W 1980 roku w kosmosie, w odległości 100 tys. km od Ziemi, rozwinie się 12 plastikowych płatków o łącznej powierzchni 600 tys. m2. Wiatr słoneczny wypełni żagle, a „Heliogiro”, kosmiczny żaglowiec, rozpocznie swoją podróż w kierunku komety Halleya.
Niedawno, w 1969 roku, na łamach czasopisma opisywano projekty żaglowych statków kosmicznych, rozważano problemy techniczne wymagające rozwiązania, określano cele lotów („TM”, nr 8, 1969). Nie minęło dziesięć lat, a jak już wielokrotnie się zdarzało, fantastyka stała się rzeczywistością. Prawie wszystkie kwestie techniczne związane z budową żagla słonecznego zostały rozwiązane, a celem pierwszego lotu została kometa Halleya.
Jedna z najjaśniejszych w dosłownym znaczeniu przedstawicielek rodzin wędrowców niebieskich, kometa została nazwana na cześć przyjaciela i ucznia Newtona — Edmunda Halleya, który przewidział jej pojawienie się w 1758 roku. Przewidywania Halleya zostały błyskotliwie potwierdzone: po trudnych obliczeniach działania zakłócającego planet i miejsca pojawienia się komety na niebie została odkryta pod koniec 1758 roku i przeszła przez peryhelium w marcu 1759 roku z błędem mniejszym niż miesiąc. Kometa przyniosła pierwsze bezwarunkowe potwierdzenie uniwersalności prawa powszechnego ciążenia i potęgi opracowanych do tego czasu metod mechaniki nieba.
Komety to niewielkie ciała układu słonecznego. Ich rozmiary są znacznie mniejsze niż najmniejsze satelity planet słonecznych. Jednak w przeciwieństwie do meteorytów, składających się głównie z substancji stałej, komety zawierają znacznie więcej lotnych składników. Przede wszystkim są to zamrożone związki metanowo-amoniakalne. Kiedy kometa zbliża się do Słońca, część jej jądra w warunkach próżni kosmicznej przechodzi pod wpływem promieni słonecznych w stan gazowy, pomijając fazę ciekłą.
Potężne strumienie świecącego materiału kometnego wydobywają się z jądra komety we wszystkich kierunkach i, zaginając się pod wpływem promieni słonecznych, tworzą głowę, a następnie unoszą się w ogon. Według obserwacji z jądra komety Halleya w odległości jednej jednostki astronomicznej od Słońca wyrzucano 4 tony gazu na sekundę!
Głowa komety, rozszerzając się, może stać się większa niż Słońce, a ogon, zawsze skierowany w stronę od Słońca, czasami rozciąga się na miliony kilometrów.
Mimo gigantycznych rozmiarów, gęstość materii w kometach jest znikoma. Rozprosz jedno ziarnko pszenicy w objętości Teatru Wielkiego — i uzyskasz pojęcie o gęstości materii w komecie.
Niestety, poza informacjami o składzie materii komet, uzyskanymi metodą spektroskopową, o tych tajemniczych wędrowcach prawie nic nie wiadomo.
Skąd przychodzą komety i gdzie znikają? Gdzie się rodzą, jak giną? Dlaczego wiele komet okresowo wraca do Słońca?
Radziecki naukowiec S. Wszeswjacki broni hipotezy, że komety powstają nawet obecnie w wyniku wybuchów podczas erupcji wulkanicznych na gigantycznych planetach i ich satelitach. Hipoteza holenderskiego astronoma Oorta sugeruje, że komety tworzą pierścień z resztek obłoku protoplanetarnego gdzieś za orbitą Plutona. Pod wpływem zakłóceń ze strony najbliższych gwiazd niektóre komety zostają wprowadzone do wewnętrznych obszarów układu słonecznego i stają się widoczne. Francuscy astronomowie uważają, że źródłem pierwotnej materii komet może być samo Słońce. Materia, płynąca w postaci wiatru słonecznego, dociera do miejsca w kosmosie, gdzie pola magnetyczne międzyplanetarne, zderzając się z polami magnetycznymi międzygwiezdnymi, tworzą turbulencje. Tutaj strumienie wirów zbierają materię w grudki, które stale zwiększają swoje rozmiary. Gdy grudki materii osiągną określone rozmiary, grawitacyjne przyciąganie Słońca pokonuje siły hamujące i zalążki przyszłych komet startują z powrotem do swojego „rodzica”.
Kto ma rację? Może na wiele pytań związanych z pochodzeniem i składem komety pomogą odpowiedzieć dane zebrane przez pierwszy kosmiczny żaglowiec „Heliogiro”.
Pomysł stworzenia statku kosmicznego napędzanego siłą wiatru słonecznego wysunął Ciołkowski w 1920 roku.
Według współczesnych koncepcji wiatr słoneczny to strumienie cząstek — elektrycznie naładowanych cząsteczek, nieustannie emitowanych przez koronę słoneczną.
Z danych stacji międzyplanetarnych wynika, że prędkość wiatru słonecznego już w okolicach Ziemi osiąga 400 km/s, a w jego strumieniach obserwuje się turbulencje gazu i deformację pola magnetycznego, które niesie ze sobą.
I tak postanowiono wykorzystać wiatr słoneczny do lotów w przestrzeni bliskosłonecznej.
Zdaniem specjalistów z Centrum Lotów Kosmicznych NASA, którzy opracowali projekt wspólnie z Laboratorium Silników Odrzutowych w Pasadenie (USA), kosmiczny żaglowiec może wykonywać różnorodne zadania w układzie słonecznym. Ten statek kosmiczny jest przeznaczony do długotrwałych lotów z małym, ale stałym przyspieszeniem.
Skąd bierze się to przyspieszenie?
W 1900 roku rosyjski fizyk P. Lebiediew eksperymentalnie udowodnił, że światło może wywierać nacisk na ciała. Na przykład na Ziemi, w południe, Słońce naciska na idealnie odbijającą powierzchnię z siłą 4,6 • 10-6 niutona mg, to znaczy na kilometr kwadratowy idealnie wypolerowanego aluminium promieniowanie Słońca naciskałoby z siłą 0,5 kg. Ale w miarę zbliżania się do Słońca ta siła wzrasta i co najważniejsze, działa stale. Tak więc, pomimo niewielkiego przyspieszenia, po wielu miesiącach lotu prędkość kosmicznego żaglowca, według obliczeń inżynierów NASA, w momencie spotkania z kometą Halleya osiągnie 200 tys. km/h.
Żagiel słoneczny — duża powierzchnia odbijająca, skierowana do Słońca, służy jako napęd statku kosmicznego. Im bliżej Słońca, im większy żagiel, tym większa siła ciągu. To zresztą ogranicza zastosowanie kosmicznych żaglowców do granic układu słonecznego. Żagiel, podobnie jak silnik, ma szereg zalet w porównaniu z nowoczesnymi rakietami. Jest znacznie tańszy, bardziej niezawodny, nie potrzebuje paliwa. Wreszcie, przy stałej sile ciągu kosmiczny żaglowiec może manewrować w ten sam sposób, co żaglowiec na Ziemi. Statek kosmiczny może lawirować w kierunku Słońca lub płynąć „z wiatrem”, oddalając się od Słońca.
W 1980 roku planuje się wystrzelić w kosmos za pomocą rakiety nośnej kosmiczną sondę żaglową. Po „rozpłynięciu żagli” sonda poleci w kierunku Słońca, a następnie, zmieniając trajektorię, skieruje się na spotkanie z kometą Halleya w lutym — marcu 1986 roku. Autorzy projektu uważają również, że dzięki kosmicznemu żaglowcowi będzie można dostarczyć na Ziemię próbki gleby z Marsa.
Jak zatem zbudowany jest kosmiczny żaglowiec?
Obecnie opracowano konstrukcje dwóch typów: jeden statek ma kwadratowy żagiel rozciągnięty na ultralekkim stelażu o bokach długości 800 m. To supercienki plastik pokryty polerowanym aluminium. Konstrukcja jest maksymalnie odciążona, maszty nośne wykonane są z lekkich stopów, a sam statek, przymocowany do żagla, waży zaledwie 820 kg. Mieści on przyrządy. System kontroli i stabilizacji utrzymuje statek na właściwym kursie i zapewnia manewrowanie poprzez zmianę orientacji żagla.
Druga, bardziej oryginalna konstrukcja kosmicznego żaglowca nazywa się „Heliogiro” — od greckich słów „helios” — słońce i „gyros” — okrąg. Urządzenie to przypomina gigantyczny słonecznik, obracający się wokół własnej osi podłużnej. Żagle „Heliogiro” — dwanaście ogromnych płatków z aluminizowanego plastiku o grubości 2,5 mikrona — wychodzą z centralnej części urządzenia jak łopaty śmigła. Płatki są przymocowane na dwóch poziomach, po sześć na każdym, i przypominają kształtem gigantyczny maszt. Długość każdego płatka wynosi 6250 m, a szerokość 8 m.
Ogromną zaletą „Heliogiro” w porównaniu do statku z kwadratowym żaglem jest to, że nie potrzebuje konstrukcji nośnej do napinania żagla: odbywa się to za pomocą siły odśrodkowej, powstającej w wyniku obrotu urządzenia. Obracanie żaglowca stabilizuje jego pozycję w przestrzeni. Im szybsze obracanie, tym bardziej napięte są płachty żagla i tym stabilniejszy kierunek statku na gwiazdę orientacyjną. Każdy płatek może obracać się wokół własnej osi podłużnej jak łopata śmigła z regulowanym kątem natarcia.
Pozwala to ziemskim obserwatorom kontrolować położenie statku i obracać go względem Słońca. W ten sposób siła ciągu, generowana przez wiatr słoneczny, może być używana zarówno do przyspieszania, jak i do spowalniania ruchu „Heliogiro”.
Urządzenie o takich gigantycznych rozmiarach, jak „Heliogiro”, nie może być wystrzelone z Ziemi.
Planuje się, że w 1980 roku pomocniczy statek transportowy wyniesie na orbitę ziemską moduł z „Heliogiro” na pokładzie. Płatki żagla w złożonym stanie zajmą stosunkowo mało miejsca. Moduł ma własny silnik, który wprowadzi go z orbity ziemskiej na heliocentryczną. Tu rozpoczyna się rozkręcanie urządzenia, niezbędne do rozwinięcia żagli. Gdy żagle osiągną długość 154 m, moduł jest przenoszony na inną trajektorię, a żagle nadal obracają się już pod wpływem wiatru słonecznego. Proces formowania żagla ze zwiniętej taśmy jest prosty i niezawodny. W ciągu 15 dni płatki żagla zostaną całkowicie rozwinięte, a okres obrotu wyniesie 3 min. 20 s. Teoretycznie „Heliogiro”, skierowane na spotkanie z kometą Halleya, może przewozić ładunek o wadze 1350 kg.
Lot „Heliogiro” to eksperyment z myślą o dalekiej przyszłości. W kosmos poleci urządzenie napędzane wiatrem słonecznym, sztuczny satelita gigantycznych rozmiarów.
A jeśli ten eksperyment zakończy się sukcesem, to w niedalekiej przyszłości możliwe, że pojawią się międzyplanetarne statki transportowe i inne jednostki, powolne jak łodzie dawnych czasów, ale napędzane niewyczerpaną i darmową siłą, siłą samego Słońca.
SERGIEJ AKSENOW, inżynier
W lewym dolnym rogu okładki znajduje się schemat kosmicznego żaglowca. Żagiel statku kosmicznego przypomina skrzydła gigantycznego wiatraka. Wokół centralnej części urządzenia rozwinięte są 12 taśm z supercienkiego aluminizowanego materiału o długości 6250 m i szerokości 8 m. Napięcie tych taśm zapewnia siła odśrodkowa powstająca w wyniku obrotu urządzenia. Napędzany wiatrem słonecznym, „Heliogiro” przewozi 1350 kg ładunku użytecznego, nie potrzebuje silnika ani paliwa.
W lewym górnym rogu widoczne są orbity ruchu „Heliogiro” w kierunku komety Halleya i orbita samej komety. Po wejściu na tę orbitę statek kosmiczny rozwinął swoje ogromne żagle i z coraz większą prędkością poleciał w kierunku Słońca. Uzyskawszy na orbicie oczekiwania ogromną prędkość i wykonawszy kilka manewrów, statek kosmiczny oddala się od Słońca i kieruje na spotkanie z kometą Halleya.
W środku okładki, po prawej, widoczny jest plan Układu Słonecznego i orbita komety Halleya. Kometa przejdzie przez peryhelium 9 lutego 1986 roku, ale już w 1984 roku będzie można ją zaobserwować, gdy będzie przechodzić przez gwiazdozbiór Byka. Ostatni raz kometa Halleya wracała do Słońca w 1910 roku.