Фотонный пинг-понг
Принцип движения в космосе под солнечным парусом базируется на эффекте светового давления, который мы разберем на нескольких воображаемых примерах. Начнем с довольно странного на первый взгляд мысленного эксперимента, который, тем не менее, даст нам базу для дальнейших иллюстраций. Представим себе абсолютно черный экран — парус, поглощающий весь падающий на него свет. Независимо от формы и ориентации к лучам такой парус всегда будет испытывать световое отталкивание: поглощая все приходящие фотоны, парус заимствует их импульс, направленный в сторону распространения света. Обратимся теперь к другой крайности — пусть наш парус обладает идеальными отражательными свойствами. Установим его в плоскость, перпендикулярную солнечным лучам, или, как иногда говорят, поставим парус "в полное раскрытие к лучам". И снова сила светового давления окажется направленной вдоль распространения излучения. Набегающие фотоны дважды обменяются импульсом с парусом: первый раз — при поглощении, как в случае с черным парусом, и второй раз — при переизлучении в обратном направлении. Величина силы светового давления при этом окажется вдвое больше, чем на черный парус равной площади. Реальный парус отражает лишь часть падающих на него лучей, поэтому его эффективность лежит где-то между идеальным и черным парусами.
А теперь повернем плоский зеркальный парус под углом к лучам. Фотоны начнут отскакивать от паруса подобно шарикам пинг-понга, брошенным под углом к столу. Часть импульса, направленную параллельно парусу, фотоны сохранят у себя, так что парусу достанется меньше, чем в полном раскрытии к лучам. Величина светового давления упадет, а направление давления будет совпадать с нормалью к парусу, отложенной с теневой его стороны. Поворачивая парус, мы получаем возможность управлять направлением тяги "солнечного движителя", однако за это приходится платить ее величиной: плоский парус, поставленный перпендикулярно лучам, вообще не даст никакой тяги.
Ускорение, которое сообщает космическому аппарату поток солнечных лучей, зависит от так называемой парусности аппарата, т.е. отношения площади паруса к массе всей конструкции. Например, для достижения ускорения 1 мм/с2 на расстоянии Земли от Солнца космическому аппарату массой 500 кг потребуется парус площадью 5 гектаров в полном раскрытии к лучам (например, квадрат со стороной 225 м). Для сравнения напомним, что гравитационное ускорение от Солнца составляет на орбите Земли 6 мм/с2. Парусность рассчитанной нами конструкции оказывается равной 1000 см2/г. Особо отметим, что масса паруса должна входить в те самые 500 кг, которыми мы ограничили общую массу спутника. А значит, для того, чтобы космический аппарат нес какую-то полезную нагрузку, парус должен быть изготовлен из очень тонкой пленки, хорошо отражающей свет. Задача эта непростая, но в принципе решаемая на уровне современных технологий.
Мы разобрались с физическим принципом работы солнечного паруса с помощью мысленных экспериментов, результаты которых могут быть проверены в лаборатории на Земле. Посмотрим теперь, как световая тяга может быть использована для движения в космическом пространстве.
Космический серфинг
Будем считать, что наш космический аппарат со сложенным солнечным парусом уже доставлен на орбиту вокруг Земли или Солнца. Раскрытие паруса обеспечит космический аппарат "двигателем" малой тяги, обладающим практически неограниченным запасом "топлива". Однако есть у него один досадный недостаток, лишь вскользь отмеченный в предыдущей главе: в отличие от реактивных двигателей, мы не можем использовать его тягу в любом направлении с одинаковой эффективностью. Необходимо решение задачи: как ориентировать парус, чтобы добиться желаемого изменения орбиты. Забавно, но здесь аналогия с земным парусом далеко не всегда оказывается верной.
В самом деле, постоянно дующий в одном и том же направлении ветер в принципе позволяет кораблю преодолеть любое расстояние (для простоты, в направлении ветра). Даже если морское течение сносит корабль в сторону, то все равно ветер обеспечит какое-то движение в собственном направлении. В космическом пространстве это не так! Аппарат, однажды установивший парус в полное раскрытие к солнечным лучам, будет вести себя иначе. Раскрытие паруса на круговой гелиоцентрической орбите приведет к тому, что световое давление частично скомпенсирует притяжение Солнца, или, как условно говорят специалисты, уменьшится "эффективная масса" центрального тела, имея при этом в виду ту массу, которая стоит в уравнениях Кеплера и других формулах, описывающих движение в поле притяжения и, в частности, определяющих форму орбиты. Конечно, в результате раскрытия паруса с самим Солнцем ничего не происходит, но специалисты пользуются такой метафорой для упрощения рассуждений. Итак, до раскрытия паруса спутник имел первую космическую скорость, а уменьшение "эффективной массы" Солнца означает и уменьшение первой космической скорости. По отношению к "новому" Солнцу, сила притяжения которого частично компенсируется световым давлением на парус, спутник будет иметь скорость большую, чем круговая. В результате перигельное расстояние новой орбиты будет совпадать с радиусом первоначальной круговой орбиты, а афелийное расстояние окажется несколько больше. Если бы инженерам удалось поднять парусность космического аппарата до достаточно большой величины, афелийное расстояние орбиты можно было бы довести до бесконечности, то есть, превратить первоначальную круговую орбиту в параболическую. Но пока подобные маневры не встречаются даже в самых смелых проектах.
Как же использовать световое давление для движения в Солнечной системе? Все очень просто. Повернув парус под углом к солнечным лучам так, чтобы фотоны отскакивали назад относительно направления орбитального движения спутника, мы получим небольшую силу, постепенно ускоряющую космический аппарат, то есть сможем двигаться по раскручивающейся спирали. Правда, чем дальше парусник уйдет от Солнца, тем слабее будет сила светового давления, и тем менее эффективным движителем будет солнечный парус. Зато при спуске к Солнцу эффективность паруса будет неуклонно расти. Как вы уже догадались, для выхода на скручивающуюся спираль парус должен быть установлен так, чтобы отражать солнечный свет вперед, как будто "освещая" путь перед собой.
Нетрудно сообразить, как изменять наклон орбиты спутника с помощью паруса: для этого необходимо отбрасывать парусом солнечный зайчик перпендикулярно плоскости орбиты. Кроме того, вытянутую орбиту можно "вращать" вокруг Солнца, например, чтобы сделать ее похожей на орбиту астероида или кометы, сближение с которыми необходимо произвести.
Еще более интересные маневры можно выполнять с помощью солнечного паруса в околоземном пространстве, так как направление распространения свэтового излучения в этом случае не совпадает с направлением на центр тяготения — нашу планету. Кроме того, в течение года Солнце совершает полный оборот на небесной сфере относительно Земли, так что, запасясь терпением, можно дождаться оптимального для маневра времени года и перевести с помощью паруса аппарат на желаемую орбиту.
А вот пример космического полета, в котором парусная тяга используется наряду с гравитационными маневрами. Эффективность паруса максимальна около Солнца, где она может быть использована, например, для выхода из Солнечной системы. Чтобы осуществить этот замысел, необходимо сначала выполнить ряд гравитационных маневров вблизи больших планет, чтобы аппарат смог "упасть" к Солнцу на достаточно малое расстояние и только в момент максимального сближения с Солнцем "поднять паруса". Световое давление скомпенсирует силу притяжения Солнца, и космический аппарат, до раскрытия паруса двигавшийся около Солнца по сильно вытянутой замкнутой орбите, сможет одним махом перейти на гиперболическую траекторию выхода из Солнечной системы. Важно только достаточно долго не убирать паруса, так как стоит лишь сделать это прежде времени, как к Солнцу "вернется" вся его масса, и орбита может снова оказаться замкнутой. Скорости, набранной парусником в результате гравитационных маневров и сохраненной затем развертыванием солнечных парусов, хватит не только для вылета из Солнечной системы, но и для достижения им одной из ближайших звезд.
Вести с верфи
Первые практические разработки солнечного парусника были начаты в США в семидесятых годах. Исследования проблемы использования солнечного света в качестве движителя для космических аппаратов пока не воплотились в реальную регату, но тем не менее многие принципиальные проблемы, связанные с конструктивными особенностями парусного движителя, уже разрешены. Сделалась очевидной относительная дешевизна его исполнения.
В американские разработки особенное оживление внесла намечавшаяся на 1986 год перспектива полета космического аппарата под солнечным парусом для встречи с кометой Галлея. Разработка началась с проекта квадратного паруса со стороной 800 метров. Как выяснилось, основная трудность состояла в упаковке гигантского полотнища в контейнер для вывода в космос и в развертывании его в рабочее положение уже на орбите. Более удачной и перспективной тогда была признана альтернативная конструкция разрезного паруса наподобие вертолетного винта, каждая лопасть которого раскатывается из контейнера радиально. Трудностей с упаковкой и раскаткой лопасти в этом проекте не появлялось.
Так родился проект "Гелиоротор" — солнечный парус с двенадцатью лопастями длиной 7 км каждая, смонтированными в два яруса. Каждая лопасть может располагаться под независимым углом к световому потоку, разворачиваться встречно к соседней, а система ферм и распорок из легчайших синтетических материалов избавляет лопасть от перекрутки и перекосов. Сила тяги "Гелиоротора" примерно равнялась силе тяги упомянутого выше квадратного паруса. Время от запуска на околоземную орбиту до выхода из поля земного тяготения для этих двух моделей оценивалось одинаковым — около четырех месяцев из полного времени полета к комете, равного четырем годам. Работы над "Гелиоротором" начались в 70-х годах, однако из-за финансовых трудностей были прекращены. Сначала было принято решение направить к комете Галлея вместо парусника экспериментальный космический аппарат с электрореактивным двигателем, а затем США и вовсе отказались от идеи полета.
В конце 80-х годов в США был объявлен конкурс проектов для необычайного космического мероприятия — гонок парусных яхт от Земли к Луне и далее к Марсу, посвященных 500-летнему юбилею открытия Америки. Христофор Колумб впервые ступил на этот континент 12 октября 1492 года, и начало космических гонок намечалось соответственно на 1992 г. По замыслу устроителей гонок, сложенные в контейнеры яхты должны были быть выведены на высокую, сильно эллиптическую околоземную орбиту (высота перигея около 1000 км, высота апогея — 36000 км), где их паруса развернулись бы в рабочее положение. Ожидалось, что через два-три месяца постепенной раскрутки яхты уйдут из поля земного тяготения, выполнят маневр около Луны и возьмут курс на Марс, отправившись в 500-дневное путешествие к этой планете. Победительницей первого этапа "Кубка космического паруса" должна была стать яхта, которая ближе всех (но не дальше чем на 10 000 км) подойдет к поверхности Луны, победительницей второго этапа — яхта, выполнившая аналогичный маневр около Марса.
Хотя Юбилейная регата так и не состоялась в намеченные сроки, эта смелая международная инициатива оказалась весьма полезной, вызвав небывалый всплеск идей и конструкторских решений парусного дизайна во многих странах. Работа над техническими предложениями подтвердила опасения, что создание солнечного парусника является более сложной научно-технической задачей, нежели это представлялось ранее. Здесь были отмечены три основных проблемы: развертывание паруса площадью несколько гектаров в рабочее положение, жесточайший лимит на полную массу корабля и обеспечение требуемой ориентации паруса по отношению к солнечным лучам в полете. Только при условии разрешения всех перечисленных проблем можно было говорить о реальности космической регаты. Упомянутая острота весового лимита означала, что при толщине полимерной парусной пленки всего в 4 микрона (а ее еще предстояло создать!) масса трехгектарного парусного полотнища должна была составить всего 300 кг, к которым следовело добавить массу необходимых элементов конструкции, аппаратуры систем управления парусом и электропитания, терморегулирования, навигации, радиоуправления и телеметрии. При этом предполагалось обеспечить достаточно сложное управление парусом, чтобы корабль мог идти левым или правым галсами, подставлял "солнечному ветру" корму или шел ребром паруса навстречу "ветру". И так в течение двух или трех лет!
Вообще, благодаря многочисленным исследованиям и разработкам, сегодня мы уже можем выбирать из огромного разнообразия дизайнов парусов. Это и сплошные плоские пленочные паруса (круглые, квадратные, веерные), и паруса-парашюты, и надувные баллоны, и паруса типа вертолетного винта, лепестковые паруса типа "ромашки" и "подсолнуха", паруса сотовой конструкции на базе отдельных зеркальных модулей, системы пленочных передаточных зеркал и другие.
Среди парусов в виде системы зеркал особый интерес представляет конструкция так называемого "наилучшего", в смысле динамической эффективности, паруса. Такая эффективность обычных парусов всегда связана с углом их ориентации к лучам. В системе же зеркал устанавливается такой ход лучей, чтобы направления падающего и отраженного световых потоков вообще не зависели друг от друга. Один из последних вариантов такого проекта получил название "Трастор".
Специфика солнечного паруса состоит во взаимосвязи поступательного и вращательного движений всей конструкции. Чтобы управлять тягой, необходимо менять ориентацию паруса, что требует расхода горючего реактивных микродвигателей. Наивыгоднейшей представляется конструкция паруса, которая сама обеспечивала бы контроль, если не за установкой ориентации, то хотя бы за ее удержанием. В этом плане одним из перспективных дизайнов солнечного паруса является двухстворчатая конструкция, предложенная недавно с участием одного из авторов настоящей статьи (Е.Н.). Построив двухстворчатое зеркало определенных пропорций, мы получим саморегулирующуюся по ориентации на Солнце конструкцию.
Разработка дизайна солнечного паруса — непростая техническая задача, тем более что видимая простота формы и геометрии паруса далеко не всегда означает простоту управления этой конструкцией в полете. Естественно, каждая конструкция имеет свои "за" и "против" применительно к конкретной задаче — цели полета и предстоящим маневрам. Кроме того, нельзя упускать из виду длительность пребывания паруса в условиях открытого космоса, которые влияют на поведение синтетической пленки: происходит ее слипание под действием статического электричества, плавление и перегрев в местах складок и заломов, эрозия под действием жесткого космического излучения и другие вредные изменения.
Парусные грезы
Решение проблем, перечисленных в предыдущей главе, открывает интересные перспективы в космоплавании. Разумно управляя солнечным парусом, можно разогнать космический аппарат около Земли, выйти в межпланетное пространство и отправиться в космическое путешествие. Мы уже указывали, что маневры, которые космический аппарат может выполнить с помощью солнечного паруса, достаточно разнообразны. Однако, как правило, они повторяют спектр маневров, в принципе осуществимых с помощью других двигательных установок малой тяги. Нас же прежде всего интересуют уникальные свойства именно парусной тяги. К ним в первую очередь следует отнести возможность функционирования паруса в околосолнечных областях, даже в области солнечной короны, где он одновременно может играть роль не только высокоэффективной энергетической установки, но и надежного термостойкого экрана, защищающего приборный отсек от перегрева. Такая конструкция окажется незаменимой для проведения исследования физики околосолнечного пространства и наблюдения солнечных пятен с близкого расстояния — имеется в виду возможность "создания" орбиты, синхронной с осевым вращением Солнца, но ниже гравитационной гелиосинхронной орбиты: раскрытие паруса уменьшит эффективную массу Солнца, а значит, и радиус гелиосинхронной орбиты. На такой орбите космический аппарат как бы "зависает" над солнечным пятном по аналогии с полетом геостационарного спутника над одной и той же точкой Земли.
Возрастание динамической эффективности солнечного паруса именно при приближении к Солнцу позволяет считать его перспективным и выгодным именно на маршруте "к Солнцу". Актуальной может оказаться идея использования контейнера, снабженного солнечным парусом, для транспортировки к Солнцу радиоактивных отходов с Земли и "захоронения" их в солнечной короне, причем уникальные свойства парусных траекторий позволяют отправить контейнер по траектории, проходящей над орбитами планет во избежание экологических проблем.
Что касается околоземных космических маневров, то здесь их спектр еще более разнообразен. Например, уникальная роль паруса может состоять в его применении как сборщика космического мусора и техногенных осколков с околоземных спутниковых орбит. Космический "дворник" не только сможет подбирать мелкие осколки в контейнер, но и транспортировать его или прекративший функционирование спутник с густо населенной орбиты на более свободный "запасной путь". Проблема "очистки" орбит давно уже является актуальной. Например, на геостационарной орбите, где плотность "населения" уже приближается к критической, именно солнечный парус сможет оказать неоценимую услугу по ее очистке вследствие отсутствия на ней атмосферного сопротивления.
Обсуждая проекты солнечных парусов, нельзя обойти стороной часто рассматриваемый параллельно с ними так называемый "световой" парус, движимый не природным солнечным светом, а давлением мощного лазерного луча, источник которого установлен на планете или на космической станции. Если такой парус изготовлен из специальных материалов, способных выдержать давление лазерного излучения, он сможет работать и в удаленных от Солнца областях. Фокусировка лазерного излучения с помощью межпланетных линзовых установок позволит превратить световой парус в "звездный" и достичь соседних звезд всего за несколько десятков лет.
Но это, если говорить словами К. Э. Циолковского, "пока еще область фантазии". С успешным проведением в 1993 году первого эксперимента "Знамя" на российской космической станции "Мир" парусная проблема приобрела новый, более "земной" аспект, а именно — использование солнечного паруса не как космического движителя, а как космического осветителя Земли, движущегося по околоземной орбите.
Идея создания космических отражателей солнечного света в принципе не нова. Впервые она была высказана еще в конце 20-х годов одним из пионеров теории космонавтики, немецким естествоиспытателем Германом (Эбертом. Однако, будучи связана с сооружением гигантских космических конструкций, она до сих пор не получила реального воплощения. Технология таких крупногабаритных конструкций по существу еще только зарождается. Зато перспективы применения орбитальных устройств с зеркалами-прожекторами поис-тине безграничны. Прежде всего, солнечные рефлекторы смогут ночью освещать большие города. Не меньше нуждаются в дополнительном освещении заполярные регионы, населенность которых достаточно велика. Для таких регионов периодическая подсветка не только сулит экономические выгоды, но и будет способствовать их социальному развитию. Это относится и к регионам Земли с интенсивно развитыми промыслами и добычей полезных ископаемых. Добрую службу в будущем может сослужить отраженный свет и в случаях стихийных бедствий (землетрясений, ураганов и т.п.) или крупных аварий, когда космическое освещение будет играть не менее важную роль, чем оперативная связь, осуществляемая сегодня с помощью спутников. В области внешних экономических связей и международной кооперации может появиться новый неожиданный "продукт" — доставка солнечного света из космоса.
Оценивая перспективы проекта космического осветителя, нельзя не упомянуть и о психологическом факторе его восприятия людьми. До сих пор звезды и Луна украшали ночное небо, привлекая с глубокой древности романтиков, астрономов и навигаторов. Теперь наступает пора создания и эксплуатации искусственных "звезд", рукотворных "светил", "Нового света", которые помогут человеку, освещая его ночной путь.
Впрочем, у этого проекта есть и противники. Например, экологи указывают на возможные отрицательные последствия подобных экспериментов, нарушающих естественный ход событий в природе. Разумеется, любое масштабное техногенное воздействие на природу должно проходить экологическую экспертизу.
Забавно, но среди потенциальных противников "ночного солнца" могут оказаться... астрономы! Действительно, освещение территорий, на которых расположены обсерватории, приведет к невозможности проведения ряда наблюдений. Солнечный зайчик, отброшенный космическим отражателем на Землю, по пути через атмосферу будет частично рассеян, так что небо вокруг искусственной звезды будет засвечено подобно тому, как в лунную ночь вокруг естественного спутника Земли. Впрочем, уже сейчас городская засветка вынуждает астрономов устанавливать телескопы подальше от населенных пунктов, а ведь именно они будут основными объектами, освещаемыми из космоса.
Мы охарактеризовали основные свойства солнечного паруса и его различные технические и маневренные возможности. Однако не следует забывать, что космоплавание в световом потоке потребует долгих поисков сложных конструкторских решений и новых космических технологий, прежде чем людям удастся надежно "оседлать" солнечный луч. Мнения по поводу парусных перспектив пока еще никак нельзя признать единодушными. Однако в неизбежности успешных парусных стартов мы, будучи энтузиастами солнечных парусов и оптимистами, не сомневаемся нисколько!
Поляхова Елена Николаевна — кандидат физ.-мат. наук, доцент, Астрономический институт Санкт-Петербургского государственного университета (Россия), Дикарев Валерий Владимирович — кандидат физ.-мат. наук, Институт ядер ной физики им. Макса Планка (Гэрмания)
