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 .

Следует различать понятия « солнечный свет » (поток фотонов , именно он используется солнечным парусом) и « солнечный ветер » (поток элементарных частиц и ионов, который используется для полётов на электрическом парусе — другой разновидности космического паруса ).

Идея полётов 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 относительно мало (на Земной орбите — около 9·10 ⁻⁶ Н/м ² ) и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца . Например, общая сила, действующая на солнечный парус 800 на 800 метров, составляет около 5 ньютонов на расстоянии Земли от Солнца. Солнечный парус может действовать в течение почти неограниченного периода времени, и совсем не требует расхода рабочего тела , и поэтому в некоторых случаях его использование может быть предпочтительно. Однако до настоящего времени ни один из космических аппаратов не использовал солнечный парус в качестве основного двигателя по причине крайне низкой тяги.

Физика явления

Предположим, что на неподвижное плоское идеальное зеркало массы ${\displaystyle m}$ нормально к его поверхности падает плоская световая волна с энергией ${\displaystyle W_{0}}$ . Обозначим энергию отражённой световой волны как ${\displaystyle W_{1}}$ , скорость, приобретённую зеркалом в результате отражения волны как ${\displaystyle v}$ . Тогда закон сохранения энергии: ${\displaystyle W_{0}+mc^{2}=W_{1}+{\frac {mc^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}}$ и закон сохранения импульса: ${\displaystyle {\frac {W_{0}}{c}}=-{\frac {W_{1}}{c}}+{\frac {mv}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}}$ . Из этих уравнений можно получить:

${\displaystyle v=c{\frac {(1+{\frac {2W_{0}}{mc^{2}}})^{2}-1}{(1+{\frac {2W_{0}}{mc^{2}}})^{2}+1}}}$ (1)

${\displaystyle W_{1}={\frac {W_{0}}{1+{\frac {2W_{0}}{mc^{2}}}}}}$ (2)

Отсюда следует, что коэффициент полезного действия фотонного паруса (доля энергии падающей волны, передаваемая парусу) тем больше, чем больше отношение энергии падающей волны к энергии покоя паруса. При энергии падающей волны, много большей энергии покоя зеркала ${\displaystyle W_{0}\gg mc^{2}}$ практически вся энергия волны передаётся зеркалу.

В другом крайнем случае энергия падающей волны много меньше энергии покоя зеркала ${\displaystyle W_{0}\ll mc^{2}}$ . В этом случае из формулы (1) получаем: ${\displaystyle {\frac {v}{c}}\approx {\frac {2W_{0}}{mc^{2}}}}$ . Из формулы (2) получаем: ${\displaystyle {\frac {\Delta W}{W_{0}}}={\frac {W_{0}-W_{1}}{W_{0}}}\approx {\frac {2W_{0}}{mc^{2}}}}$ . Из этой формулы видно, что в этом случае световая волна передаёт парусу лишь ничтожную часть своей энергии .

Солнечный парус в проектах звездолётов

Солнечный парус и другие виды космического паруса планируется использовать в некоторых проектах звездолётов . 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 лёгкого 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 . Данные проекты сталкиваются с проблемой точного наведения лазеров на сверхдальних расстояниях и создания лазерных генераторов соответствующей мощности.

(англ.) ( предложил использовать солнечную батарею для передачи энергии через лазер от базовой станции на межзвёздный зонд с ионным двигателем , что даёт некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом (в настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений) .

По оценкам Митио Каку в книге Физика невозможного теоретически возможен разгоняемый лазерами с Луны солнечный парус, который может достичь до половины скорости света и долететь до ближайшей звезды за 8 лет. Однако это потребует строительства солнечного паруса поперечником в несколько сотен километров и тысяч лазеров на Луне с продолжительностью работы в десятилетия, что трудно реализовать по экономическим и техническим причинам .

Конфигурации паруса

• 
• 

Космическая регата

В 1989 году юбилейной комиссией Конгресса США в честь 500-летия открытия Америки был объявлен конкурс о 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.

Претенденты на участие стали выбывать почти сразу, столкнувшись с рядом проблем технического и экономического плана. Распад Советского Союза, однако, не привёл к прекращению работы над отечественным проектом, который по мнению разработчиков, имел все шансы на победу. Но регата была отменена ввиду финансовых трудностей у юбилейной комиссии (а возможно, ввиду всей совокупности причин). Грандиозное шоу не состоялось. Однако солнечный парус российского производства был создан (единственный из всех) совместно НПО «Энергия» и , и получил первую премию конкурса .

Космические аппараты, использующие солнечный парус

Советскими учёными была изобретена схема радиационно-гравитационной стабилизации космического аппарата, основанная на применении солнечного паруса . Первое развёртывание солнечного паруса в космосе было произведено на российском корабле « » 24 февраля 1993 года в рамках проекта « Знамя-2 » .

Первым использовавшим космический парус как движитель аппаратом стал японский IKAROS , который и считается первым в истории космическим парусником ^{[ источник не указан 2311 дней ]} . 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 парусом из тончайшей мембраны размером 14 на 14 метров по длине и ширине. С его помощью предполагается исследовать особенности движения аппаратов при помощи солнечного света. На создание аппарата было потрачено 16 миллионов долларов. Раскрытие солнечного паруса началось 3 июня 2010 года, а 10 июня успешно завершилось. По кадрам, переданным с борта IKAROS, можно сделать вывод, что все 196 квадратных метров ультратонкого полотна расправились успешно, а тонкоплёночные солнечные батареи начали вырабатывать энергию.

Сейчас в России существует консорциум «Космическая регата», который провёл несколько опытов с солнечными отражателями с целью освещения районов нефте- и газодобычи. Также существуют проекты выплавления зеркал на орбите из астероидов.

20 мая 2015 года с космодрома на мысе Канаверал первый в истории частный спутник на солнечном парусе « LightSail-1 » был отправлен в тестовый полёт .

В культуре

• Рассказ « » (1963) писателя-фантаста Артура Чарльза Кларка , вошедший в сборник рассказов «Обмен Разумов» , целиком посвящён космической регате яхт, оснащенных солнечным парусом и приводимых в движение исключительно солнечным ветром. В рассказе, написанном от имени одного из участвующих в регате капитанов, перечислены яхты с различными вариантами исполнения солнечного паруса и средств стабилизации полёта. В рассказе также описывается инцидент, в ходе которого произошло столкновение двух яхт.
• В книге Бернара Вербера « Звёздная бабочка » повествование идёт о фантастическом космическом корабле в форме бабочки с использованием фотонного паруса.
• В сериале « Звёздный путь. Дальний космос 9 » (s03e22 ) коммандер Бенджамин Сиско строит корабль с солнечными парусами, чтобы доказать правдивость истории о древнем контакте баджорцев с цивилизацией
• В фильме « Звёздные войны. Эпизод II: Атака клонов » после битвы на Джеонозисе граф Дуку улетает на Корусант на солнечном паруснике.
• В анимационном фильме студии Disney « Планета сокровищ » на сёрфере, корабле и шлюпке установлены солнечные паруса, как и на других судах которые можно увидеть в порту. В игре по мотивам фильма так же присутствуют суда, использующие солнечные паруса.
• Во вселенной Warhammer 40000 солнечными парусами оснащены корабли расы эльдар.
• Одна из серий мультсерий Смешарики: Пин-код (спин-оффа мультсериала Смешарики ), а именно — двадцатая серия « » — посвящена теме солнечного паруса
• В третьем сезоне сериала « Ради Всего Человечества » американский пилотируемый марсианский корабль «Соджернер-1» оснащён, помимо ядерных двигателей, солнечными парусами.

См. также

• Фотонный двигатель
• Давление электромагнитного излучения
• Солнечный ветер
• Космический парус
  • Электрический парус

Примечания

Литература

• Эльясберг П. Е. Введение в теорию полёта искусственных спутников Земли. — М., 1965.

Ссылки

• Королёв Владимир. (неопр.) . nplus1.ru (22 мая 2015).