Солнечный парус

Предположим, что на неподвижное плоское идеальное зеркало массы ${\displaystyle m}$ нормально к его поверхности падает плоская световая волна с энергией ${\displaystyle W_{0}}$. Обозначим энергию отражённой световой волны как ${\displaystyle W_{1}}$, скорость, приобретённую зеркалом в результате отражения волны как ${\displaystyle v}$. Тогда закон сохранения энергии: ${\displaystyle W_{0}+mc^{2}=W_{1}+{\frac {mc^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}}$ и закон сохранения импульса: ${\displaystyle {\frac {W_{0}}{c}}=-{\frac {W_{1}}{c}}+{\frac {mv}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}}$. Из этих уравнений можно получить:

${\displaystyle v=c{\frac {(1+{\frac {2W_{0}}{mc^{2}}})^{2}-1}{(1+{\frac {2W_{0}}{mc^{2}}})^{2}+1}}}$ (1)

${\displaystyle W_{1}={\frac {W_{0}}{1+{\frac {2W_{0}}{mc^{2}}}}}}$ (2)

Отсюда следует, что коэффициент полезного действия фотонного паруса (доля энергии падающей волны, передаваемая парусу) тем больше, чем больше отношение энергии падающей волны к энергии покоя паруса. При энергии падающей волны, много большей энергии покоя зеркала ${\displaystyle W_{0}\gg mc^{2}}$ практически вся энергия волны передаётся зеркалу.

В другом крайнем случае энергия падающей волны много меньше энергии покоя зеркала ${\displaystyle W_{0}\ll mc^{2}}$. В этом случае из формулы (1) получаем: ${\displaystyle {\frac {v}{c}}\approx {\frac {2W_{0}}{mc^{2}}}}$. Из формулы (2) получаем:${\displaystyle {\frac {\Delta W}{W_{0}}}={\frac {W_{0}-W_{1}}{W_{0}}}\approx {\frac {2W_{0}}{mc^{2}}}}$. Из этой формулы видно, что в этом случае световая волна передаёт парусу лишь ничтожную часть своей энергии^[3].

Солнечный парус и другие виды космического паруса планируется использовать в некоторых проектах звездолётов^{[4][5][6][7][8][9][10]}. Преимуществом солнечного парусника является отсутствие топлива на борту, что позволяет увеличить полезную нагрузку по сравнению с космическим кораблём на реактивном движении. Однако концепция солнечного паруса требует лёгкого по массе и одновременно большого по площади паруса.

Недостатком солнечного парусника является зависимость ускорения от расстояния до Солнца: чем дальше от Солнца, тем меньше давление солнечного света и, тем самым, меньше ускорение паруса, а за пределами Солнечной системы давление солнечного света и, соответственно, эффективность солнечного паруса приблизится к нулю. Световое давление от Солнца довольно мало, поэтому для увеличения ускорения существуют проекты разгона солнечного парусника лазерными установками с генерирующих станций вне Земли^[4][11]. Данные проекты сталкиваются с проблемой точного наведения лазеров на сверхдальних расстояниях и создания лазерных генераторов соответствующей мощности.

Джеффри Ландис предложил использовать солнечную батарею для передачи энергии через лазер от базовой станции на межзвёздный зонд с ионным двигателем^[12][13], что даёт некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом (в настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений)^[14].

В 1989 году юбилейной комиссией Конгресса США в честь 500-летия открытия Америки был объявлен конкурс о выведении на орбиту нескольких солнечных парусных кораблей, разработанных в разных странах, и проведении гонки под парусами к Марсу. Весь путь планировалось пройти за 500 дней. Свои заявки на участие в конкурсе подали США, Канада, Великобритания, Италия, Китай, Япония и Советский Союз. Старт должен был состояться в 1992 году.

Претенденты на участие стали выбывать почти сразу, столкнувшись с рядом проблем технического и экономического плана. Распад Советского Союза, однако, не привёл к прекращению работы над отечественным проектом, который по мнению разработчиков, имел все шансы на победу. Но регата была отменена ввиду финансовых трудностей у юбилейной комиссии (а возможно, ввиду всей совокупности причин). Грандиозное шоу не состоялось. Однако солнечный парус российского производства был создан (единственный из всех) совместно НПО «Энергия» и ДКБА, и получил первую премию конкурса^[15].

Советскими учёными была изобретена схема радиационно-гравитационной стабилизации космического аппарата, основанная на применении солнечного паруса^[16][17]. Первое развёртывание солнечного паруса в космосе было произведено на российском корабле «Прогресс М-15» 24 февраля 1993 года в рамках проекта «Знамя-2»^[18].

Первым использовавшим космический парус как двигатель аппаратом стал японский IKAROS, который и считается первым в истории космическим парусником. 21 мая 2010 года Японское космическое агентство (JAXA) запустило ракету-носитель H-IIA, на борту которой находились космический аппарат IKAROS с солнечным парусом и метеорологический аппарат для изучения атмосферы Венеры^[19]. IKAROS оснащён парусом из тончайшей мембраны размером 14 на 14 метров по длине и ширине. С его помощью предполагается исследовать особенности движения аппаратов при помощи солнечного света. На создание аппарата было потрачено 16 миллионов долларов. Раскрытие солнечного паруса началось 3 июня 2010 года, а 10 июня успешно завершилось. По кадрам, переданным с борта IKAROS, можно сделать вывод, что все 196 квадратных метров ультратонкого полотна расправились успешно, а тонкоплёночные солнечные батареи начали вырабатывать энергию.

Сейчас в России существует консорциум «Космическая регата», который провёл несколько опытов с солнечными отражателями с целью освещения районов нефте- и газодобычи. Также существуют проекты выплавления зеркал на орбите из астероидов.

20 мая 2015 года с космодрома на мысе Канаверал первый в истории частный спутник на солнечном парусе «LightSail-1» был отправлен в тестовый полёт^[20][21].

В августе 2024 года специалисты НАСА успешно развернули солнечный парус в околоземном пространстве. Испытания проходили на борту аппарата Advanced Composite Solar Sail System (ACS3), запущенного в апреле 2024 года на ракете Electron компании Rocket Lab. Парус оснащён четырьмя камерами, способными захватить панорамный вид. Полученные данные можно использовать при проектировании более крупных композитных систем солнечных парусов для спутников раннего предупреждения о космической погоде, миссий по разведке астероидов и наблюдению за полярными областями Солнца^[22].

• Рассказ «Солнечный ветер» (1963) писателя-фантаста Артура Чарльза Кларка, вошедший в сборник рассказов «Обмен Разумов»^[23], целиком посвящён космической регате яхт, оснащенных солнечным парусом и приводимых в движение исключительно солнечным ветром. В рассказе, написанном от имени одного из участвующих в регате капитанов, перечислены яхты с различными вариантами исполнения солнечного паруса и средств стабилизации полёта. В рассказе также описывается инцидент, в ходе которого произошло столкновение двух яхт.
• В книге Бернара Вербера «Звёздная бабочка» повествование идёт о фантастическом космическом корабле в форме бабочки с использованием фотонного паруса.
• В сериале «Звёздный путь. Дальний космос 9» (s03e22 Explorers) коммандер Бенджамин Сиско строит корабль с солнечными парусами, чтобы доказать правдивость истории о древнем контакте баджорцев с кардассианской цивилизацией
• В фильме «Звёздные войны. Эпизод II: Атака клонов» после битвы на Джеонозисе граф Дуку улетает на Корусант на солнечном паруснике.
• В анимационном фильме студии Disney «Планета сокровищ» на сёрфере, корабле и шлюпке установлены солнечные паруса, как и на других судах которые можно увидеть в порту. В игре по мотивам фильма так же присутствуют суда, использующие солнечные паруса.
• Во вселенной Warhammer 40000 солнечными парусами оснащены корабли расы эльдар.
• Одна из серий мультсерий Смешарики: Пин-код (спин-оффа мультсериала Смешарики), а именно - двадцатая серия "Солнечный бриз" - посвящена теме солнечного паруса
• В третьем сезоне сериала «Ради Всего Человечества» американский пилотируемый марсианский корабль «Соджернер-1» оснащён, помимо ядерных двигателей, солнечными парусами.