Аэрографитовый солнечный парус сочли пригодным для межзвездных полетов ( 2 фото )

Схематическое изображение траекторий аппарата с аэрографитовым солнечным парусом при запуске с геостационарной орбиты

René Heller et al. / Astronomy & Astrophysics, 2020

Физики теоретически проанализировали характеристики и возможности космических аппаратов, движение которых обеспечивает аэрографитовый солнечный парус. Оказалось, что такие аппараты способны совершать как полеты внутри Солнечной системы, так и межзвездные путешествия без дополнительной тяги, а также при метровых размерах и собственной массе около грамма переносить в десятки раз более массивную нагрузку. Тем не менее, создавать настолько крупные аэрографитовые структуры на практике пока не удавалось. Статья опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics.

Солнечным парусом называют приспособление, которое приводит в движение космический аппарат за счет давления электромагнитного излучения (как правило, Солнца или лазером). При падении излучения на поверхность паруса отдельные фотоны передают ей свой импульс и, таким образом, подталкивают парус по направлению от источника света. При условии, что площадь паруса достаточно велика (чтобы захватить больше фотонов), а масса — достаточно мала (чтобы получать большую прибавку к скорости при данном приращении импульса), устройство может обеспечить перемещение космического аппарата в отсутствие дополнительной тяги (подробнее об устройстве и истории создания таких приспособлений можно узнать в материале «На всех парусах»).

Одно из основных ограничений для солнечного паруса — слабое давление солнечного света на дальних дистанциях от звезды. Эта величина уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния: если вблизи орбиты Меркурия давление составляет около 60 микропаскалей (то есть на каждый квадратный метр паруса будет действовать сила в 0,06 ньютона), то в области Земли оно уменьшается уже до девяти микропаскалей, а у границ Солнечной системы — становится еще в десятки миллиардов раз меньше. В результате далекие (в смысле расстояния до Солнца) полеты при помощи солнечного паруса становятся затруднительными: необходимо либо успевать разгонять аппарат на начальном этапе полета, пока он находится сравнительно недалеко от светила, либо использовать лазерные установки, которые бы заменяли ему солнечное излучение, либо прибегать к дополнительным источникам тяги — все это так или иначе представляет технические сложности.

Физики из Германии, Испании, США и Франции под руководством Рене Хеллера (René Heller) из Института исследования Солнечной системы Общества Макса Планка рассмотрели свой вид компактного космического аппарата на базе солнечного паруса и теоретически оценили его возможности в рамках предполагаемых миссий.

В качестве материала для приспособления ученые предложили использовать аэрографит — синтетическое вещество из трубчатых волокон углерода, которое обладает рекордно низкой плотностью: 0,18 килограмма на кубический метр — в 5,5 тысяч раз легче воды. Чтобы одновременно добиться достаточной для эффективного полета площади облучаемой Солнцем поверхности и малой массы аппарата, авторы выбрали для паруса полую сферическую форму. По словам исследователей, благодаря способности аэрографита восстанавливать форму после сжатия, на практике парус, вероятно, будет удобно доставлять в космос в сложенном виде и раскрывать.

Для оценки способностей аппарата путешествовать внутри Солнечной системы и выходить за ее пределы ученые численно моделировали его движение под действием излучения Солнца и гравитационного притяжения — в первую очередь, к самой звезде, а в сценариях, когда стартовая точка траектории располагалась вблизи нашей планеты, — еще и к Земле.


Траектории аппарата с аэрографитовым солнечным парусом, запускаемого с орбиты МКС, при различных соотношениях между массой и поперечным сечением. Зеленые траектории — незамкнутые, черные — замкнутые (аппарат сталкивается с Землей)

René Heller et al. / Astronomy & Astrophysics, 2020

Кроме того, физики исследовали поведение паруса при участии добавочной нагрузки, например, компактного лазера для связи с Землей. Авторы сфокусировали внимание на диапазоне масс полезной нагрузки в единицы–десятки граммов: так полная масса аппарата не превышала верхний порог, начиная с которого гравитация пересиливает световое давление, а масса нагрузки — не выходила за нижние границы, типичные для современных приборов электроники.

В результате исследователи установили, что при толщине сферической оболочки менее 1 миллиметра парус принципиально способен совершать полеты внутри Солнечной системы и выходить в межзвездное пространство только за счет солнечного излучения (при запуске в межпланетной среде). При толщине в 0,5 миллиметра путешествие от орбиты Земли до орбиты Марса займет около 60 дней, до орбиты Плутона — примерно 4,3 года, а при толщине около микрометра и запуске на расстоянии 0,04 астрономических единиц от Солнца (планируется, что именно на такое расстояние к звезде приблизится солнечный зонд «Паркер») парус будет способен за 185 лет достичь Проксимы Центавра — ближайшего к Солнцу светила.

Аппараты толщиной в сто микрометров и радиусом в 1–5 метров позволят также транспортировать до межзвездной среды нагрузку до 5,7–55 граммов при собственной массе 0,23–2,2 грамма — то есть масса груза может в десятки раз превышать массу паруса, тогда как для межзвездных аппаратов на химическом топливе типичная полезная нагрузка составляет тысячные доли полной массы. С учетом таких характеристик аэрографитовые солнечные паруса можно считать перспективным приспособлением для будущих полетов внутри нашей звездной системы, и, в особенности, для изучения ее границ и ближайших окрестностей — например, поисков девятой планеты.

Вместе с тем физики отмечают, что на практике достаточно крупные аэрографитовые структуры еще не производились — авторы современных исследований ограничивались преимущественно размером в несколько сантиметров. Тем не менее, принципиально создание метровых аэрографитовых парусов представляется возможным. Кроме того, ученые предлагают для реального полета заменять крупные многометровые паруса набором из нескольких однометровых. Несмотря на то, что это снизит общее давление солнечного излучения (за счет уменьшения эффективной площади), таким образом можно упростить создание, доставку в космос и развертывания паруса, а также повысить надежность приспособления: если одна сфера из набора будет повреждена, остальные продолжат приводить аппарат в движение.

Открытым также остается вопрос о маневрировании и корректировке траектории аппарата с солнечным парусом — сам по себе полет сфер является неуправляемым, и для изменения маршрута необходимо будет использовать дополнительные приспособления.

В последнее время солнечные паруса показывают свою эффективность не только в теории, но и на практике. В мае мы рассказывали о том, как графеновый солнечный парус взлетел при помощи лазера, а в прошлом году — о том, как такое приспособление помогло аппарату LightSail–2 увеличить высоту своей орбиты.

Николай Мартыненко

Материал взят: Тут