Всем известно, что солнечная энергия здесь, на Земле, бесплатна и практически безгранична. То же самое верно и для космических кораблей, работающих во внутренней части Солнечной системы. Но в космосе Солнце может не только обеспечивать электрическую энергию; он также излучает бесконечный поток солнечного ветра.
Солнечные паруса могут использовать этот ветер и обеспечить движение космических кораблей. НАСА собирается протестировать новую конструкцию солнечного паруса, которая может сделать солнечные паруса еще более эффективными.
Солнечное давление пронизывает всю Солнечную систему. С расстоянием оно ослабевает, но оно присутствует. Оно затрагивает все космические аппараты, включая спутники. Это существенно влияет на длительные космические полеты. Космический корабль, отправляющийся на Марс, может сбиться с курса на тысячи километров во время своего путешествия из-за солнечного давления. Давление также влияет на ориентацию космического корабля, и они предназначены для борьбы с ним.
Хотя это и является помехой, солнечное давление можно использовать в своих интересах.
Было запущено и испытано несколько космических кораблей с солнечным парусом, начиная с японского космического корабля «Икарос» в 2010 году. «Икарос» доказал, что радиационное давление Солнца в форме фотонов можно использовать для управления космическим кораблем. Самым последним космическим кораблем с солнечным парусом является LightSail 2 Планетарного общества, запущенный в 2019 году. LightSail 2 был успешной миссией, которая длилась более трех лет.
Космические корабли с солнечным парусом имеют некоторые преимущества перед другими космическими кораблями. Их двигательные установки чрезвычайно легки и никогда не исчерпают топливо. Космический корабль с солнечным парусом может выполнять миссии дешевле, чем другие космические корабли, и может работать дольше, хотя у него есть ограничения.
Сейчас доказано, что концепция солнечного паруса работает, но для того, чтобы она была по-настоящему эффективной, технология должна развиваться. Важнейшей частью космического корабля с солнечным парусом является его стрела. Гимы поддерживают материал паруса; чем они легче и прочнее, тем эффективнее будет космический корабль. Хотя солнечные паруса намного легче других космических кораблей, вес стрел по-прежнему является помехой.
«Стрелы, как правило, бывают либо тяжелыми и металлическими, либо изготовленными из легкого композита с громоздкой конструкцией – ни то, ни другое не подходит для современных небольших космических кораблей».
Китс Уилки, главный исследователь ACS3, НАСА
НАСА собирается представить новую конструкцию солнечного паруса с улучшенной структурой поддержки. Названная Advanced Composite Solar Sail System (ACS3), она жестче и легче, чем предыдущие конструкции стрел. Он сделан из углеродного волокна и гибких полимеров.
Хотя солнечные паруса имеют много преимуществ, у них есть и существенный недостаток. Они выпускаются в виде небольших пакетов, которые необходимо развернуть, прежде чем они начнут работать. Эта операция может быть сопряжена с трудностями и вызывает стресс у бедной наземной команды, которой приходится ждать и наблюдать, чтобы убедиться, что она успешна.
ACS3 будет запущен с двенадцатиблочным (12U) CubeSat, построенным NanoAvionics. Основная цель — продемонстрировать развертывание стрелы, но команда ACS3 также надеется, что миссия докажет, что их космический корабль с солнечным парусом работает.
Чтобы изменить направление, космический корабль поворачивает паруса под углом. Если развертывание стрелы окажется успешным, команда ACS3 надеется выполнить некоторые маневры с космическим кораблем, наклонив паруса и изменив орбиту космического корабля. Цель состоит в том, чтобы построить паруса большего размера, которые смогут создавать большую тягу.
«Мы надеемся, что новые технологии, проверенные на этом космическом корабле, вдохновят других использовать их способами, о которых мы даже не думали».
Алан Роудс, ведущий системный инженер ACS3, Исследовательский центр Эймса НАСА
Конструкция стрелы ACS3 призвана решить проблему, связанную со стрелами: они либо тяжелые и тонкие, либо легкие и громоздкие.
«Стрелы, как правило, бывают либо тяжелыми и металлическими, либо изготовленными из легкого композита и громоздкой конструкции – ни один из этих вариантов не подходит для современных небольших космических кораблей», – сказал Китс Уилки из НАСА. Уилк — главный исследователь ACS3 в Исследовательском центре Лэнгли. «Для солнечных парусов нужны очень большие, устойчивые и легкие гики, которые можно компактно сложить. Гики этого паруса имеют трубчатую форму, их можно сплющить и свернуть, как рулетку, в небольшую упаковку, сохраняя при этом все преимущества композитных материалов, такие как меньший изгиб и изгиб во время изменений температуры».
ACS3 будет запущен на ракете Electron со стартового комплекса Rocket Lab в Новой Зеландии. Он направится на солнечно-синхронную орбиту на высоте 1000 км (600 миль) над Землей. По прибытии космический корабль развернет стрелы и развернет парус. Развертывание паруса займет около 25 минут, площадь сбора фотонов составит 80 квадратных метров или около 860 квадратных футов. Это намного больше, чем у Light Sail 2, площадь парусов которого составляла 32 квадратных метра или около 340 квадратных футов.
По мере развертывания камеры на космическом корабле будут наблюдать и контролировать форму и симметрию. Данные маневров будут использованы в будущих конструкциях парусов.
«Семь метров развертываемых стрел могут свернуться в форму, которая умещается в вашей руке», — сказал Алан Роудс, ведущий системный инженер миссии в Исследовательском центре Эймса НАСА. «Мы надеемся, что новые технологии, проверенные на этом космическом корабле, вдохновят других использовать их способами, о которых мы даже не думали».
ACS3 является частью программы НАСА по технологиям малых космических аппаратов. Программа направлена на быстрое развертывание небольших миссий, которые быстро продемонстрируют уникальные возможности. Благодаря уникальным гикам из композитного материала и углеродного волокна система ACS3 способна поддерживать паруса площадью до 2000 квадратных метров или около 21 500 квадратных футов. Это примерно половина площади футбольного поля. (Или, как ошибочно называют это место наши британские друзья, футбольное поле.)
Благодаря большим парусам типы миссий, которые они могут выполнять, меняются. Хотя солнечные паруса до сих пор были небольшими демонстрационными моделями, потенциально система может стать источником энергии для некоторых серьезных научных миссий.
«Солнце будет продолжать гореть миллиарды лет, поэтому у нас есть безграничный источник движения. Вместо запуска огромных топливных баков для будущих миссий мы можем запустить паруса большего размера, которые будут использовать уже имеющееся «топливо», — сказал Родс. «Мы продемонстрируем систему, которая будет использовать этот богатый ресурс для следующих гигантских шагов в исследованиях и науке».
Космический корабль с солнечным парусом не обладает такой мгновенной тягой, как химические или электрические двигательные установки. Но тяга постоянна и никогда не колеблется. Они могут делать то, что другие космические корабли с трудом могут сделать, например, занимать уникальные позиции, которые позволяют им изучать Солнце. Они могут служить системами раннего предупреждения о корональных выбросах массы и солнечных бурях, которые представляют опасность.
Новые композитные стрелы имеют и другие применения. Поскольку они такие легкие, прочные и компактные, они могут служить структурной основой для лунной и марсианской среды обитания. Их также можно использовать для поддержки других структур, таких как системы связи. Если система работает, кто знает, каким еще приложениям она может служить?
«Эта технология пробуждает воображение, переосмысливая всю идею парусного спорта и применяя ее в космических путешествиях», — сказал Руди Аквилина, руководитель проекта миссии солнечного паруса в НАСА Эймс. «Демонстрация возможностей солнечных парусов и легких композитных гиков — это следующий шаг в использовании этой технологии для вдохновения на будущие миссии».
