Идея солнечного паруса предельно проста. Свет оказывает

давление на освещаемые предметы. В земной обстановке

это давление почти никак себя не

проявляет, потому что его значение мало. На каждый

квадратный метр земной поверхности солнечные лучи давят с силой около 10 мкН.

Расчёты показывают, что аппарат

с массой в 500 кг и диаметром

паруса в 300 м с поверхностной

плотностью 0,2 мг/м² способен

развить ускорение порядка

0,0001 м/с².

Использование космических

парусников целесообразно лишь

для ближних межпланетных перелётов. При полётах к дальним

планетам сроки получаются

крайне большими. Давление света (и ускорение, развиваемое

парусником) тем больше, чем

ближе парусник к Солнцу.

Поэтому ускорения вычисляются

для определённого расстояния

парусника от Солнца.

Самое трудное в создании

космического парусника –

постройка огромных, прочных и

тонких парусов, создание их

сложной арматуры.

                            Типы солнечных парусов для космических парусников:

1. Твердотельные. Подразделяются на однозеркальные и многозеркальные.

Многозеркальные паруса делятся, в свою очередь, на фасеточные (наращиваемые) и

«идеальные», т.е. энергетически наивыгоднейшие.

2. Плёночные паруса. Здесь выделяют два основных типа: каркасный и бескаркасный.

Каркасные плёночные паруса типа «зонт» (т.е. с механическим каркасом) и с пневмокаркасом: многолонжеронные и типа «баллон».

Бескаркасные плёночные паруса подразделяют на типа «парашют» (т.е. надуваемый

световым потоком) и «ротор» (т.е. стабилизируемые вращением, за счёт центробежных сил). Бескаркасные плёночные паруса типа «ротор» есть лопастного типа (подобно винтам

вертолёта) и с т.н. «компактным отражающим слоем».

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 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 пастей всего две, а не 3 или 12?  Создатели «Витязя» рассуждали следующим образом. Не испытанная доселе никем  солнечнопарусная 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 парусник  в пространстве счет изменения длины лопастей  без расхода реактивного рабочего  тела.

«Эволюция» аппарата:

АВ – вывод парусника на

стационарную орбиту

ВС – сброс элементов силового

корсета; ориентация на Солнце

продольной осью парусника

СD – закрутка парусника вокруг оси. Развёртывание паруса.

СО – космический парусник в развёрнутом состоянии, вместе с последней ступенью носителя.

Схема траектории полёта космического парусника

«Витязь» от Земли к Марсу.

Для космического парусника разработчикам пришлось создавать свою космическую

терминологию, аналогичную морской:

пленрей – ближайшая к центру масс космического парусника поворотная катушка с рулоном плёночного полотнища

бомпленрей – удаляющийся при вытягивании лопасти поворотный плёночный рей

силрей – «нижний» (относительно центра масс) силовой рей

бомсилрей – «верхний» силовой рей

Основные проектные характеристики

космического парусника «Витязь»:

Полётная масса – 470,1 кг

Общая эффективная площадь –

120 000 м²

Максимально реализуемое ускорение

вблизи Земли – 0,00233 м/с²

Максимальная тяга полностью

развёрнутого паруса вблизи Земли –

1,014 Н

Расчётная продолжительность полёта

в плоскости эклиптики с начальной

круговой геостационарной орбиты

при наивыгоднейшем и простейшем

законах управления парусником:

Земля – орбита Луна  -  17 (36) суток

орбита Земли -  орбита Марса  - 110 сут.

Расчётная продолжительность перелёта

«Витязя» со стартовой орбиты,

предложенная в рамках «Колумбус-500»:

Земля-Луна  -  45(59) суток

Земля-Мара  -  345 суток

      Классификационные данные

                       «Витязя»:

Тип формообразования паруса –

плёночный, бескаркасный,

стабилизируемый действием

центробежных сил (вращающийся),

лопастной

Показатель парусности – 255,2 (фрегат)

Коэффициент отражения светового

потока – 0,918-0,922 (для свежего

покрытия)

Общая стоимость (разработка, испытания, изготовление, управление –

без стоимости носителя) – 6,1 млн.долларов

Конструктивные особенности:

двухлопастный аппарат; на оконечностях каждой лопасти  расположены равные по массе приборные модули.

Габариты аппарата:

а) в сложенном состоянии:

длина – 7,85 м

диаметр – 1,1 м

б) в развёрнутом состоянии

16902,1x7,85 м; по плёночному

полотнищу – 2x(7,1x8450) м

Полотнище паруса: полиамидная

плёнка толщиной 2,05 мкм с двусторонним алюминиевым покрытием толщиной 0,1 мкм. Общая толщина паруса – 2,25 мкм. Удельная

поверхностная масса полотнища

паруса – не более 3 г/м²