Идея, которой несколько сот лет
Сама идея перемещения с помощью светового давления была выдвинута еще в 1619 году Иоганном Кеплером. В ходе наблюдения за кометами ученый заметил, что их хвосты всегда направлены от Солнца, и предположил, что существует некая «сила», которая отталкивает кометное вещество. Прошло более двух столетий, прежде чем Джеймс Клерк Максвелл в 1873 году на основе своей теории электромагнетизма пришел к выводу, что свет обладает импульсом и давит на любую поверхность. А в 1900 году русский ученый Петр Лебедев экспериментально подтвердил эту гипотезу в вакуумной камере с помощью крутильных весов.
Но только в 1970-х годах о парусах заговорили всерьез: NASA рассматривала возможность применения солнечного паруса для миссии к комете Галлея. По расчетам, парусник мог добраться до цели всего за четыре года против семи-восьми у электроракетного аппарата. Однако в 1977 году проект закрыли в пользу электроракетного — из-за более высокой вероятности успеха. Впрочем, и тот вскоре отменили из-за роста стоимости. Тем не менее работа над этой миссией стимулировала мировой интерес: в 1979 году в Калифорнии был создан World Space Foundation, в 1981 году во Франции — Union pour la Promotion de la Propulsion Photonique, а в 1982-м — Японский союз солнечных парусов. Все эти организации работают до сих пор.
История создания солнечных парусов также несет в себе и определенную романтику. В 1989 году приближалось 500-летие со дня открытия Колумбом Америки. Казалось бы, причем здесь это? Но юбилейный комитет решил: «Устроим гонку к Марсу на солнечных парусах!» Это был международный конкурс, его поддержали и ученые СССР, создав консорциум «Космическая регата» куда вошли сотрудники из НПО «Энергия» и Долгопрудненского конструкторского бюро автоматики.
Стоит отметить, что в конкурсе участвовали команды из многих стран, таких как Китай, Япония, Италия, Великобритания, Канада, но многие ушли с дистанции, так как сама идея была очень непроста в своем инженерном исполнении. Наши ученые и инженеры смогли доработать проект до конца, и он получил наивысшую оценку жюри. Но, к сожалению, эти проекты требовали слишком больших финансовых вливаний, и гонка не состоялась.
Парусники в космосе
Отечественные разработки в области солнечного паруса не были утеряны: они легли в основу российского космического эксперимента «Знамя 2» по освещению Земли в ночное время, который был успешно проведен в 1993 году.
На грузовом корабле «Прогресс М-15» с помощью центробежных сил удалось развернуть 20-метровую тонкопленочную конструкцию общей площадью около 300 квадратных метров. Она состояла из восьми лепестков и была, по сути, солнечным парусом по конструкции. Но сама задача была не создать тягу — что обычно и делает солнечный парус — а отразить солнечный свет на ночную сторону Земли. Таким образом, впервые в истории была создана искусственная подсветка Земли из космоса. Световое пятно диаметром около пяти километров прошло над Западной Европой со скоростью восемь километров в секунду, а его яркость сравнивали с полной Луны.
В 1999 году попытались реализовать следующий эксперимент «Знамя-2.5» с отражателем диаметром 25 метров, но в ходе раскрытия мембрана зацепилась за антенну и порвалась. После этого финансирование программы прекратили.
Первую попытку развернуть в космосе именно солнечный парус предприняли в рамках американо-российского проекта «Космос-1» в 2005 году. Его целью была демонстрация возможности использования солнечного паруса для управления движением космического аппарата. Проектированием и сборкой аппарата занимались сотрудники ИКИ РАН и Научно-испытательного центра им. Г. Н. Бабакина, а американская сторона в лице The Planetary Society отвечала за финансирование проекта. В итоге удалось создать аппарат с площадью паруса около 600 м² (как земельный участок 6 соток), но к сожалению, при его запуске произошел сбой в работе ракеты-носителя, и аппарат, вместе с ракетой, оказался затоплен в океане.
Первый же в истории успешный солнечный парусник удалось запустить только в 2010 году японскому агентству аэрокосмических исследований (JAXA) в рамках межпланетной миссии IKAROS.
На аппарате был установлен квадратный парус площадью 200 квадратных метров, который развернули с помощью центробежных сил. В парус также были интегрированы датчики пыли и тонкие солнечные элементы для выработки электричества. Навигационные данные показали, что ускорение аппарата нельзя объяснить без учета давления света. Были успешно проведены эксперименты по управлению ориентацией аппарата за счет изменения отражательной способности отдельных сегментов паруса. Более того, солнечный парус смог заметно повлиять на траекторию полета. В то время как аппарат AKATSUKI, вместе с которым IKAROS был запущен в сторону Венеры, пролетел Венеру с дневной стороны, IKAROS пролетел Венеру с ночной стороны.
Миссия оказалась грандиозным успехом: было показано, что солнечный парус и правда работает, а существующие теоретические модели справляются с описанием его реального поведения.
После IKAROS успешным солнечным парусником стал запущенный в 2015 году американский LightSail-1 — аппарат формата 3U CubeSat массой около пяти килограммов. Он успешно развернул свой небольшой парус, но не смог продемонстрировать управляемое движение из-за слишком низкой орбиты: сопротивление атмосферы перевешивало давление света.
Тем не менее, в 2019 году на орбите высотой около 720 километров, где влияние атмосферы было существенно ниже, был выведен следующий аппарат LightSail-2. Вблизи перигея (самая близкая к Земле точка орбиты) парус ориентировали на Солнце, чтобы получить максимальное ускорение, а вблизи апогея (самая далекая от Земли точка орбиты) отворачивали от Солнца, чтобы минимизировать торможение. Наблюдавшаяся эволюция высоты орбиты полностью согласовывалась с выбранным режимом поворота-отворота паруса, что подтвердило реальное влияние солнечного паруса на движение аппарата.
Следующая и последняя на сегодняшний день успешная миссия — «Advanced Composite Solar Sail System» (ACS3) NASA. Аппарат формата 12U CubeSat массой около 16 килограммов с парусом площадью 80 квадратных метров был создан для испытания технологии развертывания с помощью композитных мачт из легких материалов.
В октябре 2024 года были опубликованы снимки, подтверждающие успешное развертывание. Однако в это время система ориентации была отключена, аппарат начал медленно вращаться, и дальнейшие эксперименты отложили до его восстановления. Более публичных новостей с октября 2024 года не публиковалось.
Что мешает технологии стать востребованной
Здесь стоит отметить технологическую сложность самой системы солнечного паруса. Мембрана должна быть сверхлегкой, высокоотражающей с одной стороны и с высокой излучательной способностью с другой, устойчивой к повреждениям и деградации. Типичная поверхностная плотность современных парусов — от 2 до 20 г/м².
Парус должен складываться в очень малый объем, а само развертывание происходит либо за счет центробежных сил (IKAROS), либо с помощью раздвижных мачт (ACS3). Управление ориентацией и траекторией полета может осуществляться множеством способов: от микродвигателей и маховиков до изменения отражательной способности или ориентации отдельных сегментов паруса.
Ключевой параметр для оценки их эффективности — характеристическое ускорение. Это максимальное ускорение, которое парус может обеспечить на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца, то есть на орбите Земли. Для сравнения: гравитационное ускорение от Солнца на этой дистанции составляет около 6 мм/с². У всех запущенных на сегодня аппаратов характеристическое ускорение не превышало 0,06 мм/с² — примерно в сто раз меньше. Более того, ускорение, создаваемое солнечным парусом, зависит от ориентации относительно солнца, из-за чего оно далеко не всегда будет максимальным.
Именно поэтому солнечные паруса пока не конкурентоспособные в ближнем космосе: маневры длятся дольше, а управление сложнее. Например, перевод спутника с орбиты 650 км на орбиту 1300 км с помощью электроракетного двигателя займет около 10 дней, а с помощью солнечного паруса со сравнимым уровнем ускорения, который еще надо создать — около 22 дней.
Однако на низких орбитах эта технология уже нашла коммерчески востребованное практическое применение — сведение отработавших спутников с орбиты за счет использования парусов для торможения об атмосферу. Есть даже компания ― Gama Space ― специализирующаяся на изготовлении тормозных парусов. С учетом того, что околоземное пространство все более и более «загружено» космическими аппаратами, наличие такого относительно дешевого и простого способа становится принципиально важным для сохранения доступа в космос и предотвращения, так называемого, эффекта Кесслера.
Альтернативные возможности
Следует отметить, что солнечные паруса открывают возможности, которые практически недостижимы при применении классических реактивных двигателей. Например, на обычной ракете долететь до Меркурия значительно сложнее, чем до Марса. Путь до Марса требует разгона от Земли, а в сторону Меркурия следует затормозиться и потратить в разы больше энергии.
С солнечным парусом ситуация противоположная: Меркурий ближе к Солнцу, а значит, в течение полета солнечное давление будет только возрастать, за счет чего парус будет работать все эффективнее и эффективнее. Более того, солнечные паруса, как ни странно, предлагают использовать для полетов к границам Солнечной системы и дальше. Если приблизиться очень близко к Солнцу, то можно разогнать аппарат до столь высокой скорости, что он выйдет на гиперболическую траекторию и направится «на выход» из Солнечной системы.
Поэтому есть вполне реальный шанс, что в будущем солнечные паруса станут стандартной технологией, но она не будет конкурировать с классическими химическими и электро ракетными двигателями, а будет использоваться для выполнения определенных задач.
Давление солнечного света обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Поэтому по мере приближения к светилу тяга паруса резко возрастает. Для аппарата с характеристическим ускорением 1 мм/с² у орбиты Меркурия максимальное ускорение достигает 6,7 мм/с². Это позволяет долететь до внутренних планет быстрее, чем на традиционных двигателях. Например, перелет Земля — Меркурий на солнечном парусе с характеристическим ускорением 0,2 мм/с² займет около четырех лет, в то время как аппарат BepiColombo, использующий электроракетные двигатели и гравитационные маневры, летит к Меркурию уже как восемь лет. Для внешних планет и дальше преимущество исчезает — там давление света падает, и солнечные паруса становятся практически бесполезными.
К внешним планетам, тем не менее, можно добраться с помощью солнечного паруса, применив траектории типа «Сандайвер», которые предусматривают «нырок» к Солнцу. Аппарат с солнечным парусом приближается к Солнцу на расстояние от нескольких солнечных радиусов до 0,2 астрономической единицы. На таком близком расстоянии давление света столь велико, что солнечный парус, в купе с эффектом Оберта, резко увеличивает гелиоцентрическую энергию орбиты. В результате парус с характеристическим ускорением 1 мм/с² при пролете на расстоянии около 10 солнечных радиусов может достичь гиперболической скорости до 20 астрономических единиц в год. Это значит, что за пять лет аппарат может улететь на 100 астрономических единиц.
Такие траектории рассматривают, например, для быстрых пролетных миссий к дальним объектам Солнечной системы, а также для достижения фокальной области гравитационной линзы Солнца — этот проект «космического телескопа» уже разрабатывает американский ученый из Лаборатории реактивного движения (JPL NASA) Слава Турышев с коллегами из Института прикладной математики имени М. В. Келдыша. Если он воплотится в жизнь, то ученые смогут наблюдать далекие экзопланеты и проводить эксперименты по проверке общей теории относительности.
Будущее космического парусного движения
Сейчас, к сожалению, даже наземные испытания не могут полностью предсказать поведение паруса в космосе. Оптические свойства материала меняются со временем под воздействием космической радиации и солнечного ветра, в материале могут образовываться пузырьки водорода, меняющие его структуру. К тому же, в реальности парус никогда не будет не идеально плоским — он будет покрыт маленькими складками и загибами, что будет влиять на тягу. Все это требует сложного математического моделирования и проведения летных экспериментов.
Тем не менее, технология движется вперед: NASA и JAXA реализуют публичные программы, а российские специалисты имеют большой практический опыт, который, при желании, может быть конвертирован в лидирующие проекты. Таким образом, при благоприятных условиях — прежде всего при наличии финансирования — солнечные и тормозные паруса могут занять свою нишу в ближайшие 10−30 лет. Основной фокус развития при этом будет направлен на увеличение их размеров и создание надежных стандартизированных технологических решений.
Ранее Наука Mail рассказывала про Цереру — карликовую планету между Марсом и Юпитером.