Футурология: Футурология. Солнечный парус. Солнечный парус: конфигурации, принцип работы. Космические путешествия

Солнечный парус представляет собой способ передвижения космического корабля с использованием давления световых и высокоскоростных газов (также называемого давлением солнечного света), излучаемого звездой. Рассмотрим подробнее его устройство.

Использование паруса предполагает недорогие космические путешествия в сочетании с увеличенным сроком использования. Из-за отсутствия множества движущихся частей, а также необходимости использовать пропеллент, потенциально становится возможным многоразовое использование такого корабля для доставки полезных грузов. Также иногда используются названия световой или фотонный парус.

История концепции

Йоханес Кеплер как-то заметил, что хвост кометы смотрит по направлению от Солнца, и предположил, что именно звезда производит такой эффект. В письме Галилею в 1610 году он писал: "Обеспечьте корабль парусом, приспособленным к солнечному бризу, и найдутся те, кто отважится исследовать и эту пустоту". Возможно, при этих словах он ссылался именно на феномен "хвоста кометы", хотя публикации на эту тему появились несколько лет спустя.

Джеймс К. Максвелл в 60-х годах XIX века опубликовал теорию электромагнитного поля и излучений, в которой показал, что свет имеет импульс и таким образом может оказывать давление на объекты. Уравнения Максвелла дают теоретическую основу для передвижения при помощи светового давления. Поэтому уже в 1864 году в сообществе физиков и вне его было известно, что солнечный свет несет импульс, оказывающий давление на объекты.

Сначала Петр Лебедев в 1899 году экспериментально продемонстрировал а затем Эрнест Николс и Гордон Халл провели аналогичный независимый эксперимент в 1901 году с использованием радиометра Николса.

Альберт Эйнштейн представил другую формулировку, признав эквивалентность массы и энергии. Теперь мы можем написать просто p = E/c как соотношение между импульсом, энергией и скоростью света.

Предсказал в 1908 году возможность давления солнечной радиации, переносящей живые споры на межзвездные расстояния, и, как следствие, понятие панспермии. Он был первым ученым, заявившим, что свет может перемещать объекты между звездами.

Первые официальные проекты по разработке этой технологии начались в 1976 году в Лаборатории реактивного движения для предлагаемой миссии по «рандеву» с кометой Галлея.

Принцип работы солнечного паруса

Свет оказывает влияние на все аппараты на орбите планеты или в К примеру, обычный космический корабль, следующий на Марс, будет смещен более чем на 1000 км по направлению от Солнца. Эти эффекты учитываются при планировании траектории космического путешествия со времен самого первого межпланетного космического корабля 1960-х годов. Излучение также влияет на позицию аппарата, и этот фактор должен учитываться в проекте судна. Сила, воздействующая на солнечный парус, составляет 1 ньютон и меньше.

Использование этой технологии удобно на межзвездных орбитах, где любые действия выполняются низкими темпами. Вектор силы светового паруса ориентирован вдоль солнечной линии, что увеличивает энергию орбиты и момент импульса, в результате чего корабль движется дальше от Солнца. Для изменения наклона орбиты вектор силы оказывается вне плоскости вектора скорости.

Контроль позиции

Система управления ориентацией (ACS) космического корабля необходима для достижения и изменения желаемой позиции при путешествии по Вселенной. Заданное положение аппарата меняется очень медленно, часто меньше одного градуса в день на межпланетном пространстве. Этот процесс происходит гораздо быстрее на орбитах планет. Система управления аппаратом, использующим солнечный парус, должна удовлетворять всем требованиям к ориентации.

Контроль достигается путем относительного сдвига между центром давления судна и его центром масс. Этого можно достичь с помощью управляющих лопаток, движения отдельных парусов, перемещения контрольной массы или изменения отражательной способности.

Неизменная позиция требует, чтобы ACS поддерживал чистый крутящий момент на нуле. Момент силы паруса не постоянен вдоль траектории. Изменения с расстоянием от Солнца и углом, который корректирует вал паруса и отклоняет некоторые элементы опорной конструкции, что приводит к изменениям силы и крутящего момента.

Ограничения

Солнечный парус не сможет работать на высоте ниже, чем 800 км от Земли, так как до этого расстояния сила сопротивления воздуха превышает силу светового давления. То есть влияние солнечного давления слабо ощутимо, и он просто не будет работать. Скорость поворота должна быть совместима с орбитой, что обычно является проблемой только для конфигурации вращающихся дисков.

Рабочая температура зависит от солнечного расстояния, угла, отражательной способности, а также передних и задних излучателей. Парус можно использовать только там, где температура поддерживается в его материальных пределах. Как правило, он может использоваться довольно близко к солнцу, около 0,25 астрономических единиц, если корабль тщательно спроектирован для этих условий.

Конфигурация

Эрик Дрекслер изготовил прототип солнечного паруса из специального материала. Он представляет собой каркас с панелью из тонкой алюминиевой пленки толщиной от 30 до 100 нанометров. Парус вращается и должен постоянно находиться под давлением. Конструкция такого типа обладает высокой площадью на единицу массы и, следовательно, получает ускорение «в пятьдесят раз выше», чем основанные на развертываемых пластиковых пленках. Она представляет собой квадратные паруса с мачтами и парными линиями на темной стороне паруса. Четыре пересекающиеся мачты и одна - перпендикулярно центру, чтобы удерживать провода.

Электронная конструкция

Пекка Янхунен изобрел электрический парус. Механически он имеет мало общего с традиционным дизайном светового. Паруса заменяются выпрямленными проводящими тросами (проводами), расположенными радиально вокруг корабля. Они создают электрическое поле. Оно простирается на несколько десятков метров в плазму окружающего солнечного ветра. Солнечные электроны отражаются электрическим полем (как фотоны на традиционном солнечном парусе). Корабль может управляться путем регулирования электрического заряда проводов. Электрический парус имеет 50-100 выпрямленных проводов длиной около 20 км.

Из чего изготовлен?

Материал, разработанный для солнечного паруса Дрекслера, представляет собой тонкую алюминиевую пленку толщиной 0,1 микрометра. Как и ожидалось, она продемонстрировала достаточную прочность и надежность для использования в космосе, но не для складывания, запуска и развертывания.

Наиболее распространенным материалом в современных конструкциях является алюминиевая пленка "Каптон" размером 2 мкм. Она сопротивляется высоким температурам рядом с Солнцем и достаточно крепкая.

Были некоторые теоретические предположения о применении методов молекулярного производства для создания продвинутого, сильного, сверхлегкого паруса, основанного на тканевых сетках из нанотрубок, где плетеные «промежутки» меньше половины длины волны света. Такой материал был создан только в лабораторных условиях, а средства для изготовления в промышленном масштабе пока недоступны.

Световой парус открывает огромные перспективы для межзвездных передвижений. Конечно, есть еще много вопросов и проблем, с которыми придется столкнуться, прежде чем путешествие по Вселенной при помощи такой конструкции космического корабля станет привычным делом для человечества.

Идея о том, что свет может оказывать давление, приписывается Иоганну Кеплеру – на такую мысль его навели в 1619 году развевающиеся хвосты комет при движении по околосолнечной орбите. В 1873 году Джеймс Максвелл, исходя из своей электромагнитной теории света, теоретически оценил величину этого давления, а в 1900 году наш соотечественник – знаменитый физик Петр Лебедев – сумел экспериментально обнаружить и измерить силу светового давления. Первыми решили использовать солнечную тягу россияне – о солнечном парусе еще в 1913 году написал фантаст Борис Красногорский. В его романе «По волнам эфира» корабль «Победитель пространства» передвигался в космосе, используя солнечный свет и кольцевое зеркало из тончайших листов отполированного металла. А в середине 1920-х, тоже в России, за эту идею взялся ученый и изобретатель Фридрих Цандер, один из основоположников теории космических полетов и реактивных двигателей. В 1924 году он подал в Комитет по изобретениям авторскую заявку на космический самолет, который для передвижения в межпланетном пространстве использовал бы огромные и очень тонкие зеркала.

Тогда эту идею никто не воспринял всерьез – подходящих материалов и технологий просто не существовало. Но в 1960-х годах к солнечным парусам вновь вернулись фантасты (известный пример – рассказ Артура Кларка «Солнечный ветер»), а затем и инженеры. В 1970-х солнечный парус вполне серьезно рассматривался NASA как один из вариантов двигателя для зонда, отправляющегося на рандеву с кометой Галлея. От этой идеи по разным причинам отказались, но ее не забыли.
В 2000 году в НПО им. Лавочкина и Институте космических исследований (ИКИ) РАН начались работы по программе КАСП (Космический аппарат «Солнечный парус»). Спонсировали проект Планетарное общество США, учрежденное в 1980-м тремя учеными – профессором Калтеха Брюсом Мюрреем, сотрудником JPL Луисом Фридманом и астрономом и писателем Карлом Саганом, и общественная организация Cosmos Studios, руководит которой Энн Друян – вдова Карла Сагана. Солнечный парус – это тонкая, 5 микрон толщиной, полиэфирная пленка, с «солнечной» стороны покрытая субмикронным слоем алюминия (коэффициент отражения 0,85). «Такая пленка достаточно прочна, но стоит ее повредить, например, микрометеоритом – и разрыв сразу же ползет по всей поверхности, – рассказал «Популярной механике» российский руководитель проекта Виктор Кудряшов. – Чтобы пленка не рвалась, ее армируют. В нашем случае полотно паруса было усилено узкими полосками специальной ленты, которая останавливает разрывы, не позволяя им ‘ползти’ через весь парус».
Среди возможных конструкций паруса в НПО им. Лавочкина остановились на 8-лепестковом «цветке». Каждый треугольный лепесток площадью 75 квадратных метров должен был разворачиваться и поддерживаться специальным пневмокаркасом, который приобретает жесткость после наполнения азотом. В сложенном виде лепесток помещается в контейнер размером с кирпич – сначала его вакуумируют, удаляя оставшийся воздух, а затем многократно сворачивают по специально разработанной схеме укладки. В раскрытом состоянии космический парусник представляет собой небольшую (1 м длиной) платформу, из которой «растут» 8 треугольных лепестков. «Для космического аппарата с солнечным парусом полет по околоземной орбите имеет свои особенности. В различные моменты времени он может быть освещен Солнцем или находиться в тени Земли. Для организации управления аппаратом планировалось, в частности, поворачивать лепестки паруса вокруг оси каждого из них», – говорит Виктор Кудряшов.
Зачем нужны солнечные паруса? Ведь их тяга очень мала (давление солнечного света на уровне земной орбиты на идеально отражающее зеркало площадью 1000 м 2 составляет всего 10 мН) и несравнима с мощными реактивными двигателями. Впрочем, двигатели на химическом горючем могут работать сотни секунд, плазменные двигатели – тысячи часов, и те и другие ограничены запасом рабочего тела. А вот паруса могут давать тягу, пока их поверхность освещена Солнцем (по прогнозам астрономов, это будет продолжаться еще около 5 миллиардов лет), и при этом не расходуется ни энергия, ни рабочее тело. Поэтому перед солнечными парусами открываются блестящие перспективы. К сожалению, полет солнечного парусника с экипажем на борту – пока дело отдаленного будущего. Но автоматические станции, оснащенные таким двигателем, – реальность ближайшего времени. Парусные аппараты вполне серьезно рассматриваются как зонды для полета к внутренним планетам Солнечной системы, к Плутону, к некоторым астероидам и кометам. Для продвижения ближе к границам Солнечной системы, где интенсивность солнечного света существенно снижается, уже появляются фантастические проекты орбитальных лазеров, «подталкивающих» парус.

На сегодняшний день космический аппарат с солнечным парусом способен решать не только научные задачи. Одним из его реальных прикладных применений может стать проект НПО им. Лавочкина и ИКИ РАН «Солнечная погода». Речь идет о 30-килограммовой космической обсерватории для наблюдения за Солнцем и предсказания магнитных бурь, размещаемой на расстоянии, например, три миллиона километров на линии Земля–Солнце. Это в два раза ближе к Солнцу, чем точка либрации (то есть гравитационного равновесия), в которой висит европейско-американская солнечная обсерватория SOHO. Используя парус площадью в 1000 квадратных метров, «Солнечная погода» будет компенсировать увеличение притяжения Солнца – это даст возможность предупреждать о магнитной буре за большее время, чем сейчас.
Российскому солнечному парусу не повезло – на 83-й секунде полета в работе первой ступени «Волны» произошел сбой и ракета рухнула в море (такая же судьба постигла и прототип, тоже выводимый «Волной» – в 2001 году он должен был продемонстрировать возможность раскрытия двух «лепестков»). Однако директор проекта и исполнительный директор Планетарного общества США Луис Фридман не намерен бросать идею: «Случаются и неудачи. Но сразу после падения Cosmos-1 я начал получать сообщения от ученых, инженеров и просто энтузиастов, и все в один голос говорили: ‘Давайте сделаем еще один солнечный парус и запустим его!’. Это вполне совпадает с нашими собственными планами. Конечно, скорее всего, ракету-носитель придется сменить, и мы сейчас рассматриваем два возможных варианта – ‘Союз-Фрегат’ и ‘Космос-3М’. Остается только найти средства – весь проект будет стоить около $4 млн.». Но в настоящее время, по сообщениям официального сайта НПО им. Лавочкина, проект нового солнечного паруса, к сожалению, заморожен.

Конструкция "солнечного паруса" Космос-1

Космический аппарат с солнечным парусом (КАСП), на котором снаружи установлены специальным образом сложенные лепестки паруса, невелик - примерно 1 метр длиной и 100 кг весом, но это не мешает ему иметь в своем составе все необходимые для работы самого аппарата и паруса системы. Основой конструкции КАСП является приборная платформа, на которой крепится разгонная двигательная установка, 4 панели солнечных батарей, служебная аппаратура, фото- и телекамеры, антенны, и - самое главное- блок солнечных парусов. В сложенном виде каждый из 8 лепестков представляет собой небольшую упаковку 30 см х 20 см х 20см. Эти 8 упаковок расположены в двух плоскостях - по 4 в каждой. Развертывание лепестков происходит в два этапа: сначала раскрываются 4 лепестка, лежащие в одной плоскости, а затем - 4 лепестка, лежащие в другой. Каждый лепесток в развернутом виде представляет собой равнобедренный треугольник, расширяющийся от продольной оси аппарата к периферии. Эти 8 лепестков расположены таким образом, что после развертывания всех восьми, они образуют практически окружность диаметром около 30 м и площадью 600 квадратных метров.

Изготовлены лепестки солнечного паруса из полимерной пленки толщиной 5 мкм, которая с одной стороны (обращенной к Солнцу) металлизирована. По двум длинным сторонам каждого лепестка проложен пневмокаркас, который представляет собой полую трубку диаметром 15см и сделан также из полимерного материала, но толщиной не 5, а 20 мкм. Каркас необходим для организации процесса развертывания каждого лепестка (внутрь трубки по команде на раскрытие паруса подается сжатый азот и постепенно разворачивающиеся трубки и растягивают тонкие лепестки) и создания жесткости каждой из частей паруса. Каждый лепесток имеет возможность поворачиваться вокруг оси крепления на заданный угол. Тягу солнечному парусу обеспечивают фотоны. При поглощении или отражении от солнечного паруса они передают свой импульс (в первом случае одинарный, во втором – двойной) космическому аппарату. Именно свет, а не солнечный ветер (в отличие от парусных судов, движимых ветром) и толкает космический парус. Солнечный ветер – это поток плазмы, относительно медленных (300–700 км/с) заряженных частиц, в основном протонов и электронов (встречаются ядра гелия и даже ионы более тяжелых элементов), связанных собственным магнитным полем. Солнечный ветер берет свое начало в короне и «дует» к границам Солнечной системы. Взаимодействуя с магнитным полем Земли, он вызывает северное сияние, с кометами – приводит к образованию их плазменных или ионных хвостов. Хотя солнечный ветер нельзя «запрячь» в паруса космических аппаратов из-за его крайней разреженности (давление примерно в тысячу раз меньше светового), любопытно, что именно он подсказал такой способ передвижения в космосе: в XVII веке Иоганн Кеплер в результате наблюдений за хвостами комет предположил, что парусные корабли смогут передвигаться в небесах.

Кратко о статье: Раньше извозчики кричали: «Но, пошла!», летчики - «От винта!», а Гагарин ограничился лаконичным: «Поехали!». Вполне возможно, что через каких-нибудь 20-30 лет космонавты будут оглашать радиоэфир «морскими» возгласами типа: «Поднять грот, убрать бом-брамсели!», ведь солнечный парус - дешевое, доступное, и очень эффективное средство перемещения в космосе, которое сейчас рассматривается как один из лучших способов путешествия человека на Марс. Все, что вы хотели бы узнать об этом - в новой статье «Поднять паруса!».

Поднять паруса!

Солнечный парус - путь к звездам

Все с детства знают, что то-то и то-то невозможно. Но всегда находится невежда, который этого не знает. Он-то и делает открытие.

Альберт Эйнштейн

Парус - простейшее устройство, сотни лет исправно служившее людям. Земля осваивалась именно под парусами. Но в конце 19 века они уступили место сначала паровым машинам, затем - дизельным двигателям, а позже на службу человеку встали космические ракеты и атомная энергия. Казалось бы, парусные корабли навсегда “уплыли” в область спорта, отдыха богачей, дорогих исторических фильмов и авантюрных морских романов.

Как говорил Рабинович в известном анекдоте: “Не дождетесь!”. Ведущие специалисты в области исследования космоса уже не один десяток лет серьезно обсуждают вопрос о применении солнечного паруса в космосе. Многие из нас слышали этот термин и примерно представляют себе принципы работы солнечного паруса. Но что такое солнечный парус при ближайшем рассмотрении? Действительно ли он эффективнее химических ракетных двигателей?

Автора!

Почти 400 лет назад выдающийся немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571-1630), наблюдая кометы, установил, что их хвосты постоянно направлены в сторону, противоположную от Солнца. Трактат “О кометах”, опубликованный им в 1619 году, объяснял это явление воздействием солнечного света (идея по тем временам не только бредовая, но и откровенно опасная). Так или иначе, Кеплер был первым, кто предположил, что солнечный свет оказывает давление на хвосты комет.

На протяжении нескольких последующих столетий космосом интересовались лишь астрономы, шарлатаны и шизофреники, причем первые исследовали его чисто академически - лететь туда они не собирались, а остальные уж и подавно не могли придумать способа использовать солнечный свет для путешествий к другим планетам.

Теория давления света в рамках классической электродинамики была выдвинута Джеймсом Кларком Максвеллом в 1873 году, который связал это явление с передачей импульса электромагнитного поля веществу.

Так уж сложилось - западные ученые в наше время крайне неохотно вспоминают о том, что некоторые великие научные открытия были сделаны в России. Они совершенно не связывают изобретение радио с Поповым, а лампочка накаливания никак не ассоциируется у них с Лодыгиным. Однако все без исключения исследователи признают, что пионерами в области разработок космического паруса являются наши соотечественники.

Так, давление света на твердые тела было впервые исследовано Петром Николаевичем Лебедевым (1866-1912) в 1899 году. В его опытах использовался вакуумированный (~10 в минус четвертой степени миллиметров ртутного столба) стеклянный сосуд, где на тонкой серебряной нити были подвешены коромысла крутильных весов с закрепленными на них тонкими дисками-крылышками из слюды (они-то и подвергались облучению). Именно Лебедев экспериментально подтвердил справедливость теории Максвелла о давлении света.

Солнечный парус как таковой был изобретен другим русским ученым - Фридрихом Артуровичем Цандером (1887 - 1933). Он впервые рассмотрел несколько конструкций этого устройства, наиболее целесообразная из которых была подробно описана им в 1924 году в неопубликованном варианте статьи “Перелеты на другие планеты”.

Солнечный парус, по замыслу ученого, должен был иметь площадь в 1 квадратный километр при толщине экрана 0,01 миллиметра и массу 300 килограммов. Парус должен был иметь центральную ось и некоторый набор силовых элементов, поддерживающих его форму. Цандер отмечал, что толщина экрана может быть еще меньше, так как Эдисону удалось изготовить никелевые листы толщиной 0,001 миллиметра и размером 3200 квадратных метров.

Ученый также попытался разработать основы теории движения космических аппаратов под солнечным парусом. Он считал целесообразным направлять на солнечный парус космического аппарата поток света, собранный вторым парусом, расположенным на некоторой промежуточной межпланетной станции. Эта его идея перекликается с современными предложениями об использовании для разгона космического аппарата искусственного лучистого (лазерного) ветра, обеспечивающего существенно большее давление на поверхность, чем солнечные лучи.

Это нтересно:

Кто изобрел парус, точно неизвестно. Однако 6000 лет назад египтяне уже уверенно пользовали прямой парус, плавая по Нилу.
Клипер “Проссейн”, построенный в начале 20 века гамбургской компанией “Лаэш”, имел самую большую в мире площадь парусов - 6500 кв. м.
Самые быстрые парусники в истории человечества - чайные клипера (конец 19 века) развивали скорость до 20 узлов (37 км/ч)
В теории космический парусник может разгоняться до 30% от скорости света и даже выше.
Давление солнечного света на орбите Земли составляет 9.12 µN/m 2 (меньше веса муравья).
“Солнечный парус” появился во втором эпизоде “Звездных войн” (“Звездные войны 2: Атака клонов”) на корабле графа Дуку (он же Саруман, он же Кристофер Ли).

Что мы имеем?

Некоторые источники называют солнечный парус “световым” - чаще всего это происходит в тех случаях, когда в качестве источника света предлагается использовать не Солнце, а, например, лазер.

Принцип работы этого устройства прост до безобразия - космический корабль разворачивает большое полотно - парус, который либо отражает, либо поглощает (рассматриваются варианты и с черным парусом) фотоны света.

На орбите Земли (1 астрономическая единица расстояния от Солнца) парус массой 0,8 г/м 2 испытывает примерно такое же по силе воздействие солнечного света. Давление обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Заметим, что парус может быть гораздо тяжелее - и все равно он останется более-менее функциональным, хотя и не сможет самостоятельно раскрываться под действием солнечного ветра (придется разворачивать его механическим путем).

Главным неудобством солнечного паруса является то, что он может двигать корабль лишь в сторону от Солнца, а не к нему. Иногда высказывается мнение, что полет в направлении Солнца возможен, если идти галсами (здесь очевидна аналогия с зигзагообразным движением морского парусника против ветра). Изменяя угол наклона солнечного паруса относительно падающего на него света, можно легко управлять космическим кораблем, сколь угодно часто меняя его траекторию (удовольствие, недоступное для ракетных двигателей).

Основное и самое главное достоинство “парусного” способа перемещения в космическом пространстве - полное отсутствие топливных затрат. Альтернатив современным химическим ракетам на околоземном пространстве пока нет - они сравнительно дешевы и способны вывести на орбиту грузы в сотни тонн.

Однако когда речь заходит о межпланетных путешествиях, преимущества химических ракет заканчиваются. Они попросту не способны обеспечить кораблю постоянное ускорение (а, следовательно, сообщить ему как можно более высокую скорость) - ведь, по сути, свыше 90% их массы составляет стремительно расходуемое горючее. По самым скромным расчетам, для путешествия на Марс понадобится 900 тонн топлива - и это при том, что масса полезной нагрузки будет примерно в 10 раз меньше. Про ракеты еще говорят - “топливо везет само себя”.

На первый взгляд, космический парус очень медлителен. Да, действительно, начальные этапы его разгона будут напоминать гонки черепах. Однако не следует забывать, что ускорение действует постоянно (для паруса массой 0,8 г/м 2 начальное ускорение будет равно 1,2 мм/с 2). В условиях безвоздушного пространства это позволит достичь огромных скоростей за весьма короткие сроки.

К сожалению, обсуждение перспектив использования солнечного паруса в космосе не касается одного очень важного вопроса - как будет осуществляться торможение корабля на таких гигантских скоростях? Для межзвездных экспедиций ответ есть - за счет использования солнечного паруса, развернутого в противоположную сторону (однако это существенно увеличит время полета). А как быть с путешествием, допустим, на Марс? Везти с собой ракетное топливо неэффективно, а использование новых типов двигателей (например, разрабатываемых в настоящее время ионных) пока находится под вопросом.

Материя и форма

Материал, из которого сделаны солнечные паруса, должен быть максимально легким и прочным. В настоящее время наиболее перспективными являются полимерные пленки - милар и каптон (толщиной 5 микрон), алюминизированные (тончайший слой металла в 100 нанометров) с одной стороны, что придает им отражающую способность до 90%.

Здесь есть свои сложности. Милар очень дешев и легкодоступен (чуть более толстые пленки имеются в открытой продаже), но непригоден для длительного применения в космосе, так как разрушается под воздействием ультрафиолетового излучения. Каптон более устойчив, однако минимальная толщина такой пленки - 8 микрон, и это уменьшает ходовые качества такого паруса.

В настоящее время ученые надеются на развитие нанотехнологий - с их помощью можно будет создать легчайший и сверхэффективный солнечный парус из углеродных нанотрубок.

Форма (конструкция) парусов имеет едва ли не большее значение, чем материал, из которого они сделаны.

Самый простой и надежный (но более тяжелый, а, следовательно - не слишком быстрый) солнечный парус имеет каркасную конструкцию. Больше всего он напоминает воздушного змея - легкая крестообразная рама является несущей основой для четырех треугольных парусов, надежно закрепленных на ней. Форма каркаса может быть разной - даже круглой. Очевидное преимущество такой конструкции заключается в надежной фиксации парусов - они не смогут свернуться и ими легко управлять (поворачивать под разным углом к свету).

Существуют проекты парусов, не имеющих каркаса - так называемая “вращающаяся конструкция”. Эти модели выполнены в виде лент, закрепленных на космическом аппарате. Как следует из названия, раскрытие парусов этого типа обеспечивается вращением корабля вокруг своей оси. Центробежные силы (на концах лент закреплен небольшой груз) вытягивают их в разные стороны, позволяя обойтись без тяжелого каркаса. Теоретически, такая конструкция обеспечивает более высокую скорость передвижения в космосе, чем каркасная, за счет своего малого веса.

Таковы основные варианты строения солнечного паруса. Предлагаются также и другие модели, например - полотна, свободно парящие в космосе и прикрепленные к кораблю при помощи тросов. Это - своеобразный “гоночный” вариант парусов - при всех их скоростных преимуществах они ненадежны и сложны в управлении.

Еще один вариант (хотя некоторые исследователи и склонны выводить его в отдельный класс транспортных средств будущего) - это так называемый “плазменный парус”.

Плазменные паруса будут представлять собой миниатюрную модель магнитного поля Земли. Точно так же, как наше магнитное поле прогибается под напором солнечного ветра, магнитное поле (диаметром 15-20 километров), окружающее космический корабль, будет отступать под давлением заряженных частиц.

Что день грядущий нам готовит?

9 августа прошлого года японский институт космонавтики (ISAS) произвел запуск и развертывание двух полноценных солнечных парусов на низких орбитах (122 и 169 км.).

Но страна восходящего солнца не стала первой в области испытаний солнечных парусов. Пальма первенства (с некоторыми оговорками) опять принадлежит России - 4 февраля 1993 года был проведен эксперимент “Знамя-2” с развертыванием 20-метровой тонкопленочной конструкции за счет использования центробежных сил на борту корабля “Прогресс М-15”, пристыкованного к орбитальной станции “Мир”.

Почему это первенство с оговорками? Дело в том, что основной задачей эксперимента было не испытание тяговых качеств этого полотна, а освещение участка земной поверхности отраженным светом - еще одна вполне реальная функция солнечных парусов.

На эту весну (предположительные сроки - нынешний месяц) был запланирован кластерный (на одной ракете класса “Днепр”) запуск спутников АКС-1 и АКС-2 компании “Космотранс”. Каждый из них весит около двух килограммов (контейнер 30х30х40 см.) и несет в себе солнечный парус размером с теннисный корт (толщина - 2 микрометра).

На поверхности пленки будут смонтированы позолоченные сенсоры, регистрирующие динамику распределения зарядов по площади паруса над сейсмоопасными районами Земли.

Помимо испытаний ходовых качеств космических парусников, предполагается провести ряд экспериментов по сверхчувствительному зондированию земной поверхности (предсказание землетрясений) и освещению ее пятном света диаметром в пять километров. Спутники будут выведены на 800-километровую орбиту и смогут находиться там на протяжении нескольких столетий.

Словом - если посмотреть на состояние дел в области развития космоплавания (Циолковский, кстати, называл космонавтику именно так), то освоение ближайших планет солнечной системы перестает быть научной фантастикой. В настоящее время солнечный парус - самый перспективное устройство для передвижения в космосе, имеющее целый ряд преимуществ перед химическими ракетными двигателями. Кто знает, может быть, через 20-30 лет мы с вами сможем купить билет на космический парусник и полететь в отпуск на Марс?

Как почитать?

“Солнечный ветер” , Артур Кларк - рассказ (и одноименная антология) о гонке космических парусников.

“Мошка в зенице Господней” , Ларри Нивен, Джерри Пурнелл - в книге показан инопланетный корабль, приводимый в движение при помощи солнечного паруса и лазера.

“Мир Роша” , Роберт Лалл Форвард - цикл романов, в котором описывается межзвездное путешествие на солнечном парусе, освещаемом лазером.

“Путь на Амальтею” , “Стажер” , А. Стругацкий, Б. Стругацкий - описан космический грузовик “Тахмасиб”, оснащенный генератором фотонов на термоядерной плазме и 750-метровым отражателем.

Солнечный парус представляет собой конструкцию, призванную заменить типовые ракетные двигатели на нашем пути к далеким звездам.

Человечество давно использует свойство паруса передвигать предметы по воде или суше при помощи энергии ветра. Как ни странно это может звучать, но в эпоху освоения космоса мы снова вернулись к этому проверенному средству. В этот раз вместо ткани используется тончайшая зеркальная поверхность, а роль ветра играет движущая сила солнечного света.

Преимущество применения такой конструкции – это возможность совершать полет без ограничений временными рамками. Любое топливо, используемо для космических аппаратов, когда-либо заканчивается, а кванты солнечного света, посылающие импульс на поверхность тел, не иссякнуть еще несколько миллиардов лет.

Как это работает?

Идея создания космического аппарата, использующего солнечный парус, разрабатывалась советским ученым, стоявшим у истоков ракетостроения, Фридрихом Цандером. В 1924 году он написал статью «Перелеты на другие планеты», в которой представил схему конструкции паруса и принципы его работы. Цандер построил свою теорию на опытах П. Н. Лебедева, подтвердивших существование давления света. Теоретическую основу этого явления обосновал Дж. Максвелл в 1873 году, но в те времена многие ученые отнеслись к ней со скептицизмом. Частицей, создающий такой импульс, является фотон. Он наделен свойствами электромагнитной волны и частицы, не имеет заряда и является квантом света. Поток фотонов оказывает определенное давление на освещаемую поверхность. Для использования на космических кораблях необходим парус размером порядка нескольких квадратных километров.

Давление, создаваемое потоком солнечного света (фотонами), заставит аппарат двигаться в сторону от Солнца, при этом не будет расходоваться ракетное топливо. По аналогии с морскими парусами происходит маневрирование в космосе. Изменяя угол расположения конструкции, можно корректировать направление полета. Недостатком использования паруса является отсутствие возможности движения к Солнцу. При большом удалении от нашей звезды фотонный поток слабеет пропорционально квадрату расстояния, а на границе системы его сила упадет до 0. Поэтому чтобы обеспечить стабильный поток света и начальный разгон паруса, необходимы мощные лазерные установки. На сегодня разработаны конструкции двух типов: разгоняемые электромагнитными волнами и фотонными импульсами.

Из чего изготавливают парус?

Для межпланетных полетов важным аспектом является вес корабля и количество ракетного топлива. Применение солнечного паруса в качестве замены двигателя позволит значительно снизить эту нагрузку. Материал для его изготовления должен быть легким и прочным, иметь высокую отражающую способность. Добавление металлических ребер повышает безопасность использования, ведь полотно подвергается ударам метеоритов.

Плотность поверхности материала из композитного волокна не превышает 1 г/м3, а его толщина – несколько микрон. Из существующих вариантов самыми перспективными считаются каптон и милар – тончайшие полимерные пленки с алюминиевым покрытием. Разработка новых нанотехнологий открывает удивительные перспективы в производстве солнечных парусов, их можно создавать перфорированными и практически невесомыми, а это означает повышение эффективности использования.

Первые испытания

В рамках российского проекта «Знамя-2», созданного для экспериментов с отражателями, в 1993 году был впервые развернут солнечный парус. Размер конструкции из тонкой пленки с отражающим покрытием составил 20 метров. Японскими учеными была создана модель солнечного паруса, состоящая из четырех лепестков, в качестве материала использовалась сверхтонкая полиамидная пленка в 7,5 мкм. Конструкция была установлена на спутник IKAROS, который ракета-носитель вывела на орбиту 21 мая 2010 года. Испытания солнечного паруса начались с его раскрытия, полотно в 200 кв. м было успешно расправлено. Второй этап миссии, состоящий в регулировании скорости и направления, также был осуществлен.

При поддержке Планетарного общества США НПО им. Лавочкина разработало и создало конструкцию солнечного паруса, состоящую из 8 лепестков. Его поверхность покрывал слой алюминия, а прочность обеспечивало армирование. Запуск аппарата осуществлялся ракетой «Волна», которая из-за технического сбоя рухнула в море. Дальнейшие работы над проектом пока остановлены.

Перспективы использования солнечного паруса

В 2014 году NASA запустило в космос свой солнечный парус из каптона – термостойкого пластика, выдерживающего колебание температуры от +400 до -273 градусов Цельсия. Этот материал был разработан химической компанией DuPont. Рекордный по размеру проект, крупнейший из всех созданных на данный момент, имеет площадь 1200 м2. Его назвали Sunjammer. Он должен выяснить практическую эффективность использования солнечного паруса при межпланетных полетах. Предполагается удаление от Земли на 3 млн. км за счет действия потока фотонов. Аппарат, толкаемый солнечным ветром, направляется к первой точке Лагранжа.

В ближайших планах ученых – оснащение солнечными парусами аппаратов, наблюдающих за активностью нашей звезды. Они смогут вовремя предупреждать землян о возникающих вспышках и катаклизмах на Солнце. Созданный в России консорциум «Космическая регата», планировавший участие в конкурсе конгресса США по выведению на орбиту кораблей с солнечными парусами, успешно работает в области использования солнечных отражателей для освещения районов добычи газа.

Рождение Солнечного паруса

Когда родилась идея Звездного паруса, паруса Космических кораблей? Быть может когда был построен первый парусный корабль, или маленькая лодка под маленьким парусом?

Из истории науки достоверно изветсно, что cолнечный парус как таковой был изобретен другим русским ученым - Фридрихом Артуровичем Цандером (1887 - 1933). Он впервые рассмотрел несколько конструкций этого устройства, наиболее целесообразная из которых была подробно описана им в 1924 году в неопубликованном варианте статьи “Перелеты на другие планеты”.

Лазер может толкать солнечный парус на огромные расстояния.

Цандер также принимал участие в создании первой советской жидкотопливной ракеты (она была испытана в 1933 году вскоре после его смерти), создал чертежи крылатой ракеты и впервые предложил выращивать на борту космического аппарата растения, чтобы обеспечивать космонавтов кислородом и едой. Именем Цандера назван кратер на луне, а Латвийская Академия Наук учредила ежегодный приз (по физике и математике) имени этого выдающегося ученого.

Солнечный парус - путь к звездам

Солнечный парус-характеристики

На орбите Земли (1 астрономическая единица расстояния от Солнца) парус массой 0,8 г/м2 испытывает примерно такое же по силе воздействие солнечного света. Давление обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Заметим, что парус может быть гораздо тяжелее - и все равно он останется более-менее функциональным, хотя и не сможет самостоятельно раскрываться под действием солнечного ветра (придется разворачивать его механическим путем).

На первый взгляд, космический парус очень медлителен. Да, действительно, начальные этапы его разгона будут напоминать гонки черепах. Однако не следует забывать, что ускорение действует постоянно (для паруса массой 0,8 г/м2 начальное ускорение будет равно 1,2 мм/с2). В условиях безвоздушного пространства это позволит достичь огромных скоростей за весьма короткие сроки.

Теоретически, корабль с космическим парусом способен достичь скорости в100000 км/с и даже выше. Если в 2010 году запустить в космос такой зонд, то (в идеальных условиях) в 2018 он догонит “Вояджер-1”, которому для этого путешествия потребовался 41 год. В настоящее время “Вояджер-1” (запущенный в 1997) находится от нас на расстоянии в 12 световых часов и является самым удаленным от Земли космическим кораблем.

Материя и форма Солнечного паруса

Для межзвездных полетов космическому паруснику необходимо набрать невероятную скорость. Для этого ученые предлагают начинать путешествие не с земной орбиты, а с места поближе к Солнцу (например, с орбиты Меркурия). Это позволит значительно увеличить эффективность солнечного паруса, однако потребует для него более прочных, термостойких материалов. Согласно расчетам агентства NASA (США), при таком старте космический “парусник” достигнет Альфы Центавра за 32 года.

Форма (конструкция) парусов имеет едва ли не большее значение, чем материал, из которого они сделаны.

.

Каркасный солнечный парус.

Солнечный парус

Модель вращающегося солнечного паруса.

Свободно парящее полотно космического паруса (рисунок с сайта NASA).

Еще один вариант (хотя некоторые исследователи и склонны выводить его в отдельный класс транспортных средств будущего) - это так называемый “плазменный парус”.

Изобретения

Но страна восходящего солнца не стала первой в области испытаний солнечных парусов. Пальма первенства (с некоторыми оговорками) опять принадлежит России - 4 февраля 1993 года был проведен эксперимент “Знамя-2 ” с развертыванием 20-метровой тонкопленочной конструкции за счет использования центробежных сил на борту корабля “Прогресс М-15”, пристыкованного к орбитальной станции “Мир”.

Солнечный парус модель

Миниатюрная (1 квадратный метр) модель солнечного паруса из милара.

НАСА выбрало три разработки, которые непременно окажутся в космосе

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства определилось с так называемыми Technology Demonstration Missions, в число которых входят преобразование космической связи, навигация в глубоком космосе и двигатель для работы в космосе.

Отобраны следующие проекты: лазерная система космической связи, атомные часы и солнечный парус.

НАСА решило инвестировать именно в эти революционные технологии, поскольку они, как полагает ведомство, смогут стать основой космических программ будущего, а также, как ни странно, сократить расходы.

Наука и техника / Космос / Космонавтика и исследования космоса /

Атомные часы и спутник Iridium (иллюстрация НАСА).

«Демонстрация передачи данных с помощью лазера» (Laser Communications Relay Demonstration) - проект Дэвида Изрейла из Годдардовского центра космических полётов НАСА. Оптические технологии обещают «утолщение» канала связи с космическими аппаратами в 100 раз по сравнению с тем, что есть сегодня.

«Атомные часы глубокого космоса» (Deep Space Atomic Clock) - задумка Тодда Илая из Калифорнийского технологического института, аффилированного также с Лабораторией реактивного движения НАСА. В рамках этого проекта будут созданы и отправлены в космос на одном из спутников Iridium миниатюрные часы на ионах ртути, которые должны быть в 10 раз точнее нынешних систем.

«По ту сторону камеры Плам-Брук» (Beyond the Plum Brook Chamber) - так названа разработка и демонстрация солнечного паруса, которой занимается Натан Барнс из корпорации L"Garde. Плам-Брук - это полевая станция Исследовательского центра НАСА им. Джона Гленна, где расположена крупнейшая в мире вакуумная камера для имитации космических условий. Там, в частности, тестируют будущие космические корабли, комплектующие и материалы. Так вот, площадь нового солнечного паруса, как обещано, в семь раз превысит нынешние разработки. Как минимум, его можно будет использовать в качестве очень точного орбитального датчика солнечного ветра, а также сборщика космического мусора.

Два последних проекта будут готовы к полёту в течение трёх лет. Создатели лазерной связи попросили все четыре. Общий размер инвестиций составляет $175 млн. Дополнительные средства предоставят партнёры, заинтересованные в разработках.

***
Изобретен световой межпланетный корабль

Профессор Лос-Анджелесского университета изобрел модель сверхбыстрого корабля для межпланетных путешествий, который, как и солнечный парус, движется за счет света. В отличие от "паруса", новый корабль не отражает свет, а превращает его в электричество с помощью гигантской солнечной батареи, которая передает затем энергию ионным двигателям. Об этом сообщает EurekAlert.

Батарею предлагают сделать гибкой, чтобы ее можно было развернуть уже в космосе. "Электрическая мембрана" площадью в несколько тысяч квадратных метров позволит добраться до Плутона менее чем за год, разгоняясь при этом до скорости в сотни тысяч километров в час. Сотрудник NASA, прокомментировавший эту работу, заметил, что такое изобретение может пригодиться и для межзвездных экспедиций, когда источник света доступен только в самом начале пути. Пока нужных материалов для изготовления "мембраны" не придумано, но ученые надеются на быстрое развитие нанотехнологий.

(рисунок -выше)

Современные аппараты, которые отправляются на периферию Солнечной системы, используют ядерное горючее и движутся заметно медленнее. Так, зонд NASA New Horizons, запущенный в январе и снабженный плутониевым двигателем, достигнет окрестностей Плутона только через девять лет.
Солнечный парус компании L"Garde. Людей рядом с ним почти не видно... (Фото L’Garde Inc.)
Пока, однако, ни один запуск солнечного паруса (или родственных конструкций) не был успешным. В июне прошлого года российская ракета с частным "парусником" утонула, как и при первой попытке вывести аппарат на орбиту в 2001 году. С другой стороны, известно, что "паруса" безо всякого груза удавалось развернуть космонавтам вблизи станции "Мир" и шаттла.

Японский космический аппарат IKAROS
успешно расправил солнечный парус и
готовится к межпланетному полету

Согласно данным, полученным от представителей космического агентства Японии JAXA, успешно завершена операция по разворачиванию в космосе первого солнечного паруса космического аппарата IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun). Но, тем не менее, развертывание паруса еще не является успехом всей миссии. Космический аппарат IKAROS должен начать двигаться под воздействием солнечного ветра, руководители миссии ожидают, что влияние солнечного ветра на движение аппарата можно будет зарегистрировать не ранее, чем несколько недель. Только после этого момента станет ясно, работает ли вообще солнечный парус.

Парус космического аппарата изготовлен из тончайшей, 0.00076 см, полимерной пленки покрытый тонким слоем солнечных батарей. Когда фотоны света ударяются в парус, они поглощаются или отражаются, сообщая ему дополнительный импульс силы, которая разгоняет космический аппарат. Фотоны являются очень маленькими частицами и их импульс весьма мал, но, учитывая их огромное количество, можно надеяться, что в течение долгого времени космический аппарат накопит достаточную для полета скорость.

Из-за того, что этот космический аппарат приводится в движение Солнцем, он не нуждается в двигателе и другом источнике энергии, что делает такие аппараты главными претендентами для полетов в межзвездном пространстве. Поскольку солнечный парус является и солнечной батареей, то дополнительная полученная электроэнергия может накапливаться и использоваться для движения в те моменты, когда солнечный ветер попросту отсутствует.

Конечно, ничего из всего вышесказанного не будет действовать, если солнечный парус не развернется должным образом. Специалисты JAXA смогли обеспечить правильное разворачивание паруса, раскрутив достаточно быстро космический аппарат вокруг оси, после чего парус развернулся под воздействием центробежных сил.

К звездам на острие луча

Д октор Роберт Л. Форвард Симпозиум по межзвездным сообщениям и путешествиям.
Филадельфия, Пенсильвания.

Хотя и существует возможность использовать термоядерный синтез и антиматерию для медленного пут ешествия к самым близким звездам, вполне может быть, что ракета - не лучшее транспортное средство для межзвездного полета. Все ракеты состоят из полезной нагрузки, запаса реактивной массы, источник энергии, двигателя, движителя и конструкции все это соединяющей. Но имеется целый класс космических аппаратов, которые не должны нести никаких источников энергии, реактивной массы и даже двигателя на борту и состоят только из полезной нагрузки и движителя. Эти космические аппараты разгоняются энергией излучения внешнего источника. Опубликовано много работ, предлагающих разные идеи, реализующие такой привод. Три из них я хочу здесь обсудить. Первый - зонд, приводимый в движение выстреливаемыми шариками или пылинками материи. Маленькие пылинки вещества разгоняются в Солнечной системе и направляются на межзвездный зонд, где они перехватываются и отдают свой импульс кораблю. Так же мы рассмотрим идею использовать мазер для разгона зонда, который является, по сути, большой сеткой. Это зонд-парус из проволочной сетки с микросхемами в ее узлах. Парус-сетка помещается в поток микроволнового излучения и быстро разгоняется им. Высокое ускорение позволяет такому парусу достигнуть скорости сравнимой со скоростью света до того как линза уже не сможет фокусировать на нем энергию излучения. По прибытию такого корабля в чужую звездную систему передатчик у Земли опять направляет в сторону зонда микроволновую энергию. Используя провода сетки как антенны, микросхемы собирают эту энергию для питания оптических датчиков и своих логических схем, чтобы накопить научную информацию и получить изображение далекой планетной системы. Полученная картинка отправляется назад, на Землю. Третья схема привода - это разгоняемый лазером световой парус . Здесь большой парус из светоотражающего материала разгоняется к звездам давлением света, который генерирует большая батареей лазеров расположенных на орбите возле Солнца. Такой световой парус достиг бы релятивистских скоростей за несколько лет. По прибытию к цели, часть паруса в центре, отделяется от основного и ориентируется так, чтобы находиться перед большим кольцевым парусом который продолжает лететь вперед. Лазерный луч, посланный из Солнечной системы, отражается от большого кольцевого паруса, который теперь выполняет роль отражающего зеркала, и попадает на обратную сторону малого паруса. Отраженный таким образом луч из Солнечной системы тормозит малый парус и обеспечивает выход на орбиту звезды назначения. После того как команда исследует эту звездную систему в течении нескольких лет, еще один кольцевой парус, возвращает экспедицию назад, отделяется от паруса торможения. Лазерный луч из солнечной системы в этот раз опять переотражается от этого кольцевого паруса, разгоняя возвращаемый, еще меньший парус в направлении дома. Поскольку на этот раз парус летит в сторону Солнечной системы, луч, направленный на него при подлете, затормозит возвращающуюся экспедицию.

Оценка ракетной технологии

Нет никакой необходимости использовать именно ракетный принцип, чтобы построить межзвездный корабль. Если мы используем концепцию классической ракеты, мы обнаруживаем, что любое подобное устройство состоит из полезной нагрузки, топлива (реактивной массы), источника энергии, двигателя, который сообщает энергию топливу (реактивной массе), движителя, то есть устройства, превращающее импульс реактивной массы в импульс корабля, и конструкции все это соединяющей. Классическая химическая ракета совмещает реактивную массу и источник энергии в химическом топливе. Но так как любая ракета должна нести отбрасываемую реактивную массу наряду со всем остальным, возможности разгона такого корабля существенно ограничены. Для миссий, у которых конечная скорость v больше чем скорость истечения u , необходимый запас топлива (отбрасываемой массы) возрастает как экспонента отношения v/u .
Можно придумать другой тип транспортного средства, которое не использует ракетный принцип (то есть не несет всю реактивную массу на борту) и таким образом избегает экспоненциального роста массы топлива, неизбежного в случае классической ракеты. Некоторые из таких идей превосходные кандидат на роль идеального межзвездного корабля. Например, прямоточная система Бассарда (Bussard interstellar ramjet ). Межзвездная прямоточная система не несет на себе никакого запаса реактивной массы и даже энергии, потому что она использует специальный коллектор чтобы собирать атомы водорода, которые имеются в "пустоте" космоса. Собранные атомы водорода используются как термоядерное топливо в двигателе, где энергия синтеза применяется для разгона продуктов реакции (обычно атомов гелия) которые и обеспечивают тягу для путешествия. К сожалению никто пока не знает как построить реактор на синтезе голых протонов и как создать коллектор для сбора водорода (который должен быть очень большой в диаметре и очень легкий по массе).

Тяга на энергии излучения

И меется целый класс других космических кораблей, которые не должны нести с собой никаких источников энергии, запаса реактивной массы и даже никаких двигателей. Они состоят только из полезной нагрузки, движителя и, разумеется, конструкции все это соединяющей. Это корабли, приводимые в движение энергией излучения из внешнего источника. В такой схеме все тяжелые части (запас реактивной массы, источник энергии и двигатель) остаются дома, в Солнечной системе. Здесь, вокруг Солнца всегда имеется неограниченный запас всегда доступного топлива и мощный источник энергии (избыток обычного солнечного света). Оставленный дома двигатель может обслуживаться, ремонтироваться и даже модернизироваться по ходу миссии. Немало идей таких приводов на излучении были опубликованы в литературе. Три будут здесь рассмотрены. Все эти версии привода могут быть построены при разумной экстраполяции уже существующей на сегодняшний день технологии. Первый - это привод на луче материи (выстреливаемых частичках вещества), второй - микроволновый парус-сетка, третий - лазерный парус.

Зонд, разгоняемый лучом материи

Концепция "разгоняемого лучом материи зонда" состоит в том, что маленькие частички вещества (шарики или пылинки) разгоняются ускорителем в солнечной системе и аккуратно направляются на межзвездный зонд, где те захватываются и передают свой импульс космическому кораблю. При использовании маленьких порций вещества фундаментальные ограничения электромагнитных волн при увеличении расстояния до цели могут быть легко преодолены. Поэтому, кажется куда разумней использовать луч частичек, чем луч фотонов для передачи импульса на большие расстояния. Шарики-частички могут быть запущены очень длиным и мощным линейным ускорителем. Он должен быть установлен в Солнечной системе, и использовать для разгона частичек либо энергию Солнца, либо ядерную энергию.
Поток частичек должен быть очень аккуратно нацелен сразу же после запуска и, возможно, нужна будет повторная переколлимация (поднастройка) еще несколько раз в процесс полета. Луч вещества, в конце концов, должны быть перехвачены и отражены назад межзвездным зондом, который примет от них разгонный импульс.
Кажущаяся важной, на первый взгляд, абсолютная точность прицеливания пусковой установки, не является на самом деле серьезной проблемой. Зонд может детектировать положение летящего на него потока частиц и сам корректировать свое положение, всегда оставаться в его центре. Ряд корректирующих форму и направление луча станций могли бы находиться далеко от ускорителя по направлению движения потока частичек. Например, каждая очередная такая станция могла бы находится в три раза дальше, чем предыдущая и производить одну треть настройки (коллимации) скорости и формы потока.
Грубая настройка луча могла бы быть выполнена электромагнитным или статическим полем, а тонкая коррекция может выполняться световым давлением лазера, потоком плазмы или потоком нейтральных частиц.
Один из методов захвата высокоскоростных частиц на борту разгоняемого корабля состоит в том, чтобы испарять подлетающие твердые нейтральные шарики импульсом фотонов или частиц, превращая те в плазму. После этого заряженную плазму можно отражать магнитным полем наподобие того, что отражает плазму в "магнитном сопле" ("магнитной пробке" или зеркале) на пульсирующих термоядерных ракетных двигателях . Габариты магнитного зеркала должны быть приняты из расчета того, что по крайней мере радиус витка подлетающего иона протона, будет 3 метра при скорости подлетающих частичек 0.1 С и магнитном поле напряженностью 10 Тесла.
Развивая дальше эту концепцию, можно предположить такое изменение состава и скорости шариков-частичек, чтобы они представляли из себя термоядерное топливо, подлетающее к зонду с относительно низкой скоростью, поэтому они не отражаются, а улавливаются и используются в термоядерном двигателе для разгона и торможения.
Торможение у цели так же может быть реализовано с применением данной схеме привода. От основного корабля отделяется беспилотный щит, от которого частицы луча материи рикошетят и подлетают к основному кораблю со стороны цели, обеспечивая ему тормозное ускорение.
Возможно, однажды где-нибудь войдет в строй "межзвездный хайвей"? Тогда поток частиц будет запускаться с двух сторон, что обеспечит относительно простое и удобное двусторонне движение по нему.

Starwisp ("Звездная дымка") - разгоняемый мазером зонд-сетка

Starwisp ("Звездная дымка") - это сверхлегкий, высокоскоростной межзвездный флай-бай зонд (зонд-робот исследующий цель без торможения, пролетая мимо нее) разгоняемый потоком микроволнового излучения . Основа конструкции: парус в виде тонкой проволочной сетки, в узлах которой расположены микросхемы. Парус-сетка разгоняется с большим ускорением мощным микроволновым лучом, который фокусируется на его поверхность большой сегментной плоской линзой, состоящей из концентрических колец, в которых чередуется кольца, заполненные металлической сеткой с кольцами пустого пространства (см. рис 1). Такая конфигурация колец будет работать как простая, но эффективная линза для микроволнового луча.
Длина микроволн намного больше, чем ячейки в сетке "Starwisp", поэтому ажурный парус для микроволнового излучения столь же непроницаема как толстый лист металла. Когда микроволны налетают на проволочную сетку, они отражаются от нее в обратном направлении. В результате импульс отраженных микроволн передается сетке-парусу. Величина импульса невелика, но если парус легкий, а мощность микроволнового луча достаточна, итоговое ускорение корабля может быть во много раз больше ускорения свободного падения на Земле (g). Большое ускорение зонда в микроволновом луче позволяет "Звездной дымке" достичь околосветовой скорости, все еще находясь недалеко от фокусирующей линзы - в пределах Солнечной системы.
Перед прибытием зонда к цели, передатчик микроволн у Земли снова включается и буквально затапливает звездную систему-цель потоком микроволновой энергии. Используя проволочные ячейки сетки как антенны, микросхемы "Starwisp" собирают достаточное количество энергии для их оптических датчиков и логических схем, чтобы увидеть и сформировать образ планет, находящихся в системе. Направление, с которого поступают микроволны воспринимается буквально в каждой ячейке сетки и эта информация о направлении используется микросхемами корабля для того чтобы использовать ячейки на этот раз как микроволновые антенны, излучающие сигнал обратно к Земле, содержащий данные о открывшейся зонду картине.

подробнее http://go2starss.narod.ru/pub/E001_FBPPS.html

Лазерный световой парус

Один из лучших методов путешествия к звездам, был бы метод, использующий большой парус из светоотражающего материала разгоняемый давлением луча сгенерированного большой батареей лазеров, расположенных на низкой орбите возле Солнца. . С такой технологией мы могли бы строить космические корабли, которые могут не только нести большую команду людей с приличной скоростью к ближайшим звездам, но и смогли бы затормозить экспедицию у цели исследования, а потом и вернуть команду назад на Землю. Мы могли бы совершить такой полет в пределах одной человеческой жизни.
В системе с лазерным световым парусом свет от мощного лазера отражается от большого зеркального паруса окружающего полезную нагрузку. Световой парус изготавливается из тончайшей алюминиевой пленки прошитой тонкой и прочной структурой силовых швов (такелажем), на которую в свою очередь подвешена полезная нагрузка. Световое давление лазерного света толкает парус и полезную нагрузку создавая необходимую тягу.
Звездолет на лазерном световом парусе настолько далек от концепции ракеты, насколько это возможно. Такой звездолет состоит только из полезной нагрузи и паруса, который является и движителем и несущей структурой корабля. Двигатель нашего звездолета - лазер (их батарея), источник энергии - Солнце, и топливом (реактивной массой) является лазерный свет сам по себе.
Парус, который будет использовать световой корабль, является развитием версии солнечного паруса, который был спроектирован Лабораторией Реактивного Движения NASA (Jet Propulsion Laboratory) для встречи с кометой Галлея и быстрого полета в пояс астероидов. Необходимые для разгона лазеры были бы более мощной версией высоко-мощных лазерных батарей лихорадочно исследуемых сейчас по программе Стратегической Оборонной Инициативе Департаментом Вооружений (в СССР называемой СОИ, а в США - SDI Space Defense Initiative. прим. пер. ). Очень важно понимать, что мы не нуждаемся ни в каких крупных научных открытиях, чтобы построит такой звездолет. Основные физические принципы лазеров, фокусирующая линза, и парус - все это нам уже известно. Все что требуется, дабы построить лазерный парусный звездолет реально и в металле - много конструкторского труда (и много денег).