Инновационное инженерное решение превращает свет в руль: солнечный парус научили маневрировать

Солнечные паруса стали одной из наиболее обоснованных концепций для реализации длительных космических миссий.

Фото: Generated by AI (DALL·E 3 by OpenAI) is licensed under Free for commercial use (OpenAI License)

Космический корабль под парусом

Фотонный разгон стал управляемым

В отличие от традиционных реактивных двигателей, которые ограничены запасом рабочего тела (топлива), паруса используют импульс фотонов, испускаемых Солнцем. Это позволяет аппарату разгоняться непрерывно в течение месяцев и лет. Только вот до недавнего времени технология сталкивалась с серьезной инженерной проблемой — невозможность эффективного маневрирования.

Группа исследователей из департамента механической инженерии Университета Пенсильвании представила новый метод управления ориентацией паруса. Их подход, описанный в техническом отчете, предлагает отказаться от поворота всей конструкции корабля в пользу локального изменения геометрии самой отражающей поверхности.

Фундаментальная проблема навигации

Сначала поймем физику движения под давлением света. Фотоны, ударяясь о зеркальную поверхность, передают ей свой импульс. Если поверхность расположена перпендикулярно потоку света, сила тяги направлена строго от источника (Солнца). Чтобы изменить курс, ускорить или замедлить вращение вокруг планеты, необходимо изменить вектор тяги.

В классической космонавтике это достигается поворотом двигателя. В случае солнечного паруса требуется повернуть саму отражающую мембрану. Однако эффективный парус — это огромная по площади конструкция (от сотен до тысяч квадратных метров), изготовленная из очень тонкой пленки. Поворот такого объекта сопряжен с двумя сложностями:

• Инерция и время. Из-за огромных размеров быстрый поворот паруса невозможен. Маневры занимают много времени, что снижает точность навигации.
• Риск повреждения. Попытка развернуть гигантскую тонкую мембрану с помощью двигателей-маховиков или реактивных сопел может привести к возникновению вибраций, скручиванию и разрыву материала.

Существующие альтернативы, такие как размещение управляющих лопастей на концах паруса или смещение центра масс (метод скользящей массы), добавляют конструкции вес и механически её усложняет, что критично для аппаратов, где каждый грамм снижает конечное ускорение.

Концепция управляемой деформации

Инженеры Гульжан Алдан и Игорь Баргатин предложили внедрить систему управления непосредственно в структуру полотна паруса. Вместо того чтобы поворачивать парус целиком, они предлагают изменять угол отражения света на микроскопическом уровне.

В основе метода лежит принцип, заимствованный из прикладной геометрии и механики материалов (в научной литературе часто упоминается как принцип киригами). Исследователи использовали стандартную для космической отрасли полиимидную пленку с алюминиевым напылением. На пленку наносится периодический узор из сквозных разрезов определенной формы.

В свободном состоянии такая пленка остается плоской и работает как обычное зеркало: свет падает перпендикулярно и отражается обратно. Но если приложить к краям пленки механическое натяжение, происходит процесс, который в механике называется контролируемым короблением.

Из-за наличия разрезов материал не просто растягивается, а деформируется в трехмерном пространстве. Участки пленки между надрезами выходят из плоскости паруса и поворачиваются на определенный угол. Парус перестает быть плоским зеркалом и превращается в массив из тысяч микроскопических наклонных поверхностей.

Физика возникновения боковой тяги

Основная цель этой трансформации — создание силы, направленной в плоскости самого паруса.

Когда солнечный свет падает на деформированную поверхность, он отражается не назад к источнику, а под углом, который задается наклоном сегментов пленки. Согласно закону сохранения импульса, изменение направления потока фотонов вызывает ответную реакцию. Если отраженный свет отклоняется влево, сам парус получает импульс, направленный вправо.

Это позволяет управлять вектором тяги без изменения положения космического аппарата в пространстве. Регулируя силу натяжения пленки, можно плавно менять угол наклона сегментов и, следовательно, величину боковой силы.

Компьютерное моделирование методом конечных элементов показало, что процесс полностью обратим: при снятии натяжения пленка возвращается в плоское состояние. Более того, симметрия разрезов позволяет предсказать поведение света с высокой точностью.

Экспериментальное подтверждение и эффективность

Для проверки теоретических расчетов исследователи создали физический прототип и провели серию лабораторных испытаний.

• Материал: была использована алюминизированная полиимидная пленка толщиной 7,8 микрометра (для сравнения - это значительно тоньше человеческого волоса).
• Геометрия: в пленке были сделаны разрезы длиной от 3 до 9,3 миллиметра.
• Установка: образец закрепили в специальном стенде, позволяющем контролировать растяжение с микрометрической точностью, и осветили лазером.

Эксперимент подтвердил, что при растяжении материала отраженный луч света расщепляется и отклоняется от нормали. Измерения показали, что максимальная эффективность управления достигается при деформации (растяжении) материала примерно на 8%. При дальнейшем растяжении угол наклона сегментов начинает уменьшаться, и эффективность падает.

Полученная боковая сила оказалась значительной. Расчеты показывают, что такой дырчатый парус создает управляющее усилие, сопоставимое с тем, которое возникало бы при физическом повороте сплошного зеркала на угол около 35 градусов. Это подтверждает, что перфорация не приводит к критической потере тяги, но дает новый функционал.

Инженерные преимущества перед аналогами

Предложенная технология решает несколько задач, которые ранее считались слабыми местами солнечных парусов.

Энергетическая эффективность. Единственный успешный межпланетный парусник IKAROS (Япония) использовал для управления панели с жидкими кристаллами, которые меняли прозрачность при подаче напряжения. Этот метод требует постоянного расхода электроэнергии для поддержания нужного состояния кристаллов. Метод деформации требует энергии только в момент изменения натяжения (активация электромоторов для натяжения тросов). Удержание паруса в растянутом состоянии может осуществляться механическими фиксаторами, что не требует затрат энергии.

Снижение массы. Отказ от тяжелых гироскопов, реактивных колес или дополнительных поворотных плоскостей позволяет существенно облегчить конструкцию зонда. В космических перелетах снижение массы напрямую конвертируется в более высокое конечное ускорение и сокращение времени миссии.

Надежность и масштабируемость. В конструкции отсутствуют сложные электронные компоненты, распределенные по поверхности паруса. Управляющие механизмы (лебедки или актуаторы) находятся в центральной части или по периметру, что упрощает их защиту от космической радиации и перепадов температур. Кроме того, метод масштабируем: он одинаково работает как на лабораторном образце размером в несколько сантиметров, так и на парусе большой площади.

Перспективы применения

Эта технология открывает путь к созданию сверхлегких космических аппаратов, способных совершать сложные маневры без расхода рабочего тела. Это критически важно для будущих миссий по исследованию внешних областей Солнечной системы или для проектов межзвездных зондов, где каждый грамм массы и каждый ватт энергии находятся на строгом учете.