К Солнцу на космическом парусе: итальянский проект Helianthus отправится в погоню за космической погодой

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

В эпоху, когда человечество всё смелее заглядывает за пределы Земли, поиск новых способов исследования космоса становится критически важным. Традиционные ракетные двигатели, работающие на химическом топливе, имеют существенные ограничения, связанные с конечным запасом топлива и необходимостью его доставки на орбиту. Поэтому учёные по всему миру активно ищут альтернативные варианты, одним из которых являются солнечные паруса.

Представьте себе тончайшую, практически невесомую плёнку, площадью в сотни квадратных метров, которая, словно гигантское зеркало, отражает солнечный свет. Давление света на эту плёнку, пусть и чрезвычайно малое, способно создавать тягу, достаточную для разгона космического аппарата. Солнечный парус — это двигатель, который не нуждается в топливе, черпая энергию непосредственно от Солнца. Такая технология открывает невероятные возможности для длительных космических путешествий, позволяя достигать самых отдалённых уголков Солнечной системы и даже выходить за её пределы.

Helianthus, вольная интерпретация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Именно на этой технологии базируется амбициозный проект «Гелиантус», разработанный Итальянским космическим агентством (ASI) в сотрудничестве с Департаментом астронавтики, электротехники и энергетики Римского университета «Ла Сапиенца» (DIAEE). Проект получил своё название в честь подсолнечника (лат. Helianthus) — цветка, который всегда поворачивается вслед за Солнцем, символизируя стремление к свету и новым знаниям.

«Гелиантус» представляет собой космический аппарат, оснащённый квадратным солнечным парусом со стороной 35,58 метра. Парус изготовлен из тончайшей плёнки каптона с алюминиевым покрытием и поддерживается двумя ортогональными балками из композитных материалов. В центре конструкции расположен компактный модуль с научной аппаратурой и системой управления.

Схема космического аппарата Helianthus
Автор: Luisa Boni, Marco Bassetto, Lorenzo Niccolai, Giovanni Mengali, Alessandro A. Quarta, Christian Circi, Rocco C. Pellegrini, Enrico Cavallini, Structural response of Helianthus solar sail during attitude maneuvers, Aerospace Science and Technology; DOI: https://doi.org/10.1016/j.ast.2023.108152 CC-BY 4.0 Источник: www.sciencedirect.com

Главная цель миссии — создание искусственной точки равновесия в гравитационном поле Солнца и Земли. Такая точка, подобная точке Лагранжа L1, но смещённая ближе к Солнцу за счёт тяги паруса, позволит «Гелиантусу» постоянно находиться на линии, соединяющей Солнце и Землю, обеспечивая уникальную возможность для непрерывного наблюдения за нашим светилом.

Искусственная точка равновесия типа L1, созданная космическим аппаратом Helianthus.
Автор: Luisa Boni, Marco Bassetto, Lorenzo Niccolai, Giovanni Mengali, Alessandro A. Quarta, Christian Circi, Rocco C. Pellegrini, Enrico Cavallini, Structural response of Helianthus solar sail during attitude maneuvers, Aerospace Science and Technology; DOI: https://doi.org/10.1016/j.ast.2023.108152 CC-BY 4.0 Источник: www.sciencedirect.com

«Гелиантус» будет оснащён тремя научными инструментами: коронографом для изучения солнечной короны — внешней атмосферы Солнца, магнитометром для измерения магнитного поля и детектором частиц для анализа солнечного ветра — потока заряженных частиц, испускаемых Солнцем. Данные, полученные с помощью этих приборов, помогут учёным лучше понять сложные процессы, происходящие на Солнце, включая образование солнечных вспышек и корональных выбросов массы, которые могут оказывать серьёзное влияние на космическую погоду и, как следствие, на работу спутников, систем связи и электроснабжения на Земле.

Однако поддержание аппарата в этой искусственной точке равновесия — задача, требующая высокой точности управления. Для этого необходимо учитывать не только гравитационные силы Солнца и Земли, но и давление солнечного света, а также компенсировать влияние различных возмущений.

Управление ориентацией «Гелиантуса» будет осуществляться с помощью четырёх панелей электрохромных устройств (ЭХУ), расположенных на парусе. ЭХУ — это специальные устройства, способные изменять свои оптические свойства, в частности коэффициент отражения, под действием электрического напряжения. За счёт этого можно регулировать силу светового давления на разные участки паруса, создавая необходимые управляющие моменты и корректируя ориентацию аппарата.

Для решения этой сложной задачи управления итальянские учёные разработали специальный алгоритм, основанный на методе скользящего режима. Этот метод, широко применяемый в системах автоматического управления, позволяет достигать высокой точности и быстродействия, эффективно подавляя влияние возмущений. Результаты численного моделирования, проведённого с использованием этого алгоритма, показали, что «Гелиантус» способен успешно выполнять маневры по коррекции ориентации и поддерживать необходимую позицию в космосе.

Поле предварительного напряжения, индуцированное в парусной отражающей мембране. (Для интерпретации цветов на рисунке (рисунках) читатель отсылается к веб-версии этой статьи).
Автор: Luisa Boni, Marco Bassetto, Lorenzo Niccolai, Giovanni Mengali, Alessandro A. Quarta, Christian Circi, Rocco C. Pellegrini, Enrico Cavallini, Structural response of Helianthus solar sail during attitude maneuvers, Aerospace Science and Technology; DOI: https://doi.org/10.1016/j.ast.2023.108152 CC-BY 4.0 Источник: www.sciencedirect.com

Однако при разработке алгоритма управления было сделано упрощающее предположение, что солнечный парус ведёт себя как абсолютно твёрдое тело. В реальности же парус, представляющий собой тончайшую плёнку, обладает определённой гибкостью и может деформироваться под действием внешних сил. Поэтому следующим важным этапом исследований стала оценка структурного отклика паруса на управляющие моменты.

Для этого были проведены численные эксперименты с использованием метода конечных элементов. Этот метод позволяет разбить сложную конструкцию на множество небольших элементов и проанализировать её поведение с учётом взаимодействия между ними. В рамках этих экспериментов была создана детальная компьютерная модель «Гелиантуса», которая учитывала геометрические параметры паруса, свойства материалов, а также действующие на него силы — гравитацию, давление света и управляющие моменты, создаваемые ЭХУ.

Результаты моделирования показали, что деформация паруса под действием этих сил незначительна и не превышает допустимых значений. Возникающие механические напряжения в плёнке паруса и в поддерживающих балках также оказались в пределах допуска, что исключает риск повреждения конструкции. Это подтверждает работоспособность разработанного алгоритма управления и открывает дорогу к реализации миссии «Гелиантус».

Первые четыре моды колебаний паруса
Автор: Luisa Boni, Marco Bassetto, Lorenzo Niccolai, Giovanni Mengali, Alessandro A. Quarta, Christian Circi, Rocco C. Pellegrini, Enrico Cavallini, Structural response of Helianthus solar sail during attitude maneuvers, Aerospace Science and Technology; DOI: https://doi.org/10.1016/j.ast.2023.108152 CC-BY 4.0 Источник: www.sciencedirect.com

Важно отметить, что проведённые исследования имеют значение не только для миссии «Гелиантус». Полученные результаты могут быть использованы и при проектировании других космических аппаратов с солнечными парусами, способствуя развитию этой перспективной технологии.

«Гелиантус» — это не просто научный эксперимент, это смелый шаг в будущее, который позволит человечеству выйти за пределы Земли и исследовать бескрайние просторы Вселенной, используя мощь солнечного света.

1 комментарий

Y
Интересно, насколько ближе к Солнцу сможет находиться этот аппарат «Гелиантус», по сравнению с естественной точкой Лагранжа L1?

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Физики нашли способ рассчитать момент рождения черной дыры без помощи суперкомпьютеров

Когда крупное облако материи или энергии сжимается под действием собственного притяжения, у этого процесса есть два возможных финала. Если исходной энергии недостаточно, сжатие будет временным:...

Холестерин, диеты и статины: как менялось понимание сердечно-сосудистого риска

Контроль холестерина используется в профилактике сердечно-сосудистых заболеваний с середины XX века, однако современное понимание этой системы формировалось постепенно и прошло несколько...

Обзор умной колонки Яндекс Станция Дуо Макс – как экран меняет работу с Алисой

Яндекс Станция Дуо Макс выглядит как устройство к которому сразу возникает простой вопрос: экран здесь действительно нужен или это просто способ сделать умную колонку дороже и заметнее? В этом...

✦ ИИ  «Cкуф»: как фамилия стала названием явления и что оно означает

«Скуф» — новый термин, описывающий мужчину, который сознательно не развивается. История, которая началась с фамилии и превратилась в мем, отражающий современный образ жизни.

Почему компьютерную ошибку называют «багом»

В мире информационных технологий слово «баг» стало привычным термином для обозначения любой ошибки в программе или системе. Оно звучит технически, но его происхождение уходит далеко за пределы...