На всех парусах

Вечером 20 мая с космодрома на мысе Канаверал успешно стартовал первый в истории частный спутник на солнечном парусе — «LightSail-1». Разработан и построен он был на деньги некоммерческого Планетарного общества США, объединяющего энтузиастов исследования дальнего космоса. Для зондов, отправляющихся к другим планетам, солнечный парус может стать идеальной заменой обычного ракетного двигателя. Но до сих пор почти все попытки реализации технологии «светоплавания» сталкивались с досадными техническими неудачами.

То, что свет может оказывать давление на предмет, впервые было показано Джеймсом Максвеллом в 1873 году. Давление возникает из-за того, что фотоны, хотя и не имеют массы покоя, все же обладают импульсом. Сталкиваясь с объектами, они передают этот импульс им — что и лежит в основе работы солнечного паруса.

Долгое время этот эффект трудно было зафиксировать в прямом эксперименте. Существует классический опыт, в котором свет вызывает вращение лепестков, укрепленных на легком стержне. Но наблюдаемое при этом вращение — это не проявление давления света, а всего лишь результат нагревания воздуха (и возникновения конвективных потоков) вблизи от лепестков. Впервые измерить «настоящее» давление света удалось Петру Николаевичу Лебедеву в 1899 году. Он использовал вакуумированный сосуд, в котором разместил подвешенные на серебряных нитях крутильные весы. Кроме того, ученый попеременно освещал разные стороны лепестков весов, чтобы избежать их неравномерного нагрева, которое тоже может привести к искажению результатов опыта.

Измеренная величина оказалась очень небольшой и, конечно же, зависящей от интенсивности света. К примеру, давление солнечного света вблизи земной орбиты составляет всего 4,54 микроньютона на квадратный метр — это в 22 миллиарда раз меньше нормального атмосферного давления (которого, разумеется, в открытом космосе нет). Важно отметить, что эта величина справедлива для ситуации, когда все кванты излучения поглощаются. Если свет будет падать на идеальную отражающую поверхность, то сила давления увеличится в два раза и достигнет 9,08 микроньютона на квадратный метр. 

На Земле такие величины незаметны, но в условиях невесомости и космических расстояний оказываются весьма значительными. Например, даже обычный спутник, летящий с Земли на Марс, смещается под действием давления света на расстояния порядка нескольких тысяч километров. Устройство, использующее солнечный парус — пленку очень большой площади — не нуждается в большом количестве топлива для набора скорости, а значит обладает меньшей массой.С другой стороны, величина давления уменьшается по мере удаления от Солнца. К примеру, возле орбиты Марса оно становится в уже 2,25 раза меньше. Но, несмотря на это, спутник на «солнечной тяге» может развить скорость вплоть до десятой доли световой при достаточном размере паруса.

Идея путешествий на солнечном парусе появилась на страницах фантастических повестей еще в конце XIX века – первой ласточкой стала книга французского драматурга Жоржа Ле Фора и талантливого инженера Анри де Графиньи «Необычные приключения одного русского ученого» (1889 г.). В ней герои летели на Венеру, используя огромное параболическое зеркало, отражавшее свет Солнца.

Первым, кто предложил реальную конструкцию аппарата на солнечном парусе, был советский инженер Фридрих Артурович Цандер. В 1924 году он подал в Комитет по изобретениям заявку на космический самолет на основе аэроплана — аппарат должен был подниматься сквозь плотные слои атмосферы сначала с помощью двигателя высокого давления, затем, в более разреженной среде, с помощью жидкостного ракетного двигателя, который использовал «ненужные части» в качестве топлива. В результате на орбиту выводилось сравнительно небольшое крылатое устройство, передвигающееся с помощью солнечного паруса и способное к возврату на Землю. Однако Комитет посчитал проект слишком фантастическим, так что проект так и остался проектом.

В практическом плане в историю космонавтики давление солнечного света вошло в связи с историей падения аппарата «Эхо-1». Это был зеркальный баллон диаметром около 60 метров, наполненный газообразным ацетальдегидом. В 1960 году, когда «Эхо-1» был выведен на орбиту, инженеры NASA использовали его для пассивного отражения радиосигнала и создания межконтинентальной линии теле- и радиосвязи. Однако расчетное время на орбите аппарат не смог продержаться — как раз из-за давления солнечного ветра, которое не учли инженеры. Из-за него, а также под действием флуктуаций плотности в верхних слоях атмосферы Земли спутник постепенно тормозился и снижал высоту, что привело к его разрушению спустя восемь лет после запуска.

Обуздать силу солнечного давления удалось уже в 1974 году, при запуске аппарата «Маринер-10». Хотя сам он не был разработан непосредственно для «светоплавания», в роли паруса выступили его солнечные батареи, развернутые инженерами под определенным углом к Солнцу. Это было сделано для того, чтобы скорректировать расположение аппарата в пространстве в тот момент, когда маневровый газ уже подошел к концу. Это стало первым примером использования давления света для управления космическим аппаратом.

Впервые настоящий солнечный парус появился в космосе в рамках российского проекта «Знамя-2». Вообще говоря, его целью был вовсе не полет к дальним планетам, а, как ни странно, создание искусственного источника света, — возможно, самого необычного, из тех, что существовали до настоящего времени. В случае успешной реализации проекта появилась бы возможность прямо из космоса освещать места стихийных бедствий, а также крупные города во время полярной ночи — по крайней мере именно такими идеями вдохновлялись авторы проекта. В 1993 году в рамках эксперимента «Знамя-2» удалось развернуть солнечный парус, установленный на корабле «Прогресс М-15». Диаметр зеркала составил 20 метров, а интенсивность отраженного им света была сопоставима со светом полной Луны (из-за облачности наблюдать его так и не удалось). Следующим шагом должен был стать существенно больший отражатель «Знамя-2.5». Он был способен создавать на поверхности семикилометровый «солнечный зайчик», внутри которого светимость составляла 5-10 полных Лун. Как это могло бы выглядеть с Земли мы, к сожалению, так и не узнаем — при разворачивании металлизированная пленка зацепилась за антенну и не раскрылась. Проект космического освещения закрыли.

В 1999 году НПО имени Лавочкина приняло заказ «Планетарного общества» США на проектирование солнечного парусника «Космос-1». Он должен был использовать для ускорения 30-метровую зеркальную пленку, состоящую из восьми отдельных сегментов. В качестве материала для паруса инженеры взяли покрытый тонким слоем алюминия полиэтилентерефталат (используемый, в частности, в пластиковых бутылках). Суммарная площадь паруса составила более 600 квадратных метров. В качестве платформы для пуска была выбрана атомная подводная лодка «Борисоглебск», носителем спутника выступила ракета-носитель «Волна», созданная на базе боевой ракеты РСМ-50.

«Планетарное общество» — это частная некоммерческая организация, которая реализует различные проекты в области астрономии и исследования космоса. Она была основана в 1980 году Карлом Саганом, Луисом Фридманом и Брюсом Мюррейем. Одним из таких проектов было исследование возможности выживания микроорганизмов в космосе. Первая его часть проводилась во время последнего полета «Индевора» в 2011 году, а заключительная была включена в программу «Фобос-Грунт», но не состоялась в связи с его падением. C 2010 года должность генерального директора организации занимает Билл Най.

Первый пуск тестового аппарата (с двумя лепестками паруса) состоялся в 2001 году, однако его постигла неудача. На протяжении года инженеры пытались определить, в чем была проблема с ракетой. Следующий запуск, уже с готовым спутником, был запланирован на июнь 2005 года. К сожалению, и он провалился: после 83 секунд полета первая ступень неожиданно прекратила работу, в результате чего ракета не набрала необходимую скорость. Спутник затонул в океане.

Проблемы с запуском аппаратов мешали развитию солнечных парусов и в США. Так, в 2008 году компания SpaceX должна была с помощью ракеты «Falcon 1» запустить на орбиту аппарат «NanoSail-D». Его парус был изготовлен из металлизированного полимера и имел площадь около 10 квадратных метров. К сожалению, и эта попытка провалилась: во время запуска Falcon’a не произошло отделения первой ступени.

Первым действительно успешным экспериментом с солнечным парусом стал старт японского спутника «IKAROS». Еще в 2004 году японцам удалось раскрыть на высоте 122 и 169 километров два небольших экспериментальных тонкопленочных паруса. А 21 мая 2010 года на орбиту из космического цетра Танегасима на борту ракеты-носителя «HII-A» отправился сам «IKAROS». В качестве отражающей поверхности он использует квадратную полиимидную пленку (каптон, производства DuPont), состоящую из четырех трапециевидных фрагментов. Толщина паруса составляет всего 7,5 микрон, но в нее дополнительно вшиты тонкопленочные солнечные батареи, предназначенные для генерации электричества. В результате вращения аппарата грузики, к которым привязана пленка, растягиваются центробежной силой и тем самым раскрывают парус в квадрат со стороной 14 метров. Сам процесс раскрытия занял 7 дней, после чего «IKAROS» отправился к Венере.

Интересно, что инженерам удалось встроить в аппарат возможность заснять себя со стороны. Для этого аппарат выбросил в определенный момент цилиндр с находящейся в нем камерой. Она успела сделать ряд фотографий, которые передала обратно на спутники. Возврат камеры предусмотрен не был. 8 декабря спутник пролетел в 80 тысячах километрах от Венеры и получил ее изображения. Последний раз сигналы со спутника были получены 22 мая 2014 года, с тех пор он находится в режиме гибернации из-за нехватки энергии.

Вслед за IKAROS’ом дела с солнечными парусами стали выправляться и в NASA. Спустя всего полгода после запуска японского спутника, 19 ноября 2010 года, ракета «Минотавр-4» вывела экспериментальный спутник «FASTSAT» на орбиту высотой 653 километра. Дублер предыдущего проекта, аппарат «NanoSail-D2» сыграл роль полезной нагрузки для «FASTSAT». Он должен был отделиться от него сразу после выхода на орбиту, однако этого не произошло ни в ноябре, ни в декабре. Лишь 19 января 2011 года операторы получили сигнал о сработке механизма отделения аппарата. Спустя три дня «NanoSail-D2» раскрыл парус — в отличие от японского спутника на сам процесс разворачивания пленки у него ушло всего несколько секунд. Оно проводилось с помощью металлических полосок, которые выдвигаются из аппарата наподобие измерительной рулетки.

«NanoSail-D2» обладал очень большой площадью отражающей поверхности, поэтому за те 8 месяцев, что он провел на орбите, его неоднократно наблюдали с Земли как яркую точку, двигающуюся по ночному небу. Точно так же, благодаря отражению света от солнечных батарей, у нас есть возможность наблюдать пролеты спутников Iridium и МКС. Яркость этих объектов на звездном небе порой сравнивается с ярчайшими планетами и даже превышает их.

Основой «NanoSail-D2» является наноспутник CubeSat. Это модуль, из которого как из конструктора можно собирать большие по размерам устройства. Например, в данном случае, использовались три CubeSat, объединенные в единый прибор, включающий в себя механизмы распускания парусов, передачи радиосигнала на Землю а также солнечные батареи.

Следующим должен был состояться запуск спутника «Sunjammer», — аппарата, названного в честь одноименного рассказа Артура Кларка, посвященного гонкам на солнечных парусах. Пуск был запланирован еще на январь этого года, но из-за недостатка доверия к ракете «Falcon 9» пока так и не состоялся. «Sunjammer» обладает самым большим парусом из всех, что были построены до сих пор. Его площадь составляет свыше 1200 квадратных метров, при этом масса спутника не превышает 32 килограммов. Устройство выполнено в виде квадрата со стороной 38 метров и состоит из металлизированной каптоновой (не путать с капроновой) пленки толщиной в 5 микрон.

Новой вехой в развитии космических парусов должен стать аппарат «LightSail-1», вторая попытка «Планетарного общества» вывести на орбиту солнечный парус. Произошедший позавчера тестовый запуск — предварительный, необходимый для тестирования всех систем аппарата, в частности установленных на нем модулей камеры, блока управления аппаратом и двухсторонней радиосвязи («NanoSail-D» был лишен этих приборов). Но, конечно, главная задача запуска — проверка работоспособности механизма раскрытия паруса.

Основой аппарата также является три соединенных CubeSat’а, поэтому размеры аппарата невелики — 30×10×10 сантиметров, разработчики сравнивают его с буханкой хлеба. Два модуля из трех отвечают за разворачивание паруса площадью 32 квадратных метра, последний – за электронику. Сам парус изготовлен из металлизированного полимера, майлара, толщиной в 4.5 микрона и имеет форму квадрата.

Сейчас аппарат уже находится на околоземной орбите, инженеры проводят тестирование связи и систем, отвечающих за его положение в пространстве. Раскрытие паруса планируется провести только через месяц. При этом из-за небольшой высоты орбиты влияние атмосферы приведет к торможению и достаточно быстрому падению спутника. По словам Джейсона Дэвиса, представителя «Планетарного общества», предполагаемое время, на протяжении которого аппарат сможет продержаться на орбите, — от двух до десяти дней.

Любители астрономии надеются, что после разворачивания паруса устройство станет, хоть и не надолго, видимым на ночном небе. Данные о том, где можно будет наблюдать блики паруса, скорее всего будут опубликованы сайтом Heavens-Above. Пока же известно, что спутник будет пролетать над ночным Северным полушарием, поэтому можно оптимистично предположить, что некоторым наблюдателям из России удастся увидеть его полет.

Уже в следующем году вслед за тестовым в космос должен будет отправиться основной аппарат «LightSail-1». Орбита спутника будет существенно выше атмосферы — около 800 километров над поверхностью Земли, поэтому миссия «LightSail-1» должна продлиться не менее четырех месяцев. За это время аппарат должен будет показать возможности маневрирования в космосе с помощью паруса. Доставку спутника планируется поручить ракете-носителю «Falcon Heavy». Интересно отметить, что «Планетарное общество» запустило кампанию на Kickstarter по сбору средств на сборку этого спутника. Стартовала она всего шесть дней назад, организация уже собрала более 630 тысяч долларов, необходимых для «досборки» аппарата и обслуживания его на орбите.

Несмотря на трудности, которые преследуют запуски аппаратов, сама технология по-прежнему остается исключительно привлекательной для энтузиастов исследования дальнего космоса. Это неудивительно, учитывая как эффективен может быть солнечный парус при запуске зондов на другие планеты. К примеру, аппарат весом в две тонны может быть доставлен на Марс с помощью паруса диаметром 800 метров за каких-то четыре месяца. А при наличии маневровых двигателей он еще и сможет вернуться обратно. Минимальное время достижения Юпитера с помощью паруса составляет всего два года. Некоторые теоретические расчеты показывают, что α Центавра может быть достигнута аппаратом на «солнечной тяге» менее чем за 100 лет.

Владимир Королёв