В последние десятилетия астрономы и инженеры активно изучают альтернативные методы движения космических аппаратов, не требующие расхода топлива. Одним из таких методов являются солнечные паруса — крупные тонкие поверхности, которые используют давление света от Солнца для создания тяги. Однако управление направлением движения таких парусов остаётся серьёзной задачей. Недавнее исследование предлагает новый подход к повороту солнечного паруса, основанный на контролируемом структурном искажении материала, что может стать шагом к более эффективной навигации в космосе без топлива.
Солнечные паруса и проблема управления
Солнечные паруса — это устройства, которые используют давление фотонов солнечного света для движения космического аппарата. В отличие от традиционных двигателей, здесь нет расхода топлива: отражение света от поверхности паруса создаёт небольшую силу, которая может ускорять или направлять аппарат.
Основное преимущество таких парусов — отсутствие расходуемого топлива, что важно для длительных миссий. Однако управление направлением движения — особенно поворот паруса относительно направления света — исторически представляет сложную инженерную проблему.
Традиционные методы ориентации
До сих пор для изменения ориентации и направления движения солнечного паруса использовались несколько методов:
- реакционные колёса — механизмы, часто применяемые на спутниках для изменения ориентации, но они тяжёлые и требуют энергии для работы;
- концевые флюгеры (tip vanes) — небольшие зеркала на концах паруса, которые можно поворачивать для изменения направления отражения света, но они сложны в управлении;
- устройства изменения отражательной способности (Reflectivity Control Devices, RCD) — структуры на основе жидких кристаллов, которые могут менять отражение света, но требуют постоянного питания и потребляют энергию даже в покое.
Все эти методы имеют свои ограничения, связанные с энергопотреблением, массой или механической сложностью.
Новый подход: структурное искажение с помощью киригами
Исследование, опубликованное в препринте на arXiv учёными из Пенсильванского университета (Gulzhan Aldan и Igor Bargatin), предлагает альтернативный метод управления — использование принципа киригами. Киригами — древнее японское искусство разрезания бумаги для получения трёхмерных форм, в отличие от оригами, где материал сгибается без разрезов.
Как работает метод
В контексте солнечных парусов материал (обычно алюминизированная полиимидная плёнка) снабжают преднамеренными разрезами в определённой сеточной структуре. При натяжении такого материала с помощью сервоприводов или механических тяг он не остаётся плоским, а локально изгибается и образует трёхмерные выступы.
Эти выступы действуют как множество «мини-зеркал», у которых незначительно отличается угол отражения солнечного света. Поскольку отражение света переносит импульс фотонов на парус, изменение угла отражения даже небольших фрагментов вызывает изменение суммарного вектора давления, что приводит к изменению направления движения паруса без использования топлива.
Преимущества подхода
- Низкое энергопотребление — активное питание требуется только при управлении структурным искажением (для работы сервоприводов), а не для постоянного поддержания состояния, как у RCD.
- Малая масса и простота конструкции — материал с преднамеренными разрезами легче, чем добавление большого количества кинематических механизмов или тяжёлого оборудования.
- Потенциал для длительных миссий — способность управлять направлением движения без расхода топлива важных для миссий с длительным сроком действия.
Моделирование и лабораторные тесты
Авторы работы провели компьютерное моделирование с использованием пакета COMSOL, моделировав различные конфигурации «изгибов» и углы падения света, чтобы определить силы, которые могут возникать на парусе при разных формах структурного искажения. Результаты симуляций показали, что даже при малой величине усилия, создаваемого отдельными сегментами с разрезами, суммарная сила от давления света может быть достаточна для изменения направления движения небольшого космического аппарата.
В лабораторном эксперименте небольшой фрагмент материала с разрезами был растянут и облучён лазерным лучом. При изменении степени растяжения наблюдалось изменение положения отражённого луча, согласованное с предсказаниями модели, что подтверждает фактическое влияние структурных искажений на отражение света.
Оценка эффективности
Авторы отмечают, что сила, создаваемая давлением света на изогнутых сегментах, измеряется на уровне около 1 наноньютона (нН) на каждый ватт солнечного излучения, падающего на парус. Хотя это маленькая величина, в условиях космоса, где нет атмосферного сопротивления, такая сила способна обеспечить существенное изменение направления движения на протяжении длительного времени, особенно для парусов с относительно небольшой массой.
Ограничения и перспективы
По состоянию на конец 2025 года технология находится на ранних этапах разработки. Хотя моделирование и лабораторные эксперименты подтвердили принцип действия, пока не было проведено космических испытаний такого подхода. Авторы и другие исследователи подчёркивают, что требуется дальнейшая работа по оптимизации конструкции, масштабированию и проверке в условиях реального космоса.
Существует несколько конкурирующих технологий управления солнечными парусами, таких как RCD и механические системы, и каждая из них имеет свои преимущества и ограничения. Сравнение эффективности, долговечности и практичности будет определять, какие методы окажутся жизнеспособными для будущих миссий.
Значение для будущих космических миссий
Управление без топлива остаётся одной из ключевых инженерных проблем для миссий с длительной продолжительностью, включая межпланетные перелёты без больших запасов топлива или эксплуатацию маломощных аппаратов в дальнем космосе. Предложенный метод структурного искажения может оказаться перспективным в сочетании с другими технологиями, расширяя инструменты, доступные для навигации солнечных парусов и других космических парусных систем.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
