Солнечный парус способен разгонять космические аппараты без топлива — но пока технология остаётся нишевой. Рассказываем, как развивалась концепция, какие миссии уже доказали её работоспособность, почему паруса не вытесняют традиционные двигатели — и где у этой технологии есть реальный шанс на прорыв.

Солнечный парус — технология, которая использует давление света для движения в космосе. Её главное преимущество в теории — возможность ускорять аппарат бесконечно долго и без расхода топлива. Однако на практике эта концепция до сих пор не стала массовой. О потенциале и ограничениях технологии изданию «Наука Mail» рассказал Денис Перепухов — младший научный сотрудник ИПМ им. М. В. Келдыша РАН и ассистент кафедры высшей математики МФТИ.

От наблюдений за кометами к научным доказательствам

Идея использовать свет как движущую силу появилась ещё в XVII веке. В 1619 году Иоганн Кеплер, наблюдая за хвостами комет, предположил, что Солнце воздействует на вещество некой отталкивающей силой. Более чем через два столетия Джеймс Клерк Максвелл теоретически обосновал, что свет обладает импульсом и способен давить на поверхности. А в 1900 году Пётр Лебедев экспериментально подтвердил это, измерив световое давление с помощью крутильных весов.

Серьёзное обсуждение применения паруса в космосе началось в 1970‑х: NASA рассматривала его для миссии к комете Галлея. Расчёты показывали, что парусник мог бы достичь цели за четыре года — быстрее, чем аппарат на электроракетном двигателе. Но проект закрыли, сделав ставку на более предсказуемую технологию. Тем не менее интерес к теме вырос: появились международные объединения, продвигающие фотонную тягу, в том числе World Space Foundation, Union pour la Promotion de la Propulsion Photonique и Японский союз солнечных парусов.

Романтика и инженерные вызовы: «Космическая регата»

В 1989 году идея солнечного паруса получила почти поэтическое воплощение: к 500‑летию открытия Америки объявили международную «гонку к Марсу на солнечных парусах». В СССР для участия в конкурсе создали консорциум «Космическая регата», куда вошли специалисты НПО «Энергия» и Долгопрудненского конструкторского бюро автоматики. Проект получил высокую оценку жюри, но реализовать гонку не удалось из‑за высокой стоимости.

Опыт, полученный в ходе подготовки, не пропал зря: он лёг в основу эксперимента «Знамя‑2» (1993). На корабле «Прогресс М‑15» развернули тонкоплёночную конструкцию площадью около 300 м² — по сути, солнечный парус, но использовали его не для тяги, а для отражения света. В результате над Западной Европой появилось световое пятно диаметром около пяти километров — его яркость была сопоставима с полной Луной. Следующая попытка, «Знамя‑2.5», завершилась неудачей: мембрана зацепилась за антенну и порвалась, после чего финансирование прекратили.

Первые реальные полёты

Первую попытку развернуть именно двигательный парус предприняли в рамках проекта «Космос‑1» (2005). Аппарат с парусом площадью около 600 м² должен был продемонстрировать управляемое движение за счёт светового давления, но запуск завершился аварией — ракета-носитель вышла из строя, и аппарат затонул в океане.

Первым успешным примером стал японский аппарат IKAROS (2010). На нём развернули квадратный парус площадью 200 м², оснащённый датчиками и солнечными элементами. Миссия подтвердила: давление света реально влияет на траекторию, а ориентацией аппарата можно управлять, меняя отражательную способность сегментов паруса. IKAROS даже прошёл Венеру с ночной стороны — в отличие от сопутствующего аппарата AKATSUKI.

Позже состоялись успешные миссии LightSail‑1 и LightSail‑2 (2015 и 2019). LightSail‑2, находясь на высоте около 720 км, продемонстрировал, что парус способен менять орбиту: вблизи перигея его направляли на Солнце для ускорения, а вблизи апогея — отворачивали, чтобы снизить торможение. Наблюдаемые изменения высоты орбиты полностью соответствовали расчётам.

Ещё один современный проект — ACS3 (Advanced Composite Solar Sail System) от NASA. Это аппарат формата 12U CubeSat с парусом 80 м². В октябре 2024 года подтвердили успешное развёртывание конструкции, но из‑за проблем с системой ориентации дальнейшие эксперименты временно приостановили.

Почему паруса до сих пор не стали стандартом

Главная сложность — в инженерных требованиях. Мембрана должна быть одновременно сверхлёгкой (2–20 г/м²), прочной, устойчивой к космической среде и способной складываться в минимальный объём. Развёртывание реализуют разными способами: за счёт центробежных сил (как в IKAROS) или с помощью раздвижных мачт (ACS3).

Ключевой показатель эффективности — характеристическое ускорение: максимальное ускорение паруса на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца. У всех реализованных аппаратов оно не превышало 0,06 мм/с² — примерно в сто раз меньше гравитационного ускорения от Солнца на этой дистанции. Кроме того, тяга зависит от ориентации относительно светила, поэтому она не всегда максимальна.

На низких орбитах солнечные паруса нашли узкое, но востребованное применение — для сведения отработавших спутников с орбиты. Парус увеличивает аэродинамическое сопротивление, ускоряя сход аппарата. Этим направлением занимается, например, компания Gama Space. Учитывая растущую загруженность околоземного пространства, такие решения помогают предотвращать эффект Кесслера — лавинообразный рост космического мусора.

Где у паруса есть преимущество

У технологии есть ниши, где она может быть эффективнее традиционных двигателей. Например, полёты к внутренним планетам: чем ближе к Солнцу, тем сильнее давление света и выше ускорение. Для аппарата с характеристическим ускорением 0,2 мм/с² перелёт Земля — Меркурий займёт около четырёх лет, тогда как миссия BepiColombo с электроракетными двигателями и гравитационными манёврами добирается до цели уже более восьми лет.

Для дальних миссий рассматривают траектории типа «Сандайвер»: аппарат «ныряет» близко к Солнцу (до 0,2 астрономической единицы или даже нескольких солнечных радиусов), где давление света резко возрастает. В сочетании с эффектом Оберта это позволяет достичь гиперболических скоростей — например, до 20 астрономических единиц в год. Такие схемы могут пригодиться для быстрых пролётных миссий к дальним объектам или для создания космического телескопа в фокальной области гравитационной линзы Солнца (проект, над которым работают специалисты JPL NASA и ИПМ им. М. В. Келдыша).

Что сдерживает развитие

Поведение паруса в космосе сложно предсказать заранее. Под действием космической радиации и солнечного ветра меняются оптические свойства материала, в нём могут образовываться пузырьки водорода, искажающие структуру. Кроме того, в реальности парус не бывает идеально плоским: складки и изгибы влияют на распределение тяги. Всё это требует сложного математического моделирования и лётных испытаний.

Тем не менее направление развивается: NASA и JAXA ведут публичные программы, а российские специалисты располагают значительным практическим опытом. При наличии финансирования солнечные и тормозные паруса могут занять устойчивую нишу в ближайшие 10–30 лет — не как замена традиционным двигателям, а как инструмент для специализированных задач: полётов к внутренним планетам, быстрых миссий к окраинам Солнечной системы и очистки орбит от отработавших аппаратов.