Недавнее исследование, представленное Acta Astronautica и в настоящее время доступное на сервере препринтов arXiv, исследует потенциал использования аэрографитовых солнечных парусов для путешествий на Марс и в межзвездное пространство, что может значительно сократить как время, так и топливо, необходимое для таких миссий. Это исследование проводится в то время, когда множество организаций проводят текущие исследования по использованию солнечных парусов наряду с успешной миссией LightSail2, проводимой Планетарным обществом, и обладают потенциалом для разработки более быстрых и эффективных двигательных систем для долгосрочных космических миссий. «Солнечный парус обладает потенциалом для быстрой доставки небольших грузов (менее килограмма) по всей Солнечной системе», — говорит доктор Рене Хеллер, астрофизик из Института Макса Планка по исследованию солнечной системы и соавтор исследования, рассказывает Universe Today.
«По сравнению с традиционными химическими двигателями, которые могут доставить сотни тонн полезного груза на низкую околоземную орбиту и доставить большую часть этого груза на Луну, Марс и за его пределы, это звучит смехотворно мало. Но ключевая ценность технологии солнечных парусов заключается в том, что скорость." В отличие от обычных ракет, которые используют топливо в виде химических веществ для воздействия на заднюю часть космического корабля, солнечные паруса не требуют топлива. Вместо этого они используют солнечный свет в качестве движущей силы, поскольку гигантские паруса улавливают солнечные фотоны так же, как ветровые паруса ловят ветер при движении по воде. Чем дольше развернуты солнечные паруса, тем больше солнечных фотонов захватывается, что постепенно увеличивает скорость космического корабля. Для исследования исследователи провели моделирование того, как быстро солнечный парус из аэрографита массой до 1 килограмма (2,2 фунта), включающий 720 граммов аэрографита с площадью поперечного сечения 104 квадратных метра, сможет достичь Марса и межзвездная среда, также называемая гелиопаузой, с использованием двух траекторий от Земли, известных как методы прямого переноса наружу и внутрь переноса соответственно.
Метод прямого перемещения наружу как для полета на Марс, так и для гелиопаузы включал в себя развертывание и уход солнечного паруса непосредственно с полярной орбиты вокруг Земли. Исследователи определили, что нахождение Марса в оппозиции (прямо напротив Земли и Солнца) в момент развертывания солнечного паруса и отлета от Земли даст наилучшие результаты как по скорости, так и по времени путешествия. То же самое развертывание и вылет на полярную орбиту использовалось и для траектории гелиопаузы. При использовании метода внутренней транспортировки солнечный парус будет доставлен на расстояние примерно 0,6 астрономических единиц (а.е.) от Солнца с помощью традиционных химических ракет, где солнечный парус развернется и начнет свое путешествие либо к Марсу, либо к гелиопаузе. Но как аэрографитовый солнечный парус сделает это путешествие более осуществимым?
«Благодаря своей низкой плотности в 0,18 килограмма на кубический метр аэрографит превосходит все традиционные материалы для солнечных парусов», — рассказал Universe Today Юлиус Карлапп, научный сотрудник Дрезденского технологического университета и ведущий автор исследования. «По сравнению с майларом (металлизированной полиэфирной фольгой), например, плотность на четыре порядка меньше. Если предположить, что тяга, развиваемая солнечным парусом, напрямую зависит от массы паруса, то результирующая сила тяги гораздо выше. Помимо преимущества в ускорении, у аэрографита потрясающие механические свойства». Благодаря этому моделированию исследователи обнаружили, что метод прямого перемещения наружу и метод внутреннего перемещения привели к тому, что солнечный парус достиг Марса за 26 дней и 126 дней соответственно, причем первые 103 дня — это время пути от Земли до точки развертывания на расстоянии 0,6 а.е.
Для путешествия к гелиопаузе оба метода составили 5,3 года и 4,2 года соответственно, причем первые 103 дня метода внутреннего переноса также были посвящены времени путешествия от Земли до точки развертывания на расстоянии 0,6 а.е. Причина, по которой гелиопауза достигается быстрее при использовании метода внутреннего перемещения, заключается в том, что солнечный парус достигает максимальной скорости за 300 дней, в отличие от достижения максимальной скорости при использовании метода внешнего перемещения примерно за два года. Текущее время путешествия на Марс колеблется от 7 до 9 месяцев, что происходит только во время определенных окон запуска каждые два года, при этом положение обеих планет должно быть выровнено как при запуске, так и при прибытии любого космического корабля, направляющегося на Марс или прилетающего с него. Оценить текущее время пути к гелиопаузе можно с помощью зондов НАСА «Вояджер-1» и «Вояджер-2», которые достигли гелиопаузы примерно через 35 и 41 год соответственно.
Исследователи отмечают, что одним из основных вопросов использования солнечных парусов является торможение или замедление по прибытии в пункт назначения, в частности на Марс, и хотя они упоминают аэрозахват как одно из решений, они признают, что это все еще требует дальнейшего изучения. «Маневры аэрозахвата по гиперболическим траекториям (например, полет с Земли на Марс) используют атмосферу для постепенного снижения скорости из-за сопротивления», — доктор Мартин Таймар, физик и профессор космических систем в Дрезденском технологическом университете и соавтор. Автор исследования сообщает Universe Today. «Поэтому для выхода на марсианскую орбиту требуется меньше топлива. Мы используем этот маневр торможения, чтобы исключить необходимость в дополнительных тормозных двигателях, что, в свою очередь, уменьшает массу космического корабля. В настоящее время мы изучаем, какие альтернативные стратегии могут работать для нас. Однако метод торможения — лишь одна из многих проблем, с которыми мы сталкиваемся в настоящее время». Хотя технология солнечных парусов была предложена НАСА еще в 1970-х годах, недавним примером технологии солнечных парусов является NASA Solar Cruiser, запуск которого в настоящее время запланирован на февраль 2025 года.
