Под давлением солнечного света

Итак, мы уже убедились, что Солнце - это не только источник света и тепла. Для баллистиков (впрочем, как и для геофизиков, биологов, астрономов и других специалистов, исключая из них тех, которые смотрят па Соли не только как на средство получения бронзового цвета кожи) Солнце приносит массу беспокойств. Оно беспощадно контролирует атмосферу, вызывает в ней неожиданные возмущения, меняет температуру, поднимает и опускает ее над Землей и даже обдувает ее своеобразным "ветерком". Атмосфера бунтует, она то вспучивается, то снижается, обливает Землю дождем или набрасывается суховеями, сковывает морозом, заставляет бушевать океаны и вырывает с корнем могучие деревья. Для баллистиков известный оздоровительный лозунг "Солнце, воздух и вода - наши лучшие друзья" звучит парадоксально. Для них Солнце и воздух - враги.

Но Солнцу этого мало. Его "теплые ласковые лучи" столь же жестоко набрасываются на летящий космический аппарат и всеми силами стараются оттолкнуть его от себя. И чем светлее его поверхность, чем белее он, тем больше эта сила. Поистине Солнце не любит незагоревших!

Как известно, при падении света на некоторую поверхность, а также при его отражении или излучении возникает световое давление. При падении света перпендикулярно пластинке и полном поглощении его величина светового давления будет зависеть от расстояния до Солнца. В районе Земли на каждый квадратный метр черной поверхности будет действовать сила в 0,44 миллиграмма.

Возмущающее ускорение космического аппарата, вызываемое световым давлением, направлено вдоль лучей света и зависит от характера отражения света и распределения теплового излучения по поверхности аппарата.

На практике большой интерес представляет вопрос о влиянии светового давления на движение легких надувных шаров - спутников типа американского спутника "Эхо". Расчеты показывают, что для высоты полета ниже 500 км влияние светового давления значительно меньше влияния сопротивления воздуха. Практически обычно считают, что при такой высоте полета сила светового давления меньше возможных неучитываемых колебаний силы сопротивления воздуха. Поэтому при высотах менее 500 км учет влияния светового давления на движение спутника Земли, как правило, нецелесообразен. При высотах полета более 500 км сила светового давления оказывается сравнимой с силой сопротивления воздуха и на высоте 800 км уже превосходит ее. Отсюда следует, что световое давление оказывает ощутимое влияние лишь на движение небольших легких спутников с высотой полета более 500 км.

При длительных межпланетных полетах учет светового давления обязателен. В качестве примера произведем оценку величины смещения межпланетной станции "Венера-4", запущенной 12 июня 1967 года и достигшей поверхности Венеры 18 октября 1967 года. Вес станции - 1106 кг.

Ускорение станции за счет светового давления составит f=1,2x10^-8м/сек². Теперь по формуле пути равноускоренного движения можно найти величину смещения станции в направлении от Солнца, которое составит около 1000 км. А это уже немалая величина и ею, разумеется, нельзя пренебречь, так как она может отклонить точку попадания на Венеру на 1000 км. Конечно, это расчет приближенный и носит качественный характер, но он дает наглядное представление о влиянии светового давления на полет космических аппаратов.

Но световое давление - это не только источник помех в осуществлении космических полетов. Существуют различные проекты использования светового давления для управления полетом космических аппаратов аналогично тому, как это делают моряки на парусном корабле. Действительно, световое давление можно уподобить давлению ветра. На космическом корабле также необходимо иметь большую, отражающую солнечный свет, поверхность. Лучи Солнца, отражаясь от этой поверхности, создают силу, воздействующую па космический корабль. Эта поверхность удачно названа солнечным парусом. Правда, солнечный парус не будет сильно "надут", потому что световое давление несравнимо меньше давления ветра и космический корабль не "бежит себе в волнах на раздутых парусах". Но зато этот парус может быть сделан из чрезвычайно легкого материала, например, из тончайшей алюминиевой фольги. Солнечный парус в виде квадрата со стороной 10 м создает силу в 90 мг. Имея в виду невесомость, парус можно сделать еще больших размеров, например, в виде квадрата со стороной 100 м. Тогда сила "тяги" увеличится до 9 г. Правда, это по-прежнему мизерные силы, но, как мы уже убедились, на протяженных космических трассах они могут привести к ощутимым результатам. Так, если бы на станции "Венера-4" стоял солнечный парус площадью 100 м² (квадрат 10 X 10 м), все время своей плоскостью ориентированный на Солнце, то это .бы привело к промаху более чем на 30 тыс. км.

Таким образом, световое давление - это не только источник возмущений в движении космических аппаратов. Оно может быть с успехом использовано, правда, в ограниченных рамках для решения некоторых задач управления полетом и ориентации аппаратов в пространстве. Однако если в реализации идеи использования светового давления баллистикам будет способствовать более или менее ясная динамика движения аппаратов, то у инженеров, которые должны сконструировать солнечный парус, могут возникнуть серьезные проблемы. Очевидно, что для достижения больших управляющих сил необходимы громадные площади паруса, сравнимые, например, с площадью стадиона. Из какого материала сделать его, как развернуть его в пространстве, что делать, если он затеняет ряд звезд или планет, которые необходимо видеть с корабля? Это далеко не полный перечень возникающих проблем и только по этой причине, т. е. из-за трудностей инженерного решения, солнечный парус пока еще не нашел практического применения и в силу этого в настоящее время может быть отдан "в эксплуатацию" фантастам и любителям пока несбыточных проектов.