§ 8. Парусные системы

Известно, что солнечный свет оказывает давление на освещенные части тел. Идея использования этой силы истинно космического характера давно привлекала интерес, но впервые была серьезно исследована в 1924-1925 гг. советским ученым Ф. А. Цандером [1.30].

В случае, если свет отвесно падает на полностью поглощающую его поверхность «абсолютно черного» тела, он на расстоянии от Солнца 149,6 млн. (радиус орбиты Земли) оказывает на нее давление, равное т. е. около на квадратный метр, или

Рис. 14. Схема плоского солнечного паруса.

Представим себе теперь развернутую в мировом пространстве очень тонкую пластмассовую пленку большой площади (сотни метров в поперечнике), покрытую тонким слоем отражающего материала (например, алюминия или серебра). Такая двигательная система, не являющаяся ракетной, называется солнечным парусом.

Допустим, что парус — плоский, имеет площадь 5 и солнечные лучи падают на него под некоторым углом 9 (рис. 14). Тогда падающий лучевой поток создает тягу направленную в ту же сторону, что и солнечные лучи. Если парус полностью отражает лучевой поток, то отраженный поток создает

дополйительную тягу в точности равную по величине и отклоненную от перпендикуляра к парусу на тот же угол (так как «угол падения равен углу отражения»). Из параллелограмма (точнее ромба) сил легко находится полная тяга: она равна и направлена перпендикулярно к плоскости паруса. Так как освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света, то на расстоянии от Солнца тяга плоского паруса при полном отражении равна где радиус орбиты Земли, а остальные обозначения — прежние. Если парус не является плоским, то необходимо найти отдельные («элементарные») векторы тяги на разных участках поверхности и определить их общую векторную сумму («интегрирование по поверхности»).

При неполном отражении вектор тяги отклонен ближе к направлению солнечных лучей. При полном поглощении солнечных лучей тяга будет направлена в ту же сторону, что и солнечный свет (как бы ни был расположен и какую бы форму ни имел парус). При полном или частичном поглощении возникают проблемы, связанные с нагревом паруса.

Ожидается, что солнечный парус сможет сообщить ускорения порядка [1.20, 1.30]. С удалением от Солнца ускорение будет быстро падать. Специфической особенностью солнечного паруса является зависимость величины создаваемой им тяги от ее направления.

По американским данным в середине 80-х станет возможным создание пленок толщиной и меньше [1.31]. Опасность перегрева пленки считается разрешимой проблемой. Очень серьезной проблемой является выбор метода разворачивания паруса и его формы. В США рассматриваются две возможных конструкции паруса: квадратная пленка, натянутая на развернутый трубчатый каркас, и так называемый роторный парус (эквивалентный по площади квадратному), нечто вроде вращающего мельничного колеса, 12 лопастей которого имеют каждая 7500 м в длину и в ширину. Лопасти натянуты с помощью центробежных сил, что и гарантирует устойчивость конструкции [1.31, 1.32]. Главное препятствие для перехода к завершающему этапу разработки солнечного паруса — финансовый риск, связанный с невозможностью проведения наземных испытаний: сила тяжести разрушит любую пригодную конструкцию и даже не позволит развернуть парус.

Можно, однако, создать некое подобие парусной двигательной системы, которая будет свободна от указанного недостатка. Покроем пластмассовую пленку с одной стороны тонким слоем радиоактивного изотопа полония, излучающего альфа-частицы (протоны) [1.9].

Мы получим парус, не отражающий постороннее излучение, а обладающий своим собственным односторонним излучением (излучение в противоположную сторону поглощается материалом пленки). По существу, такой изотопный парус представляет собой ракетный двигатель с почти постоянной тягой и практически не расходующейся массой.

Для нейтрализации реактивной струи, как и у ионного двигателя, придется подводить к ней электроны. Скорость истечения для изотопного паруса может составить причем с каждого квадратного метра площади может быть получена тяга [1.9].