|
Космические аппараты, оснащенные солнечным парусом
|
|
|
|
Растущая космическая индустрия и технологии, на которые все больше полагается общество, — электрические сети, авиация и телекоммуникации — подвержены одной и той же угрозе: космической погоде.
|
|
|
|
Космическая погода включает в себя любые изменения в космической среде между Солнцем и Землей. Один из распространенных типов явлений космической погоды называется межпланетным корональным выбросом массы.
|
|
|
|
Эти выбросы представляют собой скопления магнитных полей и частиц, исходящих от Солнца. Они могут перемещаться со скоростью до 1242 миль в секунду (2000 километров в секунду) и могут вызывать геомагнитные бури.
|
|
|
|
Они создают прекрасные полярные сияния, подобные северному сиянию, которое иногда можно увидеть в небе, но также могут нарушить работу спутников, отключить электросеть и подвергнуть астронавтов, которые в будущем отправятся на Луну и Марс, смертельным дозам радиации.
|
|
|
|
Я гелиофизик и эксперт по космической погоде, и моя команда возглавляет разработку спутниковой группировки нового поколения под названием SWIFT, которая предназначена для заблаговременного прогнозирования потенциально опасных явлений космической погоды. Наша цель - более точное и раннее прогнозирование экстремальной космической погоды.
|
|
|
|
|
|
|
Опасности, связанные с космической погодой
|
|
|
|
Коммерческие интересы в настоящее время составляют значительную часть исследований космоса, сосредоточенных на космическом туризме, создании спутниковых сетей и работе по добыче ресурсов на Луне и близлежащих астероидах.
|
|
|
|
Космос также является важной областью для военных операций. Спутники обеспечивают необходимые возможности для военной связи, наблюдения, навигации и разведки.
|
|
|
|
Поскольку такие страны, как США, все больше зависят от космической инфраструктуры, экстремальные явления космической погоды представляют все большую угрозу. Сегодня космическая погода угрожает активам на сумму до 2,7 трлн долларов США по всему миру.
|
|
|
|
В сентябре 1859 года самое мощное из зарегистрированных явлений космической погоды, известное как событие Кэррингтона, вызвало пожары в Северной Америке и Европе из-за перегрузки телеграфных линий. В августе 1972 года другое событие, подобное Каррингтону, едва не поразило астронавтов, находившихся на орбите Луны. Доза радиации могла оказаться смертельной. Совсем недавно, в феврале 2022 года, компания SpaceX потеряла 39 из 49 недавно запущенных спутников Starlink из-за умеренных изменений космической погоды.
|
|
|
|
Современные мониторы космической погоды
|
|
|
|
Службы космической погоды в значительной степени полагаются на спутники, которые следят за солнечным ветром, состоящим из силовых линий магнитного поля и частиц, исходящих от Солнца, и передают свои наблюдения обратно на Землю. Затем ученые могут сравнить эти наблюдения с историческими записями, чтобы предсказать космическую погоду и исследовать, как Земля может реагировать на наблюдаемые изменения в солнечном ветре.
|
|
|
|
Магнитное поле Земли естественным образом защищает живые организмы и спутники, находящиеся на околоземной орбите, от большинства неблагоприятных воздействий космической погоды. Однако экстремальные явления космической погоды могут сжимать, а в некоторых случаях и разрушать магнитный щит Земли.
|
|
|
|
Этот процесс позволяет частицам солнечного ветра проникать в нашу защищенную среду — магнитосферу, подвергая спутники и астронавтов на борту космических станций суровым условиям.
|
|
|
|
Большинство спутников, которые непрерывно следят за околоземной космической погодой, находятся на орбите относительно близко к планете. Некоторые спутники расположены на низкой околоземной орбите, примерно в 100 милях (161 километре) над поверхностью Земли, в то время как другие находятся на геосинхронной орбите, примерно в 25 000 милях (40 000 км) от нас.
|
|
|
|
На таких расстояниях спутники остаются в пределах защитного магнитного поля Земли и могут надежно измерять реакцию планеты на условия космической погоды. Однако для более непосредственного изучения приходящего солнечного ветра исследователи используют дополнительные спутники, расположенные дальше по течению — в сотнях тысяч миль от Земли.
|
|
|
|
США, Европейское космическое агентство и Индия эксплуатируют спутники мониторинга космической погоды, расположенные вокруг точки Лагранжа L1 — почти в 900 000 милях (1 450 000 км) от Земли, — где гравитационные силы Солнца и Земли уравновешиваются. С этой точки наблюдения мониторы космической погоды могут заблаговременно предупреждать о приближающихся солнечных явлениях за 40 минут.
|
|
Заблаговременное предупреждение о космической погоде
|
|
|
|
Увеличение времени предупреждения более чем на 40 минут — текущего времени предупреждения — помогло бы операторам спутников, специалистам по планированию электросетей, руководителям полетов, астронавтам и офицерам космических сил лучше подготовиться к экстремальным явлениям космической погоды.
|
|
|
|
Например, во время геомагнитных бурь атмосфера нагревается и расширяется, что увеличивает сопротивление спутников на низкой околоземной орбите. При наличии достаточного предварительного предупреждения операторы могут обновить свои расчеты сопротивления, чтобы предотвратить падение спутников и их сгорание во время этих событий. Благодаря обновленным расчетам аэродинамического сопротивления операторы спутников могли бы использовать двигательные установки спутников для выведения их на более высокую орбиту.
|
|
|
|
Авиакомпании могли бы изменить свои маршруты, чтобы не подвергать пассажиров и персонал воздействию высоких доз радиации во время геомагнитных бурь. А будущие астронавты, направляющиеся на Луну или Марс или работающие на Луне или Марсе, у которых нет защиты от этих частиц, могли бы быть заранее предупреждены о необходимости укрыться.
|
|
|
|
Любители полярного сияния также были бы рады, если бы у них было больше времени, чтобы добраться до своих любимых мест для наблюдения.
|
|
|
|
The Space Weather Investigation Frontier
|
|
|
|
Мы с моей командой разрабатываем новую группировку спутников для исследования космической погоды, получившую название Space Weather Investigation Frontier. SWIFT впервые разместит монитор космической погоды за пределами точки L1, на расстоянии 1,3 миллиона миль (2,1 миллиона километров) от Земли. Такое расстояние позволило бы ученым информировать лиц, принимающих решения, о любых явлениях космической погоды на Земле почти за 60 минут до прибытия.
|
|
|
|
Спутники с традиционными химическими и электрическими двигательными установками не смогут долго поддерживать орбиту в таком положении — дальше от Земли и ближе к Солнцу. Это связано с тем, что им потребуется постоянно сжигать топливо, чтобы противостоять гравитационному притяжению Солнца.
|
|
|
|
Чтобы решить эту проблему, наша команда потратила десятилетия на проектирование и разработку новой двигательной установки. Наше решение разработано таким образом, чтобы по доступной цене достичь расстояния, которое находится ближе к солнцу, чем традиционная точка L1, и надежно работать там более десяти лет, используя богатый и надежный ресурс — солнечный свет.
|
|
|
|
Для выхода на орбиту SWIFT будет использовать бестопливную двигательную установку, называемую солнечным парусом. Солнечный парус - это отражающая поверхность толщиной с волос, имитирующая очень тонкое зеркало, которая занимает площадь примерно в треть футбольного поля. Он уравновешивает силу легких частиц, исходящих от солнца, которая отталкивает его, с гравитацией солнца, которая притягивает его внутрь.
|
|
|
|
В то время как парусник использует подъемную силу, создаваемую ветром, обдувающим его изогнутые паруса, для перемещения по воде, солнечный парус использует импульс солнечных фотонов, отражающихся от его большого блестящего паруса, для перемещения космического корабля в космосе. И парусник, и солнечный парус используют передачу энергии из окружающей среды для обеспечения движения, не полагаясь на традиционные виды топлива.
|
|
|
|
Солнечный парус может позволить SWIFT выйти на нестабильную орбиту sub-L1 без риска исчерпания топлива.
|
|
|
|
НАСА успешно запустило свой первый солнечный парус в 2010 году. Эта демонстрация в космосе, получившая название NanoSail-D2, включала в себя парус площадью 10 м2, который был размещен на низкой околоземной орбите. В том же году Японское космическое агентство запустило более крупную миссию с солнечным парусом IKAROS, которая развернула парус площадью 2110 футов 2 (196 м2) на солнечном ветру и успешно вывела его на орбиту Венеры.
|
|
|
|
Вслед за этим Планетарное общество и НАСА запустили на низкую околоземную орбиту два паруса: световой парус площадью 32 м2 и усовершенствованную систему композитных солнечных парусов площадью 80 м2.
|
|
|
|
Демонстрационная миссия команды SWIFT на солнечных парусах Solar Cruiser будет оснащена гораздо большим парусом — его площадь составит 17 793 фут2 (1653 м2), и он будет запущен уже в 2029 году. В начале прошлого года мы успешно развернули квадрант паруса на Земле.
|
|
|
|
Чтобы доставить его в космос, команда тщательно сложит и плотно упакует парус в небольшую коробку. Самой большой проблемой, которую предстоит решить, будет развертывание паруса после выхода в открытый космос и использование его для направления спутника по его орбитальной траектории.
|
|
|
|
В случае успеха Solar Cruiser проложит путь к созданию группировки из четырех спутников SWIFT. Эта группировка будет включать один спутник, оснащенный парусной двигательной установкой, который будет выведен на орбиту за пределами L1, и три спутника меньшего размера с химической двигательной установкой на орбите в точке Лагранжа L1.
|
|
|
|
Спутники будут постоянно находиться на стоянке в точке L1 и за ее пределами, непрерывно собирая данные о солнечном ветре. Каждый из четырех спутников сможет наблюдать за солнечным ветром из разных мест, помогая ученым лучше прогнозировать, как он может развиваться, прежде чем достигнет Земли.
|
|
|
|
Поскольку современная жизнь в большей степени зависит от космической инфраструктуры, продолжение инвестиций в прогнозирование космической погоды может защитить как космические, так и наземные технологии.
|
|
|
|
Источник
|
