Лебедев К.А., Салимов Н.Р., Сафин А.Р.
СОЛНЕЧНЫЕ ПАРУСА И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В СОВРЕМЕННЫХ КОСМИЧЕСКИХ ПРОГРАММАХ *
Аннотация:
в работе рассмотрены физические принципы действия солнечных парусов — перспективной технологии движения в космосе. Проанализированы реализованные и планируемые миссии с солнечными парусами, включая проекты JAXA, NASA и ESA. Особое внимание уделено траекторным возможностям и преимуществам технологии при длительных межпланетных перелётах.
Ключевые слова:
солнечный парус, межпланетные миссии, фотонное давление, космические технологии
1. Введение.Современные космические исследования требуют эффективных решений для долгосрочных перелётов. Одним из таких решений являются солнечные паруса — устройства, использующие давление солнечного света для создания непрерывной тяги. Эта идея, предложенная ещё Циолковским и Цандером, получила практическое воплощение благодаря достижениям в области материаловедения, миниатюризации электроники и развития микроспутников. Солнечные паруса представляют особый интерес для миссий, где требуется длительное нахождение аппарата в межпланетном пространстве без использования традиционного топлива.2. Принцип действия солнечного паруса.Рисунок 1. Упрощенный принцип работы солнечных парусов 1980 года [1].Солнечный парус (рисунок 1) использует давление фотонов солнечного излучения, отражающихся от зеркальной поверхности паруса. При взаимодействии света с отражающей поверхностью происходит передача импульса, что приводит к возникновению небольшой, но постоянной силы. Давление составляет около 9 мкН/м² на расстоянии 1 а.е. от Солнца. Хотя величина кажущаяся незначительной, при правильном проектировании аппарата (большая площадь паруса и малая масса полезной нагрузки) она позволяет развивать ощутимое ускорение на протяжении длительного времени. Это делает солнечные паруса особенно эффективными для миссий, где требуется устойчивое изменение скорости или длительный полёт по спиральной траектории.3. Материалы и конструкция.Рисунок 2. Инженеры NASA тестируют развертываемость парусов [2].Для эффективного функционирования солнечного паруса необходимо использование сверхлёгких и прочных материалов. Современные паруса изготавливаются из полиимидных плёнок, таких как каптон или майлар, с отражающим алюминиевым покрытием. Толщина материала обычно составляет 2–10 микрометров. Конструкция должна обеспечивать компактную укладку в носителе и надёжное развёртывание в космосе. Для разворачивания используются либо центробежные силы, либо специальные телескопические штанги. Также требуется система ориентации, обеспечивающая управление направлением паруса относительно Солнца. В последнее время активно исследуются новые материалы, включая графеновые структуры, которые могут значительно повысить эффективность парусной тяги.4. Реализованные миссии.4.1. IKAROS (JAXA).Миссия IKAROS, запущенная японским агентством JAXA в 2010 году, стала первым успешным экспериментом по использованию солнечного паруса в межпланетной миссии. Аппарат имел квадратный парус площадью 14 м² и толщиной 7.5 мкм. Управление осуществлялось за счёт изменения отражающих свойств сегментов паруса с помощью жидкокристаллических панелей. Миссия подтвердила возможность изменения траектории аппарата и стабилизации ориентации с помощью солнечного давления.4.2. LightSail 2 (The Planetary Society).Американская некоммерческая организация The Planetary Society запустила аппарат LightSail 2 в 2019 году. Аппарат имел квадратный парус площадью около 32 м². Миссия продемонстрировала успешное увеличение высоты орбиты за счёт давления солнечного света, став важным шагом в доказательстве работоспособности технологии. Проект был полностью финансирован за счёт частных пожертвований, что подчёркивает высокий общественный интерес к теме солнечных парусов.5. Перспективы использования.Солнечные паруса предоставляют уникальные возможности для долгосрочных и ресурсно-ограниченных миссий. Благодаря отсутствию необходимости в топливе, они идеально подходят для зондов, исследующих внешние планеты, астероиды или межзвёздное пространство. Потенциальные направления использования включают:миссии по доставке малых спутников к Луне и Марсу,постепенный выход зондов за пределы гелиосферы (например, Breakthrough Starshot),долговременное нахождение в нестабильных точках Лагранжа для мониторинга солнечной активности,удержание постоянного положения относительно Солнца или Земли без использования топлива (миссии для солнечного зондирования и телескопии).Технология может быть особенно востребована при создании роя микроспутников, каждый из которых оснащён собственным парусом и автономной системой ориентации.6. Ограничения технологии.Несмотря на высокую перспективность, солнечные паруса имеют ряд ограничений. Прежде всего, это крайне низкое ускорение, что делает невозможным быстрые манёвры и ограничивает применение для пилотируемых миссий. Эффективность паруса снижается обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца, что делает применение в дальнем космосе менее результативным. Также существуют технические сложности, связанные с разворачиванием больших и тонких структур в условиях невесомости. Управление ориентацией требует точной и надёжной электроники, а риск повреждения тонкого материала микрометеоритами остаётся актуальным. Тем не менее, эти проблемы постепенно решаются с развитием технологий.7. Заключение.Солнечные паруса представляют собой перспективную технологию для космических миссий дальнего действия. Реализованные проекты доказали работоспособность концепции, подтвердив возможность маневрирования и управления траекторией только за счёт давления света. В условиях ограниченного запаса топлива на борту космических аппаратов и высокого интереса к долговременным автоматическим миссиям солнечные паруса становятся всё более актуальными. В ближайшем будущем, с развитием лёгких композитных материалов и миниатюрных спутников, солнечные паруса смогут использоваться не только для научных исследований, но и для навигации, связи и даже потенциальных коммерческих миссий в космосе.
Номер журнала Вестник науки №6 (87) том 1
Ссылка для цитирования:
Лебедев К.А., Салимов Н.Р., Сафин А.Р. СОЛНЕЧНЫЕ ПАРУСА И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В СОВРЕМЕННЫХ КОСМИЧЕСКИХ ПРОГРАММАХ // Вестник науки №6 (87) том 1. С. 1708 - 1715. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/23785 (дата обращения: 12.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+