1.    
  2.    
  3.     Як працює сонячний парус

Як працює сонячний парус

 

Винайдено сонячний парус російським ученим Фрідріхом Артуровичем Цандером (1887 — 1933). Він вперше висунув кілька ідей про пристрій і принципи застосування сонячного вітрила в якості рушія для космічних перельотів. Найбільш доцільний з варіантів він розглянув у статті “Перельоти на інші планети” 1924 році.

За задумом Цандера сонячне вітрило мав площу в 1 квадратний кілометр при товщині екрану 0,01 міліметра і масу 300 кілограмів. Конструкція його являла собою центральну вісь, деякий набір елементів каркаса, підтримують форму полотнища-екрану.

Вчений також спробував розробити основи теорії руху космічних апаратів під сонячним вітрилом. Він вважав за доцільне спрямовувати на сонячне вітрило космічного апарату потік світла, зібраний другим вітрилом, розташованих на деякій проміжній міжпланетної станції. Ця його ідея перегукується із сучасними пропозиціями про використання для розгону космічного апарату лазерного вітру, забезпечує істотно більший тиск на поверхню, ніж сонячні промені.

 

Першим ідею про існування тиску світла висунув видатний німецький астроном Йоганн Кеплер (1571-1630). Спостерігаючи комети він звернув увагу, що їхні хвости завжди спрямовані в бік, протилежний від Сонця.

Теорія тиску світла в рамках класичної електродинаміки була висунута Джеймсом Кларком Максвеллом у 1873 році. Він пов’язав це явище з передачею імпульсу електромагнітного поля речовини.

При нормальному падінні світла на поверхню твердого тіла тиск світла визначається формулою p = S(1 — R)/c, де S — щільність потоку енергії (інтенсивність світла), R — коефіцієнт відбивання світла від поверхні.

Ретельне і повне дослідження тиску світла на тверді тіла було вперше проведено Петром Миколайовичем Лебедєвим (1866-1912) в 1899 році. У його дослідах використовувався скляну посудину, з якого откачивался повітря. Усередині судини на тонкої срібної нитки були підвішені коромисла крутильних терезів з закріпленими на них тонкими дисками-крильцями із слюди (вони-то і піддавалися опроміненню). Саме Лебедєв експериментально підтвердив справедливість теорії Максвелла про тиск світла.

Отже, принцип роботи сонячного вітрила.

Ідея проста — космічний корабель розгортає велике полотно (сотні квадратних метрів або навіть кілька кілометрів (йдеться про космос, ось і масштаби відповідні) — вітрило – відображає, або поглинає фотони світла.

На орбіті Землі парус масою 0,8 г/м2 відчуває вплив сонячного світла близько одного грама. Тиск обернено пропорційно квадрату відстані від Сонця. Навіть при більшій масі, парус ще можливо використовувати. Проблеми можуть виникнути тільки при його розгортанні – доведеться використовувати додаткові механічні пристрої.

Головною незручністю сонячного вітрила є те, що він може рухати корабель лише в бік від Сонця, а не до нього. Іноді висловлюється думка, що політ у напрямку Сонця можливий, якщо йти галсами (тут очевидна аналогія з зигзагоподібним рухом морського вітрильника проти вітру). Змінюючи кут нахилу сонячного вітрила відносно падаючого на нього світла, можна легко керувати космічним кораблем, як завгодно часто змінюючи його траєкторію (задоволення, недоступне для ракетних двигунів).

Основне і найголовніше гідність “парусного” способу переміщення в космічному просторі — повна відсутність паливних витрат.

Коли мова заходить про міжпланетних подорожах, переваги такого движетеля очевидні. Реактивні вдигатели не здатні забезпечити кораблю постійне прискорення через обмеженість їх обсягу. За найскромнішими розрахунками, для подорожі на Марс знадобиться 900 тонн палива — і це при тому, що маса корисного навантаження приблизно в 10 разів менше. Про ракети ще кажуть — “паливо щастить саме себе”.

На перший погляд, космічний парус дуже повільний. Так, дійсно, початкові етапи його розгону будуть нагадувати гонки черепах. Однак не слід забувати, що прискорення діє постійно (для вітрила масою 0,8 г/м2 початкове прискорення буде дорівнює 1,2 мм/с2). В умовах безповітряного простору це дозволить досягти величезних швидкостей за досить короткі терміни.

Теоретично, корабель з космічним вітрилом здатний досягти швидкості в 100 000 км/с і навіть вище. Якщо в 2010 році запустити в космос такий зонд, то (в ідеальних умовах) у 2018 він наздожене “Вояджер-1”, яким для цієї подорожі було 41 рік. В даний час “Вояджер-1” (запущений в 1997) знаходиться від нас на відстані в 12 світлових годин і є самим віддаленим від Землі космічним кораблем.

Американські вчені не так давно створили плазмовий випромінювач High Power Helicon — самий потужний генератор плазми в світі. Зараз фахівці NASA всерйоз замислюються над перспективами його використання в тандемі з сонячним вітрилом. Це дозволить забезпечити космічному вітрильнику такий розгін, що політ до Марса займе 45 днів (замість двох років на кораблях із звичайним ракетним двигуном).

За розрахунками фахівців, пробний запуск цього пристрою в космосі можна буде здійснити вже через п’ять років. Передбачувана вартість вітрильника — менш $1 млн.

Матеріал, з якого зроблені сонячні вітрила, повинен бути максимально легким і міцним. В даний час найбільш перспективними є полімерні плівки — милар і каптон (товщиною 5 мікрон), алюмінізовані (найтонший шар металу в 100 нанометрів) з одного боку, що надає їм відбивну здатність до 90%.

В даний час учені сподіваються на розвиток нанотехнологій — з їх допомогою можна буде створити найлегший і сверхэффективный сонячне вітрило з вуглецевих нанотрубок.

Форма (конструкція) вітрил має чи не більше значення, ніж матеріал, з якого вони зроблені.

Найпростіший і надійний (але більш важкий, а, отже — не занадто швидкий) сонячне вітрило має каркасну конструкцію. Найбільше він нагадує повітряного змія — легка хрестоподібна рама є несучою основою для чотирьох трикутних вітрил, надійно закріплених на ній. Форма каркаса може бути різною — навіть круглої. Очевидна перевага такої конструкції полягає в надійній фіксації парусів — вони не зможуть згорнутися і ними легко керувати (повертати під різним кутом до світла).

Існують проекти вітрил, не мають каркасу — так звана “обертається конструкція”. Ці моделі виконані у вигляді стрічок, закріплених на космічному апараті. Як випливає з назви, розкриття вітрил цього типу забезпечується обертанням корабля навколо своєї осі. Відцентрові сили (на кінцях стрічок закріплений невеликий вантаж) витягають їх у різні боки, дозволяючи обійтися без важкого каркаса. Теоретично, така конструкція забезпечує більш високу швидкість пересування в космосі, ніж каркасна, за рахунок своєї малої ваги.

У Росії — 4 лютого 1993 року був проведений експеримент “Прапор-2” з розгортанням 20-метрової тонкоплівкової конструкції за рахунок використання відцентрових сил на борту корабля “Прогрес М-15”, пристикованого до орбітальної станції “Мир”. Основним завданням експерименту було не випробування тягових якостей цього полотна, а освітлення ділянки земної поверхні відбитим світлом — ще одна цілком реальна функція сонячних вітрил.

Діаметр світлової плями на Землі повинен був досягти 8 км, а освітленість — 5 лунетт (повних місяців).

В даний час сонячний парус — найперспективніший пристрій для пересування в космосі, має цілий ряд переваг перед хімічними ракетними двигунами.

 

12.01.2017

Написати коментар