Как сделать солнечный парус
Добавил пользователь Дмитрий К. Обновлено: 04.10.2024
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.
Идея полетов 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 чрезвычайно мало (на Земной орбите — около 5·10 −6 Н/м 2 [1] [2] ) и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Однако солнечный парус совсем не требует ракетного топлива, и может действовать в течение почти неограниченного периода времени, поэтому в некоторых случаях его использование может быть привлекательно. Эффект солнечного паруса использовался несколько раз для проведения малых коррекций орбиты космических аппаратов, в роли паруса использовались солнечные батареи или радиаторы системы терморегуляции. [источник не указан 1315 дней] Однако на сегодня ни один из космических аппаратов не использовал солнечный парус в качестве основного двигателя.
Содержание
Солнечный парус в проектах звездолётов
Солнечный парус — самый перспективный и реалистичный на сегодня вариант звездолёта [3] [4] [5] .
Преимуществом солнечного парусника является отсутствие топлива на борту, что позволит увеличить полезную нагрузку по сравнению с космическим кораблем на реактивном движении.
Недостатком солнечного парусника является тот факт, что за пределами Солнечной системы давление солнечного света приблизится к нулю. Поэтому существует проект разгона солнечного парусника лазерными установками с какого-нибудь астероида. Данный проект ставит проблему точного наведения лазеров на сверхдальних расстояниях и создания лазерных генераторов соответствующей мощности.
Уже сейчас можно построить межзвёздный зонд, использующий давление солнечного ветра.
Существует 2 варианта солнечных парусников: на давлении электромагнитных волн и на потоке частиц.
Космическая регата
В 1989 году юбилейной комиссией Конгресса США в честь 500-летия открытия Америки был объявлен конкурс. Его идея заключалась в 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.
Космические аппараты, использующие солнечный парус
Схема стабилизации космического аппарата
Советскими учёными была изобретена схема радиационно-гравитационной стабилизации космического аппарата, основанная на применении солнечного паруса [7] [8] .
Первое развёртывание солнечного паруса
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 [9] . IKAROS оснащён тончайшей мембраной размером 14 на 14 метров. С его помощью предполагается исследовать особенности движения аппаратов при помощи солнечного света. На создание аппарата было потрачено 16 миллионов долларов, отмечает агентство. Раскрытие солнечного паруса началось 3 июня 2010 года, а 10 июня успешно завершилось. По кадрам, переданным с борта IKAROS, можно сделать вывод, что все 200 квадратных метров ультратонкого полотна расправились успешно, а тонкоплёночные солнечные батареи начали вырабатывать энергию.
См. также
Примечания
Ссылки
Литература
- Движители
- Космонавтика
- Космическая техника
- Проекты освоения космоса
- Солнечная энергия
Wikimedia Foundation . 2010 .
Полезное
Смотреть что такое "Солнечный парус" в других словарях:
СОЛНЕЧНЫЙ ПАРУС — устройство (напр., в виде металлизированной пленки паруса) для движения космического аппарата с помощью давления солнечного излучения. Применялось в качестве исполнительного органа системы ориентации и стабилизации автоматических межпланетных… … Большой Энциклопедический словарь
солнечный парус — устройство (например, в виде металлизированной плёнки паруса) для движения космического аппарата с помощью давления солнечного излучения. Применялось в качестве исполнительного органа системы ориентации и стабилизации автоматических межпланетных… … Энциклопедический словарь
Солнечный парус — (тент) использовался летом в амфитеатрах для защиты от солнца во время многочасовых представлений. Надписи на стенах в Помпее, возвещающие о таких представлениях, снабжались особой пометкой: vela erunt имеется С. п. Археологами обнаружены … Словарь античности
солнечный парус — Light Sailor Световой (солнечный) парус Система приведения в движение космического корабля, которая получает толчок от давления света, падающего на тонкую металлическую плёнку … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.
Солнечный парус — один из возможных движителей космического летательного аппарата (КЛА); представляет собой устанавливаемую на КЛА и развёртываемую в полёте непрозрачную плёнку (например, металлизированная полимерная) большой площади, способную сообщить… … Большая советская энциклопедия
Солнечный парус — тент, использов. летом в амфитеатрах для защиты от солнца во время многочас. представл. Надписи на стенах в Помпее, возвещ. о таких представл., снабжались особой пометкой: имеется С. п. Археологами обнаруж. спец. конструкции для натягив … Древний мир. Энциклопедический словарь
солнечный парус — Устройство в виде, например, металлизированной плёнки большой площади, служащее для перемещения в космосе объекта (тела) под действием светового давления солнечных лучей. В современной космонавтике это пока единственный нереактивный двигатель. E … Толковый уфологический словарь с эквивалентами на английском и немецком языках
Космос-1 (солнечный парус) — Космос 1 Cosmos 1 Космос 1 (компьютерная модель) Производитель … Википедия
Парус — У этого термина существуют и другие значения, см. Парус (значения). Парусное судно Парус ткань или пластина, прикрепляемая к средству передвижения и преобразующая энергию ветра в энергию поступательного движения … Википедия
Электрический парус — форма двигателя для космического аппарата, использующая в качестве источника тяги импульс ионов солнечного ветра. Придуман в 2006 году доктором финского метеорологического института Пекка Янхуненым [1] Власти Евросоюза проявляют повышеный интерес … Википедия
Солнечный парус (также называемый световым парусом или фотонным парусом) — приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.
Идея полетов 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 чрезвычайно мало (на Земной орбите — около 9·10 −6 Н/м 2 ) и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Однако солнечный парус может действовать в течение почти неограниченного периода времени, и совсем не требует топлива, и поэтому в некоторых случаях его использование может быть привлекательно. Однако на сегодня ни один из космических аппаратов не использовал солнечный парус в качестве основного двигателя.
Солнечный парус в проектах звездолётов
Солнечный парус — самый перспективный и реалистичный на сегодняшний день вариант звездолёта.
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 легкого 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. Однако данные проекты сталкиваются с проблемой точного наведения лазеров на сверхдальних расстояниях и создания лазерных генераторов соответствующей мощности.
Джеффри Ландис предложил использовать солнечную батарею для передачи энергии через лазер от базовой станции на межзвёздный зонд с ионным двигателем, что дает некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом (в настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений).
Космическая регата
В 1989 году юбилейной комиссией Конгресса США в честь 500-летия открытия Америки был объявлен конкурс. Его идея заключалась в 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.
Космические аппараты, использующие солнечный парус
Советскими учёными была изобретена схема радиационно-гравитационной стабилизации космического аппарата, основанная на применении солнечного паруса.
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. “IKAROS” оснащён тончайшей мембраной размером 14 на 14 метров. С его помощью предполагается исследовать особенности движения аппаратов при помощи солнечного света. На создание аппарата было потрачено 16 миллионов долларов, отмечает агентство. Раскрытие солнечного паруса началось 3 июня 2010 года, а 10 июня успешно завершилось. По кадрам, переданным с борта “IKAROS”, можно сделать вывод, что все 200 квадратных метров ультратонкого полотна расправились успешно, а тонкоплёночные солнечные батареи начали вырабатывать энергию.
Солнечный парус используется в космосе, а не в море. Это предполагает использование солнечного излучения, а не ракетного топлива или ядерной энергии для приведения в движение космических аппаратов. Его источник энергии практически неограничен (по крайней мере, в течение следующих нескольких миллиардов лет), его преимущества могут быть значительными, и он демонстрирует новаторское использование солнечной энергии для развития современной цивилизации.
Как работает солнечный парус
Солнечный парус работает так же, как фотоэлектрические (PV) элементы в солнечной панели путем преобразования света в другую форму энергии. Фотоны (частицы света) не имеют массы, но любой, кто знает самое известное уравнение Эйнштейна, знает, что масса это просто форма энергии.
Фотоны представляют собой пакеты энергии, движущиеся по определению со скоростью света, и, поскольку они движутся, их импульс пропорционален переносимой ими энергии. Когда эта энергия попадает в солнечный фотоэлектрический элемент, фотоны возмущают ее электроны, создавая ток, измеряемый в вольтах (отсюда и термин фотоэлектрический). Однако, когда энергия фотона попадает в отражающий объект, например солнечный парус, часть этой энергии передается объекту в виде кинетической энергии, как это происходит, когда движущийся бильярдный шар ударяется о неподвижный шар. Солнечный парус может быть единственной движущей силой, источник которой безмассовый. (1)
Подобно тому, как солнечная панель производит больше электричества, чем сильнее падает солнечный свет, так и солнечный парус движется быстрее. В космическом пространстве, незащищенном атмосферой Земли, солнечный парус бомбардируется частями электромагнитного спектра с большей энергией (например, гамма-лучами), чем объекты на поверхности Земли, которая защищена атмосферой Земли от таких высокоэнергетических волн солнечного излучения. А поскольку космическое пространство является вакуумом, миллиарды фотонов сталкиваются с солнечным парусом и перемещают его вперед. Пока солнечный парус остается достаточно близко к Солнцу, он может использовать солнечную энергию для перемещения в космосе.
Солнечный парус работает так же, как паруса на парусной лодке. Изменяя угол наклона паруса относительно Солнца, космический корабль может плыть со светом позади него или лавировать против направления света. Скорость космического корабля зависит от соотношения между размером паруса, расстоянием от источника света и массой корабля. Ускорение также может быть увеличено за счет использования земных лазеров, которые несут более высокий уровень энергии, чем обычный свет. Поскольку бомбардировка фотонами Солнца никогда не прекращается и отсутствует сопротивление, ускорение спутника со временем увеличивается, что делает солнечные паруса эффективным средством передвижения на большие расстояния.
Экологические преимущества солнечного паруса
Чтобы запустить солнечный парус в космос, по-прежнему требуется ракетное топливо, поскольку сила тяжести в нижних слоях атмосферы Земли сильнее, чем энергия, которую может уловить солнечный парус. Например, ракета Falcon Heavy, которая запустила LightSail-2 в космос 25 июня 2019 года, использовала керосин и жидкий кислород в качестве ракетного топлива. Керосин – это то же ископаемое топливо, которое используется в топливе для реактивных двигателей, с примерно такими же выбросами углекислого газа, как у топочного мазута, и немного больше, чем у бензина. (2)
В то время как нечастые запуски ракет делают их парниковые газы незначительными, другие химические вещества, которые ракетное топливо выбрасывает в верхние слои атмосферы Земли, могут нанести ущерб исключительно важному озоновому слою. Замена ракетного топлива на внешних орбитах солнечными парусами снижает затраты и атмосферный ущерб, вызванный сжиганием ископаемого топлива для движения. Ракетное топливо также дорого и ограничено, что ограничивает скорость и расстояние, на которое космический корабль может путешествовать. (3)
Использование солнечного паруса нецелесообразно на низких околоземных орбитах из-за таких факторов окружающей среды, как сопротивление и магнитные силы. И хотя межпланетные путешествия за пределы Марса становятся все более трудными из-за уменьшения энергии солнечного света во внешней солнечной системе, использование космических кораблей на солнечной энергии может помочь снизить затраты и ограничить ущерб атмосфере Земли.
Слабый солнечный свет означает, что использование солнечного паруса все еще сталкивается с проблемами при попытке исследовать дальний космос.
Photon Illustration / Stocktrek Images / Getty Images
Солнечный парус – хронология
Ключевые выводы
Для запуска космических кораблей на орбиту или за ее пределы с использованием солнечного паруса по-прежнему требуется ископаемое топливо, но, тем не менее, он имеет свои экологические преимущества и что, возможно более важно, демонстрирует потенциал солнечной энергии для решения наиболее насущных экологических проблем Земли.
Мы даже не задумываемся о том, как часто идеи, которые нам кажутся современными, имеют долгую, и даже несколько вековую историю. Мы думаем, что космическая эра началась с первого спутника и полёта Юрия Гагарина, а на самом деле все началось гораздо раньше, когда человек первый раз задумался о космических полетах. Когда космос стал частью общественного сознания. Когда о полетах к другим планетам задумались мыслители, ученые и писатели. Когда они передали эти идеи своим читателям, сторонникам и последователям. И этой космической эре уже не меньше чем сто лет.
Отрадно, что как и с первыми полетами в космос, так и с первыми идеями совершения таких полетов мы были впереди планеты. Вспомните хотя бы основоположника теоретической космонавтики Константина Циолковского. Учёный-самоучка из российской глубинки обосновал использование ракет для полётов в космос, выдвинул идеи космического лифта и заселения космоса с использованием орбитальных станций. Эти идеям уже более ста лет, а они все ещё как новые, и все ещё не вполне реализованы.
Вы не задумывались, почему идеи фантастов второй половины двадцатого века остались не реализованными? Почему мы не летаем хотя бы к соседним звёздам и не сажаем мичуринские яблони в долине Маринера на Марсе? Мечты фантастов той эпохи обгоняли время. Им уже было не интересно писать просто о полётах в космос, это они видели наяву. И об этом уже писали их предшественники.
С конца прошлого века достижения и победы в космосе практически закончились, началась монотонная рутинная работа, иногда расцвеченная успехами исследовательских миссий NASA и открытиями новых экзопланет телескопом Кеплер. Ну и конечно строительство нового космодрома Восточный, рядом с городом имени Циолковского тоже какая-никакая, но победа.
Впрочем, если на заре покорения космоса, инженеры и конструкторы руководствовались идеями которые были придуманы ранее, задолго до них, то вполне логично и нам обращаться к тому наследию, которое оставили нам мыслители прошлого времени. Времени, когда не было ни то что интернета, но и телевидения. Но были идеи, которые помогли выйти в космос нашим предшественникам. И идеи, которые помогут нам достигнуть ближайших звезд. А порывы сквозь гиперпространство и Пузыри Алькубьерре мы оставим нашим потомкам, которые будут более продвинуты в техническом плане, чем мы.
Поговорим сегодня о космических парусах и ветрах которые из надувают. Об идее путешествия в космосе которой почти сто лет. Но которая нами воспринимается как нечто современное, но на фоне галактических крейсеров фантастических блокбастеров, определённо забавное.
Наша тема сегодня путешествия в космическом пространстве с помощь парусов. Парусов солнечных, электрических, парусов надуваемых лазером. Каких пределов можем достичь с помощью с помощь этой технологии. И насколько реально то, что для нас открывается новая эра космических исследований. Эра космических путешествий под парусом.
1619 год. Священная Римская империя. Немецкий учёный Иоганн Кеплер изучает поведение комет приближающихся к Солнцу. Тот самый Кеплер, в честь которого назовут позже телескоп для поиска внесолнечных планет.
Наблюдая кометы, ученый обратил внимание на то, что хвост кометы всегда отклоняется в сторону, противоположную Солнцу. Кеплер, который был не только астрономом, но и математиком, механиком и оптиком делает предположение что, отклонение вызывается давлением солнечных лучей.
Прошло еще два с половиной века и в 1873 году британский физик Джеймс Максвелл, руководствуясь созданной им же электромагнитной теорией предсказывает существование светового давления и теоретически оценивает его величину.
И уже через 17 лет, на рубеже веков знаменитый русский физик-экспериментатор Петр Лебедев опытным путем обнаружил и измерил силу светового давления.
Прошло ещё двадцать лет после этого события, и снова наш соотечественник, один из пионеров ракетостроения и последователь Циолковского, Фридрих Цандер предложил идею полетов в космосе с использованием солнечного паруса.
С этого момента и до конца прошедшего века идею путешествий под солнечным парусом эксплуатировали только фантасты. Правда, в 1970-х годах NASA рассматривало солнечный парус в числе кандидатов двигателя для исследовательского зонда отправляемого к комете Галлея.
Но более интересны результаты другого эксперимента проведённого Японским космическим агентством пятью годами ранее. Космический аппарат IKAROS не только развернул свой двухсотметровый парус, но и сделал ряд селфи с помощью отправленной с корабля камеры. К слову сказать, камера отправив сделанные снимки на корабль, отправилась в самостоятельное безвозвратное путешествие в космосе, её возврат не предусматривался.
Раскрытие паруса проходило в течение недели. После чего ученые попытались регулировать скорость и направление корабля. Эксперименты прошли успешно.
Парус площадью 1000 квадратных метров будет использован для компенсации притяжения Солнца. Это будет самый близкий построенный человечеством аппарат, находящийся около нашей звезды.
Собственно говоря, это уже не солнечные паруса, а солнечные зеркала, хотя технология их изготовления та же.
Технологию солнечного паруса можно рассмотреть на примере уже упомянутого японского проекта IKAROS. Солнечный парус космического корабля был изготовлен из полиамидной плёнки толщиной всего 7,5 мкм. Собственно говоря это было даже 4 паруса трапецевидной формы. В саму пленку были вшиты фотоэлементы для вырабатывания электричества и солнечные рули. Разворачивание паруса происходило за счет вращения космического аппарата вокруг своей оси со скоростью 20 оборотов в минуту. В результате после раскрытия паруса получился квадрат 14 на 14 метров шириной.
Если же говорить о солнечном ветре, то до недавнего времени идеи запрячь его в паруса казались не реальными. Солнечный ветер представляет собой поток плазмы - заряженных частиц, как правило, электронов и протонов. Они более медленные чем фотоны, а сам ветер более разрежен. Тем не менее, использовать его для полетов вполне возможно, а в некоторых ситуациях парус использующий солнечный ветер даже более эффективен чем солнечный.
Такой парус, в силу своей природы, называется электрическим. Концепция такого паруса предложена финским ученым Пеккой Янхуненом в 2006 году. Реализация в представлении NASA (проект HERTS) представляется следующим образом.
Электрический парус, который уже в общем-то и не парус, будет состоять из 10-20 металических тросов длиной 20 км и диаметром примерно 1 мм каждый. Выйдя в точку начала полета космический аппарат начнет, вращается со скоростью один оборот в час. За счет центробежной силы тросы вытянутся в длину.
Бортовая электронная пушка аппарата создает луч электронов, направленный против движения, вследствие чего тросы приобретают положительный заряд. Алюминиевые или стальные тросы, ученые пока не решили на чем остановится, отталкивают ионы солнечного ветра, импульс передается от ионов к парусу в следствие чего происходит разгон корабля.
Лазерный парус, фактически тот же солнечный только разгоняемый давлением лазерного луча на его зеркальную поверхность. В разных проектах планируется использовать как орбитальную группировку лазеров, так и наземную лазерную систему.
Самый известный и на данный момент передовой проект использования лазерного паруса, это представленный в апреле этого года Breakthrough Initiatives. Известный меценат и предприниматель Юрий Мильнер, знаменитый физик Стивен Хокинг и владелец Facebook Марк Цукерберг рассчитывают с помощью технологии лазерного паруса добраться до ближайшей к нам звёздной системы Альфа Центавра.
Около тысячи наноспутников оснащённых лазерными парусами должны добраться до ближайшей к нам звезды за 20 лет. Такое относительно малое количество лет путешествия объясняется тем, что до скорости равной 20 процентам скорости света они будут разогнаны лазерными лучами с Земли.
Однако стоит заметить, что реализация лазерного паруса сложнее, чем солнечного. Во-первых, чрезвычайно сложно построить сам лазер необходимой мощности. А это целых 100 гигаватт. Во-вторых, парус должен быть сделан из такого материала, который не расплавится после попадания на него столь мощного луча. Тем не менее, участники проекта считают, что в ближайшие годы эти проблемы будут решены.
Если в ближайшем будущем не произойдет непредвиденная революция в космических двигателях, то именно парусники станут основными кораблями исследовательских миссий следующего столетия. Нас ждет новая эпоха Великих географических открытий, но теперь в космосе. То, что сейчас мы не можем увидеть даже в самые мощные телескопы, будет сфотографировано многочисленными микрозондами отправленными к ближайшим звездам.
Рядом с нами, в каких-то двенадцати световых годах расположены двадцать четыре звезды. А значит двадцать четыре звездные системы, такие как наша. Со своими светилами, планетами и спутниками вокруг них, кометами и прочим космическим населением. И у нас есть шанс исследовать их в ближайшие сто лет до такого же уровня, как мы изучили Солнечную систему, ну как минимум на данный момент.
При этом с помощью солнечных и электрических парусов, мы за это время досконально изучим Солнечную систему. Тысячи миниатюрных корабликов отправятся на исследования Пояса Койпера в поисках неизвестных ещё транснептуновых планет Солнечной системы, к Облаку Оорта наблюдать за рождением долгопериодических комет, к Главному поясу астероидов с целью найти подходящие астероиды для добычи полезных ископаемых и к другим ранее не доступным целям.
Читайте также: