Ультратонкие солнечные паруса для межзвездного путешествия Ден Спиз, Роберт Зубрин

РИЗОНТ
в_о_з_м_о_ж_н_о_г_о______________________________________ [ оглавление ]

Ультратонкие солнечные паруса для межзвездного путешествия

Статья I
Заключительный доклад

Декабрь, 1999 г.

Ден Спиз
Роберт Зубрин

Ultra-Thin Solar Sails for Interstellar Travel
Phase I Final Report
December 1999

Dean Spieth
Dr. Robert Zubrin

Sponsored by: NASA Institute for Advanced Concepts www.niac.usra.edu
555-A 14th St., NW Atlanta, GA 30318
NIAC CP 99-02 Period of Performance, June-November 1999 Distribution Unlimited; Approved for Public Release.

Pioneer Astronautics, Inc. 445 Union Blvd., Suite 125
Lakewood, Colorado 80228
(303) 980-0890

Оглавление:

1. Введение
2. Физика вопроса. Отражение паруса и ускорение
3. Термодинамика и прочность. Инженерные соображения
4. Проблема изготовления ультратонких солнечных парусов
5. Проблема управления ультратонкими парусами
6. Анализ миссий для ультратонких солнечных парусов
7. Заключение
8. Ссылки

Приложение А. Нанорешетка - математическая модель отражения

1. Введение

Солнечный парус - космическое транспортное средство, которое использует тонкую зеркальную фольгу для отражения солнечного света, и таким образом изменение импульс светового потока при отражении передается парусу. Преимущество этой концепции в том, что она позволяет получать тягу без расхода какого-либо топлива. Хотя ускорение мизерное, но тяга действует непрерывно на протяжении длительного времени, позволяя достигнуть судну в конечном итоге очень большой скорости. Солнечный парус, предназначенный для свидания с кометой Галлея, глазами художника конца 1970-х годов представлен на рисунке 1. Это квадратный парус образованный скрещенными мачтами, которые укреплены такелажными растяжками, опорами и перекладинами, которые предают конструкции жесткость. На концах мачт имеются специальные лопасти, которые позволяют маневрировать судну. Прекрасное описание солнечных парусов вы найдете в недавно вышедшей книге Мак-Иннес "Плаванье под солнечными парусами" (Solar Sailing by McInnes, 1999), где обсуждается и данная конструкция, а также (в конце работы) - вопрос маневрирования лопастями.

Рисунок 1 Солнечный парус в представлении художника
(любезность NASA/JPL, примерно 1977)

Как правило, солнечные паруса разрабатывались, а некоторые были изготовлены, из тонкой алюминиевой пленки примерно 100 нм толщиной, напыленной на пластмассовую основу обычно 5 - 25 микрон толщиной. Алюминизированный мейлар (Mylar) или каптон (Kapton) является доступным коммерческим материалом от фирмы Sheldahl и вполне может быть использован для этой цели: их толщена 5 микрон, отражательная способность 90% и удельная поверхностная плотность ~ 7 г/м². Ускорение такого паруса на дистанции 1 а.е. от Солнца даже без дополнительных элементов и полезной нагрузки будет составлять всего лишь ~1,2 мм/с², так как ограничивается массой пластмассы:

a_c = RP_s/p_a (1)

Где R - рефлективность (отражательная способность) 0,9, P_s - давление солнечного излучения 9,12 мкН/м² и p_a - удельная поверхностная плотность паруса, плотность материала паруса деленная на толщину паруса. Это ускорение достаточно чтобы разогнать корабль на орбите Земли до скорости dV=100 м/c в день и такой парус мог бы доставить на Марс скромную полезную нагрузку в течение года. Хотя это представляет определенный интерес для путешествий внутри Солнечной системы, подобный парус мало что способны сделать для межзвездного рейса.

Чтобы преодолеть ограничения по ускорению, Форвард (1984) предложил вместо рассеянного солнечного света использовать направленную энергию микроволн или лазерного излучения, что позволило бы разгонять паруса на межзвездном расстоянии. Необходимая мощность излучения оценивалась от нескольких гигаватт до сотен терраватт. И здесь надо принимая во внимание, что в наших лучших экспериментальных установках мы смогли на сегодняшний день достичь лишь несколько мегаватт лазерной мощности. Эта концепция конечно является вполне осуществимой и представляет реальный потенциал для настоящего релятивистского полета к звездам. Лэндис (Landis, 1998) недавно повторно провел оценку этой концепции в рамках программы исследования NIAC Phase I. Однако применение таких огромных мощностей станет возможно только в будущем, управление и концентрация ее на больших расстояниях потребует гигантских структур и скорей всего их придется развернуть на Луне во избежания случайного уничтожения птиц, самолетов и спутников, опасность чего станет неизбежной, если такую систему разместить на Земле.

Также есть прогресс в развитии концепции паруса в виде металлической сетки, которая отражает микроволны, что позволяет значительно уменьшить поверхностную плотность паруса. Если такую сетку изготавливать с очень маленьким шагом, и такая сетка может быть изготовлена уже сегодня, то она сможет высокоэффективного отражения микроволн и инфракрасного излучения CO₂ лазера. Такая концепция паруса впервые была предложена Фрименом Дайсоном в 1983-м году и подверглась предварительному анализу Форвардом в 1985-м. Многие авторы, включая Matloff (1989), Wright (1992) и McInnes (1999) в последствии упоминали эту идею.

Хорошая альтернативой пока недоступной нам системы тяги с использованием направленного потока энергии, должен стать вполне доступный солнечный свет, для чего следует применить технологию изготовления намного более легких парусов, возможно с уменьшенной массой пластмассовой основы или устранив ее вообще. Также вполне мыслимо перфорировать оставшийся отражающий слой в виде мельчайшей сетки с шагом меньше длины волны видимого света, хотя ширина такой ячейки оказывается в пределах нанометра. Эта идея уже рассматривалась в первом приближении в литературе рядом авторов, но этот наш доклад "Ultrathin Solar Sails for Interstellar Travel" в рамках гранда NIAC, является наиболее всесторонней оценкой такой концепции до настоящего времени. Если бы существовала возможность удалить пластмассовую подложку и при этом сохранить алюминиевую основу у коммерчески доступных пленок, ускорение по сравнению с обычными солнечными парусами возросло на порядки. Еще больший прогресс возможен за счет уменьшения толщины металлического слоя и его нано-перфорации, что является огромным технологическим вызовом для нас. В случае получения ожидаемого прогресса в технологиях солнечных парусов, возможно следующее увеличение ускорения солнечных парусов:

В 25 раз, если убрать пластмассовую подложку и оставить ~100 Нм алюминиевого слоя.
В 300 раз, если оставить толщину отражающего слоя ~4-5 Нм.
В 500 - 5000 раз, если перфорировать отражающий слой, что станет возможным в ближайшее время.
В 10 000 - 100 000 раз, если усилить структуру углеродными нанотрубками, что станет возможным в следующем (имеется в виду XXI-м) веке.

2. Физика вопроса - отражающая способность паруса и ускорение

Анализ сплошного алюминиевого солнечного паруса приводит нас к предсказанию характерного ускорения a_c (на 1 а.е, то есть у Земли, и без полезной нагрузки) для алюминиевых пленок толщиной всего 4 нм ~0,3 м/с², и ~0,5 - 5 м/с² для такой же алюминиевой решетки. Это ускорение намного выше чем 0,001 м/с² у обычного паруса с пластмассовой подложкой. Большое расхождение в оценке возможностей решетки связано с тем, что ~0,5 м/с²получено из теории развитой Christensen (1999), а ~5 м/с², получается если расширить микроволновую/инфракрасную (IR) теорию отражения на видимый свет, что является очень критическим моментом: являются ли перфорированные паруса настолько эффективными и в видимой части спектра, как нам подсказывает физическая интуиция?

Отражающая (reflectance) и пропускающая (transmittance) способность сплошного алюминиевого листа (пленки) как функция его толщины, нам хорошо известна и показана на рисунке 2.

Рисунок 2 Предсказание отражательной и пропускной способности солнечного света ультратонкой сплошной алюминиевой пленки.

Чтобы найти максимум ускорения, полученное в уравнении (1) для листа ультратонкого алюминия, нужно, опираясь на кривую изменения отражательной способности на рис 2, и подставляя эти значения в качестве R, рассчитать уравнение (1), учитывая и изменение толщины, а значит поверхностной плотности. Тогда будет найдено оптимальное ускорение, которое составит ~0,3 м/с² и оптимальная толщина ~ 4 нм, что и показано на рис 3.

Рисунок 3. Ускорение ультратонкой сплошной алюминиевой пленки на расстоянии 1 а.е. от Солнца, в зависимости от ее толщины.

Отражательная способность решетки из идеального провода вычисляется:

(2)

Где, согласно Marcuvitz (1951), если s/L << 1,

(3)

Здесь s - шаг сетки (расстояние между проводниками), L(лямбда) - длинна волны, а r - радиус проводника сетки.
Рисунок 4 демонстрирует отражательную способность сетки из идеального проводника, полученную из уравнения (2). Видно, что почти совершенной отражательной способностью обладает сетка из тонких проводов шаг к радиусу у которой s/r =10. Если отношение s/r увеличить до 100, то отражательная способность падает очень быстро, но и масса такой сетки тоже ниже в 10 раз по сравнению с s/r =10.

Рисунок 4. Расчет отражательной способности нанорешетки из идеального проводника.

Если мы теперь попытаемся учесть конечное сопротивление проводника, умножая рефлективность, показанную на рис. 2 для сплошного алюминиевого листа от его толщины, на результат, показанный на рис 4 для решетки, то мы получим оценку истинной отражательной способности, которая показана на рис 5.

Рисунок 5. Предсказание отражательной способности нанорешетки произведением рис 2 на рис 4.

Теперь, учитывая различие в удельной массе решеток с различным интервалом, мы рассчитываем для них ускорение согласно (1) и получаем, что отношение s/r =100 должно фактически дать самое высокое ускорение паруса, при радиусе провода 1 нм не смотря на то, что у него будет самая низкая отражающая способность. Этот результат показан на рис. 6.

Рисунок 6. Расчет ускорения паруса из алюминиевой наносетки на расстоянии 1 а.е. от Солнца с использованием микроволновой аналогии.

Однако, обратите внимание, что s/r= 50 дает в своем пике 80% ускорения от предыдущего максимума, для радиуса провода 1,5 нм (диаметр 3 нм) и является проще в изготовлении для современных технологий и тогда потребовался бы парус всего на 1/3 большей площадью для получения той же тяги.

Рисунок 7 сравнивает результаты, полученные с использованием уравнения Marcuvitz's и упрощения Форварда (1985). Для s/r =10 результаты неразличимы.

Рисунок 7. Прогноз ускорения согласно расчетам по Marcuvitz (1951) и оценки Форварда (1985).

Рисунок 8 - точечный график ускорения, рассчитанный в процессе выполнения данной работы. Он получен решением уравнений Максвелла для сетки электрических проводов с конечной электропроводностью (сопротивлением) (Christensen,1999). Эта теория представлена и обобщена в Приложении А. В рамках нее оптимальное ускорение составит ~0,5 м/с² для провода радиусом 5 нм и s/r =10. Эта величина почти на порядок меньше, чем результат, полученный путем расширения на видимый свет микроволновой/инфракрасной (IR) теории. В следствии этого, важно что бы это теоретическое предсказание было проверено экспериментально поскольку реальные значения этих результатов очень критичны для будущего технологии перфорированных солнечных парусов.

Рисунок 8. Точечный график прогноза ускорения по результатам расчетов с учетом сопротивления для алюминиевой сетки на расстоянии 1 а.е. от Солнца.

Далее предложенная теория применялась для сетчатого паруса из углеродных нанотрубок, которые куда лучший материал, чем алюминий (Christensen, 1999). Углерод имеет меньшую плотность, внутни нанотрубки полые и таким образом экономится огромная масса, а очень высокие термические свойства углерода должны допускать очень близкое прохождение у Солнца, что позволит получить еще большую скорость для межзвездного путешествия. Так как углерод не очень хорошо отражает видимый свет, изначально, предсказания для него были не намного лучше, чем для алюминиевой сетки. Однако, делая металлическое покрытие или подмешивая металл к углеродным нанотрубам, их отражательную способность можно было бы значительно улучшить. Возможность такого подмешивание к углеродным нанотрубкам была продемонстрирована недавно (Dekker, 1999). Характеристическое ускорение в 17 м/с² было предсказано для парусов из таких подмешанных нанотрубок, а если применение микроволновой/инфрокрасной (IR) теории верно, то можно рассчитывать на характеристическое ускорение более чем в 100 м/с² для ульралегких перфарированых парусов из такого материала в дальней перспективе.

3. Термодинамика и прочность. Инженерные соображения.

Сенечный парус, предназначенный для межзвездного путешествия должен приблизится к Солнцу настолько близко, насколько это станет возможным, что увеличит до максимума световой поток, а следовательно, и пиковое ускорение. Максимальная температура для паруса и ограничивает для него минимальный перигелий. Чтобы рассчитать температуру солнечного паруса как функцию от расстояния до Солнца, мы должны рассчитать коэффициент светового поглощения и коэффициент теплового излучения алюминиевого паруса как функции его толщины. Солнечное поглощение получить просто a_s = 1- r_s - t_s, где r_s - отражающая способность, а t_s - прозрачность (коэффициент пропускания), показанные на рис. 2 как функция толщины. Коэффициент теплового излучения так же прост: е = 1 - r_ir - t_ir, где коэффициенты инфракрасного излучения (ir) и пропускания оцениваются как функция Планка по отношению к температуре. Вообще говоря, существует небольшое различие между сферическим и нормальным излучением (плоской поверхности), но мы пренебрежем этой разницей в дальнейшем анализе.

Результат расчета коэффициентов солнечного поглощения и теплового излучения для ультратонких сплошных пленок из алюминия показан на рис. 9. Для толщины в 30 нм мы получили коэффициент поглощения 0,1 и коэффициент излучения 0,03 для всего объема алюминия. Отношение a/e получается большое, что может привести к сильному перегреву паруса в лучах солнца. Однако в тонком слое в нескольких нанометров, отношение a/e, как ожидается, будет ниже и в итоге станет намного ниже, равновесная температура на солнце. Здесь динамика коэффициента солнечного поглощения соответствует динамике представленной Форвардом (1984). А увеличение коэффициента теплового излучения в районе нескольких нанометров толщины прогнозируется в связи с более высоким сопротивлением таких пленок, но это требует экспериментальной проверки. Мы не строили кривую зависимости температуры от оптических свойств, что так же требует проверки, однако, основываясь на рис. 2, коэффициент теплового излучения должен слегка увеличиваться с повышением температуры для толстых пленок и вероятно слегка уменьшаться с ростом температуры для тонких пленов в несколько нанометров.

Рисунок 9. Расчет коэффициентов солнечного поглощения (Solar Absorptance) и теплового излучения (Thermal Emittance) для сплошного тонкого слоя алюминия.

В ранних проектах солнечных парусов рассматривался тонкий слой хрома нанесенный на тонкую пластиковую мембрану, покрытую с фронтальной стороны алюминием. Хром имеет более высокий коэффициент отражения, чем алюминий и был получен коэффициент излучения для паруса > 0,6 (Rowe, 1978) так как толщина хрома была меньше 10 нм. Подобная тенденция предсказана и для алюминиевой подложки, если его толщина будет небольшой. Высокий коэффициент теплового излучения желателен для минимизации температуры паруса и бо'льшего приближения паруса к поверхности Солнца. Однако слой хрома толщиной в 10 нм и всего несколькими нанометрами алюминия в качестве подложки решительно увеличил бы массу паруса и мы за счет этого проиграли бы в ускорении больше, чем выиграли за счет более близкого подхода к Солнцу.

Для алюминиевой наносетки коэффициент солнечного поглощения должен уменьшаться поскольку уменьшается общая поверхность, а коэффициент теплового излучения должен остаться тем же. Это так же требует экспериментального подтверждения. Использование проволочной сетки должно допускать близкий подход парусника к Солнцу, а значит и большее его ускорение.

Основываясь на предсказаниях оптических свойств на рис. 9, ультра-тонкая алюминиевая пленка толщиной всего в 2 нм должна быть способна приблизиться к Солнцу на расстояние 0,2 а.е. нагревшись при этом до температуры 400⁰ С, как это показано на рис. 10. Это самая худшая для него температура в случае нормальной ориентации поверхности к солнечным лучам, которая, нагреваясь с фронта, излучает тепло с тыла. Хотя, без плавления материала парус можно было бы приблизить его и на 0,1 а.е., но уже на 0,2 а.е. прочностные характеристики материала сильно снизится.

Рисунок 10. Расчет температуры сплошной, ультратонкой пленки из алюминия по мере приближения ее к Солнцу.

Дело в том, что наблюдается неприятное ухудшение механических свойств металлов по мере роста их температуры. Для алюминия, как показано на рис. 11, по мере роста температуры до 400⁰ С предел прочности уменьшается до 10-20 МПа.

Рисунок 11. Предел прочности в зависимости от температуры для двух сплавов алюминия.

Результат расчетов натяжения паруса на разрыв показан на рис. 12. Красным цветом подчеркнут факт, что радиус вогнутого паруса должен быть менее чем 1 км, чтобы сохранить растяжение в нем на разрыв меньше 10 МПа. Для очень больших парусов, вероятно, потребуется иная геометрическая форма, например в форме тыквы, что уменьшит в нем напряжение. Такой дизайн уже запланирован для будущего стратосферного сверхвысотного аэростата (Smith and Cutts, 1999).

Рисунок 12. Натяжение на разрыв от толщины паруса и радиуса на 0,2 а.е. от Солнца.

В конец концов, в отдаленном будущем солнечные паруса могут быть изготовлены из углеродных волокон или углеродных нанотрубок. Термически углерод-углеродная структура может остаться "в живых" до температуре ~3000⁰ С после чего она начинает сублимировать (очень активно испаряться). Структура углерод-углерода остается неизменной до температуры 1600⁰ C. Корме того, его механические свойства остаются в этом диапазоне температур относительно постоянными в отличии от тех же свойств металлов, показанных на рис. 11. Если в углерод-углеродую структуру можно внедрить или покрыть высокотемпературным металлом, чтобы увеличить отражательную способность к солнечным лучам, то такой парус, вероятно, сможет приблизиться к светилу на 4 радиуса Солнца, что приведет к чрезвычайно высокому его ускорению.

4. Проблема изготовления ультратонких парусов

Технология изготовления тонких сплошных пленок на пластмассе существует уже сегодня. Алюминизированный мейлар или каптон - это материалы, которые используются для теплоизоляции космических кораблей и имеют слой алюминия порядка 100 нм. Но массово производятся затемняющие оконные пленки с толщиной слоя 5 - 10 нм.
А рентгеновские астрономические пленки могут иметь толщину слоя 1 нм. Так что производство нескольких нанометров алюминия на пластмассой основе можно уже сейчас наладить массово.

Ключевая проблема ультратонких солнечных парусов включают в себя: удаление после развертывания пластмассовой подложки испарением и/или лучевой деградацией; интеграция в тело паруса силовой сетки (так называемых рип-стопов), усиливающей сопротивление паруса к разрыву; присоединение полотнища к мачтам и полезной нагрузке.

Тонкие пленки подложки, которые покрывают алюминием, обычно имеют высокую вязкость и могут иметь дополнительный слой, усиливающий прилипание. В нашем случае нас устроит достаточно сильное сцепление, которое переживет развертывание паруса, но позволит разделение с повышением температуры или под действием ультрафиолетовой иррадиации. У алмазо-подобного углерод (DLC) связывающий уровень, как сообщалось, деградирует под ультрафиолетом (McInnes, 1999). Если можно получить связывающий слой, который полностью удаляет подложку, то уже выбор подложки можно будет делать из соображения стоимости. Майлар, например, является менее дорогим, чем каптон. Если необходима подложка из испаряющегося материала, тогда низкотемпературный материал, типа полиэтилена, может оказаться предпочтительным. Проблема изящного удаления пластмассовой основы требует большого количества экспериментальных исследований.

Силовая сетка или рип-стоп сетка (Rip-stops) является типичной структурой в парусах обычных земных яхт, чтобы предотвратить рост где-то возникшей в парусе трещины на все полотнище. Существует несколько исследований по внедрению в пластик рип-стоп волокон, например в полиамидные пластики от SRS Technologies in Huntsville. Их LaRC™-CP1 изделие из флоринад-полиммид (fluorinated polyimide product) с внедренной рип-стоп сеткой показан на рис. 13. Этот образец имеет толщину 5 микрон, хотя производитель предлагает CP1 толщиной в 2,5 микрон. Обратите внимание, что вокруг рип-стоп-волокон имеется много морщин, которые скорей будут рассеивать солнечный свет, чем отражать его строго зеркально, что не желательно, если мы хотим получить максимум светового давления. Образец полиимида обклеен по краям пленкой каптона и видно, что полиимид CP1 намного светлей чем "золото" каптона.

Рисунок 13. SRS Technologies LaRC™-CP1 Fluorinated Polyimide с внедненной рип-стоп сеткой.

Для ультратонких парусов потребуется внедрить рип-стоп структуру непосредственно в алюминиевый слой, так как после разворачивания паруса на нем не останется никакой пластмассовой основы.

Ключевой технологический вызов для наносестки или отражающих проводов - их изготовление. Рис. 6, показанный ранее, предлагает для оптимального ускорения паруса использовать провод от 1 до 3 нм радиусом (от 2 до 6 нм толщиной), для такой сетки отношение ее шага к радиусу провода оказывается где-то 50-100 (то есть к диаметру провода сетки от 25 до 50). Сканирующие электронные микроскопы (Scanning Electron Microscope, SEM) с высоким разрешением имеет разрешение меньше чем нанометр, поэтому теоретически вполне можно уже сейчас произвести микроскопический фрагмент наносетки для исследования ее реальных физических свойств. Практически, SEM-ы могут считывать особенности поверхности в 5 нм с сопротивлением органики. Сканирующие трансмиссионные электронный микроскоп (Scanning Transmission Electron Microscope STEM) могут считывать особенности поверхности с разрешением 2 нм для неорганических материалов.

При производстве микроэлектроники используется оптическая литография, которая приближается к разрешению в 100 нм (0,1 микронная технология). Они не используют технологию SEM-ов из-за их чудовищно низкой производительности. Используются ультрафиолетовые лазеры для сверления отверстий в масштабе ~100 нм с возможностью позиционирования интервалов ~ 102-110 нм. В будущем, возможно, этот параметр будет улучшен. Форвард (1990) также предложил использовать два ультрафиолетовых лазерных луча для получения голографического интерференционного шаблона, с шагом 200 нм где линии проводов могли бы быть получены за счет вариаций в экспозиции и расти со временем.

5. Проблема управления ультратонкими парусами

Разворачивание ультратонких солнечных парусов происходит подобно разворачиванию обычных парусов с пластмассовой основой, поскольку пластмассовая основа ультратонких парусов не будет сразу же удаляться в процесс разворачивания, а постепенно вся распадется значительно позже чем завершенится процесса раскрытия под действием радиации или теплового воздействия солнечных лучей.

Процесс разворачивания достаточно сложная операция, поскольку парус огромен. Рис. 14 показывает "грузоподъемность" по полезной нагрузке для парусов с различной технологией как функцию их размера.

Рисунок 14. "Грузоподъемность" для различных технологий парусов в зависимости от размера паруса.
4 nm Al Shit - сплошная алюминиевая пленка 4 нм толщиной. Aluminized Kapton - современная технология, каптон с напылением отражающего слоя алюминия. 4 nm Al Wirds, s/r=50 секта с проводом 4 нм и шаг/радиус = 50.

DARPA финансирует множество университетских программ в области развития идей для так называемого "наноспутрика", спутника массой меньше 10 кг. Обычный прямоугольный солнечный парус из каптона с напылением из алюминия и стороной всего 40 м (0,040 км) будет иметь массу почти 10 кг и будет ускоряться на орбите Земли (1 а.е. от Солнца) 1,4 мм/с², если масса полезной нагрузки намного меньше (исчезающее мала) массы самого паруса. Если у такого паруса масса полезной нагрузки тоже 10 кг, то ускорение снизится в два раза. Ультратонкий сплошной алюминиевый парус толщиной всего 4 нм и со стороной 1 км будет иметь ту же массу в 10 кг и способен нести полезную нагрузку класса наноспутник. Кроме того, он способен развить ускорение в 200 раз большее, чем предыдущий вариант паруса. 10-и килограммовый парус из алюминиевой наносетки, как показывают оценки, будет иметь размер уже в 40 км на сторону неся сопоставимую с ним массу полезной нагрузки и будет способен на куда большее ускорение, что позволит доставить исследовательскую миссию в 100 000 а.е. от Солнца за пару десятилетий. К тому времени, когда появится технология массового изготовления наносеток, очень вероятно, что масса уже самого космического корабля уменьшится до 0,1 кг с использованием MEMS, мультифункциональных структур и с дальнейшим развитием электроники в сторону уменьшения размеров. Тогда и необходимый парус уменьшился бы до размеров 400 м на сторону в случае технологии наносетки, и до 100 метров в случае ультралегкого сплошного паруса (с сохранением указанных для каждого ускорений). Такие размеры парусов куда более практичны, если вспомнить что огромная масса пластмассовой основы, которая испарится после разворачивания паруса, будет все же нуждаться в выведении ее на орбиту.

Управление парусом должно быть относительно простой задачей, поскольку межзвездный зонд, вероятно, ускоряется непосредственно от Солнца если мы хотим получить максимальное ускорение. Зонд, вероятно, доставит свернутый парус в соответствующие координаты у поверхности солнца, за короткий промежуток времени парус будет развернут, тяжелая пластмассовая подложка испарится и межзвездная миссия начнет ускорение. Потребуется минимальное управление чтобы компенсировать неожиданные возмущения. То есть управляющие лопасти на концах мачт, как показано ранее на рис. 1, не понадобятся поскольку необходимую коррекцию траектории может быть выполнена с помощью перемещения положения полезной нагрузки.

Подобный проект, разработанный в Pioneer Astronautics, показан на рис. 15.

Рисунок 15. Проект Pioneer Astronautics солнечного парусника, использующего надувные мачты.

В данном проекте имеются четыре управляющие лопасти, установленные непосредственно на космическом корабле, что устраняет необходимость подобных лопастях на конце каждой мачты, показанных на рисунке 1. Компьютерное моделирование показало, что эти централизованные лопасти обеспечивают адекватные управляющие усилия на орбите Земли, так что они более чем адекватны для управления межзвездной миссией. Космический аппарат в центре паруса и не имеет никаких сложных строп управления.
Рисунок 16 показывает модель такого солнечного парусника в масштабе 25% (1:4) от обычного размера выполненная Pioneer Astronautics для BMDO, которая демонстрирует систему надувных мачт, где используется самоиспаряющиеся под ультрафиолетом напряженные смолы. Для еще большего уменьшения массы, после того как парус развернут, корабль мог бы начать вращаться и мачты можно отбросить.

Рисунок 16. Pioneer Astronautics солнечный парус на надувных мачтах, развернутый в танцзале гостиницы.

Возможны альтернативные проекты, где разворачивание паруса сразу производится вращением судна. Первоначальные межзвездные мисси и космические зонды в глубокий космос не потребуют сложного управления, поэтому такие простые проекты - оптимальны.

6. Анализ миссий для ультратонких солнечных парусов

Максимально возможное ускорение паруса и минимальное расстояние до Солнца, на которое сможет подойти судно - ключевые параметры, которые и определяют сможет ли солнечный парусник приблизиться к скоростям, необходимым для межзвездного путешествия. Обычно, характерное ускорение a_с, т.е. ускорение паруса без нагрузки на расстоянии 1 а.е. от Солнца (орбита Земли), является хорошим средством для сравнивания одного проекта парусника с другим. Если силу солнечного давления проинтегрировать от самой близкой точки прохода его у светила до бесконечности, что является кинетической энергией (mv2/2) полученной парусом, то предельная скорость, приобретенная парусом можно вычислить:

(4)

Где a_c, измеряемое в м/с², получается из уравнения (1), а r_s - ближайшая точка прохождения парусником у Солнца в астрономических единицах. Таблица 1 приводит примеры некоторых миссий, которые могут быть запущены с помощью ультралегких солнечных парусов. Ультратонкий сплошной алюминиевый парус всего в несколько нанометров толщиной мог бы разгоняться с a_c ~ 0,3 м/с² и достигать Плутона ~100 дней и углубиться в облако Оорта на 100 000 а.е. в пределах столетия. В противоположность этому современным системам привода понадобились бы десятилетия для того чтобы достигнуть Плутона и полностью непригодны чтобы добраться до границ межзвездного пространства. Световой парус из перфорированного алюминия мог бы достигнуть облака Оорта за пол столетия, если мы можем получить a_c> 0,5 м/с² и мог бы оказаться там через 12 лет если бы ускорение a_c ~ 5 м/с² оказалось для него достижимым. В отдаленном будущем, парус изготовленный из металлизированных углеродных нанотрубок мог бы, вероятно, приблизится к Солнцу на расстояние 4-е его радиусов, и если бы такой парус мог ускоряться с a_c~10 м/с², то он мог бы достичь Альфы Центавры в пределах столетия. Парус из металлизировнных нанотрубок мог бы достичь ближайшей звезды через несколько десятилетий, если бы стала возможна a_c> 100 м/с², как допускает интуитивное расширение микроволновой теории отражения на видимый свет.

Таблица 1. Время межпланетных и межзвездных миссий.

a_c, ускорение на 1 а.е. м/с²	Перигелий а.е	Окончательная скорость км/с	Время полета до Плутона дней	Время полета на 10000 а.е. лет	Время до А.Центавра лет
0,3	0,2	671	103	71	-
0,5	0,1	1 225	56	39	-
5	0,1	3 875	18	12	-
10	0,019	12 572 (4,2% c)	6	5	101
100	0,019	39,756 (13% c)	1,7	1,2	32

Можно таким образом отметить, что ультратонкий солнечный парус имеет революционные перспективы для осуществления межзвездного путешествия. Уникально то, что подобные мисси могли бы стать не только выполнимыми, но и дешевыми, так как вся мощность привода обеспечивается в форме "сырого" солнечного света - никакие гигантские лазеры или другие источники энергии не потребуются.

Таблица 1 предполагает, что масса полезной нагрузки незначительна по сравнению с массой самого паруса. Но если масса полезной нагрузки равна массе самого паруса, то ускорение уменьшится в два раза и время путешествия увеличится в 1,4 раза. Если масса полезной нагрузки составит всего 10% от массы паруса, то будет наблюдаться небольшое уменьшение предсказанного ускорения. Мы также не сделали никакого предположения относительно размера паруса. Масса полезной нагрузки - ключевой параметр, который диктует размер паруса. В процессе сокращения размеров спутников, микроминиатюризации и изготовлением микро электромеханических систем (MEMS) и мультифункциональных структур (MFS), делаются возможными микро- и нано-спутники, а изготовление солнечных парусов теперь гораздо более жизнеспособная технология, чем это было двадцать лет назад, когда солнечные паруса впервые начали анализировать серьезно.

7. Заключение

Солнечные паруса долго оставались теоретической возможностью для плаванья между планетами и за пределы Солнечной системы. Типичные проекты солнечных парусов пока используют пластмассовые пленки с напылением алюминия из которых строятся паруса с ограниченным характеристическим ускорением ~0,001 м/с², потому что неотражающая пластмасса преобладает в массе паруса. Такой парус ограничен путешествиями по солнечной системе продолжительностью в 10-ки лет. Устраняя после разворачивания паруса пластмассовую основу как балласт, возможно резкое увеличение ускорения паруса примерно в три сотни раз. Такой парус может отважиться на путешествие куда угодно в солнечной Системе в пределах года. Сделав перфорацию поверхности такого паруса, подобно решетки радиоантенны, но в наномасштабе, можно еще уменьшить массу паруса настолько, что ускорение от 0,5 до 5 м/с² становятся для него возможными. При таких ускорениях космический корабль мог бы посетить облако Оорта на окраинах нашей системы (~10 000 а.е.) через несколько десятилетий с момента запуска. Если такая перфорация в конечном итоге будет выполнена из углеродных наноструктур, а не из алюминиевой наносетки, то становится возможным ускорение от 10 до 100 м/с², что позволит путешествовать к Альфа Центавре меньше чем за столетие. В ближайшей перспективе различные даже консервативные решения ультратонкого солнечного паруса революционизируют исследования нашей солнечной системы. В окончательной же форме это даст человечеству звезды. Поэтому мы заключаем, что развитие исследований ультратонких солнечных парусов должно настойчиво продолжаться.

8. References

1. N. Marcuvitz (1951), Waveguide Handbook, McGraw-Hill, New York, p. 286.
2. W.M. Rowe, et. al. (1978), “Thermal Radiative Properties of Solar Sail Film Materials,” AIAA Paper 78-852.
3. E. Drexler (1982), “Sailing on Sunlight May Give Space Travel a Second Wind,” the Smithsonian, March 1982, pp. 53-60.
4. R. Forward (1984), “Roundtrip Interstellar Travel Using Laser-Pushed Lightsails,” J. Spacecraft and Rockets, Vol. 21, No. 2, pp. 187-195.
5. R. Forward (1985), “Starwisp: An Ultra-Light Interstellar Probe,” J. Spacecraft and Rockets, Vol. 22, No. 3, pp. 345-350.
6. E.F. Mallove and G.L. Matloff (1989), The Starflight Handbook, John Wiley, New York. 7. R. Forward (1990), “Light-Levitated Geostationary Cylindrical Orbits: Correction and Expansion,” J. Astronautical Sci., Vol. 38, No. 3, pp. 335-353.
8. J.L. Wright (1992), Space Sailing, Gordon and Breach, Philadelphia.
9. C. Dekker (1999), “Carbon Nanotubes as Molecular Quantum Wires,” Physics Today, May 1999.
10. G.A. Landis (1999), Advanced Solar and Laser Pushed Lightsail Concepts, NIAC Phase I Final Report.
11. S. Santoli (1999), “A Nanoscale Approach to Designing High Performance Bilayer Thin Films for All Metal Solar Sail Concepts,” IAA-99-IAA.4.1.02, 4-8 October, Amsterdam.
12. C. Christensen (1999), Progress Report #3 for the NIAC Phase I Study, Ultra-Thin Solar Sails for Interstellar Travel.
13. I.S. Smith, Jr., and J.A. Cutts, “Floating in Space,” Sci. American, Nov. 1999, pp. 98-103.
14. C.R. McInnes (1999), Solar Sailing, Praxis Publishing, UK.

Приложение А. Нанорешетка - математическая модель отражения

Appendix A - Nanogrid Reflectance Equations
Dr. Cindy Christensen

Приложение к работе содержит еще 15 страниц (половину) текста испещренного формулами, которые я не стал переводить. Но так как, (надо надеяться), детали теории отражения видимого света от нанорешетки, разработанной доктором Чристенсеном, могут кому-то понадобится, то я решил, не просто дать ссылку на первоисточник, но разместив оригинал и у себя.

Перевод А. Семенов. сенятбрь 2009 г.
__________________________________________________ [ вверх ] [ оглавление ]

Оптимизирован под Internet Explorer 1024X768
средний размер шрифта
Дизайн A Semenov