Увечері 20 травня з космодрому на мисі Канаверал успішно стартував перший в історії приватний супутник на сонячному вітрилі - «LightSail-1». Розроблено і побудований він був на гроші некомерційного Планетарного суспільства США, що об'єднує ентузіастів дослідження далекого космосу. Для зондів, які вирушають до інших планет, сонячне вітрило може стати ідеальною заміною звичайного ракетного двигуна. Але до сих пір майже всі спроби реалізації технології «светоплаванія» стикалися з прикрими технічними невдачами.

Те, що світло може надавати тиск на предмет, вперше було показано Джеймсом Максвеллом в 1873 році. Тиск виникає через те, що фотони, хоча і не мають маси спокою, все ж мають імпульсом. Стикаючись з об'єктами, вони передають цей імпульс їм - що і лежить в основі роботи сонячного вітрила.

Художнє уявлення про пересування на сонячних вітрилах. Ілюстрація: газета «П'ять кутів» (Мурманськ, Росія)

Довгий час цей ефект важко було зафіксувати в прямому експерименті. Існує класичний досвід, в якому світло викликає обертання пелюсток, укріплених на легкому стрижні. Але спостерігається при цьому обертання - це не прояв тиску світла, а всього лише результат нагрівання повітря (і виникнення конвективних потоків) поблизу від пелюсток. Вперше виміряти «справжнє» тиск світла вдалося Петру Миколайовичу Лебедєву в 1899 році. Він використовував вакуумований посудину, в якому розмістив підвішені на срібних нитках крутильні ваги. Крім того, вчений поперемінно висвітлював різні боки пелюсток ваг, щоб уникнути їх нерівномірного нагріву, яке теж може призвести до спотворення результатів досвіду.

На Землі такі величини непомітні, але в умовах невагомості і космічних відстаней виявляються досить значними. Наприклад, навіть звичайний супутник, що летить з Землі на Марс, зміщується під дією тиску світла на відстані близько декількох тисяч кілометрів. Пристрій, що використовує сонячне вітрило - плівку дуже великої площі - не потребує великої кількості палива для набору швидкості, а значить має меншу массой.С іншого боку, величина тиску зменшується в міру віддалення від Сонця. Наприклад, біля орбіти Марса воно стає в уже 2,25 рази менше. Але, незважаючи на це, супутник на «сонячній тязі» може розвинути швидкість аж до десятої частки світловий при достатньому розмірі вітрила.

Ідея подорожей на сонячному вітрилі з'явилася на сторінках фантастичних повістей ще в кінці XIX століття - першою ластівкою стала книга французького драматурга Жоржа Ле Фора і талановитого інженера Анрі де графиня «Незвичайні пригоди одного російського вченого» (1889 р). У ній герої летіли на Венеру, використовуючи величезну параболічне дзеркало, відбивало світло Сонця.

Першим, хто запропонував реальну конструкцію апарату на сонячному вітрилі, був радянський інженер Фрідріх Артурович Цандер. У 1924 році він подав до Комітету з винаходів заявку на космічний літак на основі аероплана - апарат повинен був підніматися крізь щільні шари атмосфери спочатку за допомогою двигуна високого тиску, потім, в більш розрідженому середовищі, за допомогою рідинного ракетного двигуна, який використовував «непотрібні частини »в якості палива. В результаті на орбіту виводилася порівняно невелике крилатий пристрій, що пересувається за допомогою сонячного вітрила і здатне до повернення на Землю. Однак Комітет порахував проект занадто фантастичним, так що проект так і залишився проектом.

Фотографія: National Air and Space Museum / Smithsonian Institution

«Ехо-1» і команда інженерів NASA. Фотографія: NASA

Фотографія: NASA

У практичному плані в історію космонавтики тиск сонячного світла увійшло в зв'язку з історією падіння апарату « Відлуння-1 ». Це був дзеркальний балон діаметром близько 60 метрів, наповнений газоподібним ацетальдегідом. У 1960 році, коли «Ехо-1» був виведений на орбіту, інженери NASA використовували його для пасивного відображення радіосигналу і створення міжконтинентальної лінії теле- і радіозв'язку. Однак розрахунковий час на орбіті апарат не зміг протриматися - якраз через тиск сонячного вітру, яке не врахували інженери. Через нього, а також під дією флуктуацій щільності в верхніх шарах атмосфери Землі супутник поступово гальмувався і знижував висоту, що призвело до його руйнування через вісім років після запуску.

Приборкати силу сонячного тиску вдалося вже в 1974 році, під час запуску апарату « Маринер-10 ». Хоча сам він не був розроблений безпосередньо для «светоплаванія», в ролі вітрила виступили його сонячні батареї, розгорнуті інженерами під певним кутом до Сонця. Це було зроблено для того, щоб скорегувати розташування апарату в просторі в той момент, коли маневровий газ вже підійшов до кінця. Це стало першим прикладом використання тиску світла для управління космічним апаратом.

Парус, розгорнутий в рамках експерименту «Знамя-2»

Вперше справжній сонячне вітрило з'явився в космосі в рамках російського проекту « Прапор-2 ». Взагалі кажучи, його метою був зовсім не політ до далеких планет, а, як не дивно, створення штучного джерела світла, - можливо, самого незвичайного, з тих, що існували до теперішнього часу. У разі успішної реалізації проекту з'явилася б можливість прямо з космосу висвітлювати місця стихійних лих, а також великі міста під час полярної ночі - принаймні саме такими ідеями надихалися автори проекту. У 1993 році в рамках експерименту «Знамя-2» вдалося розгорнути сонячне вітрило, встановлений на кораблі «Прогрес М-15». Діаметр дзеркала склав 20 метрів, а інтенсивність відбитого їм світла була порівнянна зі світлом повного Місяця (через хмарність спостерігати його так і не вдалося). Наступним кроком мав стати істотно більший відбивач «Знамя-2.5». Він був здатний створювати на поверхні семикілометровий «сонячний зайчик», всередині якого світність становила 5-10 повних Лун. Як це могло б виглядати з Землі ми, на жаль, так і не дізнаємося - при розгортанні металізована плівка зачепилася за антену і не розкрилася. Проект космічного освітлення закрили.

У 1999 році НВО імені Лавочкіна прийняло замовлення « планетарного суспільства »США на проектування сонячного парусника« Космос-1 ». Він повинен був використовувати для прискорення 30-метрову дзеркальну плівку, що складається з восьми окремих сегментів. Як матеріал для вітрила інженери взяли покритий тонким шаром алюмінію поліетилентерефталат (використовуваний, зокрема, в пластикових пляшках). Сумарна площа вітрила склала більше 600 квадратних метрів. В якості платформи для запуску була вибрана атомний підводний човен «Борисоглібська», носієм супутника виступила ракета-носій «Хвиля», створена на базі бойової ракети РСМ-50.

«Планетарне товариство» - це приватна некомерційна організація, яка реалізує різні проекти в області астрономії та дослідження космосу. Вона була заснована в 1980 році Карлом Саганом , Луїсом Фрідманом і Брюсом Мюррейем . Одним з таких проектів було дослідження можливості виживання мікроорганізмів в космосі. Перша його частина проводилася під час останнього польоту « Індевора »В 2011 році, а заключна була включена в програму« Фобос-Грунт », але не відбулася в зв'язку з його падінням. C 2010 року посада генерального директора організації займає Білл Най .

Луїс Фрідман, засновник «Планетарного суспільства», оглядає апарат «Космос-1», зібраний НПО імені Лавочкіна

Фотографія: Lavochkin Association / The Planetary Society

Перший пуск тестового апарату (з двома пелюстками вітрила) відбувся в 2001 році, проте його спіткала невдача. Протягом року інженери намагалися визначити, в чому була проблема з ракетою. Наступний запуск, вже з готовим супутником, був запланований на червень 2005 року. На жаль, і він провалився: після 83 секунд польоту перший ступінь несподівано припинила роботу, в результаті чого ракета не набрала необхідну швидкість. Супутник затонув в океані.

Зображення: JAXA

Проблеми з запуском апаратів заважали розвитку сонячних вітрил і в США. Так, в 2008 році компанія SpaceX повинна була за допомогою ракети « Falcon 1 »Запустити на орбіту апарат« NanoSail-D ». Його парус був виготовлений з металізованого полімеру і мав площу близько 10 квадратних метрів. На жаль, і ця спроба провалилася: під час запуску Falcon'a не відбулося відділення першого ступеня.

Апарат «IKAROS», фотографії зроблені відокремилася від нього камерою. Фотографії: JAXA

Фотографії: JAXA

Першим дійсно успішним експериментом з сонячним вітрилом став старт японського супутника « IKAROS ». Ще в 2004 році японцям вдалося розкрити на висоті 122 і 169 кілометрів два невеликих експериментальних тонкоплівкових вітрила. А 21 травня 2010 року на орбіту з космічного цетру Танегасима на борту ракети-носія « HII-A »Вирушив сам« IKAROS ». Як відбиває він використовує квадратну поліімідного плівку ( каптон , Виробництва DuPont), що складається з чотирьох трапецієподібних фрагментів. Товщина вітрила складає всього 7,5 мікрон, але в неї додатково вшиті тонкоплівкові сонячні батареї, призначені для генерації електрики. В результаті обертання апарату важки, до яких прив'язана плівка, розтягуються відцентровою силою і тим самим розкривають вітрило в квадрат зі стороною 14 метрів. Сам процес розкриття зайняв 7 днів, після чого «IKAROS» відправився до Венери.

Цікаво, що інженерам вдалося вбудувати в апарат можливість зняти себе з боку. Для цього апарат викинув в певний момент циліндр з розташованої в ній камерою. Вона встигла зробити ряд фотографій, які передала назад на супутники. Повернення камери передбачений не був. 8 грудня супутник пролетів в 80 тисячах кілометрах від Венери і отримав її зображення. Останній раз сигнали з супутника були отримані 22 травня 2014 року, з тих пір він перебуває в режимі глибокого сну через брак енергії.

Фотографія: Wikimedia Commons

Слідом за IKAROS'ом справи з сонячними вітрилами стали виправлятися і в NASA. Лише через півроку після запуску японського супутника, 19 листопада 2010 року, ракета « Мінотавр-4 »Вивела експериментальний супутник« FASTSAT »На орбіту висотою 653 кілометрів. Дублер попереднього проекту, апарат « NanoSail-D2 »Зіграв роль корисного навантаження для« FASTSAT ». Він повинен був відокремитися від нього відразу після виходу на орбіту, однак цього не сталося ні в листопаді, ні в грудні. Лише 19 січня 2011 року оператори отримали сигнал про спрацювання механізму відділення апарату. Через три дні «NanoSail-D2» розкрив вітрило - на відміну від японського супутника на сам процес розгортання плівки у нього пішло всього кілька секунд. Воно проводилося за допомогою металевих смужок, які висуваються з апарату на зразок вимірювальної рулетки.

«NanoSail-D2» мав дуже великою площею поверхні, що відбиває, тому за ті 8 місяців, що він провів на орбіті, його неодноразово спостерігали з Землі як яскраву крапку, що рухається по нічному небу. Точно так же, завдяки відображенню світла від сонячних батарей, у нас є можливість спостерігати прольоти супутників Iridium і МКС . Яскравість цих об'єктів на зоряному небі часом порівнюється з найяскравішими планетами і навіть перевищує їх.

Проліт супутника «NanoSail-D2» над Рауталампі, Фінляндія

Фотографія: Vesa Vauhkonen

Основою «NanoSail-D2» є наносупутник CubeSat . Це модуль, з якого як з конструктора можна збирати великі за розмірами пристрою. Наприклад, в даному випадку, використовувалися три CubeSat, об'єднані в єдиний прилад, який включає в себе механізми розпускання вітрил, передачі радіосигналу на Землю а також сонячні батареї.

Наступним мав відбутися запуск супутника « Sunjammer », - апарату, названого в честь однойменного розповіді Артура Кларка, присвяченого перегонів на сонячних вітрилах. Пуск був запланований ще на січень цього року, але через нестачу довіри до ракети « Falcon 9 »Поки так і не відбувся. «Sunjammer» володіє найбільшим вітрилом з усіх, що були побудовані до сих пір. Його площа становить понад 1200 квадратних метрів, при цьому маса супутника не перевищує 32 кілограмів. Пристрій виконаний у вигляді квадрата зі стороною 38 метрів і складається з металізованої каптоновому (не плутати з капронової) плівки товщиною в 5 мікрон.

Зображення: Planetary Society

Новою віхою в розвитку космічних вітрил повинен стати апарат « LightSail-1 », Друга спроба« Планетарного суспільства »вивести на орбіту сонячне вітрило. стався позавчора тестовий запуск - попередній, необхідний для тестування всіх систем апарату, зокрема встановлених на ньому модулів камери, блоку управління апаратом і двосторонньої радіозв'язку ( «NanoSail-D» був позбавлений цих приладів). Але, звичайно, головне завдання запуску - перевірка працездатності механізму розкриття вітрила.

Кріплення сонячного вітрила апарату «LightSail-1»

Фотографія: Planetary Society

Основою апарату також є три з'єднаних CubeSat'а, тому розміри апарата невеликі - 30 × 10 × 10 сантиметрів, розробники порівнюють його з буханцем хліба. Два модуля з трьох відповідають за розгортання вітрила площею 32 квадратних метра, останній - за електроніку. Сам парус виготовлений з металізованого полімеру, майлара , Товщиною в 4.5 мікрона і має форму квадрата.

Зараз апарат вже знаходиться на навколоземній орбіті, інженери проводять тестування зв'язку та систем, що відповідають за його положення в просторі. Розкриття вітрила планується провести тільки через місяць. При цьому через невеликої висоти орбіти вплив атмосфери призведе до гальмування і досить швидкого падіння супутника. За словами Джейсона Девіса, представника «Планетарного суспільства», передбачуваний час, на протязі якого апарат зможе протриматися на орбіті, - від двох до десяти днів.

Плівка з майлара, згорнута в 32 шару, кожен по 14 мікрон товщиною

Зображення: Wikimedia Commons

Любителі астрономії сподіваються, що після розгортання вітрила пристрій стане, хоч і не надовго, видимим на нічному небі. Дані про те, де можна буде спостерігати відблиски вітрила, швидше за все будуть опубліковані сайтом Heavens-Above . Поки ж відомо, що супутник буде пролітати над нічним Північною півкулею, тому можна оптимістично припустити, що деяким спостерігачам з Росії вдасться побачити його політ.

Супутник «LightSail-1» з частково розкритим вітрилом

Фотографія: Planetary Society

Уже в наступному році слідом за тестовим в космос повинен буде відправитися основний апарат «LightSail-1». Орбіта супутника буде істотно вище атмосфери - близько 800 кілометрів над поверхнею Землі, тому місія «LightSail-1» має тривати не менше чотирьох місяців. За цей час апарат повинен буде показати можливості маневрування в космосі за допомогою вітрила. Доставку супутника планується доручити ракеті-носію « Falcon Heavy ». Цікаво відзначити, що «Планетарне товариство» запустило кампанію на Kickstarter зі збору коштів на складання цього супутника. Стартувала вона всього шість днів тому, організація вже зібрала понад 630 тисяч доларів, необхідних для «досборка» апарату та обслуговування його на орбіті.

Незважаючи на труднощі, які переслідують запуски апаратів, сама технологія, як і раніше залишається виключно привабливою для ентузіастів дослідження далекого космосу. Це не дивно, враховуючи як ефективний може бути сонячне вітрило при запуску зондів на інші планети. Наприклад, апарат вагою в дві тонни може бути доставлений на Марс за допомогою вітрила діаметром 800 метрів за якихось чотири місяці. А при наявності маневрових двигунів він ще й зможе повернутися назад. Мінімальний час досягнення Юпітера за допомогою вітрила складає всього два роки. Деякі теоретичні розрахунки показують, що α Центавра може бути досягнута апаратом на «сонячній тязі» менш ніж за 100 років.

Володимир Корольов