«Техника-молодежи» 1990 г. №12, с.30-35

Ветер, наполнив паруса колумбовых каравелл — «Санта Марии», «Пинты» и «Ниньи» — погнал их на запад и принес 12 октября 1492 года к острову Сан-Сальвадор. Не будь Колумба, Америке все равно не пришлось бы долго дожидаться кораблей чужеземцев. Европейцы уже обладали надежными парусниками, преодолевающими океаны. И потому, не обидим Колумба, сказав: «Америку открыл парус!»

Более того, в обозримом будущем парус, возможно, раздвинет границы Ойкумены до космических масштабов. В декабре 1988 года комиссия, созданная Конгрессом США, учредила конкурс проектов на лучший космический парусник. А в год юбилейных торжеств по поводу 500-летия открытия Нового Света должна состояться международная космическая регата «Колумбус 500». Планируется запустить минимум три солнечных парусника, представляющих Америку, Европу и Азию.

Среди европейцев участвуют в конкурсе итальянские специалисты, группа британских разработчиков из Кембриджа, франко-испанский альянс и два советских коллектива. Пока редакция располагает материалами одного из них — молодежного творческого объединения «Россия». Об общих подходах к конструированию космических парусников (дело ведь новое!) и о конкретном аппарате «Витязь» рассказывает главный конструктор проекта Александр ЛАВРЕНОВ.

Подготовка к международной регате «Колумбус 500» вызвала небывалый всплеск идей. Многообразие предложенных проектов показывает, что их создатели переживают период формирования концепций аппаратов: впоследствии многие будут отвергнуты и лишь некоторые станут классическими. Понятно, что лучший критерий отбора — практика. Но в данном случае это очень дорогостоящий путь, а потому желательно до вкладывания средств в постройку конкретных парусников иметь некоторые теоретические ориентиры.

Первым критерием оценки «звездных каравелл», на наш взгляд, мог бы быть тип формообразования солнечного паруса (СП). По условиям конкурса «Колумбус 500» рассматриваются паруса, использующие лишь механическое действие (давление) светового потока. А потому о сублимирующих, газодиффузных, с односторонним изотопным слоем и прочих, дающих дополнительную тягу, говорить не будем.

Второй критерий — общая площадь отражающей поверхности паруса S. Третий — масса парусника М. Четвертый мы бы назвали показателем парусности — α =S/M. Именно он определяет скоростные качества аппарата. Условно можно даже предложить следующий реестр космических летательных аппаратов с солнечными парусами (КЛАСП) по критерию α:

α <0,1 — воланы, использующие световое давление лишь для ориентации и стабилизации в космическом пространстве;

0,1≤α<1,0 — яхты, способные за продолжительное время существенно изменять свои первоначальные орбиты;

1,0≤α<10 — каравеллы, пригодные для медленных межорбитальных и межпланетных перелетов;

10≤α<100 — бригантины, способные выполнять роль межорбитальных буксиров и межпланетных зондов (их можно создать уже при современном развитии техники);

100≤α<1000 — фрегаты, скоростные межпланетные зонды (их технический уровень на пределе существующих возможностей);

α ≥ 1000 — клиперы — разведчики дальнего космоса, межзвездные зонды, перспективные парусники XXI века.

Поскольку есть 4-й критерий «альфа», почему бы не быть и 5-му — «омеге»? Обозначим этой греческой буквой коэффициент отражения парусом светового потока — чем ω выше, тем больше тяга. Эта величина зависит от степени деградации покрытия паруса в условиях космоса — воздействия глубокого вакуума, электромагнитных излучений, корпускулярных потоков, метеорной эрозии.

И, наконец, 6-й критерий, прозаический, но порой определяющий — стоимость космического аппарата.

Таким образом, «теоретическая нить Ариадны», придерживаясь которой можно в первом приближении оценивать проекты, представляет собой цепочку из шести звеньев, по которой составляется «визитная карточка» парусника.

Однако при дальнейшем детальном рассмотрении аппаратов необходимо выявлять более тонкие особенности.

Представим себе, что КЛАСП выведен на высокую околоземную орбиту в сложенном состоянии. Теперь ему надо раскрыть парус, на геоцентрических орбитах набрать скорость вплоть до 2-й космической, а затем перейти на гелиоцентрическую орбиту и совершить перелет к Луне и далее к Марсу — именно так проложена трасса космической регаты. Главной проблемой будет выбор принципа управления огромным по площади, обладающим сложными инерционными характеристиками солнечным парусом.

Достаточно жесткие и прочные твердотельные и пленочные каркасные паруса типа «зонт» (см. рис. «Генеалогическое дерево...») можно ориентировать в пространстве, используя традиционные в космонавтике способы и устройства (например, реактивный двигатель). Однако за это придется платить уменьшением α: масса каждого такого паруса намного, иногда более чем на порядок, превышает массу равного по площади бескаркасного СП. Согласитесь, это немаловажно: чем продолжительнее перелет, тем сильнее деградирует парус — со всеми негативными последствиями.

Шансы «баллонов» и «парашютов», как гонщиков по предложенной трассе, тоже невелики — хотя бы потому, что, управляя ими, придется изменять парусность по принципу «сложил — расправил». А такой прием для охрупчивающейся под действием солнечной и космической радиации пленки весьма нежелателен: с одной стороны, происходит как бы «сшивка» полимерных молекул материала СП, а с другой — деструкция (разрывы) атомных связей. Правда, помимо «пульсирования», можно использовать иной (применимый, кстати, для всех СП) принцип управления: программное изменение коэффициента отражения ω. Но, во-первых, этот способ не дает выгодного набора скорости за фиксированное время, а во-вторых, требует чрезвычайно строгого контроля теплового баланса паруса.

Многолонжеронный пневмо-каркасный СП обладает многими достоинствами. Однако с точки зрения технологии изготовления весьма капризен, во всяком случае, пока.

Исследуя роторные (вращающиеся в полете) системы, в которых жесткость СП обеспечивается центробежными усилиями, можно прийти к выводу, что длительно управлять парусом типа «компактное поле» довольно сложно. Действительно, представьте себе огромный пленочный маховик, эдакую «космическую медузу», которая в силу гироскопического эффекта стремится сохранить неизменным в пространстве направление своей оси вращения. Попытки развернуть СП обязательно приведут к неравномерному нагружению материала паруса, а ведь его толщина составляет всего-то 2-5 мкм.

От этого недостатка избавлены лопастные системы, у которых плоскость вращения СП может оставаться неизменной, а управление осуществляется поворотом лопастей (примерно как у вертолета, когда изменением угла атаки регулируется подъемная сила). Заметим, что инерционные характеристики лопастной системы в отличие от СП типа «компактное поле» остаются практически неизменными.

Но как раскрыть лопасть до многокилометровой длины (напомним, на околоземную орбиту она попадает в сложенном виде), как ею управлять, не вызывая перекосов и вообще сколько лопастей предпочтительнее для КЛАСП? Предлагаем следующие рассуждения.

Расправить свернутые в рулон лопасти поможет Солнце. В самом деле, если мы сориентируем их в пространстве наподобие пропеллера, световое давление начнет раскручивать КЛАСП. Лопасти под действием центробежных сил будут потихоньку удлиняться до полного своего раскрытия. Заметим, что в таком случае мы избегаем очень неприятного эффекта, характерного для неплоских (например, раскрывающихся по типу «гармошки») парусов. В их складках возникают нежелательные переотражения светового потока и одновременно ухудшается сброс тепла с теневой стороны паруса. Возникает вероятность локального перегрева космической «парусины» на 70-100° С. А тогда, во-первых, в месте перегрева парус может расплавиться, и образуется, фигурально выражаясь, дырка. Во-вторых, поскольку парус вращается и на него действуют центробежные усилия, то даже небольшие разрывы могут оказаться роковыми, особенно при прохождении зоны радиационных поясов. В них на поверхность СП «садится» мощнейший (киловольты!) электростатический заряд, а поскольку одноименные заряды взаимно отталкиваются, контур дырки становится концентратором разрывающих усилий. Электростатический заряд необходимо нейтрализовать, например, инжектируя на СП заряды противоположного знака. Причем следует учесть, что для равномерного размазывания заряда по всей поверхности паруса алюминиевое покрытие пленки должно быть не тоньше 0,05-0,1 мкм, иначе металл просто-напросто теряет проводящие свойства. Кстати, небольшой электростатический заряд паруса может оказаться весьма полезным — он как бы разглаживает поверхность СП и делает ее жестче.

Тип формообразования СП — пленочный. бескаркасный, стабилизируемый действием центробежных усилий (вращающийся), лопастной. Площадь СП -120 тыс кв. м. Начальная полетная масса КЛАСП— 470,1 кг; α =255,2 (фрегат); ω =0,918-0,922 (для «свежего» покрытия). Стоимость разработки, изготовлении, испытаний и управления в процессе полета — 6,028 млн. долларов (без учета стоимости носителя). Конструктивные особенности — аппарат двухлопастный, на оконечностях каждой лопасти расположены равные по массе приборные модули. Габариты аппарата в сложенном состоянии (без силового каркаса) диаметр — 1.1 м. дюна — 1,85 м. Габариты полностью развернутого аппарата — 16902,1 Х 7,85 м, по пленочному полотнищу 2 Х (7.1Х 8450) м. В качестве полотнища СП предполагается использование полиамидной пленки толщиной 2,05 мкм с двусторонним, включая кромки, алюминиевым покрытием толщиной 0.10 мкм. Общая толщина СП — 2.25 мкм. Удельная поверхностная масса полотнища СП — не более 3 г/кв. м.

Вернемся, однако, к методам управления лопастями. Но прежде сделаем небольшой экскурс в историю. В конце 70-х годов в США при подготовке полета к комете Галлея, помимо традиционных космических аппаратов, рассматривалось несколько проектов КЛАСП. Один из них — «Гелиогиро» (о нем рассказывалось в «ТМ», № 1 за 1978 год, а сам парусник был изображен на 4-й стр. обложки) — представлял собой аппарат с двумя 6-лопастными «пропеллерами» на общей оси. Управлять парусом предполагалось за счет поворота лопастей, закрепленных на шарнирных реях. А для повышения изгибной жесткости лопасть собирались пронизать продольным и поперечным кордом.

Детальное изучение данной концепции заставляет усомниться в ее осуществимости на практике. И вот почему. При повороте лопасти относительно продольной оси (то есть при ее установке на определенный угол атаки) на нее будет действовать пара сил, стремящаяся развернуть плоскость лопасти перпендикулярно оси вращения СП. Учитывая относительно малую изгибную жесткость пленочной лопасти, резонно предположить, что ее концевое сечение совсем необязательно займет ту же ориентацию, что и корневое. Другими словами, повернуть всю лопасть СП по схеме «Гелиогиро» невозможно. А вот по схеме «Витязя», мы надеемся, это удастся.

«Витязь» — такое наименование получил космический аппарат с солнечным парусом, проект которого разработан молодежным творческим объединением «Россия» при участии АН СССР. Его классификационные данные й конструктивные особенности приведены на центральном развороте журнала.

Что интересно: для космического паруса пришлось разрабатывать свою — космическую — терминологию, естественно, напоминающую морскую. Так, ближайшая к центру масс КЛАСП поворотная катушка с рулоном пленочного полотнища получила наименование пленрей, а удаляющийся при вытягивании лопасти поворотный пленочный рей — бомпленрей. Аналогично «нижний» (относительно центра масс КЛАСП) силовой рей стал называться силрей, «верхний» — бомсилрей. Силовые реи и связывающая их сверхпрочная лента из металлического сплава с аморфной структурой (вот где надо выжать максимум из успехов современной технологии!) составляют как бы подвижный скелет СП, его опорную силовую раму, внутри которой могут вращаться пленочные полотнища лопастей.

Управление парусом в простейшем случае выглядит так. Сравнивая показания датчиков визирования Солнца и Земли с программными значениями углового положения этих космических ориентиров, бортовой вычислитель дает команду поворота бомпленрея на требуемый угол. В безопорном пространстве такое действие совершается отталкиванием в противоположную сторону бомсилрея (по сигналу реле включается специальный механизм с приводом от электродвигателя). На бомпленрее и бомсилрее закреплены оптические (инфракрасные) мишени, угловое положение которых фиксируется датчиками, расположенными на пленрее и силрее. Получаемый датчиками сигнал рассогласования служит управляющей командой для поворота — обратите внимание! — пленрея ведущей (будем считать, что с нее начинается процесс управления) лопасти относительно пленрея ведомой и силрея ведущей лопасти относительно силрея ведомой. Таким образом удается синхронно развернуть концевое и корневое сечения ведущей лопасти на один и тот же угол, причем автоматически поддерживается плоскостность как пленочного полотнища, так и силовой системы лопасти. Более того, в результате обеспечивается разворот на тот же угол, но с отрицательным знаком, корневого сечения ведомой лопасти. Ну а ее концевое сечение примет заданную ориентацию, используя уже описанную систему оптических мишеней, следящих датчиков и приводов. Более сложные алгоритмы управления СП включают операции обратной связи и обмен информацией между приборными модулями.

Синхронный поворот лопастей «Витязя» возможен при любой их длине, от минимальной до максимальной. А в случае нарушения заданного уровня симметрии лопастей задействуется дополнительная система ориентации реактивного типа.

Логичен вопрос — почему лопастей всего две, а не 3 или 12, как у «Гелиогиро»? Создатели «Витязя» рассуждали следующим образом. Не испытанная доселе никем солнечно-парусная навигация, да еще в космических гонках, может потребовать более сложных законов управления, чем рассмотренный выше «релейный». Не исключена вероятность того, что придется разворачивать, не быстро конечно, — с угловой скоростью несколько градусов в час — плоскость вращения паруса. Такой маневр выполним, например, с помощью реактивной системы ориентации. Пара управляющих усилий в периферийных (на максимальном плече) точках СП обеспечит нужный поворот. Так вот, только у двухлопастного аппарата в этом случае будет одноосное, практически равномерное силовое нагружение конструкции. При увеличении числа лопастей, а также для СП типа «компактное поле», перекосов не избежать. Чтобы свести их к минимуму, потребуются сложные и дорогие средства дозировки ориентирующих усилий. Кроме того, только двухлопастная система способна поворачивать КЛАСП в пространстве за счет изменения длины лопастей, без расхода реактивного рабочего тела.

В ходе регаты космическому паруснику предстоит сбросить на Луну две памятные капсулы. Каждая — модель мироздания в представлении древних: земной диск, покоящийся на трех слонах, которые стоят на панцире огромной черепахи (см. центральный разворот журнала). Верхняя часть диска украшена рельефной картой Ойкумены, в нижней — выгравирована надпись: COLUMBUS 500, ВИТЯЗЬ, СССР. Капсула крепится на корпусе приборного модуля с помощью пирозамка. Ее отделение производится по команде с Земли в расчетной точке траектории. При этом используется «эффект пращи», заключающийся в том, что капсула, сброшенная с периферии вращающегося протяженного тела, приобретает значительную скорость относительно аппарата — в нашем случае до 150 м/с (подобной скорости достаточно для схода с орбиты искусственного спутника Земли). Момент и координаты сброса выбираются так, чтобы капсулы попали в Луну, а КЛАСП продолжал свой путь дальше — к Марсу.

В каждую капсулу встроен радиопередатчик-маяк, активируемый в момент разделения с КЛАСП и работающий в режиме импульсных радиопосылок до 30 суток.

Научная программа «Витязя» предусматривает экспериментальное исследование траектории полета КЛАСП, определение уровня метеорной эрозии конструкции, измерение красно-голубого смещения частоты электромагнитного излучения в гравитационной системе Земля — Луна — Солнце с целью уточнения некоторых положений теории относительности. Предусматривается также оснащение аппарата системой регистрации различных аномальных воздействий. Кроме того, подготовлена альтернативная программа исследования межпланетных бесстолкновительных ударных волн и характера плазменной турбулентности в солнечном ветре.

Добавим, что в ближайшее время предполагается отправить в космос экспериментальную панель с фрагментами СП «Витязя». Ее возьмет на борт многоцелевая орбитальная лаборатория «Алмаз», созданная НПО машиностроения. Предстоит практическая проверка пленочных материалов, их покрытий, различных швов и соединений в околоземном пространстве. Первые космические парусники готовы к закладке на земных стапелях.