Идея солнечного паруса (СП), который использует в качестве движущей силы давление солнечного ветра, не нова. Она впервые возникла в 20-х годах и в течение десятков лет рассматривалась различными авиа и космическими организациями. Еще в 1873 году впервые физиком Джеймсом Клерком Максвеллом было доказано, что свет давит на зеркало. Значит, в вакууме свет может ускорять большой парус, с небольшим ускорением, которое способно со временем разогнать парус до требуемой скорости. К сожалению, давление света, к примеру, на орбите Земли на парус размером с футбольное поле, приблизительно равно весу камушка гальки. Поэтому парус должен иметь большие пропорции, или быть ближе к Солнцу. Наш соотечественник Ф. А. Цандер, известный своими многочисленными трудами в области космонавтики, предложил выводить на орбиту космические зеркала (отражатели) передающие световую энергию Солнца на поверхность Земли для непосредственного использования. Однако в силу многих причин тогда идея не привлекла особого внимания ученых и инженеров, лишь отдельные энтузиасты продолжали работать в этом направлении. Среди них были и немецкий профессор Г. Оберт и его ученик К. Эрике, внесшие огромный вклад в теоретические основы будущих космических систем. Затем идея оказалась на многие годы забытой... Дальнейшее освоение космического пространства, осуществление межпланетных перелетов, вынуждает конструкторов искать принципиально новые решения в построении космических кораблей. Одним из вариантов межпланетного космического корабля является «Солнечный парус». Солнечный парусный корабль - это космический аппарат нового типа с массой в несколько сотен килограммов и площадью парусов в несколько гектаров, движущихся под действием солнечного света, разгоняемый и управляемый автономно, без затрат рабочего тела двигателя. Его конструкция имеет два кольцевых бескаркасных, вращающихся в разные стороны пленочных паруса, поддерживающих свою форму под действием центробежных сил. Управляется и ориентируется корабль за счет использования гироскопических сил. Для этого корабля, осуществляющего полет в космосе, не требуется огромной энергии. Маленькие силы могут медленно и устойчиво разгонять транспортное средство до огромных скоростей. Поскольку энергия имеет массу, солнечный свет, попадающий на тонкую пленку солнечный парус, обеспечивает такую силу. Притяжение Солнца обеспечивает другую силу. Давление света и гравитация могут носить космические корабли в любое место Солнечной системы. После ускорения в течение года световой парус может достичь скорости сто километров в секунду, оставляя сегодняшние ракеты далеко позади. В связи с тем, что такой корабль не может стартовать с Земли, световой парус необходимо строить в космосе. Хотя каркас и будет занимать огромную площадь, он (вместе с материалами) будет достаточно легок, чтобы вывести его на орбиту за 1-2 полета космического челнока. Плюс солнечного паруса по сравнению с лазерным парусом - солнечный парус не зависит от источника света, а минус - солнечный свет слабее, чем лазерный свет. «Мы будем считать миссию первого в мире СП успешной, если аппарат проведет хоть какое-то время в управляемом ре-жиме, - говорит Л.Фридман, нынешний ру-ководитель «Планетарного общества» и администратор проекта. Первый 12-се-кундный полет братьев Райт - блестящая победа авиации. Если мы сможем работать не 12 секунд, а 12 минут, 12 дней или 12 недель, мы будем счастливы». Луис Фридман - бывший специалист МАЗА; с 70-х годов занимался технологией СП. Хотя, к сожалению, парус до сих пор не воплощен «в металле», именно он, по мне-нию Фридмана, поможет совершить путеше-ствие к звездам гораздо быстрее, чем пред-ставляют многие. «Межзвездный полет - та-кая же идея для нас, каким был аэроплан для Леонардо да Винчи: сотни лет до него никто не представлял реально, как это сделать. Ис-пользуя СП, можно совершить плавание к звездам в очень ско-ром будущем, менее чем через 100 лет». «Мы слишком за-держались на берегу космического океа-на. Пора наконец ус-тремить парус к звез-дам», - говорили в свое время К.Саган и Э.Драйан в телевизи-онном сериале «Кос-мос». По мнению «Планетарного общества», эта миссия - гигантский прыжок для чело-вечества, первое использование техноло-гии, предназначенной для прорыва из Сол-нечной системы к звездам. СП не расходует топливо для разгона; в космосе паруса наполняет не ветер, а давле-ние частиц солнечного света - фотонов. Оно заставляет парусник непрерывно разгонять-ся (или тормозить). КА с солнечным парусом будет ускоряться очень не спеша, но со вре-менем сможет достичь невиданных скоро-стей. Давление фотонов достаточно велико, чтобы КА мог путешествовать между плане-тами - от Меркурия до Юпитера; для пре-одоления еще больших расстояний на парус можно направить лазерный луч, запитываемый опять-таки солнечной энергией. Аспекты приложения технологии СП до-статочно широки: от удержания спутников в точке стояния на геостационарной орби-те до дальних шаттлов, несущих грузы меж-ду планетами, астероидами и кометами. Подлетая близко к Солнцу, парусники буду-щего смогут разгоняться до огромных ско-ростей, что позволит им сближаться с лю-бым объектом Солнечной системы или, как уже говорилось выше, летать к звездам. Выгоды СП огромны: в сообщении сту-дии «Космос» говорится, что парусник тео-ретически может летать в 10 раз быстрее, чем станции Уоуадег-1 и -2, которые до-стигли третьей космической скорости.
Солнечный парус и солнечный парусный корабль - прогрессивное направление Российской и мировой космонавтики. Его можно использовать в системах обнаружения плазменных штормов. Известно, что геомагнетические штормы могут быть причиной потери космических кораблей, сбоев в GPS (глобальная система позиционирования) сигналов, и даже сбоев наземных электрических сетей. Протоны с высокой энергией даже могут быть летальными для астронавтов, которые находятся в открытом космосе. Точное предсказание таких событий может быть сделано с помощью наблюдения за солнечным ветром. Такое наблюдение может быть осуществлено с помощью магнетометров и детекторов частиц, которые должны на борту корабля, находящегося между Солнцем и Землей. Это можно сделать с помощью солнечного парусного корабля. Кроме того, СП можно использовать для межпланетных перелетов. Так, при полете к Марсу Корабль выводится сначала ракетой - носителем на начальную низкую околоземную орбиту высотой около 200 км. Затем при помощи блока он переводится на стартовую орбиту высотой в несколько тысяч километров. Продолжительность этих операций составит около 48 ч, после чего производится развертывание парусов, и под действием солнечного света корабль начинает разгон по спиральной траектории. Управляя ориентацией паруса, добиваются превращения орбиты в эллиптическую с постоянно возрастающим апогеем. Было рассчитано, что длительность разгона к Луне в этом случае составит около 120 суток. Время старта, а затем разгона выбирается так, чтобы парусник вышел в заданную область гравитационного поля Луны. Это позволит решить следующую задачу - перевести СПК на траекторию межпланетного полета к Марсу. Взаимное расположение Земли и Марса на этом этапе тоже подбирается так, чтобы вначале уменьшить период гелиоцентрической орбиты («торможение»), а затем афелий орбиты увеличить, чтобы достичь орбиты Марса («разгон»). Суммарное время, требуемое СПК для достижения Марса, составит около 2,5 лет. Предложены идеи о использовании солнечного паруса в качестве зеркала для телескопа сверхвысокой чувствительности (проект телескопа “Вебба”).
- обнаружения плазменных штормов,
- исследования нашей Солнечной системы,
- ретрансляции энергии, теле и радиосвязи,
- освещению отдельных районов Земли,
- очистки космоса от технологического «мусора»,
- межпланетных перелетов под солнечным парусом,
- созданию крупных антенн в космосе для разведки полезных ископаемых и других полезных задач.
В 70-х годах NASA отвергло предложение использовать солнечный парус во время экспедиции к планете Галилея, а в 80-х годах возникла идея использовать солнечный парус при полетах на Луну, но из-за отсутствия средств этот проект также не был реализован. Дополнительным импульсом развития работ по созданию таких конструкций послужил конкурс, объявленный в 1989 г. юбилейной комиссией Конгресса США. В рамках конкурса, названного "Колумб-500", организаторы призвали к созданию солнечных парусных кораблей для проведения космической регаты. Хотя внешне способ действия любых «фотонных парусов - в частности, солнечного паруса (СП) - крайне прост, идея бросала серьезный вызов ученым и инженерам. Поскольку давление, производимое световым потоком, крайне незначительно, для перемещения даже небольшого КА требуются «паруса» потрясающих размеров. Россия также включилась в подготовку этого уникального мероприятия. Среди всего разнообразия представленных на конкурс проектов особой оригинальностью конструкторского решения, минимальной массой и простотой управления отличалась концепция, предложенная российским участником - консорциумом «Космическая регата», созданным ведущими предприятиями космической отрасли России во главе с РКК «Энергия». К сожалению, конкурс не получил дальнейшего развития, и разработка солнечных парусов не была доведена до практической реализации. Лишь консорциум «Комическая регата» упорно продолжил начатые разработки и к юбилейным торжествам в Америке на околоземную орбиту был выведен грузовой транспортный корабль «Прогресс - М» с первым в истории солнечным парусом на борту, который был успешно развернут в космосе 4 февраля 1993г. Параллельно с разработками солнечного парусного корабля консорциум «Космическая регата» совместно с РКК «Энергия» вел разработку аппарата для осуществления эксперимента «Знамя», который должен был подтвердить правильность выбранных конструктивных решений и возможность развертывания паруса большого диаметра в условиях космоса. В основу этого эксперимента легли следующие принципы: использовать с минимальной доработкой в качестве базы орбитальный грузовой корабль «Прогресс - М» с его уникальными возможностями, причем сделать это без ущерба для решения основных задач полёта комплекса «Мир»: использовать при разработке программы эксперимента средства управления, передачи информации и наблюдения Центра управления полетами; максимально использовать опыт и методы наземной отработки космических конструкций. Задачами эксперимента стали: • отработка развертывания крупногабаритного бескаркасного пленочного отражателя - солнечного паруса, формируемого центробежными силами; • исследование устойчивости паруса, параметров колебаний при различных возмущениях; • проверка возможности поворота паруса на большие углы и использование в качестве радио и светоотражателя. Эксперимент «Знамя» начался 4 февраля 1993 года в 3 часа 42 минуты по московскому времени. При проведении эксперимента «Прогресс - М» был сориентирован таким образом, чтобы отраженный солнечный свет направлялся в подспутниковую точку. На ночной поверхности Земли пятно должно было наблюдаться экипажем со станции «Мир» в течение 6 минут. Эксперимент «Знамя» продолжался в течение четырех орбитальных витков «Прогресса - М». Анализ переданной на Землю телевизионной и телеметрической информации показал, что эксперимент «Знамя» прошел успешно. Впервые на орбите развернут крупногабаритный пленочный отражатель, формируемый центробежными силами, решены проблемы разворачивания отражателя и управление его положением в пространстве, подтверждены основные конструктивные принципы и расчетные методики, взятые за основу при проектировании системы. В феврале 1999 г. на борту орбитального научно-исследовательского комплекса "Мир", были запланированы работы по программе эксперимента "Знамя 2.5", целями которого являлась дальнейшая отработка методов создания на орбите крупногабаритных тонкопленочных конструкций и изучение возможностей освещения из космоса ночных участков нашей планеты отраженным солнечным светом. Эксперимент предполагалось провести с использованием грузового корабля "Прогресс М-40", в люке стыковочного узла которого космонавты смонтировали специальный агрегат с уложенным в нем тонкопленочным отражателем солнечного света. Был начат процесс раскрытия отражателя, диаметр которого в развернутом состоянии должен был составить 25 метров. Однако в самом начале эксперимента пленка зацепилась за одну из антенн «Прогресса М-40» и не смогла развернуться. Попытки космонавтов освободить пленку завершились неудачей. В связи с этим пришлось признать эксперимент неудавшимся. 17 декабря 1999 г. в Кельне (ФРГ) в наземных условиях было продемонстрировано развертывание СП. Парус имел в плане форму квадрата со стороной 20 м и был изготовлен из пленки толщиной 7,5 мкм с односторонним зеркальным алюминиевым покрытием. В перспективе аппараты с СП смогут в 10 раз превышать достигнутые на сегодня скорости, используя все время перелета для ускорения и свободного изменения траектории полета. Ориентацию СП в пространстве можно будет изменять путем отклонения от вертикали специальной мачты, расположенной в центре паруса, на конце мачты будет установлен КА. 20 июля 2001 г. с борта российской атомной подводной лодки класса Delta 3, находящейся в акватории Баренцова моря, производился запуск по суборбитальной траектории демонстрационного аппарата «Космос-1». СП разработан в подмосковном Космическом центре им. Г.Н. Бабакина по заказу «Планетарного общества» и представляет собой раскладывающуюся конструкцию около 600 кв. м из восьми треугольных секторов на надувных балках, обтянутых тонкой майларовой металлизированной пленкой. Теперь парус вернут обратно в Центр Бабакина для ремонта, повторной сборки и тестирования. Получая энергию непосредственно от Солнца, такой парус не требует расхода ракетного топлива и позволяет отправлять огромные грузы на грандиозные расстояния, например, запасы и оборудование к Марсу перед пилотируемой экспедицией. НИЦ им. Г.И. Бабакина - основной подрядчик проекта, отвечающий за создание КА и полетные операции. Институт космических исследований (ИКИ) РАН и ГРЦ «КБ имени В.П.Макеева» отвечают за «начинку» КАСП (электроника, компьютер и одна из телекамер) и поставку РН «Волна» соответственно. Последняя организация координирует запуск ракеты с российским ВМФ. Студия Cosmos финансирует проект при дополнительной поддержке A&E Network и широком посредническом участии «Планетарного общества». Cosmos Studios и MPH Entertainment планируют выпустить документальный фильм о полете КАСП, который пойдет в эфире по телесети A&E Network в 2002 г. Цель проекта. Космический аппарат с солнечным парусом (КАСП) создается для отработки технологии раскрытия и управления солнечным парусом на орбите ИСЗ. Проект осуществляется в два этапа. На первом КАСП предполагалось запустить на РН «Волна» по суборбитальной траектории с целью съемки процесса раскрытия паруса на бортовую камеру для последующего анализа процесса специалистами на Земле. На втором этапе КАСП с учетом доработок выполненных после первого запуска, должен быть выведен на орбиту ИСЗ для отработки управления ориентацией паруса в космосе, а также проверки возможности изменения параметров орбиты КА, оснащенного СП. Первый экспериментальный полет "солнечного паруса" оказался менее успешным, чем предполагалось первоначально. Согласно последним сообщениям, удался только запуск ракеты-носителя с российской подлодки. Дальнейшие стадии эксперимента провалились из-за отказа программного обеспечения. Запуск был произведен успешно, однако, как показало изучение данных телеметрии, аппарат не отделился от ракеты и, как предполагается, упал вместе с ней на Камчатке. Обломки его до сих пор не обнаружены. Тем не менее, как сообщается в пресс-релизе, опубликованном на сайте The Planetary Society - американского спонсора проекта, эксперимент будет признан частично успешным - в части организации совместной работы российских и американских специалистов, предполетных испытаний, пуска ракеты и наблюдения за полетом. Работы по подготовке запуска первого космического корабля с солнечным парусом будут продолжаться. Результатом стало создание второго солнечного паруса, запуск которого также должен был осуществиться с помощью РН ”Волна” (создана на базе морской баллистической ракеты РСМ-50) из акватории Баренцева моря с ракетных подводных лодок стратегического назначения. Запуск планировался в третьем квартале 2003 г., но был отложен на неопределенный срок. В Японии состоялись натурные испытания двух конструкций солнечных парусов. Солнечные паруса из тонкой пленки были выведены в космос небольшой ракетой и раскрылись один за другим на высоте 122 и 169 км. Это были первые в мире успешные испытания солнечных парусов в реальных условиях космоса, пишет "Россия-он-лайн" со ссылкой на SpaceDaily. В обоих случаях использовались полотнища из пленки толщиной 7.5 мкм. Американцы пока отстают от японцев в этом деле. Пока они провели наземные испытания по раскрытию солнечных парусов. По заказу NASA этими проектами занимаются компании L'Garde и Able Engineering. У каждой своя конструкция системы разворачивания паруса, но размеры парусов почти одинаковые - около 10 метров в поперечнике. Испытания паруса компании L'Garde проводились в июле этого года в вакуумной камере лаборатории Plum Brook Исследовательского центра им. Гленна в Сандаски (шт. Огайо), диаметр которой составляет 30 метров. Для максимальной имитации условий открытого космоса в камере поддерживалась температура -80 град. В парусе компании L'Garde используется надувная штанга, которая разворачивается и становится жесткой в условиях космического холода. Эта штанга и является каркасом для тонкой пленки паруса. Парус конструкции компании Able Engineering был испытан в мае этого года в вакуумной камере Исследовательского центра NASA в Лэнгли. Ее парус из материала CP-1 (покрытая слоем алюминия тонкая пластиковая пленка) в сложенном состоянии намотан на штангу (похожую конструкцию 5 лет назад пытались развернуть на станции "Мир", но неудачно). Как сообщается, данные, полученные в результате этих испытаний, будут использованы для дальнейшего усовершенствования конструкций. А в мае 2005 г. NASA собирается провести испытания по разворачиванию в лабораторных условиях паруса размером 20 м в поперечнике
Аппарат с СП, наряду с разгонной двига-тельной установкой (РДУ) и защитным ко-жухом, входит в состав головного блока (ГБ) ракеты-носителя. Конструктивная основа КАСП - прибор-ная платформа, на которой крепятся РДУ с смонтированной на ней системой отделения, защитный кожух, блок парусов, приборное оборудование и служебные системы. Приборная платформа устанавливается на адаптер (раму) РН и соединяется с ним пирозамками. На ее герметичном днище раз-мещаются узлы крепления РДУ, антенна 400 МГц, антенна GPS, антенны S-диапазона, солнечные датчики, две фотокамеры, газо-вые сопла системы ориентации и стабилизации, а также панели фотоэлектрических пре-образователей. На оставшееся свободное пространство днища с наружной и внутрен-ней стороны нанесены покрытия с оптичес-кими свойствами, обеспечивающими требуе-мый тепловой режим. С внутренней стороны платформы размещаются радиокомплексы ДМ и S-диапазонов, приемник GPS, бортовой компьютер, датчик микроускорений, блок ДУСов, аккумуляторная батарея, два газовых баллона, ресивер и арматура СОиС. На верхнем фланце платформы уста-новлен блок парусов - стойка, на которой размещены сборки парусов приводами, системой наполнения, механизмы фикса-ции и расчековки. До выведения на рабо-чую орбиту КАСП закрыт защитным радио-прозрачным кожухом. Масса КАСП перед включением апогейного двигателя составляет 130 кг, перед раскрытием солнечного па-руса - 63.7 кг.
Роторный солнечный парус состоит из восьми лопастей. Каждая в раскрытом виде представляет собой мембра-ну, натянутую на пневмокаркас трубчатого сечения» диа-метром 150 мм, изготовлен-ный из полиэтишертерафталатной пленки толщиной 20 мкм и погонной массой 28 г/м2. Площадь натянутой на каркас мембраны 75 м2. Она изготовлена из металлизированной с одной стороны полйэтилтертерафталатной плёнки толщиной 5мкм и погонной массой 7 г/м2. Металлизированная поверх-ность мембраны обращена к Солнцу. Пневмокаркас служит для организации процесса развертывания лопасти СП, под-держания заданной формы и обеспечения жесткости при передаче сил и моментов от давления солнечного ветра на лопасть. Жесткость пневмокаркаса и его устойчивость обеспечивается остаточным давлением рабочего газа (азота) внутри пневмокаркаса, составляющим около 7000 Па. Лопасть развертывается из рулона и приобретает форму при срабатывании пирозамков.
В качестве примера рассмотрим разгон до параболической скорости КА, снабженного солнечным парусом при отлете с геостационарной орбиты. Пусть стартовая масса КА равна 2000 кг, площадь СП равна 10000 м2 , погонная масса материала СП ?СП = 7 г/м2 . Тогда имеем: mпар= S · ?СП = 10000 м2 · 7 г/м2= 70000 г = 70 кг
МОБ использующий солнечный парус - это космический аппарат нового типа с массой в несколько сотен килограммов и площадью парусов в несколько гектаров, движущихся под действием солнечного света, разгоняемый и управляемый автономно, без затрат рабочего тела двигателя. Его конструкция имеет два кольцевых бескаркасных, вращающихся в разные стороны пленочных паруса, поддерживающих свою форму под действием центробежных сил. Управляется и ориентируется корабль за счет использования гироскопических сил. Для этого корабля, осуществляющего полет в космосе, не требуется огромной энергии. Маленькие силы могут медленно и устойчиво разгонять транспортное средство до огромных скоростей. Поскольку энергия имеет массу, солнечный свет, попадающий на тонкую пленку - солнечный парус, обеспечивает такую силу. Притяжение Солнца обеспечивает другую силу. Давление света и гравитация могут носить космические корабли в любое место Солнечной системы. После ускорения в течение года световой парус может достичь скорости сто километров в секунду, оставляя сегодняшние ракеты далеко позади. В связи с тем, что такой корабль не может стартовать с Земли, световой парус необходимо строить в космосе. Хотя каркас и будет занимать огромную площадь, он (вместе с материалами) будет достаточно легок, чтобы вывести его на орбиту за 1-2 полета космического челнока. Преимущество МОБ под солнечным парусом по сравнению с лазерным МОБ заключается в более высоком КПД. При движении по орбите вокруг Земли парус может разгонять КА только на одной половине оборота, на второй половине (встречное по отношению к Солнцу движение) оборота парус необходимо разворачивать вдоль направления солнечных лучей, чтобы избежать торможения. Данный недостаток МОБ на солнечном парусе можно избежать, если использовать дополнительные КА, которые будут собирать солнечный свет и направлять его с помощью передающей антенны на солнечный парус МОБ (рис. 6.1). Используя несколько таких вспомогательных, постоянно действующих КА с площадью приемных антенн существенно большей, чем у МОБ, можно обеспечить постоянный разгон МОБ. При одинаковом направлении исходных лучей света и сфокусированного луча передающей антенны суммарный импульс, действующий на вспомогательные КА будет равен нулю. Если же направления лучей не совпадают, то возникает необходимость использования на вспомогательных КА реактивных двигателей, например ЭРД, для компенсации неуравновешенного импульса.
Найдем изменение высоты орбиты за один виток (рис. 6.2). Используем закон сохранения энергии, но будем считать силу давления света постоянной величиной: ЕПОЛ = ЕПОЛ2 - ЕПОЛ1 =
Зададимся параметрами: (км); p= (Па); m=2000 (кг); S = 1000 (м ); ( ); Вычислим высоту подъема:
1. В первой части реферата рассмотрены вопросы, связанные с использованием СП и современным состоянием работ в этой области.
2. Рассмотрена конструкция СП на основе надувных каркасов.
3. Дан расчет времени разгона КА под солнечным парусом с круговой орбиты до второй космической скорости.
4. Предложена схема разгона МОБ под солнечным парусом с использованием вспомогательных орбитальных КА.
5. Были выведены формулы для расчета изменений параметров разгонной орбиты (высоты и времени) при использовании МОБ под солнечным парусом, а также произведен расчет этих параметров.
1. Энциклопедия “ Космонавтика “. Москва, 1985г.
2. Г. Руппе “ Введение в астронавтику “. M. 1975г.
3. Журнал “ Новости космонавтики “ . N3, 1999г.
4. Журнал “ Новости космонавтики “ .N4, 2000г.
5. Журнал «Новости космонавтики» №9,2001 г.
6. Журнал «Новости космонавтики» №10,2001 г.
7. Журнал «Новости космонавтики» №13,2001 г.
8. Журнал «Новости космонавтики» №9,2003 г.
9. Журнал «Новости космонавтики» №11,2003 г.
10. Журнал «Новости космонавтики» №10,2004 г.
11. Журнал “Наука и жизнь” 1999 г. №9 cт. 28-33.
12. Интернет новости.