Сонячні вітрила можуть досягти Марса всього за 26 днів

Нещодавнє дослідження, подане Acta Astronautica та наразі доступне на сервері препринтів arXiv, досліджує потенціал використання аерографітових сонячних вітрил для подорожей на Марс і міжзоряний простір, що може значно скоротити як час, так і паливо, необхідні для таких місій.

Це дослідження проводиться в той час, як поточні дослідження використання сонячних вітрил проводяться безліччю організацій разом з успішною місією LightSail2 від The ​​Planetary Society, і містить потенціал для розробки швидших і ефективніших силових систем для довгострокових космічних місій.

«Сонячний вітрильний двигун має потенціал для швидкого доставлення невеликих корисних вантажів (до кілограма) по всій Сонячній системі», — доктор Рене Геллер, астрофізик Інституту Макса Планка з досліджень сонячної системи та співавтор дослідження. , розповідає Universe Today. «Порівняно зі звичайним хімічним двигуном, який може доставляти сотні тонн корисного вантажу на навколоземну орбіту та доставити значну його частину на Місяць, Марс і далі, це звучить смішно мало. Але ключовою цінністю технології сонячних вітрил є швидкість».

На відміну від звичайних ракет, які використовують паливо у формі згоряння хімічних речовин, щоб вивести зовнішню силу з задньої частини космічного корабля, сонячні вітрила не потребують палива. Натомість вони використовують сонячне світло для свого рушійного механізму, оскільки гігантські вітрила вловлюють сонячні фотони, так само як вітрила, що вловлюють вітер під час подорожі по воді. Чим довше розгорнуті сонячні вітрила, тим більше сонячних фотонів захоплюється, що поступово збільшує швидкість космічного корабля.

Для дослідження дослідники провели моделювання того, як швидко сонячне вітрило з аерографіту масою до 1 кілограма (2,2 фунта), включаючи 720 грамів аерографіту з площею поперечного перерізу 104 квадратних метри, може досягти Марса та планети. міжзоряне середовище, яке також називають геліопаузою, використовуючи дві траєкторії із Землі, відомі як методи прямого зовнішнього перенесення та методу внутрішнього переміщення відповідно.

Метод прямої передачі як для подорожі на Марс, так і для геліопаузи передбачав розгортання сонячного вітрила та відправлення безпосередньо з полярної орбіти навколо Землі. Дослідники визначили, що Марс, який знаходиться в опозиції (прямо навпроти Землі від Сонця) під час розгортання сонячного вітрила та відльоту від Землі, дасть найкращі результати як для швидкості, так і для часу подорожі.

Це ж розгортання та вихід на полярну орбіту також використовувалося для траєкторії геліопаузи. Для методу переміщення всередину сонячне вітрило буде доставлено приблизно на 0,6 астрономічних одиниць (а.о.) від сонця за допомогою традиційних хімічних ракет, де сонячне вітрило розгорнеться та почне свою подорож або до Марса, або до геліопаузи. Але як сонячне вітрило з аерографіту робить цю подорож більш здійсненною?

«Завдяки низькій щільності 0,18 кілограма на кубічний метр аерографіт підриває всі звичайні матеріали для сонячних вітрил», — розповідає Universe Today Юліус Карлапп, науковий співробітник Дрезденського технологічного університету та провідний автор дослідження. “Порівняно з майларом (металізована поліефірна фольга), наприклад, щільність на чотири порядки менша. Якщо припустити, що тяга, яку розвиває сонячне вітрило, безпосередньо залежить від маси вітрила, результуюча сила тяги набагато вища. На додаток до переваги прискорення, механічні властивості аерографіту вражають».

Завдяки цьому моделюванню дослідники виявили, що метод прямого переміщення назовні та метод переміщення всередину призвели до того, що сонячне вітрило досягло Марса за 26 днів і 126 днів відповідно, причому перші 103 дні були часом подорожі від Землі до точки розгортання на відстані 0,6 астрономічних одиниць. .

Для подорожі до геліопаузи обидва методи призвели до 5,3 року і 4,2 року відповідно, причому перші 103 дні методу внутрішньої передачі також були присвячені часу подорожі від Землі до точки розгортання на 0,6 а.о. Причина, по якій геліопауза досягається швидше за допомогою методу внутрішнього переміщення, полягає в тому, що сонячне вітрило досягає максимальної швидкості через 300 днів, на відміну від досягнення максимальної швидкості за допомогою методу зовнішнього переміщення приблизно через два роки.

Поточний час подорожі до Марса коливається від 7 до 9 місяців, що відбувається лише протягом певних вікон запуску кожні два роки, покладаючись на те, що положення обох планет повинні бути вирівняні як під час запуску, так і прибуття будь-якого космічного корабля, який прямує до Марса або прибуває з нього. Оцінити поточний час подорожі до геліопаузи можна за допомогою зондів НАСА «Вояджер-1» і «Вояджер-2», які досягли геліопаузи приблизно через 35 років і 41 рік відповідно.

Дослідники відзначають, що одним з основних питань використання сонячних вітрил є уповільнення або уповільнення після прибуття до пункту призначення, зокрема Марса, і хоча вони згадують аерозахоплення як одне з рішень, вони визнають, що це все ще потребує подальшого вивчення.

«Маневри аерозахоплення для гіперболічних траєкторій (наприклад, польоти із Землі на Марс) використовують атмосферу для поступового зниження швидкості через опір», — доктор Мартін Таджмар, фізик і професор космічної системи Дрезденського технологічного університету та співавтор автор дослідження, розповідає Universe Today.

“Тому для виходу на марсіанську орбіту потрібно менше палива. Ми використовуємо цей маневр гальмування, щоб усунути потребу в додаткових гальмівних двигунах, що, своєю чергою, зменшує масу космічного корабля. Зараз ми досліджуємо, які альтернативні стратегії можуть нам підійти. Проте метод гальмування — це лише одна з багатьох проблем, з якими ми зараз стикаємося».

У той час як технологія сонячних вітрил була запропонована NASA ще в 1970-х роках, останнім прикладом технології сонячних вітрил є сонячний крейсер NASA, який наразі заплановано на лютий 2025 року. Джерело