Денис Перепухов, младший научный сотрудник Института прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН, ассистент кафедры высшей математики МФТИ выпустил комплексный обзор технологии солнечных парусов — от первых идей XVII века до реализованных миссий в космосе. Работа, опубликованная в препринтах ИПМ, предлагает взглянуть на эту технологию через историю и определить перспективы ее применения.
Сама идея перемещения с помощью светового давления была выдвинута еще в 1619году Иоганном Кеплером. Наблюдая за кометами, ученый заметил, что их хвосты всегда направлены от Солнца, и предположил, что существует некая «сила», которая отталкивает кометное вещество. Прошло больше двух столетий, прежде чем Джеймс Клерк Максвелл в 1873 году на основе своей теории электромагнетизма пришел к выводу, что свет обладает импульсом и давит на любую поверхность. А в 1900 году русский ученый Петр Лебедев экспериментально подтвердил эту гипотезу в вакуумной камере с помощью крутильных весов.
Но только в 1970-х годах о парусах заговорили всерьез: NASA рассматривало возможность применения солнечного паруса для миссии к комете Галлея. По расчетам, парусник мог добраться до цели всего за четыре года против семи-восьми у электроракетного аппарата. Однако в 1977 году проект закрыли в пользу электроракетного — из-за более высокой вероятности успеха. Впрочем, и тот вскоре отменили из-за роста стоимости. Тем не менее работа над этой миссией стимулировала мировой интерес: в 1979 году в Калифорнии был создан World Space Foundation, в 1981 году во Франции — Union pour la Promotion de la Propulsion Photonique, а в 1982-м — Японский союз солнечных парусов. Все эти организации работают до сих пор.
«История создания солнечных парусов несет и определенную романтику. В 1989 году приближалось 500-летие со дня открытия Колумбом Америки. Казалось бы, причем здесь это? Но юбилейный комитет решил: устроим гонку к Марсу на солнечных парусах! Это был международный конкурс, его поддержали и ученые СССР, создав консорциум „Космическая регата” куда вошли сотрудники из НПО „Энергия” и Долгопрудненского конструкторского бюро автоматики.
В конкурсе участвовали команды из многих стран, например из Китая, Японии, Италии, Великобритании, Канады, но многие ушли с дистанции, так как сама идея была очень непроста в инженерном исполнении. Наши ученые и инженеры смогли доработать проект до конца, и он получил наивысшую оценку жюри. Но, к сожалению, эти проекты требовали слишком больших финансовых вливаний, и гонка не состоялась. Однако отечественные разработки в области солнечного паруса не были утеряны: они легли в основу российского космического эксперимента „Знамя 2” по освещению Земли в ночное время, который был успешно проведен в 1993 году»,— прокомментировал Денис Перепухов.
Это был необычный эксперимент. На грузовом корабле «Прогресс М-15» с помощью центробежных сил удалось развернуть 20-метровую тонкопленочную конструкцию общей площадью около 300 м2. Она состояла из восьми лепестков и была, по сути, солнечным парусом по конструкции. Но задача была не создать тягу (что обычно и делает солнечный парус), а отразить солнечный свет на ночную сторону Земли. Таким образом, впервые в истории была создана искусственная подсветка Земли из космоса. Световое пятно диаметром около 5 км прошло над Западной Европой со скоростью 8 км/с, а его яркость сравнивали с полной Луны.
Рисунок 1. Развернутая тонкопленочная конструкция эксперимента «Знамя-2» со станции «Мир». Фото: ПАО «РКК Энергия»
В 1999 году попытались провести следующий эксперимент «Знамя-2.5» с отражателем диаметром 25 м, но раскрываясь, мембрана зацепилась за антенну и порвалась. После этого финансирование программы прекратили.
Первую попытку развернуть в космосе именно солнечный парус предприняли в рамках американо-российского проекта «Космос-1» в 2005 году. Его целью была демонстрация возможности использовать солнечный парус для управления движением космического аппарата. Проектированием и сборкой аппарата занимались сотрудники ИКИ РАН и Научно-испытательного центра им. Г. Н. Бабакина, а американская сторона в лице The Planetary Society отвечала за финансирование проекта. В итоге удалось создать аппарат с площадью паруса около 600 м2 (как земельный участок 6 соток), но к сожалению, при его запуске случился сбой в работе ракеты-носителя, и аппарат вместе с ракетой оказался затоплен в океане.
Рисунок 2. Общий вид парусной системы «Космос-1» (слева) и фотография одной из лопастей во время проведения тестов (справа). Источник: ИКИ РАН
Первый же в истории успешный солнечный парусник удалось запустить только в 2010 году японскому агентству аэрокосмических исследований (JAXA) в рамках межпланетной миссии IKAROS. На аппарате был установлен квадратный парус площадью 200 м2, который развернули с помощью центробежных сил. В парус также были интегрированы датчики пыли и тонкие солнечные элементы для выработки электричества.
Навигационные данные показали, что ускорение аппарата нельзя объяснить без учета давления света. Были успешно проведены эксперименты по управлению ориентацией аппарата за счет изменения отражательной способности отдельных сегментов паруса. Более того, солнечный парус смог заметно повлиять на траекторию полета.
В то время как аппарат AKATSUKI, вместе с которым IKAROS был запущен в сторону Венеры, пролетел Венеру с дневной стороны, IKAROS пролетел Венеру с ночной стороны. Миссия оказалась грандиозным успехом: было показано, что солнечный парус и правда работает, а теоретические модели справляются с описанием его реального поведения.
Рисунок 3. Фото раскрытого паруса миссии IKAROS. Источник: JAXA
Следующим после IKAROS успешным солнечным парусником стал запущенный в 2015 году американский LightSail-1 — аппарат формата 3U CubeSat массой около 5 кг. Он успешно развернул свой небольшой парус, но не смог продемонстрировать управляемое движение из-за слишком низкой орбиты: сопротивление атмосферы перевешивало давление света.
Тем не менее в 2019 году на орбиту высотой около 720 км, где влияние атмосферы было существенно ниже, был выведен следующий аппарат LightSail-2. Вблизи перигея (самая близкая к Земле точка орбиты) парус ориентировали на Солнце, чтобы получить максимальное ускорение, а вблизи апогея (самая далекая от Земли точка орбиты) отворачивали от Солнца, чтобы минимизировать торможение. Наблюдавшаяся эволюция высоты орбиты полностью согласовывалась с выбранным режимом поворота-отворота паруса, что подтвердило реальное влияние солнечного паруса на движение аппарата.
Рисунок 4. Фото раскрытого паруса миссии LightSail-2. Источник: The Planetary Society
Следующая и последняя на сегодняшний день успешная миссия — Advanced Composite Solar Sail System (ACS3) NASA. Аппарат формата 12U CubeSat массой около 16 кг с парусом площадью 80 м2 был создан для испытания технологии развертывания с помощью композитных мачт из легких материалов. В октябре 2024 года были опубликованы снимки, подтверждающие успешное развертывание. Однако в это время система ориентации была отключена, аппарат начал медленно вращаться, и дальнейшие эксперименты отложили до его восстановления. Больше новостей с октября 2024 года не публиковалось.
Рисунок 5. Четыре камеры на борту космического аппарата Advanced Composite Solar Sail System демонстрируют четыре отражающих квадранта паруса. Источник: NASA
Отметим, что система солнечного паруса технологически сложна. Мембрана должна быть сверхлегкой, высокоотражающей с одной стороны и с высокой излучательной способностью — с другой, а также устойчивой к повреждениям и деградации. Типичная поверхностная плотность современных парусов — 2–20 г/м². Парус должен складываться в очень малый объем, а развертывание происходит либо за счет центробежных сил (IKAROS), либо с помощью раздвижных мачт (ACS3). Управление ориентацией и траекторией полета может осуществляться множеством способов: от микродвигателей и маховиков до изменения отражательной способности или ориентации отдельных сегментов паруса.
Что же мешает солнечным парусам стать полноценной для применения технологией? Ключевой параметр для оценки их эффективности — характеристическое ускорение. Это максимальное ускорение, которое парус может обеспечить на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца, то есть на орбите Земли. Для сравнения: гравитационное ускорение от Солнца на этой дистанции составляет около 6 мм/с².
У всех запущенных на сегодня аппаратов характеристическое ускорение не превышало 0,06 мм/с² — примерно в 100 раз меньше. Более того, ускорение, создаваемое солнечным парусом, зависит от ориентации относительно солнца, из-за чего оно далеко не всегда будет максимальным.
Именно поэтому солнечные паруса пока неконкурентоспособны в ближнем космосе: маневры длятся дольше, а управление сложнее. Например, перевод спутника с орбиты 650 км на орбиту 1300 км с помощью электроракетного двигателя займет около 10 дней, а с помощью солнечного паруса со сравнимым уровнем ускорения, который еще надо создать,— около 22 дней.
Однако на низких орбитах эта технология уже нашла коммерчески востребованное практическое применение — сведение отработавших спутников с орбиты за счет использования парусов для торможения об атмосферу. Есть даже компания Gama Space, специализирующаяся на изготовлении тормозных парусов. С учетом того что околоземное пространство все более и более «загружено» космическими аппаратами, наличие такого относительно дешевого и простого способа становится принципиально важным для сохранения доступа в космос и предотвращения эффекта Кесслера.
«Солнечные паруса, теоретически, позволяют управлять космическим аппаратом совершенно без затрат топлива. Более того, парус потенциально может выдавать ускорение неограниченно долго. Единственный минус — солнечное давление само по себе слабое и потому дает слабое ускорение, но на продолжительное время.
Солнечные паруса открывают возможности, которые практически недостижимы при применении классических реактивных двигателей. Например, на обычной ракете долететь до Меркурия значительно сложнее, чем до Марса. Путь до Марса требует разгона от Земли, а в сторону Меркурия следует затормозиться и потратить гораздо больше энергии. Ссолнечным парусом ситуация противоположная: Меркурий ближе к Солнцу, а значит в течение полета солнечное давление будет только возрастать, за счет чего парус будет работать все эффективнее и эффективнее. Более того, солнечные паруса, как ни странно, предлагают использовать для полетов к границам Солнечной системы и дальше. Если приблизиться очень близко к Солнцу, то можно разогнать аппарат до столь высокой скорости, что он выйдет на гиперболическую траекторию и направится „на выход” из Солнечной системы. Поэтому есть вполне реальный шанс, что солнечные паруса станут стандартной технологией, но она не будет конкурировать с классическими электро- и химическими ракетными двигателями, а будет использоваться для выполнения определенных задач»,— заключил Денис Перепухов.
Давление солнечного света обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Поэтому по мере приближения к светилу тяга паруса резко возрастает. Для аппарата с характеристическим ускорением 1 мм/с² у орбиты Меркурия максимальное ускорение достигает 6,7 мм/с². Это позволяет долететь до внутренних планет быстрее, чем на традиционных двигателях. Например, перелет Земля—Меркурий на солнечном парусе с характеристическим ускорением 0,2 мм/с² займет около четырех лет, в то время как аппарат BepiColombo, использующий электроракетные двигатели и гравитационные маневры, летит к Меркурию уже как восемь лет. Для внешних планет и дальше преимущество исчезает: там давление света падает, и солнечные паруса становятся практически бесполезными.
К внешним планетам, тем не менее, можно добраться с помощью солнечного паруса, применив траектории типа „Сандайвер”, которые предусматривают „нырок” к Солнцу. Аппарат с солнечным парусом приближается к Солнцу на расстояние от нескольких солнечных радиусов до 0,2 астрономической единицы. На таком близком расстоянии давление света столь велико, что солнечный парус вкупе с эффектом Оберта резко увеличивает гелиоцентрическую энергию орбиты.
В результате парус с характеристическим ускорением 1 мм/с² при пролете на расстоянии около 10 солнечных радиусов может достичь гиперболической скорости до 20 астрономических единиц в год. Это значит, что за пять лет аппарат может улететь на 100 астрономических единиц.
Такие траектории рассматривают, например, для быстрых пролетных миссий к дальним объектам Солнечной системы, а также для достижения фокальной области гравитационной линзы Солнца, этот проект «космического телескопа» уже разрабатывает американский ученый из лаборатории реактивного движения (JPL NASA) Слава Турышев с коллегами из Института прикладной математики имени М. В. Келдыша. Если удастся претворить его в жизнь, то ученые смогут наблюдать далекие экзопланеты и проводить эксперименты по проверке общей теории относительности.
Однако даже наземные испытания не могут полностью предсказать поведение паруса в космосе. Оптические свойства материала меняются со временем под воздействием космической радиации и солнечного ветра, в материале могут образовываться пузырьки водорода, меняющие его структуру. К тому же в реальности парус никогда не будет идеально плоским: он будет покрыт маленькими складками и загибами, что будет влиять на тягу. Все это требует сложного математического моделирования и летных экспериментов.
Тем не менее технология движется вперед: NASA и JAXA реализуют публичные программы, а российские специалисты имеют большой практический опыт, который при желании может быть конвертирован в лидирующие проекты. Таким образом, при благоприятных условиях, прежде всего при наличии финансирования, солнечные и тормозные паруса могут занять свою нишу в ближайшие 10–30 лет. Основной фокус развития при этом будет направлен на увеличение их размеров и создание надежных стандартизированных технологических решений.
