Солнечные паруса приводят в движение космический корабль под давлением солнечного света. Недавнее исследование инженеров Имперского колледжа Лондона показывает, что эта технология может отправить пилотируемые или беспилотные миссии на окраину Солнечной системы в ближайшие десятилетия. В работе оценивается прогресс уже протестированных прототипов и необходимые последующие шаги.
Эта концепция существовала на протяжении веков. Древние корабли использовали ветер. В космосе идея адаптирует этот принцип к фотонам. Несколько миссий продемонстрировали базовую работу. Теперь исследователи измеряют реальный потенциал больших расстояний.
Миссии доказывают принцип легкого движения
Япония запустила ИКАРОС в 2010 году. Космический корабль достиг Венеры и подтвердил ускорение с помощью солнечного паруса. Миссия проверила материалы и систему ориентации с помощью жидких кристаллов.
Планетарное общество отправило LightSail 2 в 2019 году. CubeSat изменил свою орбиту вокруг Земли только за счет солнечного давления. Операция продолжалась более трех лет до повторного входа в атмосферу в 2022 году. Эти эксперименты устранили сомнения в принципиальной жизнеспособности технологии.
- ИКАРОС продемонстрировал межпланетную навигацию с парусом площадью 200 квадратных метров.
- LightSail 2 управлял орбитой в околоземной среде с парусом площадью 32 квадратных метра.
- В обеих миссиях использовались легкие материалы и разборные опорные конструкции.
- Испытания подтвердили возможность непрерывного ускорения без химического топлива.
Исследование Имперского колледжа устанавливает сроки для края Солнечной системы
Дебдут Сенгупта и его коллеги опубликовали анализ текущего состояния солнечных парусов. В работе сравнивается то, что уже существует, с требованиями для миссий, достигающих гелиопаузы.
Они приходят к выводу, что корабли могут достичь края Солнечной системы через 10 или 20 лет при соответствующем развитии. Основное внимание уделяется более крупным, более термостойким парусам и улучшенным системам управления. Сенгупта считает эти идеи техническими, но достижимыми при наличии финансирования и целенаправленной инженерной мысли.
Такие проекты, как «Сварог», возглавляемые студентами Имперского колледжа, готовят CubeSats с парусами для межзвездного пространства. Высотные испытания и орбитальное моделирование уже проведены. Цель — отправить первый гражданский объект за пределы Солнечной системы.
Технические проблемы сосредоточивают усилия на материалах и масштабируемости.
Паруса должны быть широкими, но очень легкими. Давление фотонов слабое. Следовательно, площадь поверхности должна эффективно компенсировать.
Инженеры разрабатывают мембраны, более устойчивые к экстремальным температурам и радиации. Опорные конструкции, называемые стрелами, должны без сбоев разворачиваться в вакууме. Контроль ориентации требует точности направления силы.
- Текущие материалы подходят для демонстрационных полетов, но требуют модернизации для длительных миссий.
- Моделирование оценивает тепловое напряжение вблизи Солнца для увеличения скорости.
- Интеграция с тонкими солнечными панелями обеспечивает питание бортовых приборов.
- Лабораторные испытания и суборбитальные полеты отрабатывают автоматическое развертывание.
Область применения варьируется от внешних планет до межзвездных концепций.
Миссии на Юпитер или Сатурн могут сократить время в пути. Свечи экономят большую часть топлива. Это высвобождает массу для научной полезной нагрузки.
Более амбициозные предложения нацелены на 100 а.е. и более. Некоторые изучают возможность использования земных или солнечных лазеров для получения большего начального импульса. Исследование Сенгупты отделяет то, что реалистично сейчас, от того, что требует дополнительных десятилетий исследований.
Пилотируемые корабли представляют собой более серьезную проблему. Радиационная защита, расходные материалы и системы жизнеобеспечения добавляют массы. Свечи по-прежнему предлагают путь вперед, не полагаясь исключительно на химические ракеты.
Следующие шаги зависят от финансирования и международного сотрудничества.
Космические агентства и частные группы планируют более масштабные демонстрации. НАСА готовит такие миссии, как Solar Cruiser. Университеты и компании тестируют компоненты параллельно.
Все согласны с тем, что технологии развиваются быстро. Проверочные полеты уже существуют. Следующий скачок требует полной интеграции в оперативные миссии.
Исследователи подчеркивают, что момент благоприятный. Достижения в области легких материалов и вычислений позволяют провести точное моделирование перед запуском. Результат может открыть более дешевые и устойчивые маршруты для глубоких исследований.