LightSail 2 развернул свой солнечный парус пять месяцев назад, и он все еще вращается вокруг Земли. Это успешная демонстрация потенциала солнечного паруса космического корабля. Теперь команда LightSail 2 в The Planetary Society выпустила документ с изложением своих выводов из миссии на данный момент.
Концепция солнечного паруса существует уже некоторое время, вплоть до Иоганна Кеплера. Еще в 1607 году комета Галлея прошла над головой, и Кеплер заметил, как хвост кометы устремился от Солнца. Он, как оказалось, правильно подумал, что за это ответственен солнечный свет. В письме Галилею, известном в астрономических кругах, Кеплер сказал: «Предоставьте корабли или паруса, приспособленные к небесному бризу, и найдутся те, кто отважится даже на эту пустоту». Довольно круто.
Конечно, у Кеплера не было возможности узнать, насколько он прав. Но теперь, благодаря Планетарному обществу и другим, мы делаем.
Планетарное общество является пионером в области солнечного парусного спорта. LightSail 2 на самом деле является их третьим солнечным парусным космическим кораблем, следующим по стопам LightSail 1, и их первоначальным предшественником Cosmos 1, который не достиг орбиты, когда его ракета-носитель вышла из строя. Третий солнечный парусный корабль под названием LightSail 3 достигнет точки либрации Солнца-Земли L1, если все пойдет хорошо.
LightSail 2, один из первых космических кораблей на солнечных парусах, преподает нам ценные уроки о возможностях и ограничениях солнечного парусного спорта. 10 января Планетарное общество выпустило документ с изложением некоторых из этих уроков. Статья называется «Работа орбиты и ориентации космического корабля LightSail 2 Solar Sail».
LightSail 2 медленно уступает дорогу и приближается к Земле. Когда он был развернут, орбитальное моделирование предсказывало, что оно упадет на Землю примерно через год после развертывания его парусов. Но космический корабль находится на высокой околоземной орбите на расстоянии около 720 км (447 миль), что намного выше, чем у других спутников и космических аппаратов, таких как Международная космическая станция, которая вращается на 400 км (249 миль).
Существует относительно мало данных о плотности атмосферы на этой высоте и об окончании спада орбиты, поэтому прогноз на один год не был точным. Но благодаря LightSail 2 мы теперь знаем, что атмосферное сопротивление на этой высоте достаточно сильное, чтобы тянуть LightSail 2 к Земле. Одна из причин этого заключается в том, что космический корабль не всегда движется под солнцем.
В течение каждой 100-минутной орбиты LightSail 2 тратит всего около 28 минут на захват солнечных фотонов, и это единственный раз, когда он может изменить свою траекторию. Остальное время проводит либо в затмении, либо движется прямо к Солнцу, либо корректирует его ориентацию. Эти 28 минут фактического времени плавания недостаточно, чтобы полностью противодействовать атмосферному сопротивлению.
Это всего лишь одна из вещей, которые Планетарное общество извлекло из своего проекта LightSail 2. Но внутри этих орбит есть и другие переменные.
Команда сравнила производительность LightSail 2, когда он был ориентирован случайным образом, и когда он был активно ориентирован на солнечный парусный спорт. Они обнаружили, что когда космический корабль был ориентирован случайным образом, большая полуось его орбиты уменьшалась на 34,5 метра в день. Когда он был активно ориентирован, та же самая мера уменьшалась всего на 19,9 метра в день. Но на его орбите много изменений, и иногда крошечный космический корабль увеличивал свою орбиту на 7,5 метра в день.
Видео показывает одну орбиту для LightSail 2. Обратите внимание на красные и синие линии, наложенные на космический корабль. Красная линия показывает направление Солнца, а синяя линия - направление локального магнитного поля. Приближаясь к Солнцу, космический корабль опускает свои паруса, а когда он активно плывет, он поворачивает свои паруса, чтобы поймать фотоны Солнца. Угол Солнца к -z изменяется от примерно 90 градусов до примерно 0 градусов.
В общих чертах, солнечный парус не может преодолеть атмосферное сопротивление, но это не то, для чего эти космические корабли действительно предназначены. Их потенциал заключается в межпланетном путешествии, свободном от атмосфер и затмений планеты. Космический корабль NEA Scout (разведчик околоземных астероидов) проведет два года под движением солнечного паруса, чтобы достичь астероида, хотя он получит начальный толчок от двигателей холодного газа.
Апогей и перигей LightSail 2 ездили на велосипеде вверх и вниз в течение пяти месяцев с момента его развертывания. Сразу после развертывания космический корабль поднял апогей, сделав его первым солнечным парусным кораблем, сделавшим это. В то же время перигей уменьшился. В конце октября произошла смена тренда, а в декабре - смена.
Есть несколько причин, по которым орбита проходит через эти циклы. Во-первых, Земля - сплющенный сфероид, а не сфера. Это означает, что его диаметр на экваторе примерно на 42 км (26 миль) больше, чем на полюсах. Это заставляет космический корабль испытывать прецессию или колебание.
Вторая причина циклов апогея / перигея в LightSail 2 - это путь Земли вокруг Солнца. Это движение меняет угол между Солнцем и положением апогея и перигея космического корабля.
LightSail 2 - отличный демонстрационный космический корабль, но у него есть ограничения. Одним из них является его единственное импульсное колесо. Космический корабль использует это колесо для ориентации либо параллельно, либо перпендикулярно лучам Солнца, в зависимости от того, расплывается ли оно на своих парусах или активно движется. Первоначально наземная команда делала это вручную, что было неэффективно. Теперь они автоматизировали процесс, и в результате космический корабль работает лучше.
Но в ходе этого процесса команда усвоила один из своих ценных уроков. Частые изменения ориентации паруса придают космическому кораблю значительный импульс. Одной из ключевых технических проблем является управление этим импульсом.
Еще один урок касается солнечной энергии. Солнечные паруса предназначены исключительно для солнечного плавания. LightSail 2 имеет несколько очень маленьких солнечных панелей, которые обеспечивают скудные потребности космического корабля в энергии.
Первоначальный проект предусматривал использование небольших солнечных панелей с обеих сторон корабля, но с одной стороны были сняты панели для размещения специальных зеркал, необходимых для определения дальности лазера до его точного расстояния от Земли. Но теперь, когда солнечная энергия есть только на одной стороне, иногда эти панели затеняются парусами. Это приводит к отключениям. Команда смогла обойти это до некоторой степени, управляя энергопотреблением космического корабля и его режимом управления ориентацией. Но это хороший урок для будущих космических кораблей на солнечных парусах.
Команда LightSail 2 также добавила еще один режим к космическому кораблю, который они называют режимом наведения на Солнце.
Режим наведения на Солнце будет держать солнечный парус космического корабля лицом к Солнцу в течение всей его орбиты. Это ограничит переориентацию космического корабля для уменьшения эффекта частых изменений ориентации, которые придают колесу импульса проблемный импульс космическому аппарату. Это также помогает в зарядке батареи солнечными элементами, хотя и не уменьшает орбитальный спад.
Новый режим также поможет с точностью наведения космического корабля, и даст ему более последовательную стартовую позицию для маневров тяги вкл / выкл.
Планетарное общество намерено внимательно следить за орбитальным распадом космического корабля, чтобы увидеть, какое влияние оказывают сами паруса. Это в основном для других команд, изучающих, как волочить паруса можно целенаправленно вывести из орбиты космического корабля.
Они также продолжат фотографировать. Основная причина снимков - следить за состоянием парусов, но они также приятны на глаз.
Вы можете узнать больше о LightSail 2 на веб-сайте The Planetary's Society. Это некоммерческое общество, так что вы можете присоединиться, если хотите участвовать в их миссии. Это отличный способ для граждан внести свой вклад.
Больше:
- Пресс-релиз: вот что мы узнали из LightSail 2
- Полный отчет: характеристики орбиты и ориентации космического корабля «Солнечный парус» 2
- Планетарное общество: история LightSail, часть 1
