Войти
ИКАРОС космический зонд с солнечным парусом в полете (авторские работы изображение) с типичной конфигурацией квадратного паруса Солнечные паруса (также называемые легкими парусами или фотонными парусами ) представляют собой метод движения космического корабля с использованием радиационное давление, оказываемое солнечным светом на большие зеркала. С 1980-х годов был предложен ряд космических полетов для проверки солнечной тяги и навигации. Первым космическим кораблем, использующим эту технологию, был ИКАРОС, запущенный в 2010 году.
Полезной аналогией солнечного плавания может быть парусная лодка; свет, воздействующий на зеркала, подобен парусу, развеваемому ветром. Лазерные лучи высокой энергии можно использовать в качестве альтернативного источника света для создания гораздо большей силы, чем это было бы возможно при использовании солнечного света, концепция, известная как движение луча. Парусные суда на солнечных батареях предлагают возможность недорогих операций в сочетании с длительным сроком службы. Поскольку у них мало движущихся частей и не используется топливо, они потенциально могут использоваться многократно для доставки полезных нагрузок.
Солнечные паруса используют явление, которое имеет доказанное и измеренное влияние на астродинамику. Солнечное давление влияет на все космические аппараты, будь то в межпланетном пространстве или на орбите вокруг планеты или небольшого тела. Типичный космический корабль, идущий к Марсу, например, будет смещен на тысячи километров под действием солнечного давления, поэтому эффекты необходимо учитывать при планировании траектории, что делалось со времен первых межпланетных космических аппаратов в 1960-х годах. Солнечное давление также влияет на ориентацию космического корабля, фактор, который должен быть включен в конструкцию космического корабля.
. Общая сила, действующая на солнечный парус размером 800 на 800 метров, например, составляет около 5. ньютонов (1,1 фунт-силы ) на расстоянии от Земли от Солнца, что делает его системой с малой тягой движущей силой, подобной космическому кораблю с электродвигателями, но поскольку в нем не используется топливо, эта сила действует почти постоянно, и совокупный эффект со временем достаточно велик, чтобы его можно было рассматривать как потенциальный способ приведения в движение космического корабля.
Иоганн Кеплер заметил, что хвосты кометы направлены в сторону от Солнца, и предположил, что Солнце вызвало эффект. В письме к Галилею в 1610 году он писал: «Обеспечьте корабли или паруса, приспособленные к небесному бризу, и найдутся такие, кто выдержит даже эту пустоту». Он мог иметь в виду феномен хвоста кометы, когда писал эти слова, хотя его публикации о хвостах комет появились несколько лет спустя.
Джеймс Клерк Максвелл в 1861–1864 годах опубликовал свою теорию электромагнитного поля. поля и излучения, которые показывают, что свет имеет импульс и, таким образом, может оказывать давление на объекты. Уравнения Максвелла обеспечивают теоретическую основу для плавания с небольшим давлением. Итак, к 1864 году физическое сообщество и не только знали, что солнечный свет несет импульс, который будет оказывать давление на объекты.
Жюль Верн в своей книге «От Земли до Луны», опубликованной в 1865 году, писал: «Когда-нибудь появятся скорости, намного превышающие эти [планет и снаряда], из которых, вероятно, будут светиться или электричество. механический агент... однажды мы отправимся на Луну, планеты и звезды ". Возможно, это первое опубликованное признание того, что свет может перемещать корабли в космосе.
Петр Лебедев первым успешно продемонстрировал легкое давление, что он и сделал в 1899 году на крутильных весах; Эрнест Николс и Гордон Халл провели аналогичный независимый эксперимент в 1901 году с использованием радиометра Николса.
Сванте Аррениус, предсказав в 1908 году возможность давления солнечного излучения, распространяющего споры жизни на межзвездные расстояния, предоставив одно средство для объяснения концепции. панспермия. Он, по-видимому, был первым ученым, заявившим, что свет может перемещать объекты между звездами.
Константин Циолковский первым предложил использовать давление солнечного света для перемещения космического корабля в космос и предложил «использовать огромные зеркала из очень тонких листов для использования давление солнечного света для достижения космических скоростей ».
Фридрих Цандер (Цандер) опубликовал в 1925 году технический доклад, который включал технический анализ солнечного плавания. Зандер писал о «применении малых сил» с использованием «светового давления или передачи световой энергии на расстояние с помощью очень тонких зеркал».
Дж. Б.С. Холдейн размышлял в 1927 году об изобретении трубчатых космических кораблей, которые доставят человечество в космос. и как «крылья металлической фольги площадью квадратный километр или более расправлены, чтобы поймать давление излучения Солнца».
J. Д. Бернал писал в 1929 году: «Может быть разработан такой вид космического плавания, который использовал бы отталкивающий эффект солнечных лучей вместо ветра. Космический корабль, полностью расправивший свои большие металлические крылья, размером в акры, в полной мере, может быть унесен к пределу орбиты Нептуна. Затем, чтобы увеличить свою скорость, он будет лавировать, двигаясь с близкого расстояния, вниз по гравитационному полю, снова распространившись на всех парусах, когда он проносится мимо Солнца. "
Карл Саган В 1970-х популяризировал идею плавания на свету с использованием гигантской структуры, которая отражала фотоны в одном направлении, создавая импульс. Он высказывал свои идеи на лекциях в колледже, в книгах и телешоу. Он был зациклен на быстром запуске этого космического корабля, чтобы успеть на рандеву с кометой Галлея. К сожалению, миссия не состоялась вовремя, и он так и не доживет до конца.
Первые формальные разработки в области технологии и проектирования солнечного паруса начались в 1976 году в Лаборатории реактивного движения для предполагаемой миссии по встрече с кометой Галлея.
Многие люди считают, что космические корабли, использующие солнечные паруса, толкаются солнечными ветрами так же, как парусники и парусные корабли толкаются ветром через воды на Земле. Но солнечное излучение оказывает давление на парус из-за отражения и небольшой части, которая поглощается.
Импульс фотона или всего потока задается соотношением Эйнштейна :
, где p - импульс, E - энергия (фотона или потока), а c - скорость света. В частности, импульс фотона зависит от его длины волны p = h / λ
Давление солнечного излучения может быть связано со значением энергетической освещенности (солнечная постоянная ) 1361 Вт / м при 1 AU (расстояние Земля-Солнце), пересмотренное в 2011 г.:
Идеальный парус плоский и имеет 100% зеркальное отражение отражение. Фактический парус будет иметь общую эффективность около 90%, около 8,17 мкН / м, из-за кривизны (вздутие), складок, поглощения, переизлучения спереди и сзади, незеркальных эффектов и других факторов.
Сила, действующая на парус, является результатом отражения потока фотонов Сила, действующая на парус, и фактическое ускорение корабля изменяются на обратный квадрат расстояния от Солнца (если только он не находится очень близко к Солнцу), а также на величину квадрат косинуса угла между вектором силы паруса и радиалом от Солнца, поэтому
где R - расстояние от Солнце в Австралии. Фактический квадратный парус может быть смоделирован как:
Обратите внимание, что сила и ускорение обычно приближаются к нулю около θ = 60 °, а не 90 °, как можно было бы ожидать от идеального паруса.
Если часть энергии поглощается, поглощенная энергия нагревает парус, который повторно излучает эту энергию с передней и задней поверхностей, в зависимости от излучательной способности этих двух поверхностей.
Солнечный ветер, поток заряженных частиц, вылетающих из Солнца, оказывает номинальное динамическое давление примерно от 3 до 4 нПа, что на три порядка меньше, чем давление солнечного излучения на отражающий парус.
Нагрузка на парус (поверхностная плотность) - важный параметр, который представляет собой общую массу, деленную на площадь паруса, выраженную в г / м. Он представлен греческой буквой σ.
Парусное судно имеет характерное ускорение c, которое оно испытывает на уровне 1 а.е., если смотреть на Солнце. Обратите внимание, что это значение учитывает как падающие, так и отраженные импульсы. Используя приведенное выше значение 9,08 мкН на квадратный метр радиационного давления при 1 а.е., a c связано с поверхностной плотностью следующим образом:
Предполагая Эффективность 90%, a c = 8,17 / σ мм / с
Число легкости, λ, представляет собой безразмерное отношение максимального ускорения транспортного средства, деленное на местную гравитацию Солнца. Используя значения в 1 а.е.:
Число яркости также не зависит от расстояния от Солнца, потому что сила тяжести и световое давление уменьшаются как обратный квадрат расстояние от Солнца. Следовательно, это число определяет типы орбитальных маневров, которые возможны для данного судна.
В таблице представлены некоторые примерные значения. Полезные данные не включены. Первые два относятся к детальному проектированию в JPL в 1970-х годах. Третий, решетчатый парусник, может представлять собой наилучший возможный уровень производительности. Размеры квадратных и решетчатых парусов - ребра. Размер для гелиогиро - от кончика лезвия до кончика лезвия.
| Тип | σ (г / м) | ac(мм / с) | λ | Размер (км) |
|---|---|---|---|---|
| Квадратный парус | 5,27 | 1,56 | 0,26 | 0,820 |
| Heliogyro | 6,39 | 1,29 | 0,22 | 15 |
| Решетка парусник | 0,07 | 117 | 20 | 0,840 |
Активный контроль ориентации Система (ACS) необходима парусному судну для достижения и поддержания желаемой ориентации. Требуемая ориентация паруса изменяется медленно (часто менее 1 градуса в день) в межпланетном пространстве, но гораздо быстрее на планетарной орбите. ACS должна соответствовать этим требованиям ориентации. Управление ориентацией достигается за счет относительного сдвига между центром давления летательного аппарата и его центром масс. Это может быть достигнуто с помощью управляющих лопаток, движения отдельных парусов, движения контрольной массы или изменения отражательной способности.
Сохранение постоянного положения требует, чтобы ACS поддерживала нулевой чистый крутящий момент на аппарате. Суммарная сила и крутящий момент на парусе или паре парусов непостоянны на протяжении всей траектории. Сила изменяется с расстоянием солнечного паруса и углом, который изменяет Billow в парусах и отклоняет некоторые элементы опорной конструкции, что приводит к изменениям в парусах силы и крутящий момент.
Температура паруса также изменяется в зависимости от расстояния до Солнца и угла паруса, что изменяет размеры паруса. Лучистое тепло от паруса изменяет температуру несущей конструкции. Оба фактора влияют на общую силу и крутящий момент.
Чтобы удерживать желаемое положение, ACS должна компенсировать все эти изменения.
На околоземной орбите давление солнца и давление сопротивления обычно равны на высоте около 800 км, а это значит, что парусному судну придется работать на этой высоте. Парусные корабли должны работать на орбитах, где их скорость поворота совместима с орбитами, что обычно имеет значение только для конфигураций с вращающимся диском.
Рабочие температуры паруса являются функцией солнечного расстояния, угла паруса, отражательной способности, а также коэффициентов излучения спереди и сзади. Парус можно использовать только в том случае, если его температура поддерживается в материальных пределах. Как правило, парус можно использовать довольно близко к Солнцу, примерно на 0,25 а.е., или даже ближе, если он тщательно разработан для этих условий.
Возможные применения для парусных судов в диапазоне Солнечная система, от Солнца до кометных облаков за Нептуном. Судно может совершать исходящие рейсы для доставки грузов или для стоянки на станции в пункте назначения. Их можно использовать для перевозки грузов и, возможно, также использовать для путешествий людей.
Для путешествий по внутренней Солнечной системе они могут доставлять грузы, а затем возвращаться на Землю для последующих путешествий, работает как межпланетный шаттл. В частности, для Марса этот аппарат мог бы обеспечить экономичные средства регулярного обеспечения операций на планете, согласно Джерому Райту: «Стоимость запуска необходимого обычного топлива с Земли огромна для пилотируемых миссий. Использование парусных кораблей может потенциально сэкономить более 10 долларов. миллиардов затрат на миссию ".
Парусный корабль на солнечных батареях может приближаться к Солнцу, чтобы доставить полезную нагрузку для наблюдения или выйти на орбитальную станцию. Они могут работать при 0,25 а.е. или ближе. Они могут достигать высоких орбитальных наклонений, в том числе полярных.
Солнечные паруса могут путешествовать на все внутренние планеты и обратно. Полеты к Меркурию и Венере предназначены для сближения и выхода на орбиту полезной нагрузки. Поездки на Марс могут быть либо для рандеву, либо для полета с высвобождением полезной нагрузки для аэродинамического торможения.
| Размер паруса. m | Меркурийное рандеву | Венерное рандеву | Марсовое рандеву | Mars Aerobrake | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| дней | тонн | дней | тонн | дней | тонн | дней | тонн | |
| 800. σ = 5 г / м. без груза | 600 | 9 | 200 | 1 | 400 | 2 | 131 | 2 |
| 900 | 19 | 270 | 5 | 500 | 5 | 200 | 5 | |
| 1200 | 28 | 700 | 9 | 338 | 10 | |||
| 2000. σ = 3 г / м. без груза | 600 | 66 | 200 | 17 | 400 | 23 | 131 | 20 |
| 900 | 124 | 270 | 36 | 500 | 40 | 200 | 40 | |
| 1200 | 184 | 700 | 66 | 338 | 70 | |||
Минимальное время перехода к внешним планетам выгодно от использования непрямого переноса (солнечного движения). Однако этот метод обеспечивает высокие скорости поступления. Более медленные передачи имеют более низкую скорость прибытия.
Минимальное время перехода к Юпитеру для c 1 мм / с без скорости вылета относительно Земли составляет 2 года при использовании непрямого перехода (солнечное движение мимо). Скорость прибытия (V ∞) близка к 17 км / с. Для Сатурна минимальное время полета составляет 3,3 года при скорости прибытия около 19 км / с.
| Юпитер | Сатурн | Уран | Нептун | |
|---|---|---|---|---|
| Время, год | 2,0 | 3,3 | 5,8 | 8,5 |
| Скорость, км / с | 17 | 19 | 20 | 20 |
Внутренняя точка гравитационного фокуса Солнца находится на минимальном расстоянии 550 а.е. от Солнца и является точкой, в которую свет от удаленных объектов фокусируется гравитацией в результате прохождения мимо Солнца. Таким образом, это удаленная точка, в которую солнечная гравитация заставит сфокусироваться область глубокого космоса по другую сторону от Солнца, таким образом эффективно действуя как очень большая линза объектива телескопа.
Было предложено, чтобы Надутый парус, сделанный из бериллия, который начинается в 0,05 а.е. от Солнца, получит начальное ускорение 36,4 м / с и достигнет скорости 0,00264c (около 950 км / с) менее чем за день. Такая близость к Солнцу может оказаться непрактичной в ближайшем будущем из-за структурной деградации бериллия при высоких температурах, диффузии водорода при высоких температурах, а также электростатического градиента, создаваемого ионизацией бериллия солнечным ветром, что создает риск взрыва. Пересмотренный перигелий в 0,1 а.е. снизит вышеупомянутую температуру и воздействие солнечного потока. Такой парус займет «два с половиной года, чтобы достичь гелиопаузы, шесть с половиной лет, чтобы достичь внутреннего гравитационного фокуса Солнца, с прибытием во внутреннее Облако Оорта не более чем за тридцать лет». «Такая миссия могла бы выполнять полезные астрофизические наблюдения в пути, исследовать методы гравитационной фокусировки и получать изображения объектов Облака Оорта, исследуя частицы и поля в этой области, которые имеют скорее галактическое, чем солнечное происхождение».
Роберт Л. Форвард прокомментировал, что солнечный парус можно использовать для изменения орбиты спутника вокруг Земли. В крайнем случае, парус можно было использовать для «зависания» спутника над одним полюсом Земли. Космические аппараты, оснащенные солнечными парусами, также могут быть размещены на близких орбитах, чтобы они оставались неподвижными относительно Солнца или Земли, тип спутника, названный Форвардом «статитом ». Это возможно, потому что движущая сила, обеспечиваемая парусом, компенсирует гравитационное притяжение Солнца. Такая орбита может быть полезна для изучения свойств Солнца в течение длительного времени. Точно так же космическийкорабль, оборудованный солнечным парусом, может также оставаться на станции почти над полярным солнечным терминатором такой планетой, как Земля, путем наклона паруса под углом, просматривая противодействие гравитации планеты.
В своей книге Дело о Марсе, Роберт Зубрин указывает, что отраженный солнечный свет от большого статита, помещенного рядом с полярным ограничителем планеты Марс, мог быть сфокусирован на одном марсианских полярных ледяных шапок, чтобы значительно нагреть атмосферу планеты. Такой статит мог быть сделан из материала астероида.
Зонд MESSENGER, вращающийся по орбите Меркурий, использовал легкое давление на свои солнечные панели для выполнения точных корректировок траектории на пути к Меркурию. Изменяя наклона солнечных панелей по отношению к Солнцу, можно было установить угол давления солнечного излучения, чтобы регулировать траекторию космического корабля более деликатно, чем это возможно с помощью двигателей. Незначительные ошибки значительно усиливаются за счет маневров гравитации, поэтому использование радиационного давления для внесения очень небольших поправок позволяет сэкономить большое количество топлива.
В 1970-х годах Роберт Форвард использует две силовые установки с лучевымом с использованием либо лазеров, либо мазеров толкать гигантские паруса со скоростью, составляющую значительную часть света.
В научно-фантастическом романе Rocheworld Форвард описал легкий парус, приводимый в движение суперлазерами. По мере приближения звездолета к месту назначения внешняя часть паруса отделялась. Внешний парус перефокусировался и отразил лазеры обратно на меньший внутренний парус. Это обеспечило бы тормозную тягу, чтобы остановить корабль в звездной системе назначения.
Найти огромные инженерные проблемы. Лазеры должны работать непрерывно при мощности гигаватт. Решение Вперед требует строительства огромных массивов солнечных панелей на планете Меркурий или рядом с ней. Зеркало размером с планету или линза Френеля должно быть расположено на расстоянии нескольких десятков астрономических от Солнца, чтобы лазеры фокусировались на парусе. Гигантский тормозной парус должен действовать как прецизионное зеркало, чтобы сфокусировать тормозной луч на внутреннем «тормозящем» парусе.
Потенциально более простой подход было использование мазера для управления «солнечным парусом», состоящим из сетки проводов с тем же расстоянием, что и длина волны микроволн, направленного на парус, манипуляции с микроволновым излучением несколько проще, чем манипуляции с видимым светом. Гипотетический дизайн межзвездного зонда «Звездный шкворень » будет использовать микроволны, а не видимый свет, чтобы толкать его. Мазеры действуют быстрее, чем оптические лазеры из-за их большей длины волны, и поэтому не будут иметь такой большой эффективный диапазон.
Мазеры также можно использовать для питания окрашенного солнечного паруса, обычного паруса, покрытого слоем химикатов, предназначенных для испарения при ударе микроволнового излучения. Импульс, генерируемый этим испарением, мог бы значительно увеличить тягу, создаваемую формулу солнечными парусами, как легкого абляционного лазерного движителя.
для дальнейшей фокусировки энергии на удаленном Солнечный парус, Форвард использование линзу в виде большой зонной пластины . Он будет размещен между лазером или мазером и космическим кораблем.
Еще один более реалистичный подход - использовать свет Солнца для ускорения. Корабль сначала упадет на орбиту, приблизившись к Солнцу, чтобы максимизировать поступление солнечной энергии на парус, а он начал ускоряться от системы, используя свет от Солнца. Ускорение упадет примерно как обратный квадрат расстояния от Солнца, и за пределами некоторого расстояния корабль больше будет получать достаточно света для значительного ускорения, но будет поддерживать достигнутую скорость. Приближаясь к цели звезде, корабль может повернуть к ней паруса и начать использовать внешнее давление звезды для замедления. Ракеты могут увеличить солнечную тягу.
Подобные запуск и захват солнечного паруса были предложены для направленной панспермии, чтобы расширить жизнь в другой солнечной системе. Скорость света 0,05% от скорости света может быть получена с помощью солнечных парусов, несущих 10 кг полезной нагрузки, с использованием тонких солнечных парусов с чистой плотностью поверхности 0,1 г / м с тонкими парусами толщиной 0,1 мкм и размерами на поверхности. порядка одного квадратного километра. В качестве альтернативы, рой 1-миллиметровых капсул можно запускать на солнечных парусах радиусом 42 см, каждая из которых несет 10 000 капсул со ста миллионами экстремофильных микроорганизмов, чтобы засеять жизнь в различных целевых средах. 237>
Теоретические исследования предполагают релятивистские скорости, если солнечный парус сверхновую.
Маленькие солнечные паруса были предложены для ускорения спуска малых искусственных спутников с орбиты Земли. Спутники на низкой околоземной орбите могут использовать комбинацию солнечного давления на парус и увеличенного сопротивления атмосферы для ускорения входа спутника в атмосферу. Парус для снятия с орбиты, используемый в Универсальном Крэнфилда, является частью британского спутника TechDemoSat-1, запущенного в 2014 году, и, как ожидается, будет запущен в конце пятилетнего срока службы спутника. Назначение паруса - вывести спутник с орбиты примерно за 25 лет. В июле 2015 года британский 3U CubeSat был запущен в космос с целью тестирования-метровой конструкции на выходе с орбиты, но в итоге развернуть его не удалось. Существует также студенческая миссия CubeSat с высотой 2U под названием PW-Sat2, которая будет запущена в 2017 году, в ходе которой будет проверяться 4-метровый спусковой спусковой механизм. В июне 2017 года второй британский 3U CubeSat под названием InflateSail развернул 10-метровый спусковой парус на высоте 500 километров (310 миль). В июне 2017 года 3U Cubesat URSAMAIOR был запущен на низкой околоземной орбите для тестирования системы спуска с орбиты, разработанной ARTICA. Устройство, которое занимает всего 0,4 U куба спутника, должно быть парус 2,1 м для снятия с орбиты спутника в конце эксплуатации
Иллюстрация НАСА неосвещенной стороны половинки -километровый солнечный парус, демонстрирующий распорки, растягивающие парус. 
Художественное изображение космического корабля типа Cosmos 1 на орбите ИКАРОС, запущенного в 2010 году, был первым практическим солнечным кораблем. По состоянию на 2015 год он все еще находился в режиме тяги, что доказано практичность солнечного паруса для длительных миссий. Он вращается, с массами в углах его квадратного паруса. Парус изготовлен из тонкой полиимидной пленки, покрытой напылением алюминия. Он управляется с помощью электрически управляемых жидкокристаллических панелей. Парус медленно вращается, и эти панели включаются и выключаются, чтобы контролировать положение автомобиля. Когда они включены, они рассеивают свет, уменьшая яркость этой части паруса. В выключенном состоянии отражает больше света. Таким образом они поворачивают парус. Тонкопленочные солнечные элементы также интегрированы в парус, питающий космический корабль. Конструкция очень надежна, поскольку развертывание пары, которое предназначено для больших парусов, упростило механизм раскрытия, а ЖК-панели не имеют движущихся частей.
Парашюты имеют очень малую массу, но парашют не подходит для солнечного паруса. Анализ показывает, что конфигурация парашюта может разрушить под действием сил, действующих на линии кожуха, поскольку радиационное давление не ведет себя как аэродинамическое давление и не может удерживать парашют открытым.
Конструкции с наибольшим использованием тяги к массе для наземных разворачиваемых конструкций - квадратные паруса с мачтами и растяжками на темной паруса. Обычно есть четыре мачты, которые раздвигают углы паруса, и мачта в центре для удержания растяжек. Одно из самых больших преимуществ состоит в том, что в такелажном снаряжении нет горячих точек от складок или мешков, защищенных конструкцию от солнца. Таким образом, эта форма может приближаться к Солнцу для максимальной тяги. Большинство конструкций управляются небольшими движущимися парусами на концах лонжеронов.
В 1970-х годах JPL изучила множество вращающихся лопастей и кольцевых парусов для миссии на встречу с кометой Галлея. Намерение состояло в том, чтобы придать конструкцию жесткость, используя угловой момент, устраняя необходимость в стойках и экономя массу. Во всех случаях требовалось удивительно большое сопротивление растяжению, выдерживать динамические нагрузки. Более слабые паруса будут колебаться или колебаться при изменении положения паруса, а колебания будут складываться и вызывать разрушение конструкции. Разница в использовании тяги к массе между практическими конструкциями была почти нулевой, а статические конструкции было легче контролировать.
Эталонная конструкция JPL называлась «гелиогиро». Лезвия из пластиковой пленки выдвигались из роликов и удерживались центробежными силами при вращении. Положение и направление космического корабля должны быть полностью управляемы путем изменения угла наклона лопастей способами, аналогичными способами циклическому и коллективному шагу вертолета . Хотя эта конструкция не массового использования перед квадратным парусом, она проще, чем конструкция на основе стойки. CubeSail (UltraSail) - это активный проект, направленный на развертывание паруса Heliogyro.
Конструкция Heliogyro похожа на лопасти вертолета. Конструкция более быстрая в изготовлении за облегчение центробежной жесткостисов. Кроме того, они очень эффективны по цене и скорости, поскольку лезвия легкие и длинные. В отличие от квадратной конструкции и конструкции с вращающимся диском, гелиогира более легче, потому что лезвия уплотнены на катушке. Лопасти выкатываются при раскрытии после выброса из космического корабля. По мере того, как гелиогиро путешествует в космосе, система вращается из-за центробежного ускорения. Наконец, полезная нагрузка для космических полетов размещается в центре тяжести, чтобы выровнять вес и обеспечить стабильный полет.
JPL также исследовала "кольцевые паруса", прикрепленный к краю вращающегося космического корабля вращающийся дисковый парус на диаграмме выше. Панели будут иметь небольшие зазоры, от одного до пяти процентов от общей площади. Линии соединяли бы край одного паруса с другим. Массы в середине этих линий натянутые паруса на конус, вызванный радиационным давлением. Исследователи JPL заявили, что это может быть привлекательной конструкцией паруса для больших пилотируемых конструкций. В частности, внутреннее кольцо может иметь искусственную гравитацию, примерно равную силе тяжести на поверхности Марса.
Солнечный может выполнять двойную функцию в качестве антенны с высоким коэффициентом усиления. Конструкции различаются, но большинство из них изменяют рисунок металлизации для создания голографической монохроматической линзы или зеркала в интересующих радиочастотах, включая видимый свет.
Пекка Янхунен из Компания FMI изобрела тип солнечного паруса, названного электрический парусом солнечного ветра. Механически это мало общего с традиционным дизайном солнечного паруса. Паруса заменены выпрямленными токопроводящими тросами, размещенными радиально вокруг принимающего судна. Провода электрически заряжены, чтобы создать вокруг них электрическое поле . Электрическое поле распространяется на несколько десятков метров в плазму окружающего солнечного ветра. Солнечные электроны отражаются электрическим полем (как фотоны на традиционном солнечном парусе). Радиус паруса зависит от электрического поля, а не от самого провода, что делает парус легче. Судно также можно управлять, регулируя электрический заряд проводов. Практический электрический парус будет иметь 50–100 выпрямленных проводов длиной около 20 км каждый.
Паруса с электрическим солнечным ветром может регулировать свои электростатические поля и положение паруса.
A магнитный парус также будет использовать солнечный ветер. Однако магнитное поле отклоняет электрически заряженные частицы на ветру. Он использует проволочные петли и пропускает через них статический ток вместо приложения статического напряжения.
Все эти конструкции маневрируют, хотя механизмы разные.
Магнитные паруса искривляют путь заряженных протонов, находящихся в солнечном ветре. Изменяя положение парусов и примененных магнитных полей.
Наиболее распространенным материалом в современных конструкциях является тонкий слой алюминиевого покрытия на полимерном (пластиковом) листе, например, алюминизированный 2 мкм Каптон пленка. Полимер обеспечивает механическую поддержку, а также гибкость, а тонкий металлический слой обеспечивает отражательную способность. Такой материал выдерживает высокую температуру прохода близко к Солнцу и при этом остается достаточно прочным. Алюминиевая светоотражающая пленка находится на стороне солнца. Паруса Cosmos 1 были изготовлены из алюминизированной ПЭТ-пленки (майлар ).
Эрик Дрекслер разработал концепцию паруса, в которой был удален полимер. Он предложил солнечные паруса с очень высокой тягой к массе и изготовил прототипы из материала паруса. Его парус будет состоять из панелей из тонкой алюминиевой пленки (толщиной от 30 до 100 нанометров ), поддерживаемых структурой растяжения. Парус будет вращаться и должен постоянно находиться под действием тяги. Он изготовил образцы пленки и обработал их в лаборатории, но материал был слишком хрупким, чтобы выдержать складывание, запуск и развертывание. При проектировании планировалось использовать производство пленочных панелей в космосе, соединяя их в разворачиваемую натяжную конструкцию. Паруса этого класса будут предлагать большую площадь на единицу массы и, следовательно, ускорение до «в пятьдесят раз выше», чем конструкции, основанные на развертываемых пластиковых пленках. Материал, разработанный для солнечного паруса Дрекслера, представлял собой тонкую алюминиевую пленку с базовой толщиной 0,1 мкм, которая должна быть изготовлена методом осаждения из паровой фазы в космической системе. Дрекслер использовал аналогичный процесс для изготовления пленок на земле. Как и ожидалось, эти пленки продемонстрировали достаточную прочность и надежность для использования в лаборатории и для использования в космосе, но не для складывания, запуска и развертывания.
Исследование, проведенное Джеффри Лэндисом в 1998–1999 годах при финансовой поддержке Института передовых концепций НАСА, показало, что различные материалы, такие как оксид алюминия для лазерные световые паруса и углеродное волокно для толкаемых в микроволновых пучков световых парусов превосходили ранее стандартные алюминиевые или каптоновые пленки.
В 2000 г. Energy Science Laboratories разработала новое углеродное волокно материал, который может пригодиться для солнечных парусов. Материал более чем в 200 раз толще, чем у обычных солнечных парусов, но он настолько пористый, что имеет такую же массу. Жесткость и долговечность этого материала могут сделать солнечные паруса значительно более прочными, чем пластиковые пленки. Материал может разворачиваться самостоятельно и должен выдерживать более высокие температуры.
Были некоторые теоретические предположения об использовании методов молекулярного производства для создания передового, прочного, сверхлегкого парусного материала на основе плетения сетки нанотрубок, где плетение «пробелы» - это меньше половины длины волны света, падающего на парус. Хотя такие материалы до сих пор производились только в лабораторных условиях, а средства для производства такого материала в промышленных масштабах еще не доступны, такие материалы могут иметь массу менее 0,1 г / м, что делает их легче, чем любой современный материал парусов. коэффициент не менее 30. Для сравнения: материал паруса майлар толщиной 5 микрометров, масса материала паруса 7 г / м, алюминизированные каптоновые пленки имеют массу до 12 г / м3, а новый углеродный волокнистый материал Energy Science Laboratories масса 3 г / м.
Наименее плотным металлом является литий, примерно в 5 раз менее плотный, чем алюминий. Свежие неокисленные поверхности обладают отражающей способностью. При толщине 20 нм литий имеет поверхностную плотность 0,011 г / м 2. Высокопроизводительный парус может быть сделан только из лития на длине волны 20 нм (без эмиссионного слоя). Его нужно было изготовить в космосе, а не использовать для приближения к Солнцу. В пределе парусное судно может быть сконструировано с общей поверхностной плотностью около 0,02 г / м, что дает ему легкость 67 и c около 400 мм / с. Магний и бериллий также являются потенциальными материалами для высокоэффективных парусов. Эти 3 металла могут быть сплавлены друг с другом и с алюминием.
Алюминий является обычным выбором для отражающего слоя. Обычно имеет толщину не менее 20 нм с коэффициентом отражения от 0,88 до 0,90. Хром - хороший выбор для эмиссионного слоя на лицевой стороне от Солнца. Он может легко измерить коэффициенты излучения от 0,63 до 0,73 для толщины от 5 до 20 нм на пластиковой пленке. Используемые значения коэффициента излучения являются эмпирическими, поскольку преобладают эффекты тонкой пленки; Значения объемной излучательной способности в этих случаях не поддерживаются, поскольку толщина материала намного тоньше, чем длина излучаемой волны.
Паруса изготавливаются на Земле на длинных столах, где ленты разворачиваются и соединяются для создания паруса. Материал паруса должен был иметь как можно меньший вес, потому что для вывода корабля на орбиту требовалось использование шаттла. Таким образом, эти паруса упаковываются, запускаются и разворачиваются в космосе.
В будущем изготовление может происходить на орбите внутри больших рам, поддерживающих парус. Это приведет к уменьшению риска массы парусов и устранению неудачного развертывания.
Солнечный парус может вращаться по спирали внутрь или наружу, задаваемый угол паруса. Плавание проще всего на межпланетных орбитах, где изменение высоты происходит с низкой скоростью.. Для траекторий, направленных наружу, вектор силы паруса ориентирован вперед от линии Солнца, что увеличивает орбитальную энергию и угловой момент, в результате чего корабль движется дальше от Солнца. Для внутренних траекторий вектор силы паруса ориентирован за линией Солнца, что уменьшает орбитальную энергию и угловой момент, в результате чего корабль приближается к Солнцу. Стоит отметить, что только гравитация Солнца тянет корабль к Солнцу - аналогов парусной лодке к наветренной точке нет. Для изменения наклона орбиты вектор силы выворачивают из плоскости вектора скорости.
На орбитах вокруг планет или других тел парус ориентирован так, что его вектор силы имеет компонент вдоль вектора скорости, либо в направлении движения для внешней спирали, либо против направления движения для внутренняя спираль.
Оптимизация траектории часто может требовать интервалов пониженной или нулевой тяги. Этого можно достичь, вращая корабль вокруг линии Солнца с парусом, установленным под соответствующим углом, чтобы уменьшить или убрать тягу.
Можно использовать закрытый проход для солнечного света для увеличения энергии корабля. Повышенное радиационное давление в сочетании с эффективностью пребывания глубоко в гравитационном колодце Солнца существенно увеличивает энергию для бега во внешние области Солнечной системы. Оптимальный подход к Солнцу достигается за счет увеличения эксцентриситета орбиты при сохранении максимально высокого уровня энергии. Минимальное расстояние сближения зависит от угла паруса, тепловых свойств паруса и другой конструкции, воздействия нагрузки на конструкцию и оптических характеристик паруса (отражательной способности и излучательной способности). Закрытый проход может привести к существенной оптической деградации. Требуемая скорость поворота может существенно увеличиться для близкого прохода. Парусное судно, прибывающее к звезде, может использовать близкий проход для уменьшения энергии, что также относится к парусному судну, возвращающемуся из внешней Солнечной системы.
Полет Луны может иметь важные преимущества для траекторий, уходящих с Земли или прибывающих на Землю. Это может сократить время поездки, особенно в случаях, когда парус сильно загружен. Смещение также можно использовать для получения благоприятных направлений вылета или прибытия относительно Земли.
Можно также использовать планетарный поворот, аналогичный тому, что делается с космическим кораблем, идущим по инерции, но хорошее выравнивание может отсутствовать из-за требований к общей оптимизации траектории.
Следующая таблица перечисляет некоторые примеры концепций использования лучевой лазерной тяги, предложенные физиком Робертом Л. Форвардом :
| Миссия | Мощность лазера | Масса транспортного средства | Ускорение | Диаметр паруса | Максимальная скорость (% скорости света) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1. Облет - Альфа Центавра, 40 лет | |||||
| исходящий этап | 65 ГВт | 1 т | 0,036 г | 3,6 км | 11% @ 0,17 св. Лет |
| 2. Свидание - Альфа Центавра, 41 год | |||||
| исходящая стадия | 7,200 ГВт | 785 т | 0,005 г | 100 км | 21% при 4,29 ly |
| ступень замедления | 26000 ГВт | 71 t | 0,2 g | 30 км | 21% @ 4,29 св. Лет |
| 3. Пилотируемый - Эпсилон Эридани, 51 год (включая 5 лет исследования звездной системы) | |||||
| исходящий этап | 75000000 ГВт | 78500 т | 0,3 г | 1000 км | 50% при 0,4 ly |
| ступень замедления | 21 500 000 ГВт | 7850 т | 0,3 g | 320 км | 50% при 10,4 лет |
| возвратная ступень | 710,000 ГВт | 785 t | 0,3 г | 100 км | 50% при 10,4 лет |
| ступень замедления | 60,000 ГВт | 785 t | 0,3 g | 100 км | 50% @ 0,4 св. Лет |
| Имя | Время в пути. (лет) | Расстояние. (лет) | Светимость. (L☉ ) |
|---|---|---|---|
| Сириус A | 68,90 | 8,58 | 24,20 |
| α Центавра A | 101,25 | 4,36 | 1,52 |
| α Центавра B | 147.58 | 4.36 | 0.50 |
| Procyon A | 154.06 | 11,44 | 6.94 |
| Vega | 167.39 | 25.02 | 50.05 |
| Altair | 176.67 | 16.69 | 10.70 |
| Fomalhaut A | 221,33 | 25,13 | 16,67 |
| Денебола | 325,56 | 35,78 | 14,66 |
| Кастор A | 341.35 | 50.98 | 49,85 |
| Эпсилон Эридиани | 363,35 | 10,50 | 0,50 |
. Ссылка:
Обе миссии Mariner 10, пролетевшей мимо планет Меркурий и Венера и миссия MESSENGER к Меркурию продемонстрировали использование солнечного давления в качестве метода управления ориентацией с целью экономии топлива для управления ориентацией..
Хаябуса также использовал солнечное давление на свои солнечные лопасти в качестве метода контроля ориентации, чтобы компенсировать поломку реактивных колес и химического двигателя. Солнечный парус
MTSAT-1R (Многофункциональный транспортный спутник ) противодействует крутящему моменту, создаваемому давлением солнечного света на солнечную батарею. Триммер на солнечной батарее вносит небольшие изменения в баланс крутящего момента.
НАСА успешно провело испытания технологий развертывания на малых парусах в вакуумных камерах.
4 февраля 1993 года Знамя 2 Алюминированный майларовый отражатель шириной 20 метров был успешно запущен с российской космической станции Мир. Хотя развертывание прошло успешно, двигательная установка не была продемонстрирована. Второй тест, Знамя 2.5, не прошел должным образом.
В 1999 году полномасштабное развертывание солнечного паруса было испытано на земле в DLR / ESA в Кельне.
Совместный частный проект Планетарное общество, Cosmos Studios и Российская академия наук в 2001 году провели суборбитальные испытания прототипа, которые потерпели неудачу из-за отказа ракеты.
Солнечный парус диаметром 15 метров (SSP, вспомогательная полезная нагрузка солнечного паруса, soraseiru sabupeiro-do) был запущен вместе с ASTRO-F на ракете MV 21 февраля 2006 г. и вышел на орбиту. Он развернулся со сцены, но открылся не полностью.
9 августа 2004 года японская ISAS успешно развернула два прототипа солнечных парусов с зондирующей ракеты. Парус в форме клевера был развернут на высоте 122 км, а веерообразный парус - на высоте 169 км. В обоих парусах использовалась пленка размером 7,5–299 мкм. В ходе эксперимента были проверены только механизмы развертывания, а не двигательная установка.
Модель IKAROS на 61-м Международном астронавтическом конгрессе в 2010 г. 21 мая 2010 г. Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) запустило в мир первый в мире межпланетный солнечный парус космический корабль "IKAROS " (I межпланетный K it-craft A, ускоренный R adiation O с S un) к Венере. Используя новый метод солнечно-фотонной силовой установки, это был первый космический корабль с истинным солнечным парусом, полностью управляемый солнечным светом, и первый космический корабль, успешно совершивший полет на солнечном парусе.
JAXA успешно испытала IKAROS в 2010 году. для развертывания и управления парусом и, впервые, для определения минутных возмущений орбиты, вызванных световым давлением. Определение орбиты производилось ближайшим зондом AKATSUKI, от которого IKAROS отделился после того, как оба были переведены на переходную орбиту к Венере. Суммарный эффект за шесть месяцев полета составил 100 м / с.
До 2010 года солнечные паруса не использовались успешно в космосе в качестве основных двигательных установок. 21 мая 2010 года Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) запустило космический корабль IKAROS (межпланетный воздушный змей, ускоряемый излучением Солнца), который 10 июня запустил 200-метровый экспериментальный солнечный парус из полиимида. Июль, начался следующий этап демонстрации радиационного ускорения. 9 июля 2010 года было подтверждено, что IKAROS собрал излучение от Солнца и начал ускорение фотонов путем определения орбиты IKAROS по дальности и дальности (RARR), которая была недавно рассчитана в дополнение к данным скорости релятивизационного ускорения. ИКАРОС между ИКАРОС и Землей, который был снят еще до того, как был использован эффект Доплера. Данные показали, что IKAROS, судя по всему, ходит на солнечной энергии с 3 июня, когда он развернул парус.
IKAROS имеет диагональный вращающийся квадратный парус 14 × 14 м (196 м), сделанный из листа полиимида толщиной 7,5 микрометра (0,0075 мм). Полиимидный лист имел массу около 10 граммов на квадратный метр. В парус встроена тонкопленочная солнечная батарея. Восемь LCD панелей встроены в парус, коэффициент отражения которых можно регулировать для управления ориентацией. IKAROS провел шесть месяцев в путешествии к Венере, а затем начал трехлетнее путешествие к обратной стороне Солнца.
Фотография экспериментального солнечного паруса NanoSail-D. Команда из НАСА Центр космических полетов им. Маршалла (Маршалл) вместе с командой из НАСА Исследовательский центр Эймса разработали миссию на солнечном парусе под названием NanoSail-D., который был потерян в результате неудачного запуска на борту ракеты Falcon 1 3 августа 2008 года. Вторая резервная версия, NanoSail-D2, также иногда называемая просто NanoSail-D, был запущен с помощью FASTSAT на Minotaur IV 19 ноября 2010 года, став первым солнечным парусом НАСА, развернутым на низкой околоземной орбите. Целями миссии было испытание технологий развертывания парусов и сбор данных об использовании солнечных парусов в качестве простого, «пассивного» средства спуска с орбиты мертвых спутников и космического мусора. Конструкция NanoSail-D была сделана из алюминия и пластика, при этом космический корабль весил менее 10 фунтов (4,5 кг). Парус имеет площадь около 100 квадратных футов (9,3 м), улавливающую свет. После некоторых начальных проблем с развертыванием солнечный парус был развернут, и в ходе его 240-дневной миссии, как сообщается, был получен «большой объем данных» об использовании солнечных парусов в качестве пассивных устройств спуска с орбиты.
НАСА запустило Второй блок NanoSail-D размещен внутри спутника FASTSAT на Minotaur IV 19 ноября 2010 г. Дата выхода из микроспутника FASTSAT была запланирована на 6 декабря 2010 г., но развертывание произошло только 20 января 2011 г.
21 июня 2005 г. состоялся совместный частный проект Planetary Society, Cosmos Studios и Российской академии наук запустил прототип паруса «Космос-1» с подводной лодки в Баренцевом море, но ракета Волна вышла из строя, и космический корабль не смог выйти на орбиту. Они намеревались использовать парус для постепенного вывода космического корабля на более высокую околоземную орбиту в течение одного месяца. По словам Луиса Фридмана, попытка запуска вызвала общественный интерес. Несмотря на неудачную попытку запуска Космоса-1, Планетарное Общество получило аплодисменты за свои усилия со стороны космического сообщества и пробудило новый интерес к технологии солнечных парусов.
В день 75-летия Карла Сагана (9 ноября 2009 г.) Планетарное общество объявило о планах сделать еще три попытки, получившие название LightSail-1,, -2 и -3. В новом дизайне будет использоваться парус из майлара длиной 32 м, разделенный на четыре треугольных сегмента, как NanoSail-D. Конфигурация запуска представляет собой формат 3U CubeSat, и по состоянию на 2015 год он был запланирован в качестве дополнительной полезной нагрузки для запуска 2016 года при первом запуске SpaceX Falcon Heavy..
"LightSail-1 "был запущен 20 мая 2015 года. Цель испытаний заключалась в том, чтобы дать возможность полной проверки систем спутника перед LightSail-2. Его орбита развертывания была недостаточно высока для выхода за пределы Земли. атмосферное сопротивление и продемонстрировать истинное солнечное плавание.
"LightSail-2 "был запущен 25 июня 2019 года и выведен на гораздо более высокую околоземную орбиту. Его солнечные паруса были запущены 23 июля 2019 года.
Несмотря на потери Cosmos 1 и NanoSail-D (которые произошли из-за отказа их пусковых установок), ученые и инженеры по всему миру воодушевлены и продолжают работать над солнечными парусами. В то время как большинство прямых приложений, созданных до сих пор, намереваются использовать паруса в качестве недорогого вида грузового транспорта, некоторые ученые исследуют возможность использования солнечных парусов в качестве средства транспортировки людей. Эта цель тесно связана с управлением очень большими (то есть более 1 км) поверхностями в космосе и развитием парусов. Разработка солнечных парусов для пилотируемых космических полетов все еще находится в зачаточном состоянии.
Парусное судно для демонстрации технологий, получившее название Sunjammer, разрабатывалось с целью доказать жизнеспособность и ценность парусных технологий. У Sunjammer был квадратный парус шириной 124 фута (38 метров) с каждой стороны (общая площадь 13 000 квадратных футов или 1208 квадратных метров). Он должен был пройти от точки Солнце-Земля L1 лагранжевой точки 900 000 миль от Земли (1,5 миллиона км) на расстояние 1864 114 миль (3 миллиона километров). Ожидается, что демонстрация будет запущена на Falcon 9 в январе 2015 года. Это была дополнительная полезная нагрузка, выпущенная после размещения климатического спутника DSCOVR в точке L1. Ссылаясь на отсутствие уверенности в способности своего подрядчика L'Garde выполнить поставку, миссия была отменена в октябре 2014 года.
По состоянию на декабрь 2013 года, у Европейского космического агентства (ESA) есть предлагаемый парус для снятия с орбиты, названный "Gossamer", который будет использоваться для ускорения ухода с орбиты малых (менее 700 кг (1500 фунтов)) искусственных спутников. с околоземных орбит. Стартовая масса составляет 2 килограмма (4,4 фунта) при стартовом объеме всего 15 × 15 × 25 см (0,49 × 0,49 × 0,82 фута). После развертывания парус расширится до 5 на 5 метров (16 футов × 16 футов) и будет использовать комбинацию солнечного давления на парус и увеличенного сопротивления атмосферы для ускорения входа спутника в атмосферу.
NEA Концепция Scout : управляемый космический корабль CubeSat с солнечным парусом The Near-Earth Asteroid Scout (NEA Scout) - это миссия, совместно разрабатываемая НАСА Центр космических полетов им. Маршалла (MSFC) и Лаборатория реактивного движения (JPL), состоящая из управляемого недорогого CubeSat космического корабля с солнечным парусом, способного обнаруживать ближний Земные астероиды (NEA). Четыре 7-метровых стрелы развернутся, развернув 83-метровый парус из алюминизированного полиимида на солнечных батареях. В 2015 году НАСА объявило, что выбрало NEA Scout для запуска в качестве одной из нескольких дополнительных полезных нагрузок на борту Artemis 1, первого полета тяжелой ракеты-носителя SLS агентства.
OKEANOS (Негабаритный воздушный воздушный змей для исследования и астронавтики во внешней Солнечной системе) был предложенной концепцией миссии японской компании JAXA к троянским астероидам Юпитера использование гибридного солнечного паруса для движения; парус должен был быть покрыт тонкими солнечными панелями для питания ионного двигателя. Анализ собранных образцов на месте мог бы проводиться либо прямым контактом, либо с использованием спускаемого аппарата с масс-спектрометром высокого разрешения. Посадочный модуль и возврат образцов на Землю были в стадии изучения. OKEANOS Jupiter Trojan Asteroid Explorer стал финалистом второй миссии большого класса Японии ISAS, которая должна быть запущена в конце 2020-х годов. Однако его не выбрали.
Хорошо финансируемый проект Breakthrough Starshot, объявленный 12 апреля 2016 года, направлен на создание флота из 1000 легких парусных кораблей с миниатюрными камерами, управляемыми наземными лазерами и их в Альфа Центавра со скоростью 20% от скорости света. Поездка займет 20 лет.
В августе 2019 года НАСА выделило команде Solar Cruiser 400 000 долларов на девятимесячные исследования концепции миссии. Космический корабль будет иметь солнечный парус 1672 м (18 000 кв. Футов) и будет вращаться вокруг Солнца по полярной орбите, а инструмент коронограф позволит одновременно измерять структуру магнитного поля Солнца. и скорость корональных выбросов массы. Если выбран для разработки, он будет запущен в 2024 году.
Подобная технология появилась в эпизоде Star Trek: Deep Space Nine, Explorers. В эпизоде корабли-маяки описаны как древняя технология, используемая баджорцами для путешествий за пределы своей солнечной системы, используя свет баджорского солнца и специально сконструированные паруса, чтобы перемещать их в космос («Исследователи». Звездный путь: Глубокий космос 9. Сезон 3. Эпизод 22.).
Космический парус используется в романе Планета обезьян.
Во франшизе Звездных войн, персонаж Граф Дуку использует солнечный парус.
Портал космических полетов  | На Викискладе есть медиафайлы, связанные с Солнечные паруса. |
