонь - чувствуете, как воздух давит на кожу? Давление солнечного света будет действовать на металлическую пластинку в миллиард раз слабее того, что вы чувствуете. Вам кажется этого мало? Вовсе нет. Ведь в космосе нет силы сопротивления воздуха, какая есть на Земле.
Как работает солнечный парус
Если на орбите Земли поместить квадрат из фольги размерами всего лишь 100 на 100 метров, то каждые 10 секунд такой «парус» будет увеличивать свою скорость на сантиметр в секунду! Всего за 40 дней такой парус разгонится от первой до второй космической скорости, за полгода – до третьей космической скорости – скорости, достаточной для того, чтобы навсегда покинуть Солнечную систему. Но главное, что это произойдёт без расхода топлива двигателей, то есть даром. Воистину это бесценный подарок природы!
Макет космического аппарата «Икар» - типичный вид космического корабля с солнечным парусом
Почему это важно? Приведём только один пример. В разгонном блоке марсохода «Сuriosity» вес топлива составлял 21 тонну, что строго ограничивало массу самого марсохода – не более 900 килограмм. Вес научного оборудования на марсоходе вообще смешная цифра: 80 килограмм. А больше взять было нельзя: не хватит топлива долететь до Марса. Использование солнечного паруса наравне с обычными двигателями позволит взять чуть меньше топлива, а значит – увеличить вес приборов на марсоходе. Каждый сэкономленный килограмм в космосе – это ещё один научный прибор, ещё одна крупица бесценной информации об окружающем нас мире, ещё один шаг на пути прогресса. Подобных примеров множество.
Какие космические аппараты использовали солнечный парус?
На сегодняшний день было проведено всего лишь несколько успешных испытаний солнечного паруса. Первое в 1993м году в России. Тогда солнечный парус (20 метров в диаметре) прикрепили к космическому грузовику «Прогресс», отстыковавшемуся от станции «Мир». В эксперименте исследовалась способность освещения темной стороны Земли с помощью этого зеркала.
1993 г. - первый в истории человечества опыт создания солнечного паруса. Эксперимент “Знамя-2”
Затем в 2010м году американский аппарат NanoSail-D успешно раскрыл солнечный парус, находясь на околоземной орбите. Задача солнечного паруса была в том, чтобы столкнуть с орбиты спутник и «похоронить» его в плотных слоях атмосферы. Таки образом проверялась возможность самоликвидации отработавших свой ресурс спутников, чтобы они не болтались бесполезным космическим мусором вокруг Земли.
Видео: как раскрывался парус NanoSail-D
Третьим космическим аппаратом, бороздившим космос под парусами, стал запущенный в 2010м году японский «Икар» (ikaros). Мечтательно прикрывая глаза, учёные скромно надеялись, что аппарат хотя бы сможет раскрыть парус (в который были вшиты солнечные рули и солнечные батареи) без накладок. Зонд не только успешно расправил в космосе крылья 200 квадратных метров сверхтонкого космического паруса, но и отлично справился с регулировкой своей скорости и направления полёта. В январе 2012го года «Икар» отключился из-за недостатка энергии, проработав дольше любых ожиданий учёных.
Кадры движения японского "Икара"
Заключение или планы на будущее
Сделать реально работающий, успешно выполняющий конкретные задачи космический аппарат, использующий солнечный парус, – значит решить множество технических проблем, продумать и воплотить в жизнь новые инженерные решения и идеи. Задача это непростая, как и любая работа, связанная с созданием космических кораблей. Но успешные испытания космических парусников говорят о том, что если хорошенько за это взяться, то всё получится.
Как знать, быть может именно вы, стоя в центре управления полётами, однажды скомандуете: «Поднять паруса!» - и упрямый солнечный ветер погонит космический корабль на встречу неизведанному.
Дорогие друзья! Если вам понравился этот рассказ, и вы хотите быть в курсе новых публикаций о космонавтике и астрономии для детей, то подписывайтесь на новости наших сообществ
Идея о том, что свет может оказывать давление, приписывается Иоганну Кеплеру – на такую мысль его навели в 1619 году развевающиеся хвосты комет при движении по околосолнечной орбите. В 1873 году Джеймс Максвелл, исходя из своей электромагнитной теории света, теоретически оценил величину этого давления, а в 1900 году наш соотечественник – знаменитый физик Петр Лебедев – сумел экспериментально обнаружить и измерить силу светового давления. Первыми решили использовать солнечную тягу россияне – о солнечном парусе еще в 1913 году написал фантаст Борис Красногорский. В его романе «По волнам эфира» корабль «Победитель пространства» передвигался в космосе, используя солнечный свет и кольцевое зеркало из тончайших листов отполированного металла. А в середине 1920-х, тоже в России, за эту идею взялся ученый и изобретатель Фридрих Цандер, один из основоположников теории космических полетов и реактивных двигателей. В 1924 году он подал в Комитет по изобретениям авторскую заявку на космический самолет, который для передвижения в межпланетном пространстве использовал бы огромные и очень тонкие зеркала.
Тогда эту идею никто не воспринял всерьез – подходящих материалов и технологий просто не существовало. Но в 1960-х годах к солнечным парусам вновь вернулись фантасты (известный пример – рассказ Артура Кларка «Солнечный ветер»), а затем и инженеры. В 1970-х солнечный парус вполне серьезно рассматривался NASA как один из вариантов двигателя для зонда, отправляющегося на рандеву с кометой Галлея. От этой идеи по разным причинам отказались, но ее не забыли.
В 2000 году в НПО им. Лавочкина и Институте космических исследований (ИКИ) РАН начались работы по программе КАСП (Космический аппарат «Солнечный парус»). Спонсировали проект Планетарное общество США, учрежденное в 1980-м тремя учеными – профессором Калтеха Брюсом Мюрреем, сотрудником JPL Луисом Фридманом и астрономом и писателем Карлом Саганом, и общественная организация Cosmos Studios, руководит которой Энн Друян – вдова Карла Сагана. Солнечный парус – это тонкая, 5 микрон толщиной, полиэфирная пленка, с «солнечной» стороны покрытая субмикронным слоем алюминия (коэффициент отражения 0,85). «Такая пленка достаточно прочна, но стоит ее повредить, например, микрометеоритом – и разрыв сразу же ползет по всей поверхности, – рассказал «Популярной механике» российский руководитель проекта Виктор Кудряшов. – Чтобы пленка не рвалась, ее армируют. В нашем случае полотно паруса было усилено узкими полосками специальной ленты, которая останавливает разрывы, не позволяя им ‘ползти’ через весь парус».
Среди возможных конструкций паруса в НПО им. Лавочкина остановились на 8-лепестковом «цветке». Каждый треугольный лепесток площадью 75 квадратных метров должен был разворачиваться и поддерживаться специальным пневмокаркасом, который приобретает жесткость после наполнения азотом. В сложенном виде лепесток помещается в контейнер размером с кирпич – сначала его вакуумируют, удаляя оставшийся воздух, а затем многократно сворачивают по специально разработанной схеме укладки. В раскрытом состоянии космический парусник представляет собой небольшую (1 м длиной) платформу, из которой «растут» 8 треугольных лепестков. «Для космического аппарата с солнечным парусом полет по околоземной орбите имеет свои особенности. В различные моменты времени он может быть освещен Солнцем или находиться в тени Земли. Для организации управления аппаратом планировалось, в частности, поворачивать лепестки паруса вокруг оси каждого из них», – говорит Виктор Кудряшов.
Зачем нужны солнечные паруса? Ведь их тяга очень мала (давление солнечного света на уровне земной орбиты на идеально отражающее зеркало площадью 1000 м 2 составляет всего 10 мН) и несравнима с мощными реактивными двигателями. Впрочем, двигатели на химическом горючем могут работать сотни секунд, плазменные двигатели – тысячи часов, и те и другие ограничены запасом рабочего тела. А вот паруса могут давать тягу, пока их поверхность освещена Солнцем (по прогнозам астрономов, это будет продолжаться еще около 5 миллиардов лет), и при этом не расходуется ни энергия, ни рабочее тело. Поэтому перед солнечными парусами открываются блестящие перспективы. К сожалению, полет солнечного парусника с экипажем на борту – пока дело отдаленного будущего. Но автоматические станции, оснащенные таким двигателем, – реальность ближайшего времени. Парусные аппараты вполне серьезно рассматриваются как зонды для полета к внутренним планетам Солнечной системы, к Плутону, к некоторым астероидам и кометам. Для продвижения ближе к границам Солнечной системы, где интенсивность солнечного света существенно снижается, уже появляются фантастические проекты орбитальных лазеров, «подталкивающих» парус.
 |
На сегодняшний день космический аппарат с солнечным парусом способен решать не только научные задачи. Одним из его реальных прикладных применений может стать проект НПО им. Лавочкина и ИКИ РАН «Солнечная погода». Речь идет о 30-килограммовой космической обсерватории для наблюдения за Солнцем и предсказания магнитных бурь, размещаемой на расстоянии, например, три миллиона километров на линии Земля–Солнце. Это в два раза ближе к Солнцу, чем точка либрации (то есть гравитационного равновесия), в которой висит европейско-американская солнечная обсерватория SOHO. Используя парус площадью в 1000 квадратных метров, «Солнечная погода» будет компенсировать увеличение притяжения Солнца – это даст возможность предупреждать о магнитной буре за большее время, чем сейчас.
Российскому солнечному парусу не повезло – на 83-й секунде полета в работе первой ступени «Волны» произошел сбой и ракета рухнула в море (такая же судьба постигла и прототип, тоже выводимый «Волной» – в 2001 году он должен был продемонстрировать возможность раскрытия двух «лепестков»). Однако директор проекта и исполнительный директор Планетарного общества США Луис Фридман не намерен бросать идею: «Случаются и неудачи. Но сразу после падения Cosmos-1 я начал получать сообщения от ученых, инженеров и просто энтузиастов, и все в один голос говорили: ‘Давайте сделаем еще один солнечный парус и запустим его!’. Это вполне совпадает с нашими собственными планами. Конечно, скорее всего, ракету-носитель придется сменить, и мы сейчас рассматриваем два возможных варианта – ‘Союз-Фрегат’ и ‘Космос-3М’. Остается только найти средства – весь проект будет стоить около $4 млн.». Но в настоящее время, по сообщениям официального сайта НПО им. Лавочкина, проект нового солнечного паруса, к сожалению, заморожен.
Конструкция "солнечного паруса" Космос-1 Космический аппарат с солнечным парусом (КАСП), на котором снаружи установлены специальным образом сложенные лепестки паруса, невелик - примерно 1 метр длиной и 100 кг весом, но это не мешает ему иметь в своем составе все необходимые для работы самого аппарата и паруса системы. Основой конструкции КАСП является приборная платформа, на которой крепится разгонная двигательная установка, 4 панели солнечных батарей, служебная аппаратура, фото- и телекамеры, антенны, и - самое главное- блок солнечных парусов. В сложенном виде каждый из 8 лепестков представляет собой небольшую упаковку 30 см х 20 см х 20см. Эти 8 упаковок расположены в двух плоскостях - по 4 в каждой. Развертывание лепестков происходит в два этапа: сначала раскрываются 4 лепестка, лежащие в одной плоскости, а затем - 4 лепестка, лежащие в другой. Каждый лепесток в развернутом виде представляет собой равнобедренный треугольник, расширяющийся от продольной оси аппарата к периферии. Эти 8 лепестков расположены таким образом, что после развертывания всех восьми, они образуют практически окружность диаметром около 30 м и площадью 600 квадратных метров.
Изготовлены лепестки солнечного паруса из полимерной пленки толщиной 5 мкм, которая с одной стороны (обращенной к Солнцу) металлизирована. По двум длинным сторонам каждого лепестка проложен пневмокаркас, который представляет собой полую трубку диаметром 15см и сделан также из полимерного материала, но толщиной не 5, а 20 мкм. Каркас необходим для организации процесса развертывания каждого лепестка (внутрь трубки по команде на раскрытие паруса подается сжатый азот и постепенно разворачивающиеся трубки и растягивают тонкие лепестки) и создания жесткости каждой из частей паруса. Каждый лепесток имеет возможность поворачиваться вокруг оси крепления на заданный угол. Тягу солнечному парусу обеспечивают фотоны. При поглощении или отражении от солнечного паруса они передают свой импульс (в первом случае одинарный, во втором – двойной) космическому аппарату. Именно свет, а не солнечный ветер (в отличие от парусных судов, движимых ветром) и толкает космический парус. Солнечный ветер – это поток плазмы, относительно медленных (300–700 км/с) заряженных частиц, в основном протонов и электронов (встречаются ядра гелия и даже ионы более тяжелых элементов), связанных собственным магнитным полем. Солнечный ветер берет свое начало в короне и «дует» к границам Солнечной системы. Взаимодействуя с магнитным полем Земли, он вызывает северное сияние, с кометами – приводит к образованию их плазменных или ионных хвостов. Хотя солнечный ветер нельзя «запрячь» в паруса космических аппаратов из-за его крайней разреженности (давление примерно в тысячу раз меньше светового), любопытно, что именно он подсказал такой способ передвижения в космосе: в XVII веке Иоганн Кеплер в результате наблюдений за хвостами комет предположил, что парусные корабли смогут передвигаться в небесах. |
Солнечный парус представляет собой конструкцию, призванную заменить типовые ракетные двигатели на нашем пути к далеким звездам.
Человечество давно использует свойство паруса передвигать предметы по воде или суше при помощи энергии ветра. Как ни странно это может звучать, но в эпоху освоения космоса мы снова вернулись к этому проверенному средству. В этот раз вместо ткани используется тончайшая зеркальная поверхность, а роль ветра играет движущая сила солнечного света.
Преимущество применения такой конструкции – это возможность совершать полет без ограничений временными рамками. Любое топливо, используемо для космических аппаратов, когда-либо заканчивается, а кванты солнечного света, посылающие импульс на поверхность тел, не иссякнуть еще несколько миллиардов лет.
Как это работает?
Идея создания космического аппарата, использующего солнечный парус, разрабатывалась советским ученым, стоявшим у истоков ракетостроения, Фридрихом Цандером. В 1924 году он написал статью «Перелеты на другие планеты», в которой представил схему конструкции паруса и принципы его работы. Цандер построил свою теорию на опытах П. Н. Лебедева, подтвердивших существование давления света. Теоретическую основу этого явления обосновал Дж. Максвелл в 1873 году, но в те времена многие ученые отнеслись к ней со скептицизмом. Частицей, создающий такой импульс, является фотон. Он наделен свойствами электромагнитной волны и частицы, не имеет заряда и является квантом света. Поток фотонов оказывает определенное давление на освещаемую поверхность. Для использования на космических кораблях необходим парус размером порядка нескольких квадратных километров.
Давление, создаваемое потоком солнечного света (фотонами), заставит аппарат двигаться в сторону от Солнца, при этом не будет расходоваться ракетное топливо. По аналогии с морскими парусами происходит маневрирование в космосе. Изменяя угол расположения конструкции, можно корректировать направление полета. Недостатком использования паруса является отсутствие возможности движения к Солнцу. При большом удалении от нашей звезды фотонный поток слабеет пропорционально квадрату расстояния, а на границе системы его сила упадет до 0. Поэтому чтобы обеспечить стабильный поток света и начальный разгон паруса, необходимы мощные лазерные установки. На сегодня разработаны конструкции двух типов: разгоняемые электромагнитными волнами и фотонными импульсами.
Из чего изготавливают парус?
Для межпланетных полетов важным аспектом является вес корабля и количество ракетного топлива. Применение солнечного паруса в качестве замены двигателя позволит значительно снизить эту нагрузку. Материал для его изготовления должен быть легким и прочным, иметь высокую отражающую способность. Добавление металлических ребер повышает безопасность использования, ведь полотно подвергается ударам метеоритов.
Плотность поверхности материала из композитного волокна не превышает 1 г/м3, а его толщина – несколько микрон. Из существующих вариантов самыми перспективными считаются каптон и милар – тончайшие полимерные пленки с алюминиевым покрытием. Разработка новых нанотехнологий открывает удивительные перспективы в производстве солнечных парусов, их можно создавать перфорированными и практически невесомыми, а это означает повышение эффективности использования.
Первые испытания
В рамках российского проекта «Знамя-2», созданного для экспериментов с отражателями, в 1993 году был впервые развернут солнечный парус. Размер конструкции из тонкой пленки с отражающим покрытием составил 20 метров. Японскими учеными была создана модель солнечного паруса, состоящая из четырех лепестков, в качестве материала использовалась сверхтонкая полиамидная пленка в 7,5 мкм. Конструкция была установлена на спутник IKAROS, который ракета-носитель вывела на орбиту 21 мая 2010 года. Испытания солнечного паруса начались с его раскрытия, полотно в 200 кв. м было успешно расправлено. Второй этап миссии, состоящий в регулировании скорости и направления, также был осуществлен.
При поддержке Планетарного общества США НПО им. Лавочкина разработало и создало конструкцию солнечного паруса, состоящую из 8 лепестков. Его поверхность покрывал слой алюминия, а прочность обеспечивало армирование. Запуск аппарата осуществлялся ракетой «Волна», которая из-за технического сбоя рухнула в море. Дальнейшие работы над проектом пока остановлены.
Перспективы использования солнечного паруса
В 2014 году NASA запустило в космос свой солнечный парус из каптона – термостойкого пластика, выдерживающего колебание температуры от +400 до -273 градусов Цельсия. Этот материал был разработан химической компанией DuPont. Рекордный по размеру проект, крупнейший из всех созданных на данный момент, имеет площадь 1200 м2. Его назвали Sunjammer. Он должен выяснить практическую эффективность использования солнечного паруса при межпланетных полетах. Предполагается удаление от Земли на 3 млн. км за счет действия потока фотонов. Аппарат, толкаемый солнечным ветром, направляется к первой точке Лагранжа.
В ближайших планах ученых – оснащение солнечными парусами аппаратов, наблюдающих за активностью нашей звезды. Они смогут вовремя предупреждать землян о возникающих вспышках и катаклизмах на Солнце. Созданный в России консорциум «Космическая регата», планировавший участие в конкурсе конгресса США по выведению на орбиту кораблей с солнечными парусами, успешно работает в области использования солнечных отражателей для освещения районов добычи газа.
» (поток фотонов , именно он используется солнечным парусом) и «солнечный ветер » (поток элементарных частиц и ионов, который предполагается использовать для полётов на электрическом парусе - другой разновидности космического паруса).
Давление солнечного света чрезвычайно мало (на Земной орбите - около 5·10 −6 Н/м 2 ) и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца . Однако солнечный парус совсем не требует ракетного топлива , и может действовать в течение почти неограниченного периода времени, поэтому в некоторых случаях его использование может быть привлекательно. Эффект солнечного паруса использовался несколько раз для проведения малых коррекций орбиты космических аппаратов, в роли паруса использовались солнечные батареи или радиаторы системы терморегуляции. Однако на сегодня ни один из космических аппаратов не использовал солнечный парус в качестве основного двигателя .
Солнечный парус в проектах звездолётов
Солнечный парус - самый перспективный и реалистичный на сегодня вариант звездолёта .
Преимуществом солнечного парусника является отсутствие топлива на борту, что позволит увеличить полезную нагрузку по сравнению с космическим кораблем на реактивном движении.
Недостатком солнечного парусника является тот факт, что за пределами Солнечной системы давление солнечного света приблизится к нулю. Поэтому существует проект разгона солнечного парусника лазерными установками с какого-нибудь астероида. Данный проект ставит проблему точного наведения лазеров на сверхдальних расстояниях и создания лазерных генераторов соответствующей мощности.
Уже сейчас можно построить межзвёздный зонд, использующий давление солнечного ветра.
Существует 2 варианта солнечных парусников: на давлении электромагнитных волн и на потоке частиц.
Космическая регата
Солнечный парус диаметром 20 метров, разработанный в НАСА
Толщина солнечного паруса
В 1989 году юбилейной комиссией Конгресса США в честь 500-летия открытия Америки был объявлен конкурс. Его идея заключалась в выведении на орбиту нескольких солнечных парусных кораблей, разработанных в разных странах, и проведении гонки под парусами к Марсу. Весь путь планировалось пройти за 500 дней. Свои заявки на участие в конкурсе подали США, Канада, Великобритания, Италия, Китай, Япония и Советский Союз. Старт должен был состояться в 1992 году.
Претенденты на участие стали выбывать почти сразу, столкнувшись с рядом проблем технического и экономического плана. Распад Советского Союза, однако, не привёл к прекращению работы над отечественным проектом, который по мнению разработчиков, имел все шансы на победу. Но регата была отменена ввиду финансовых трудностей у юбилейной комиссии (а возможно, ввиду всей совокупности причин). Грандиозное шоу не состоялось. Однако, солнечный парус российского производства был создан (единственный из всех) совместно НПО «Энергия» и ДКБА , и получил первую премию конкурса .
Космические аппараты, использующие солнечный парус
Схема стабилизации космического аппарата
Советскими учёными была изобретена схема радиационно-гравитационной стабилизации космического аппарата, основанная на применении солнечного паруса .
Первое развёртывание солнечного паруса
Первое развёртывание солнечного паруса в космосе было произведено на российском корабле «Прогресс» 4 февраля 1993 года в рамках проекта «Знамя» .
См. также
- Космический парус
- Магнитный парус
Примечания
Ссылки
- Консорциум «Космическая регата» - Проекты - Солнечные паруса и рефлекторы
Литература
- Эльясберг П. Е. Введение в теорию полёта искусственных спутников Земли. - М., 1965.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Солнечный парус" в других словарях:
Устройство (напр., в виде металлизированной пленки паруса) для движения космического аппарата с помощью давления солнечного излучения. Применялось в качестве исполнительного органа системы ориентации и стабилизации автоматических межпланетных… … Большой Энциклопедический словарь
Устройство (например, в виде металлизированной плёнки паруса) для движения космического аппарата с помощью давления солнечного излучения. Применялось в качестве исполнительного органа системы ориентации и стабилизации автоматических межпланетных… … Энциклопедический словарь
Солнечный парус - (тент) использовался летом в амфитеатрах для защиты от солнца во время многочасовых представлений. Надписи на стенах в Помпее, возвещающие о таких представлениях, снабжались особой пометкой: vela erunt имеется С. п. Археологами обнаружены … Словарь античности
солнечный парус - Light Sailor Световой (солнечный) парус Система приведения в движение космического корабля, которая получает толчок от давления света, падающего на тонкую металлическую плёнку … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.
Один из возможных движителей космического летательного аппарата (КЛА); представляет собой устанавливаемую на КЛА и развёртываемую в полёте непрозрачную плёнку (например, металлизированная полимерная) большой площади, способную сообщить… … Большая советская энциклопедия
Солнечный парус - тент, использов. летом в амфитеатрах для защиты от солнца во время многочас. представл. Надписи на стенах в Помпее, возвещ. о таких представл., снабжались особой пометкой: имеется С. п. Археологами обнаруж. спец. конструкции для натягив … Древний мир. Энциклопедический словарь
солнечный парус - Устройство в виде, например, металлизированной плёнки большой площади, служащее для перемещения в космосе объекта (тела) под действием светового давления солнечных лучей. В современной космонавтике это пока единственный нереактивный двигатель. E … Толковый уфологический словарь с эквивалентами на английском и немецком языках
Космос 1 Cosmos 1 Космос 1 (компьютерная модель) Производитель … Википедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Парус (значения). Парусное судно Парус ткань или пластина, прикрепляемая к средству передвижения и преобразующая энергию ветра в энергию поступательного движения … Википедия
Форма двигателя для космического аппарата, использующая в качестве источника тяги импульс ионов солнечного ветра. Придуман в 2006 году доктором финского метеорологического института Пекка Янхуненым Власти Евросоюза проявляют повышеный интерес … Википедия
Книги
- Солнечный парус. Фантастика или реальность космоплавания? С дополнениями. Solar Sail Motion in Near-Sun Regions. Русско-английский путеводитель по современной терминологии , Е. Н. Поляхова, В. В. Коблик. В настоящей книге отражены основные динамические принципы современной теории космоплавания, т. е. полета в космосе под солнечным парусом, движущимся под действием светового давления солнечных…
Научно-исследовательская работа
На тему
«Солнечный парус»
Выполнил:
Швец Николай Игоревич
Ученик 10 класса
МБОУ «СОШ №25»
Г. Тулун
Научный руководитель:
учитель физики
Татарникова Надежда Михайловна
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение………………………………………………………………………….3
Солнечный парус………………………………………………………………………………3
Область применения солнечного паруса……………………………………………………………………………..4
Конструкция СП…………………………………………………………………………...…….6
Расчет времени разгона, необходимого
для выхода из сферы притяжения земли……………………………………………………………………...……….8
МОБ(межорбитальный буксир) использующий СП……………………………………………………………………………...…..9
Заключение………………………………………………………………………12
Список литературы…………………………………….…………………………………13
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность данной работы в том, что широкой публике мало что известно о солнечном парусе, эта тема поднимается очень редко, и интересна сама ее нетривиальность, не говоря уже о конкретной информации.
Целью исследования является определение эффективности использования СП в областях науки и техники, а так же сравнение эффективности СП с эффективностью традиционных космических аппаратов, доказать что преимущество КА под солнечным парусом по сравнению с КА на ракетном двигателе заключается в более высоком КПД. Для достижения поставленной цели, были определены следующие задачи исследования:
1. Рассмотреть вопросы, связанные с использованием СП и современным состоянием работ в этой области.
2. Рассчитать время полета до Марса на КА с СП
3. Рассмотреть конструкцию СП на основе пневмокаркасов.
4. Ознакомиться с расчетами времени разгона КА под солнечным парусом с круговой орбиты до второй космической скорости.
5. Предложить схему разгона МОБ под солнечным парусом с использованием вспомогательных орбитальных КА.
СОЛНЕЧНЫЙ ПАРУС
Идея солнечного паруса (СП), использующего в качестве движущей силы давление солнечного света не нова. Она впервые возникла в 20-х годах и в течение десятков лет рассматривалась различными авиа и космическими организациями. Наш соотечественник Ф. А. Цандер, известный своими многочисленными трудами в области космонавтики, предложил выводить на орбиту космические зеркала (отражатели) передающие световую энергию Солнца на поверхность Земли для непосредственного использования. Дальнейшее освоение космического пространства, осуществление межпланетных перелетов, вынуждает конструкторов искать принципиально новые решения в построении космических кораблей. Одним из вариантов межпланетного космического корабля является солнечный парус. Плюс солнечного паруса по сравнению с лазерным парусом - солнечный парус не зависит от источника света, а минус - солнечный свет слабее, чем лазерный свет. СП не расходует топливо для разгона; в космосе паруса наполняет не ветер, а давление частиц солнечного света - фотонов. Оно заставляет
парусник непрерывно разгоняться (или тормозить). КА с солнечным парусом будет ускоряться очень не спеша, но со временем сможет достичь невиданных скоростей. Давление фотонов достаточно велико, чтобы КА мог путешествовать между планетами - от Меркурия до Юпитера; для преодоления еще больших расстояний на парус можно направить лазерный луч, запитываемый опять-таки солнечной энергией. Аспекты приложения технологии СП достаточно широки: от удержания спутников в точке стояния на геостационарной орбите до дальних шаттлов, несущих грузы между планетами, астероидами и кометами. Подлетая близко к Солнцу, парусники будущего смогут разгоняться до огромных скоростей, что позволит им сближаться с любым объектом Солнечной системы или, как уже говорилось выше, летать к звездам. Выгоды СП огромны: в сообщении студии «Космос» говорится, что парусник теоретически может летать в 10 раз быстрее, чем станции Уоуадег-1 и -2, которые достигли третьей космической скорости.
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ПАРУСА
Область применения солнечного паруса и солнечного парусного корабля огромна. Они могут использоваться для:
- обнаружения геомагнитных бурь,
- исследования нашей Солнечной системы,
- ретрансляции энергии, теле и радиосвязи,
- освещения отдельных районов Земли,
- очистки космоса от технологического «мусора»,
- межпланетных перелетов под солнечным парусом,
- создания крупных антенн в космосе для разведки полезных ископаемых и других полезных задач.
Солнечный парус и солнечный парусный корабль - прогрессивное направление Российской и мировой космонавтики. Его можно использовать в системах обнаружения плазменных штормов. Известно, что геомагнетические штормы могут быть причиной потери космических кораблей, сбоев в GPS (глобальная система позиционирования) сигналов, и даже сбоев наземных электрических сетей. Протоны с высокой энергией даже могут быть летальными для астронавтов, которые находятся в открытом космосе. Точное предсказание таких событий может быть сделано с помощью наблюдения за солнечным ветром. Такое наблюдение может быть осуществлено с помощью магнетометров и детекторов частиц на борту корабля, находящегося между Солнцем и Землей. Это можно сделать с помощью солнечного парусного корабля. Кроме того, СП можно использовать для межпланетных перелетов. Так, при полете к Марсу корабль выводится сначала ракетой - носителем на начальную низкую околоземную орбиту высотой около 200 км. Затем при помощи блока он переводится на стартовую орбиту высотой в несколько тысяч километров.
Продолжительность этих операций составит около 48 ч, после чего производится развертывание парусов, и под действием солнечного света корабль начинает разгон по спиральной траектории. Управляя ориентацией паруса, добиваются превращения орбиты в эллиптическую с постоянно возрастающим апогеем. Было рассчитано, что длительность разгона к Луне в этом случае составит около 120 суток. Время старта, а затем разгона выбирается так, чтобы парусник вышел в заданную область гравитационного поля Луны. Это позволит решить следующую задачу - перевести СПК на траекторию межпланетного полета к Марсу. Взаимное расположение Земли и Марса на этом этапе тоже подбирается так, чтобы вначале уменьшить период гелиоцентрической орбиты («торможение»), а затем афелий орбиты увеличить, чтобы достичь орбиты Марса («разгон»). Суммарное время, требуемое СПК для достижения Марса, составит около 1,9 года.
Обозначим давление света на орбите Земли Pо. Известно, что давление света меняется с расстоянием по закону: P ~ 1/R2. Найдем давление света посередине расстояния между Землей и Марсом: P 1/2 = Po (Rз/0.5(Rз+Rм)) 1/2 . Здесь Rз – радиус орбиты Земли = 1.5* 10 11 м, Rм – радиус орбиты Марса = 2.28 *10 11 м. Для простоты будем считать, что в течение времени движения космического аппарата от Земли до Марса Земля и Марс находятся на одной прямой, проведенной из центра Солнца. На самом деле это, конечно, не так. Будем считать, что на всем пути от Земли до Марса на парус действует постоянное давление света, равное P1/2 . Пусть площадь паруса равна S. Тогда сила, действующая на парус (т.е. на космический аппарат) F =P1/2 S. Из второго закона Ньютона найдем ускорение, с которым будет двигаться космический аппарат массы M: a = F/M = P1/2 S/M. Используя известное соотношение из курса физики (Механика) s = at2/2, где s – пройденный путь за время t (в нашем случае s= Rм – Rз) найдем время движения космического аппарата от Земли до Марса под действием давления солнечного света:
t = (2 (R м - R з)/ (P 1/2 S /M )) 1/2 = (2 (2,28*10 11 – 1,5*10 11)/0,0000045*10) 1/2 = 5887406с ~1,9 года
КОНСТРУКЦИЯ СП
Роторный солнечный парус состоит из восьми лопастей. Каждая в раскрытом виде представляет собой мембрану, натянутую на пневмокаркас трубчатого сечения диаметром 150 мм, изготовленный из полиэтишертерафталатной пленки толщиной 20 мкм и погонной массой 28 г/м2. Площадь натянутой на каркас мембраны 75 м2. Она изготовлена из металлизированной с одной стороны полиэтилтертерафталатной плёнки толщиной 5мкм и погонной массой 7 г/м2. Металлизированная поверхность мембраны обращена к Солнцу. Пневмокаркас служит для организации процесса развертывания лопасти СП, поддержания заданной формы и обеспечения жесткости при передаче сил и моментов от давления солнечного ветра на лопасть. Жесткость пневмокаркаса и его устойчивость обеспечивается остаточным давлением рабочего газа (азота) внутри пневмокаркаса, составляющим около 7000 Па. Лопасть развертывается из рулона и приобретает форму при срабатывании пирозамков.
Схема запуска солнечного паруса
на примере cosmos
-1
Аппарат с СП, наряду с разгонной двигательной установкой (РДУ) и защитным кожухом, входит в состав головного блока (ГБ) ракеты-носителя. Конструктивная основа КАСП - приборная платформа, на которой крепятся РДУ с смонтированной на ней системой отделения, защитный кожух, блок парусов, приборное оборудование и служебные системы. Приборная платформа устанавливается на адаптер (раму) РН и соединяется с ним пирозамками. На ее герметичном днище размещаются узлы крепления РДУ, антенна 400 МГц, антенна GPS, антенны S-диапазона, солнечные датчики, две фотокамеры, газовые сопла системы ориентации и стабилизации, а также панели фотоэлектрических преобразователей. На оставшееся свободное пространство днища с наружной и внутренней стороны нанесены покрытия с оптическими свойствами, обеспечивающими требуемый тепловой режим. С внутренней стороны платформы размещаются радиокомплексы ДМ и S-диапазонов, приемник GPS, бортовой компьютер, датчик микроускорений, блок ДУСов, аккумуляторная батарея, два газовых баллона, ресивер и арматура СОиС. На верхнем фланце платформы установлен блок парусов - стойка, на которой размещены сборки парусов приводами, системой наполнения, механизмы фиксации и расчековки. До выведения на рабочую орбиту КАСП закрыт защитным радио-прозрачным кожухом. Масса КАСП перед включением апогейного двигателя составляет 130 кг, перед раскрытием солнечного паруса - 63.7 кг.
РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ РАЗГОНА, НЕОБХОДИМОГО ДЛЯ ВЫХОДА ИЗ СФЕРЫ ПРИТЯЖЕНИЯ ЗЕМЛИ
В качестве примера рассмотрим разгон до параболической скорости КА, снабженного солнечным парусом при отлете с геостационарной орбиты. Пусть стартовая масса КА равна 2000 кг, площадь СП равна 10000 м2 , погонная масса материала СП = 7 г/м2 . Тогда имеем: mпар= S · СП = 10000 м2 · 7 г/м2= 70000 г = 70 кг
Полная сила, действующая на СП равна F= S · p = 10000 · 10 -5 = 0,1 H; Определим ускорение КА F = m · а;
Найдем характеристическую скорость, которую должен развить КА для выхода из сферы притяжения Земли
Вычислим время разгона
МОБ(межорбитальный буксир) ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ СП
МОБ использующий солнечный парус - это космический аппарат нового типа с массой в несколько сотен килограммов и площадью парусов в несколько гектаров, движущихся под действием солнечного света, разгоняемый и управляемый автономно, без затрат рабочего тела двигателя. Его конструкция имеет два кольцевых бескаркасных, вращающихся в разные стороны пленочных паруса, поддерживающих свою форму под действием центробежных сил. Управляется и ориентируется корабль за счет использования гироскопических сил. Для этого корабля, осуществляющего полет в космосе, не требуется огромной энергии. Маленькие силы могут медленно и устойчиво разгонять транспортное средство до огромных скоростей. Поскольку энергия имеет массу, солнечный свет, попадающий на тонкую пленку - солнечный парус, обеспечивает такую силу. Притяжение Солнца обеспечивает другую силу. Давление света и гравитация могут носить космические корабли в любое место Солнечной системы. После ускорения в течение года солнечный парус может достичь скорости сто километров в секунду, оставляя сегодняшние ракеты далеко позади. В связи с тем, что такой корабль не может стартовать с Земли, солнечный парус необходимо строить в космосе. Хотя каркас и будет занимать огромную площадь, он (вместе с материалами) будет достаточно легок, чтобы вывести его на орбиту за 1-2 полета космического челнока. При движении по орбите вокруг Земли парус может разгонять КА только на одной половине оборота, на второй половине (встречное по отношению к Солнцу движение) оборота парус необходимо разворачивать вдоль направления солнечных лучей, чтобы избежать торможения. Данный недостаток МОБ на солнечном парусе можно избежать, если использовать дополнительные КА, которые будут собирать солнечный свет и направлять его с помощью передающей антенны на солнечный парус МОБ. Используя несколько таких вспомогательных, постоянно действующих КА с площадью приемных антенн существенно большей, чем у МОБ, можно обеспечить постоянный разгон МОБ. При одинаковом направлении исходных лучей света и сфокусированного луча передающей антенны суммарный импульс, действующий на вспомогательные КА будет равен нулю. Если же направления лучей не совпадают, то возникает необходимость использования на вспомогательных КА реактивных двигателей, например ЭРД, для компенсации неуравновешенного импульса.
Схема полета МОБ под солнечным парусом. 1- Вспомогательный КА. 2- Антенны приема солнечного излучения. 3- Передающая антенна. 4- Приемная антенна МОБ. 5- МОБ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Идея СП, за почти 100 лет своего существования претерпела определенные изменения. Перспектива в ближайшем будущем запустить высокотехнологичный межзвездный зонд на солнечном парусе со скоростью выше 0,01 с очень интригующая. Стоимость зонда на солнечных парусах на много порядков ниже чем стоимость зонда с ракетным двигателем. Теоретически, корабль с солнечным парусом способен достичь скорости в100000 км/с и даже выше. Если бы в 2010 году запустили в космос такой зонд, то (в идеальных условиях) в 2018 он догнал бы “Вояджер-1”, которому для этого путешествия потребовался бы 41 год. В настоящее время “Вояджер-1” (запущенный в 1977) находится от нас на расстоянии в 12 световых часов и является самым удаленным от Земли космическим кораблем. Это лишний раз доказывает, что космический аппарат с СП на порядок эффективнее традиционных КА.
Сделать реально работающий, успешно выполняющий конкретные задачи космический аппарат, использующий солнечный парус – значит решить множество технических проблем, продумать и воплотить в жизнь новые инженерные решения и идеи. Возможно, самой волнующей миссией с использованием СП в ближайщее время сможет стать отправка космического аппарата, который раскроет парус вблизи орбиты Венеры или даже Меркурия, а затем отправится за пределы Солнечной системы и за несколько десятилетий достигнет гелиопаузы. Этот аппарат сможет на месте наблюдать взаимодействие солнца с галактикой. Задача это непростая, как и любая работа, связанная с созданием космических кораблей. Но успешные испытания космических парусников говорят о том, что если хорошенько за это взяться, то всё получится.
