Русская Википедия:Солнечный парус
Со́лнечный па́рус (также называемый световым парусом или фотонным парусом) — приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.
Следует различать понятия «солнечный свет» (поток фотонов, именно он используется солнечным парусом) и «солнечный ветер» (поток элементарных частиц и ионов, который используется для полётов на электрическом парусе — другой разновидности космического паруса).
Идея полётов в космосе с использованием солнечного паруса возникла в 1920-е годы в России и принадлежит одному из пионеров ракетостроения Фридриху Цандеру, исходившему из того, что частицы солнечного света — фотоны — имеют импульс и передают его любой освещаемой поверхности, создавая давление. Величину давления солнечного света впервые измерил русский физик Пётр Лебедев в 1900 году.
Давление солнечного света относительно мало (на Земной орбите — около 9·10−6 Н/м2) и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца[1]. Например, общая сила, действующая на солнечный парус 800 на 800 метров, составляет около 5 ньютонов на расстоянии Земли от Солнца.[2] Солнечный парус может действовать в течение почти неограниченного периода времени, и совсем не требует расхода рабочего тела, и поэтому в некоторых случаях его использование может быть предпочтительно. Однако до настоящего времени ни один из космических аппаратов не использовал солнечный парус в качестве основного двигателя по причине крайне низкой тяги.
Физика явления
Предположим, что на неподвижное плоское идеальное зеркало массы <math>m</math> нормально к его поверхности падает плоская световая волна с энергией <math>W_{0}</math>. Обозначим энергию отражённой световой волны как <math>W_{1}</math>, скорость, приобретённую зеркалом в результате отражения волны как <math>v</math>. Тогда закон сохранения энергии: <math>W_{0}+mc^{2}=W_{1}+\frac{mc^{2}}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}</math> и закон сохранения импульса: <math>\frac{W_{0}}{c}=-\frac{W_{1}}{c}+\frac{mv}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}</math>. Из этих уравнений можно получить:
- <math>v=c\frac{(1+\frac{2W_{0}}{mc^{2}})^{2}-1}{(1+\frac{2W_{0}}{mc^{2}})^{2}+1}</math> (1)
- <math>W_{1}=\frac{W_{0}}{1+\frac{2W_{0}}{mc^{2}}}</math> (2)
Отсюда следует, что коэффициент полезного действия фотонного паруса (доля энергии падающей волны, передаваемая парусу) тем больше, чем больше отношение энергии падающей волны к энергии покоя паруса. При энергии падающей волны, много большей энергии покоя зеркала <math>W_{0} \gg m c^{2}</math> практически вся энергия волны передаётся зеркалу.
В другом крайнем случае энергия падающей волны много меньше энергии покоя зеркала <math>W_{0} \ll mc^{2}</math>. В этом случае из формулы (1) получаем: <math>\frac{v}{c} \approx \frac{2 W_{0}}{mc^{2}}</math>. Из формулы (2) получаем:<math>\frac{\Delta W}{W_{0}} = \frac{W_{0}-W_{1}}{W_{0}} \approx \frac{2 W_{0}}{mc^{2}}</math>. Из этой формулы видно, что в этом случае световая волна передаёт парусу лишь ничтожную часть своей энергии[3].
Солнечный парус в проектах звездолётов
Шаблон:Main Солнечный парус и другие виды космического паруса планируется использовать в некоторых проектах звездолётов[4][5][6][7][8][9][10]. Преимуществом солнечного парусника является отсутствие топлива на борту, что позволяет увеличить полезную нагрузку по сравнению с космическим кораблём на реактивном движении. Однако концепция солнечного паруса требует лёгкого по массе и одновременно большого по площади паруса.
Недостатком солнечного парусника является зависимость ускорения от расстояния до Солнца: чем дальше от Солнца, тем меньше давление солнечного света и, тем самым, меньше ускорение паруса, а за пределами Солнечной системы давление солнечного света и, соответственно, эффективность солнечного паруса приблизится к нулю. Световое давление от Солнца довольно мало, поэтому для увеличения ускорения существуют проекты разгона солнечного парусника лазерными установками с генерирующих станций вне Земли[4][11]. Данные проекты сталкиваются с проблемой точного наведения лазеров на сверхдальних расстояниях и создания лазерных генераторов соответствующей мощности.
Шаблон:Не переведено 3 предложил использовать солнечную батарею для передачи энергии через лазер от базовой станции на межзвёздный зонд с ионным двигателем[12][13], что даёт некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом (в настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений)[14].
По оценкам Митио Каку в книге Физика невозможного теоретически возможен разгоняемый лазерами с Луны солнечный парус, который может достичь до половины скорости света и долететь до ближайшей звезды за 8 лет. Однако это потребует строительства солнечного паруса поперечником в несколько сотен километров и тысяч лазеров на Луне с продолжительностью работы в десятилетия, что трудно реализовать по экономическим и техническим причинам[15].
Конфигурации паруса
Космическая регата
В 1989 году юбилейной комиссией Конгресса США в честь 500-летия открытия Америки был объявлен конкурс о 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[16].
Космические аппараты, использующие солнечный парус
Советскими учёными была изобретена схема радиационно-гравитационной стабилизации космического аппарата, основанная на применении солнечного паруса[17][18]. Первое развёртывание солнечного паруса в космосе было произведено на российском корабле «Прогресс М-15» 24 февраля 1993 года в рамках проекта «Знамя-2»[19].
Первым использовавшим космический парус как двигатель аппаратом стал японский IKAROS, который и считается первым в истории космическим парусникомШаблон:Нет АИ. 21 мая 2010 года Японское космическое агентство (JAXA) запустило ракету-носитель H-IIA, на борту которой находились космический аппарат IKAROS с солнечным парусом и метеорологический аппарат для изучения атмосферы Венеры[20]. IKAROS оснащён парусом из тончайшей мембраны размером 14 на 14 метров по длине и ширине. С его помощью предполагается исследовать особенности движения аппаратов при помощи солнечного света. На создание аппарата было потрачено 16 миллионов долларов. Раскрытие солнечного паруса началось 3 июня 2010 года, а 10 июня успешно завершилось. По кадрам, переданным с борта IKAROS, можно сделать вывод, что все 196 квадратных метров ультратонкого полотна расправились успешно, а тонкоплёночные солнечные батареи начали вырабатывать энергию.
Сейчас в России существует консорциум «Космическая регата», который провёл несколько опытов с солнечными отражателями с целью освещения районов нефте- и газодобычи. Также существуют проекты выплавления зеркал на орбите из астероидов.
20 мая 2015 года с космодрома на мысе Канаверал первый в истории частный спутник на солнечном парусе «LightSail-1» был отправлен в тестовый полёт[21][22].
В культуре
- Рассказ «Шаблон:Нп5» (1963) писателя-фантаста Артура Чарльза Кларка, вошедший в сборник рассказов «Обмен Разумов»[23], целиком посвящён космической регате яхт, оснащенных солнечным парусом и приводимых в движение исключительно солнечным ветром. В рассказе, написанном от имени одного из участвующих в регате капитанов, перечислены яхты с различными вариантами исполнения солнечного паруса и средств стабилизации полёта. В рассказе также описывается инцидент, в ходе которого произошло столкновение двух яхт.
- В книге Бернара Вербера «Звёздная бабочка» повествование идёт о фантастическом космическом корабле в форме бабочки с использованием фотонного паруса.
- В сериале «Звёздный путь. Дальний космос 9» (s03e22 Explorers) коммандер Бенджамин Сиско строит корабль с солнечными парусами, чтобы доказать правдивость истории о древнем контакте баджорцев с кардассианской цивилизацией
- В фильме «Звёздные войны. Эпизод II: Атака клонов» после битвы на Джеонозисе граф Дуку улетает на Корусант на солнечном паруснике.
- В анимационном фильме студии Disney «Планета сокровищ» на сёрфере, корабле и шлюпке установлены солнечные паруса, как и на других судах которые можно увидеть в порту. В игре по мотивам фильма так же присутствуют суда, использующие солнечные паруса.
- Во вселенной Warhammer 40000 солнечными парусами оснащены корабли расы эльдар.
- Одна из серий мультсерий Смешарики: Пин-код (спин-оффа мультсериала Смешарики), а именно — двадцатая серия «Солнечный бриз» — посвящена теме солнечного паруса
- В третьем сезоне сериала «Ради Всего Человечества» американский пилотируемый марсианский корабль «Соджернер-1» оснащён, помимо ядерных двигателей, солнечными парусами.
См. также
- Фотонный двигатель
- Давление электромагнитного излучения
- Солнечный ветер
- Космический парус
- Электрический парус
- [[]] (Magnetic sail)
Примечания
Литература
Ссылки
- Солнечный парус засияет звездой в память об астрономе
- Консорциум «Космическая регата» — Проекты — Солнечные паруса и рефлекторы
- Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Citation
- ↑ Бутиков Е. И., Быков А. А., Кондратьев А. С. Физика в примерах и задачах // М.: Наука. — 1989. — С. 443. — ISBN 5-02-014057-0
- ↑ 4,0 4,1 Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Geoffrey A. Landis. Laser-powered Interstellar Probe Шаблон:Webarchive on the Geoffrey A. Landis: Science. papers available on the web Шаблон:Wayback
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Митио Каку. Физика невозможного. С. 224—225.
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Поляхова Е. Н. «Космический полёт солнечным парусом: проблемы и перспективы», М., Изд. «Наука», Глав. ред. физ-мат. литературы, 1986 г. 304 л.
- ↑ Шаблон:Книга Шаблон:Wayback
- ↑ Сайт проекта «ИКАРОС» Шаблон:WaybackШаблон:Ref-en
- ↑ Шаблон:Cite news
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Книга
