Що таке космічні вітрила і як вони влаштовані

У дослідженнях космосу масштабні і дорогі проекти на зразок Міжнародної космічної станції або роботів, які колесять по Марсу, нерідко затьмарюють більш скромні і не настільки ефектні починання. Тим часом подібні "непомітні" досліди чудово демонструють винахідливість людського розуму. Наприклад, змусити промені Сонця рухати космічний апарат подібно тому, як попутний вітер несе яхту через океан.

ТРОХИ ФІЗИКИ

Уявімо собі величезне дзеркало. Падаючі на нього сонячні промені будуть відбиватися. Якщо ж говорити в термінах квантової фізики, то в дзеркало вдаряють випущені Сонцем фотони. "Відскакуючи", вони передають дзеркалу частину своєї енергії і надають маленький імпульс. В умовах Землі імпульс гаситься тертям, рухом повітря тощо. Але якщо винести дзеркало в космос, то перешкоди зникають. Тому імпульс, який фотони надають, стає відчутним.

Деокупація півдня країни – як українські військові відвойовують території

Заборона на пересування країною для військовозобов'язаних – всі деталі

Ракетні удари по мирних українськиих містах - липень 2022

Ядерний тероризм Росії

Вперше в історії космонавтики тиск сонячного світла зробило негативний вплив на ситуацію в 1960 р. Тоді NASA вивели на орбіту гігантський балон з дзеркальної тканини діаметром близько 60 м. Американські інженери використовували його для відображення радіосигналу і створення лінії міжконтинентальної радіозв'язку. Однак розробники не врахували вплив тиску сонячних променів, яке "столкнуло" куля з орбіти набагато раніше розрахункового часу. І ще один важливий для нашої розповіді факт. Те кількість енергії, яку викидає в космос "зірка на ім'я Сонце", не може дати жоден пристрій, створене людиною. Кількість тепла і світла, випромінюваного тільки з квадратного метра поверхні нашого світила, приблизно відповідає тому, що дали б 1 млн ламп розжарювання, підключених до джерела енергії потужністю близько 60 МВт (потужність Запорізької АЕС – 6000 МВт). Залишається тільки навчитися користуватися цим океаном енергії.

ПЛЮСИ І МІНУСИ

Ідея космічного вітрила в теорії виглядає просто – потрібно розкрити в космосі полотнище якнайбільше, тонше і максимально легке. Після удару в нього фотони потихеньку приведуть в рух полотнище, а воно потягне за собою корисний вантаж.

ПЕРЕВАГИ. Дуже слабка тяга буде компенсуватися безперервністю впливу сонячних променів, і крок за кроком космічна яхта може набрати пристойну швидкість. Розрахунки показують, що корисний вантаж масою в 2 т може бути доставлений в околиці Марса за допомогою вітрила діаметром 800 м приблизно за півроку. А якщо встановити на таку станцію двигуни для маневрів, то її можна повернути на орбіту Землі. Орбіти Юпітера такий "вітрильник" досягне за два-три роки. Найзухваліші мрійники навіть припускають, на сонячній тязі можна дістатися до найближчої до Сонячної системи зірці в сузір'ї Центавра (світло від неї досягає Землі за чотири роки) приблизно за 100 років. Окрім польотів до інших планет, сонячне вітрило може знайти застосування в інших сферах – збір космічного сміття, постійне спостереження за Сонцем, освітлення з навколоземної орбіти територій на поверхні Землі в темний час доби або в полярну ніч (полотнище виступить як дзеркало, що відбиває промені на потрібний ділянка).

Мініатюризація електроніки і наноматеріали подарували ідеї друге дихання.

Поява нових матеріалів і мініатюризація електроніки зробили конструювання космічних апаратів із сонячним вітрилом благодатній сферою, де можуть себе проявити не тільки державні організації з щедрим фінансуванням, а й приватні фонди, а то й просто студенти. Адже виведення на орбіту малюка вагою в кілька кілограмів у наш час не так вже складний технічно і доріг у фінансовому плані. Наприклад, його можна отруїти на орбіту з іншими, більш важкими апаратами, однією потужною ракетою-носієм. Або скористатися з'являються зараз більш дешевими ракетами, які пропонують різні недержавні фонди і приватні фірми.

НЕДОЛІКИ. Крім вигод, є чимало проблем, що гальмують застосування космічних вітрильників. По-перше, що далі від Сонця, то менше світла потрапляє на полотнище і то слабкіше тяга вітрила (яка і так невелика). По-друге, гранична швидкість, яку може набрати такий апарат, все одно менша, ніж та, яку забезпечують традиційні хімічні двигуни або перспективні – іонні та термоядерні. По-третє, відкриття величезного полотнища в космосі – вкрай складне технічне завдання, до кінця не відпрацьована і донині.

Мрійники. Каліфорнійські студенти тестують свою розробку.

ПЕРШІ КРАХИ І ПЕРЕМОГИ

Біографія космічного вітрильного флоту тільки почалася, і майбутнє його залишається неясним.

ПЕРЕДІСТОРІЯ. Астроном Іоганн Кеплер ще в XVII ст. зауважив, що хвости комет завжди спрямовані в бік, протилежний Сонцю. Кеплер припустив, що промені чинять тиск на комети. У 1873 р англієць Джеймс Максвелл теоретично обгрунтував тиску світла. У 1899 р. російський фізик Петро Лебедєв визначив величину цього тиску. Ідея сонячного вітрила належить російському вченому Фрідріху Цандеру. Він оприлюднив її в 1924 р.

Куля "Ехо-1". Сонце "зіпхнуло" його з орбіти.

ПОЧАТОК. Як вже говорилося, в космонавтиці вперше зіткнулися з тиском світла в 1960 р., коли NASA вивело на орбіту балон з відбиває тканини. Витягти ж користь від цього явища вдалося в 70-х роках. На міжпланетної станції Mariner 10 вітрилами стали сонячні батареї, повернені під кутом до Сонця.

Mariner 10. Сонячні батареї служили вітрилами.

НЕВДАЧІ. Спочатку доля зіркових яхт не склалося. Перший вітрило вивели в космос в ході російського проекту "Знамя" в 90-х. Тоді спробували створити підсвічування (відображаючи на Землю сонячні промені вітрилом) для зон стихійних лих і міст в Заполяр'ї. Планувалося відкинути на землю величезний сонячний зайчик, який освітить місцевість не гірше повного Місяця. На жаль, вітрило зачепився за антену транспортного корабля і не розкрився.

У 2005 р. в Росії, на замовлення "Планетарного суспільства" (США), створений апарат "Космос-1". Він виглядав як 30-метрова конструкція з восьми сегментів дзеркальної плівки. Запуск справили в Баренцевому морі з атомного підводного човна. Як носій застосували переобладнану бойову ракету. На жаль, щось не заладилося, і вона звалилася в океан.

У 2008 р. відома новаціями компанія SpaceX мала намір ракетою Falcon 1 запустити апарат NanoSail-D: вітрило з металізованого полімеру площею 10 кв. м. На жаль, знову підвела ракета.

ПЕРШІ УСПІХИ. У травні 2010 р. на орбіту благополучно вийшла японська станція Ikaros: конструкція з чотирьох величезних трапецій. Товщина вітрила була всього 7,5 мікрон, але в нього примудрилися вшити сонячні батареї. Парус розвертався тиждень. Потім Ikaros взяв курс на Венеру, і через кілька місяців апарат передав фото планети. У тому ж 2010-му нову спробу зробили американці. NanoSail-D2 пішов у космос "доважком" до важчого супутнику. Після деяких проблем NanoSail-D2 таки розкрив вітрило.

НАЙБЛИЖЧІ ПЛАНИ. На початку 2015 р. NASA планувало відправити в космос за допомогою ракети компанії SpaceX апарат Sunjammer (названий на честь корабля, описаного в оповіданні Артура Кларка). Він повинен був стати найбільшим на сьогодні космічним вітрильником (площа вітрила – близько 1,2 тис. кв. м). Однак розробники засумнівалися в ракеті і перенесли запуск на 2018-й.

Нарешті в травні 2015-го на орбіту вийшов LightSail-1. Завдання його прості – відпрацювати розкриття вітрила і роботу систем. Результати будуть враховані при створенні апарату, який відправиться на орбіту в наступному році. Планується, що в тому польоті буде відпрацьовано маневрування парусника.

Мінімум місця. Складене вітрило LightSail-1.