Солнечный парус засияет звездой в память об астрономе

9 ноября 2009 года отмечалось 75 лет со дня рождения всемирно известного астронома и популяризатора науки Карла Сагана (Carl Sagan), умершего в 1996-м. На торжественной церемонии в Вашингтоне, проходившей в одном из зданий Сената (Hart Senate Office Building), давний друг и соратник Сагана Луи Фридман (Louis Friedman), директор Планетарного общества (Planetary Society), сделал официальное объявление о новом проекте своей организации: в ближайшее время она намерена запустить в космос три солнечных парусника.

Первый в этой серии аппарат — LightSail-1 — должен стартовать в конце 2010 года. Цель его полёта: первая в мире практическая демонстрация возможности изменения скорости космического аппарата и параметров его орбиты под действием солнечного излучения на большой парус.

 

LightSail-1 над планетой. Этот миниатюрный спутник должен быть выведен на орбиту высотой более 800 километров. Такая приличная высота выбрана, чтобы исключить влияние на крупный, тонкий, но при этом очень лёгкий парус остатков атмосферы Земли – изменения в скорости аппарата должны будут происходить именно под влиянием солнечного света (иллюстрация Rick Sternbach/Planetary Society).

Это яркое начинание призвано воплотить мечту Сагана, являвшегося одним из трёх основателей Планетарного общества. Двое других — сам Фридман, космический инженер, и Брюс Мюррей (Bruce C. Murray), планетолог, который во время создания общества, в 1980 году, был главой знаменитой Лаборатории реактивного движения (JPL).

Новый проект Planetary Society, получивший общее наименование LightSail, призван переломить не слишком-то счастливую судьбу самой идеи солнечных парусов, много лет будоражащей умы учёных и инженеров как в США, так и в СССР (России), Европе и Японии. И потому, прежде чем во всех деталях рассказать о новых аппаратах, следует сделать экскурс в историю.

Летопись практического воплощения солнечных парусов следует вести, пожалуй, с российского эксперимента "Знамя-2", успешно осуществлённого в рамках программы "Знамя" (Znamya). Тогда, в 1993 году, на борту корабля "Прогресс М-15", завершившего своё пребывание на станции "Мир" и удалившегося на небольшое расстояние от станции, была развёрнута 20-метровая тонкоплёночная конструкция.

Правда, предназначалась она не для "активного плавания под парусами", а для проверки идеи освещения ночной стороны Земли орбитальным зеркалом. Но ведь космическое зеркало и космический парус — по сути две стороны одной и той же идеи, и конструктивно такие аппараты схожи. Задача была выполнена: пятикилометровый солнечный зайчик, дававший освещённость на уровне полной Луны, пробежал по Европе. Этот эксперимент, заметим, проходил под эгидой консорциума "Космическая регата", организации, основанной в 1990 году рядом отечественных космических предприятий, среди которых — РКК "Энергия".

 

Возможные варианты формы солнечных парусов. Внизу концепция солнечного парусника NASA (иллюстрации NASA/JPL, NASA/Marshall Space Flight Center).

Следующий опыт с развёртыванием ультратонкой отражающей плёнки в космосе провели те же участники в 1999 году: 25-метровое зеркало-парус "Знамя-2,5" было раскрыто по прежней схеме — вскоре после отчаливания грузовика "Прогресс М-40" от станции "Мир". Увы, эксперимент удался лишь частично — после развёртывания полотнища оно зацепилось за антенну корабля и потому не смогло принять нужную конфигурацию.

В дальнейшем "Космическая регата" разработала целую серию аппаратов с космическими рефлекторами (для освещения городов ночью) и парусами (для апробации идеи путешествий по Солнечной системе) большого диаметра — от 60 да 200 метров — в рамках своей программы "Солнечные паруса и рефлекторы", но по финансовым причинам они не были реализованы, хотя есть шанс, что в последующие годы что-то из этого богатого набора увидит свет.

 

"Знамя-2", "Знамя-2,5" и перспективные проекты консорциума (фотографии и иллюстрации "Космическая регата").

В 2004 году "знамя борьбы за мечту" подхватила Япония — она успешно развернула в космосе два первых в мире солнечных паруса. Почему мы называем их "первыми"? Просто на этот раз вся конструкция изначально была рассчитана именно на работу в роли паруса. Правда, тест был кратковременным, поэтому можно сказать, что данные плёнки не успели показать себя в работе, то есть приобрести реально измеримое ускорение.

Первую попытку вывести на орбиту солнечный парус, который действительно долгое время дрейфовал бы в лучах дневного светила, предприняло Планетарное общество в 2005 году. Увы, его аппарат "Космос-1" (Cosmos 1), построенный по заказу американцев в НПО имени Лавочкина, был потерян сразу после старта. Из-за неких неопознанных радиосигналов появилась надежда, что парусник всё-таки жив, но позже выяснилось – сигналы не имели отношения к данному спутнику. Тот, скорее всего, сразу упал в океан, как и его одноимённый предшественник — рабочий прототип "Космоса-1", который безуспешно попробовали запустить по высокой суборбитальной траектории в 2001-м.

 

Так должен был выглядеть Cosmos 1 на орбите (иллюстрация с сайта wikipedia.org).

Позже в США и других странах появлялись разные проекты солнечных парусов, но по разным причинам они не были реализованы. Само же Планетарное общество повело разработку наследника своего "первого космоса" — паруса под названием Cosmos 2, но о его предполагаемом запуске пока ничего нельзя сказать определённо.

Зато ныне более масштабный проект этой же организации — серия из трёх аппаратов LightSail — получил спонсорскую помощь от мецената, пожелавшего остаться неизвестным. Взнос в размере $1 миллиона (плюс помощь из других источников) позволил начать практическую работу над красивым замыслом.

 

Небольшой (9,3 квадратных метра) солнечный парус NASA NanoSail-D был потерян при неудачном запуске ракеты Falcon 1 в августе 2008 года. Отчасти этот парусник послужил прообразом при разработке LightSail-1 (фото NASA/MSFC/D. Higginbotham).

Итак, солнечный парусник LightSail-1. В своей конструкции он отталкивается от давнего проекта NASA Nanosail. Это была идея развёртывания "паруса" на отработавшим свой век спутнике, подлежащем сведению с орбиты. В том замысле тонкая плёнка работала бы не как солнечный парус, а как аэродинамический тормоз большой площади. Однако и разгоняться под действием света она тоже могла бы — подходящими были размеры полотнища и начальные параметры орбиты.

Планетарное общество, как сообщает Фридман, заключило соглашение о сотрудничестве с исследовательским центром Эймса (Ames Research Center) в части инженерной проработки нового аппарата и содействия его запуску (носитель ещё не выбран, но это может быть широкий спектр американских либо российских ракет).

Отличительная черта нового парусника — умеренная площадь при очень малом весе всей системы. Весь спутник (включая парус, корпус аппарата, всю электронику с системами управления ориентацией, аппаратурой связи и так далее) должен весить менее 4,5 килограмма. Так что LightSail-1 может быть запущен за скромные средства как сопутствующая нагрузка в рамках какой-нибудь другой миссии.

 

Корпус и отчасти электронную начинку LightSail-1 "слепят" из трёх наноспутников типа CubeSat: эта американская разработка в разных вариантах исполнения уже была проверена в космосе. Каждый аппарат в этой серии представлял собой кубик со сторонами 10 сантиметров и весом менее 1 килограмма (фотографии Bjorn Pedersen/NTNU, CalPoly, wikipedia.org).

Парус нового аппарата представляет собой четыре треугольника, после развёртывания составляющих квадрат со сторонами чуть больше 5,5 метра (всего 32 кв. м). Среднее отношение веса корабля к площади составит таким образом порядка 140 граммов на квадратный метр. Спасибо материалу паруса — покрытой алюминием майларовой плёнке толщиной всего 4,6 микрометра.

Скромное значение "средней плотности аппарата" позволит спутнику получить в окрестностях Земли ускорение от солнечного света, равное 5,7•10^-5 м/с². А такое изменение в беге можно будет измерить как при помощи приборов на самом паруснике (в их числе — навигатор GPS), так и посредством наземных наблюдений. С Земли парус будет выглядеть яркой звёздочкой, а уж в телескоп его отследят без проблем.

Эта миссия должна предоставить ключевую проверку теории солнечного паруса. Соблазнительной, надо сказать, теории: парусник большего размера, обладающий набором лёгкой научной аппаратуры, мог бы только за счёт света солнца разогнаться так, что достиг бы внешних окраин Солнечной системы всего за пять лет. И при этом он не израсходовал бы ни грамма топлива. Именно это преимущество солнечного паруса перед ракетным принципом движения делает его заманчивым кандидатом на привод межзвёздной миссии.

Да, по некоторым оценкам, сравнительно лёгкий парусник с отражателем поперечником в километры, подстёгиваемый к тому же с Земли мощным лучом лазера, мог бы достичь ближайшей звезды всего за сто лет — срок, практически нереальный для других более-менее реализуемых современными средствами технологий. На борту такого аппарата будет только электроника и, по предложениям некоторых учёных, образцы ДНК людей. И всё же такой полёт осуществим. Если не в ближайшие годы, то в течение нескольких десятилетий.

 

Этапы LightSail-1: стартовая конфигурация, раскрытие солнечных батарей, развёртывание паруса, финальный вид аппарата. В проектировании и постройке парусника примут участие несколько компаний из США, учёные из ряда американских университетов и несколько специалистов из Института космических исследований РАН (иллюстрации Planetary Society).

Ну а в наши дни за LightSail-1 последуют более крупные паруса LightSail-2 и -3. Второй парус (квадрат со стороной порядка 8 метров), по идее, должен продемонстрировать возможность покидания таким аппаратом пут притяжения Земли. А третий (его поперечник составит примерно 18 метров) планируется вывести в точку Лагранжа L1, где он будет выполнять научную миссию — займётся мониторингом Солнца.

На борту LightSail-3 разместятся датчики, фиксирующие параметры солнечного ветра и предупреждающие землян о крупных корональных выбросах, способных привести к магнитным бурям над нашей планетой.

Далее инициаторы проекта попробуют показать уникальную способность солнечного парусника — зависнуть неподвижно (по отношению к линии Солнце-Земля) не в точке Лагранжа, а в неравновесной точке, намного ближе к нашей родной звезде. Ни один аппарат традиционного типа на такое не способен: это может обеспечить только слабое, но постоянное усилие, развиваемое парусом. А ближе к Солнцу означает и более раннее предупреждение о солнечных бурях. По словам Фридмана, это не единственное преимущество технологии. Наконец, "солнечные паруса просто выглядят романтично", — говорит Луи.

Добавим, что полёт первого парусника в новой серии будет не слишком продолжителен, но вот миссия LightSail-2 рассчитана на месяцы, а LightSail-3 — на годы.

 

Основатели Планетарного общества в конце 1970-х: Саган (в бежевом пиджаке), Мюррей (сидит по правую руку от Сагана), Фридман (стоит слева). Четвёртый человек в кадре – Гарри Эшмор (Harry Ashmore), помогавший тройке учёных в организации общества (фото NASA/JPL).

Надо отметить, что проект LightSail реализуется при активной поддержке компании Cosmos Studios, возглавляемой Энн Дрюян (Ann Druyan).

Энн — интересная личность. Совместно с Саганом она была руководителем проекта NASA по составлению "послания инопланетянам" — дисков Voyager Golden Record с записью голосов людей и звуков Земли, фотографий природы, отправленных во Вселенную на борту зондов "Вояджер".

Она являлась одним из авторов сценария и продюсером фильма "Контакт" (Contact). Дрюян известна как автор ряда романов, книг и телевизионных проектов (в их числе и популяризирующие науку). Наконец, как вдова Карла Сагана она является основателем и главой фонда его имени, финансирующего ряд исследований в области науки и здравоохранения.

Попытка запуска "Космоса-1" была одной из совместных работ Cosmos Studios и Planetary Society. LightSail — логичное продолжение этого сотрудничества. По определению Дрюян, воплощение солнечного парусника стало бы настоящим "Тадж-Махалом" для Сагана: мол, Карл очень любил эту идею и считал её одной из самых разумных, красивых и перспективных космических технологий.

В пресс-релизе Планетарного общества Энн говорит: "Карл и я однажды написали – "Мы слишком долго задержались на берегах космического океана. Пришло время отправиться к звёздам". Мы празднуем день рождения Карла, объявляя о первом рейсе флота, задуманного для выполнения этого мифического императива. Я знаю, что это значило бы для него".