История полёта. От крыльев Икара до космических ракет

5 июня 1783 года многочисленные зрители увидели подвешенный на высоте трёхэтажного дома огромный мешок, спускавшийся до земли. Внизу, под кольцевым отверстием, была установлена сковорода – на ней развели костёр. Дым стал наполнять оболочку, и она быстро приняла форму шара. Восемь рабочих с трудом удерживали его. Вот по команде отпущены верёвки, и баллон ушёл в небо. Полёт его продолжался около десяти минут. Шар поднялся на высоту около 2000 метров и, пролетев 2,5 км, опустился на землю.

Протокол, засвидетельствовавший это событие, был направлен в Париж, в Академию наук. Там было решено создать комиссию для решения вопроса и пригласить братьев Монгольфье повторить их опыт в столице. В конце августа Этьенн Монгольфье в Париже начал строительство воздушного шара. 19 сентября 1783 года сотни тысяч зрителей собрались в Версале, чтобы увидеть его полёт. Слегка вытянутый по высоте шар имел объём около 1200 кубометров и весил 400 кг. Для его подъёма был сделан помост с круглым отверстием посредине, под которым разводили огонь. Оболочка удерживалась над помостом на канатах, крепившихся к четырём высоким мачтам. Под воздушным шаром была подвешена клетка, в ней находились баран, петух и утка, здесь же был установлен барометр.

Поднявшись на высоту около 500 метров, шар через 8 минут опустился на землю, пролетев менее 4 километров. Животные прекрасно перенесли полёт.

21 ноября 1783 года в западном пригороде Парижа из сада замка де ла Мюэт, состоялся первый полёт человека на воздушном шаре, построенном братьями Монгольфье. На затейливо разрисованном воздушном шаре, диаметр которого был 14 м, поднялись два отважных француза Пилатр-де-Розье и маркиз д’Арланд. Первые воздухоплаватели достигли высоты около 1 км и пролетели 9 км за 25 минут, а затем благополучно приземлились в открытой местности на холме Бют-о-Кай.

Воздушные шары и дирижабли. Рисунок из Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона, 1890–1907 г.

Солнечный воздушный шар

Технически этот тип воздушного шара летает за счёт нагревания воздуха в нём при помощи солнечного излучения. Как правило, такие аэростаты делают из чёрного или тёмного материала. Хотя они в основном используются на рынке игрушек, некоторые солнечные шары достаточно велики для того, чтобы поднять в воздух человека.

Команда исследователей из лаборатории NextPV (создана Национальным центром научных исследований, Франция, и Университетом Токио) сейчас работает над разработкой уникального способа получения солнечной энергии. В частности, учёные предлагают развернуть массив «солнечных» воздушных шаров в небе над облаками. Ожидается, что такие установки позволят получать чистую энергию круглосуточно.

Для получения солнечной энергии необходимо строить огромные солнечные фермы, занимающие немало площади, которую можно было бы использовать для других целей. Кроме того, наземные солнечные панели не могут получать энергию ночью и в пасмурную погоду.

Исследователи из лаборатории NextPV уверены, что концепт их особых воздушных шаров поможет решить эти проблемы.

Воздушные шары NextPV будут оснащены системой производства водорода, что позволит эффективно сохранять солнечную энергию. Учёные даже предлагают со временем использовать определенную часть полученного водорода для надувания шаров, что сделает систему ещё более эффективной и автономной.

Солнечный парус

Так назвали приспособление, которое использует давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата. Это приспособление не используется по причине крайне низкой тяги.

Применение данной технологии позволит совершать даже самые длительные космические полёты, ведь для движения в межзвёздном пространстве кораблю не нужно будет иметь на борту огромный запас физического топлива – источник движения будет находиться повсюду.

Конечно, чем дальше будет расстояние космического корабля с солнечным парусом от источника света, тем меньшим будет его давление. Но ведь огромные пространства Вселенной представляют собой вакуум, следовательно, не будет силы, замедляющей движение космолета. Зато даже самый слабый свет от далеких звёзд будет постепенно увеличивать скорость полёта.

Считается, что космический аппарат, движимый солнечным парусом достаточного размера, может развить скорость примерно в одну десятую от световой.

Существуют также идеи, предполагающие замену основного источника движения такого паруса с солнечного света на лазерный луч. Изначально предполагалось устанавливать источник этого луча на Земле, но сейчас появились предложения по созданию таких конструкций где-нибудь на отдалённых планетах Солнечной Системы или даже на космических станциях в межзвёздном пространстве. Идеальным вариантом будет развертывание целой системы лазерных установок по дороге к другим звёздам. Но это – дело далекого будущего.

Истоки идеи солнечного паруса лежат в работах знаменитого шотландского физика Джеймса Максвелла (вторая половина XIX века), который сформулировал электромагнитную теорию света и предсказал существование давления света.

Мечты о космических кораблях, которые будут передвигаться благодаря давлению солнечного света, появились уже в конце девятнадцатого века в сочинениях писателей-фантастов. К примеру, в романе «Необычные приключения одного русского учёного» французов Жоржа ле Фора и Анри де Графиньи идет речь об экспедиции на Венеру, во время которой для движения было использовано огромное параболическое зеркало.

И именно российский учёный разработал первую в истории реальную конструкцию летательного аппарата на солнечном парусе. Советский инженер Фридрих Цандер в 1924 году подал в Комиссию по изобретениям соответствующую заявку, но эксперты назвали её слишком фантастической и отклонили.

На Западе идею создания солнечного паруса связывают, в первую очередь, со знаменитым астрономом, астрофизиком и популяризатором науки Карлом Саганом. Он был большим сторонником межзвёздных полётов и как учёный стал одним из самых авторитетных консультантов NASA. Саган впервые упомянул идею солнечного паруса в 1976 году. До этого он столкнулся с проблемой невозможности дальних космических полётов при помощи летательных аппаратов на основе физического двигателя. Но солнечный парус в теории позволял выйти из данного технологического тупика.

В 1980 году Карл Саган с единомышленниками, другими знаменитыми учёными, основал Планетарное общество, целью которого значится исследование космического пространства, поиск внеземной жизни, а также поддержка направленных на это проектов. Данная организация и является одним из главных сторонников и лоббистов идеи солнечного паруса.

Попытки создания

Ещё в 1974 году инженерам удалось впервые «обуздать» солнечный ветер. Произошло это в рамках запуска американской автоматической межпланетной станции «Маринер-10». В качестве солнечного паруса выступили её панели солнечных батарей. Их развернули под нужным углом к Солнцу, что позволило корректировать расположение корабля в пространстве.

Следующей конструкцией, похожей на солнечной парус, стал отражатель «Знамя-2», установленный в 1993 году на орбитальной станции «Мир». Но он использовался не в качестве ускорителя, а как дополнительный источник света для Земли. Эта конструкция создала на поверхности нашей планеты огромный «солнечный зайчик» диаметром 8 километров.

В дальнейшем процесс создания и развертывания солнечных парусов столкнулся с настоящим злым роком. Так, в 2005 году упала во время старта российская ракета «Волна», несшая на орбиту спутник «Космос-1» с солнечным парусом диаметром 30 метров.

Неудачами закончились попытки запустить солнечные паруса в 2001 и 2005 году. Ракета Falcon 1 от американской компании SpaceX, стартовавшая в августе 2008 года, также должна была отправить на орбиту солнечный парус NanoSail-D. Но она упала на третьей минуте полёта.

Первый по-настоящему удачный запуск солнечного паруса состоялся в 2010 году в рамках японского проекта IKAROS. Японские инженеры отправили на орбиту и смогли там полностью развернуть полиамидную плёнку толщиной 7,5 мкм и площадью 196 квадратных метров.

Этот солнечный парус функционировал в течение многих месяцев во время полёта автоматической межпланетной станции «Акацуки» в сторону Венеры. Возможно, он действует и сейчас, но с 2012 года с аппаратом нет связи.

В ноябре 2010 года американская ракета «Минотавр-4» вынесла на орбиту солнечный парус NanoSail-D2. Объект летал вокруг Земли в течение восьми месяцев, и многие жители нашей планеты успели увидеть его на ночном небе в виде яркой точки, плывущей по небосводу.

А дальше снова неудача. В январе 2015 года NASA планировало вывести на орбиту при помощи частной ракеты-носителя Falcon 9 солнечный парус Sunjammer, названный в честь одноименного рассказа Артура Кларка. Он должен был стать самым большим в истории объектом подобного рода, ведь площадь его поверхности составляет около 1200 квадратных метров.

Но в ноябре 2014 года стало известно, что Американское космическое агентство отменило этот запуск, так что ракета Falcon 9 отправилась на орбиту без солнечного паруса на борту. Запуск Sunjammer пока что перенесён.

Воздушный змей

Первоначально построенный путём растяжения шёлка над рамкой из расщепленного бамбука, воздушный змей был изобретен в Китае в V веке до нашей эры.