Vela solară

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Modelul sondei japoneze Ikaros , primul care a folosit vele solare ca de propulsie, lansată în 2010

Vele solare (numite vele fotonice sau vele aeriene, mai ales atunci când folosesc lumină surse altele decât soarele ) sunt o formă de propulsie spațială , care să utilizeze presiunea radiațiilor .

La distanță de Pământ de la Soare presiunea de radiație este egală cu 4.563 × 10 -6 Pa [1] și scade cu pătratul distanței de la sursa de lumină. Chiar dacă forța de tracțiune este mic, acesta va continua atâta timp cât sursa de lumină strălucește și vela este dislocat.

Mecanismul naviga solar este folosit ocazional în combinație cu sisteme de propulsie obișnuite pentru sonde și sateliți. Acest lucru economisește combustibil, care altfel ar fi utilizate pentru corecțiile atitudine și modificările orbită. De exemplu, EADS Astrium lui Eurostar E3000 de telecomunicații geostaționari prin satelit utilizează panouri solare cu vele atașate la celule fotovoltaice pentru a descărca transversal impuls unghiular , economisind astfel combustibil. Unele misiuni fără pilot (cum ar fi Mariner 10 [2] ) au extins substanțial durata lor datorită acestor practici.

Știința vele solare este bine dovedit, dar tehnologia de a gestiona vele solare mari este încă slab dezvoltată. Această neglijare a inspirat unele încercări private de a dezvolta această tehnologie, la fel ca în cazul Cosmos 1 .

Conceptul de vela solara a fost propus pentru prima dată de astronomul german Johannes Kepler în secolul al XVII - lea. A fost reînviată de Fridrich Cander , la sfârșitul anilor 1920 și rafinat treptat de-a lungul deceniilor următoare. Interese serioase recente în pânze solare a început cu un articol de science - fiction inginer și scriitor Robert L. Forward în 1984 .

În luna mai anul 2010 , sonda japoneza Ikaros a fost lansat, primul vreodată să fi folosit cu succes o velă solară ca un sistem de propulsie, care a dus la Venus.

Operațiune

Cosmos I, într-o ilustrație artistică, cu vela răspândit în orbita Pământului

Naveta se desfășoară un film reflectorizant mare (oglindă membranoasă), care reflecta lumina de la soare sau alte surse. Presiunea radiațiilor asupra oglinzii generează un impuls mic din cauza reflectate fotonii . Prin înclinarea coronamentului la un anumit unghi față de Soare, schimbări în direcția navei spațiale sunt determinate. În cele mai multe modele, mecanismul de direcție se face cu lame auxiliare care acționează ca vele solare mici pentru a schimba atitudinea vela mare. Înclinarea lamelor pot fi modificate, datorită motoarelor electrice.

În teorie, o velă solară ghidat de un cu laser sau cu alte fascicule de lumină de Pământ poate fi folosit pentru a decelera o sondă ca se apropie o stea îndepărtată sau planeta. Acest lucru se poate face prin detasarea parte a naviga și folosindu-l să se concentreze fasciculul pe suprafața părții rămase. În practică, cu toate acestea, cea mai mare decelerare va avea loc în timp ce cele două părți se află la o distanță mare unul de altul și acest lucru înseamnă că, în scopul de a se concentra în mod corect fasciculul, partea detașată trebuie să primească o formă corectă și orientarea corectă.

Cele mai bune misiuni pentru o vela solara sunt cele care implică o strânsă scufundare la soare, în cazul în care lumina este intensă și eficiența vela este mare.

O caracteristică de propulsie naviga solare , care a fost nebanuite până la mijlocul anilor -1990s este abilitatea de a trimite o sondă care părăsesc sistemul solar cu o viteză chiar mult mai repede decât o racheta tradițională. Raportul dintre masa naviga și zona nu are nevoie să obțină valori extrem de scăzute, chiar dacă ar trebui să fie complet din metal. Acest tip de naviga a fost considerată ca fiind una dintre opțiunile pentru o sondă viitoare care ar putea fi trimis pentru a explora spațiu dincolo de heliosfera .

Mai multe studii teoretice ale misiunilor interstelare cu vele solare planul de a propulsa naviga printr-un sistem cu laser gigant.

Limitări și neînțelegeri

Vele solare nu sunt foarte eficiente în orbite joase ale Pământului (sub 800 km altitudine) , datorită frecării cu aerul . Peste această altitudine acestea oferă accelerații foarte mici, care iau luni pentru a obține vehicul pentru a ajunge la o viteză utilă. Velele trebuie să fie foarte largă , iar sarcina utilă de obicei mici. Implementarea vele este, de asemenea, o provocare.

Velele solare trebuie să facă față de Soare pentru a încetini și, prin urmare, în călătorii departe de Soare, acestea trebuie să se întoarcă în spatele planetei ultraperiferice și, prin urmare, decelera în lumina soarelui.

Se crede că în mod eronat vele solare nu pot merge spre sursele de lumină și, de asemenea, că acestea dobândesc energia lor în principal, de vântul solar. Aceste particule de mare viteză încărcat emise de soare conferă o cantitate mică de impuls pentru a naviga, dar acest efect este de aproximativ 5000 de ori mai mică decât presiunea de radiații datorită luminii reflectate de vela. Vântul solar poate fi angajat de un alt tip de naviga, naviga magnetic .

Thomas de aur , de la Universitatea Cornell , într - o dezbatere publică în primăvara anului 2003, a susținut că vele solare nu ar putea funcționa , deoarece schimbul de inerție dat prin reflectarea fotonilor a încălcat regula termodinamic Carnot . Potrivit aur, problema a fost că, în conformitate cu regula Carnot, o degradare a energiei trebuie să aibă loc, astfel încât, în orice mașină există o întoarcere de energie, ceea ce nu se întâmplă într-o oglindă perfectă. [3]
Această critică a fost respinsă de Benjamin Dierich, care a argumentat inaplicabilitatea regulii Carnot la un sistem deschis [4] și , de asemenea , de către James Oberg , care a precizat că presiunea de radiație a fost calculată cu succes pentru toate nave spațiale mari. [5]

O modalitate de a vedea că conservarea energiei nu este o problemă este de remarcat faptul că , atunci când un foton este reflectată de o velă solară suferă o schimbare Doppler : lungimea de unda creste (diminua energia) printr - un factor care depinde de viteza de naviga,. transferul de energie pentru a naviga. [6]

materiale Sail

Les Johnson, NASA inginer, observă un material de vele solare

Cel mai bun material cunoscut este considerat a fi o peliculă subțire de aluminiu cu ochiuri cu găuri mai mici decât jumătate din lungimea de undă a luminii mai. Cu toate că au fost create mostre, acest material este prea fragil pentru a fi rulate sau desfăcută cu tehnologii cunoscute.

Cel mai comun Materialul utilizat pentru modelele actuale este de 2 um Kapton aluminizat de film. Acesta rezistă căldura unui pasaj din apropierea Soarelui rămânând în același timp destul de greu. Stratul de aluminiu reflectorizant este plasat pe partea dinspre soare. Pânzele de Cosmos 1 au fost realizate dintr - un PET de film acoperit cu aluminiu.

Research regia Geoffrey A. Landis în anul 1998 - de 99 , finanțat de Institutul NASA pentru Concepte Avansate , a arătat că diferite materiale , cum ar fi oxidul de aluminiu pentru cu laser vele fotonice și fibră de carbon pentru microunde vele fotonice au un material mai bun pentru vele decât standardul Kapton sau Pelicule din aluminiu.

În 2000, Energie Știință Laboratoarele au dezvoltat un nou material din fibre de carbon , care ar putea fi utile pentru vele solare. [7] Materialul este de peste 200 de ori mai groase decât vele solare convenționale proiectate, dar este atât de poros care are aceeași greutate. Rigiditatea și durabilitatea acestui material face mult mai puternic decât filmele de plastic concepute pentru vele solare. Materialul în sine se poate desfășura și trebuie să reziste la temperaturi mai mari.

Au existat de asemenea , unele speculații teoretice cu privire la utilizarea nanotehnologiei pentru a moleculelor fabricarea de materiale mai puternice cu caracteristici perfecte pentru a forma straturi subțiri fotonice bazate pe ochiuri nanotub, în care separarea dintre fibrele este mai mică decât jumătate din lungimea de undă a luminii care împinge vela . In timp ce aceste materiale pot fi produse numai în laborator și nu la scară industrială, pot cântări mai puțin de 0,1 g / mp ceea ce le face cu cel puțin 30 de ori mai ușoare decât orice alt material proiectat pentru vele. [8] Pentru comparație, 5 pm grosime Mylar velele cântăresc 7 filme g / mp, Kapton aluminizate se cântăresc 12 g / mp, în timp ce materialele din fibra de carbon testate de Energie Science Laboratories cântăresc 3 g / mp [7] .

proiecte Sail

Studiile NASA o vela solara. Vela ar trebui să fie o jumătate de kilometru lățime.

Design -ul cu cel mai mare raport tracțiune / masă a fost dezvoltat teoretic de Kim Eric Drexler . El a proiectat o pânză care utilizează aluminiu subțire folie panouri (30 la 100 nanometri grosime) susținută de o structură pur elastică. Se rotește și ar trebui să ia în mod continuu o ușoară apăsare. Drexler mostre create și manipulate ale filmului in laborator, dar materialul este prea delicat pentru a supraviețui sifonarea, se clatina si derularea, astfel încât proiectul de film bazat pe panouri îmbinate printr-o structură elastică. Sails de acest tip poate oferi accelerații mai mari decât vele bazate pe filme de plastic expandabil.

Design-ul cu cea mai mare forța de tracțiune la raportul de masă pentru structuri asamblate la sol dislocabile sunt vele pătrate cu tija catarg și cravată plasat pe partea neaprins a naviga. În general, există patru piloni care pornesc de la colțurile vela și un catarg central de a fixa firele de ghidare. Una dintre cele mai mari avantaje este faptul că nu există puncte fierbinți din cauza sifonarea în timpul manipulării și coronament protejează structura de lumina soarelui. Prin urmare, această formă poate merge destul de aproape de Soare, în cazul în care forța de tracțiune maximă este. Controalele ar putea fi, probabil, face folosind vele suplimentare mici.

În anii 1970 , JPL efectuat studii ample de lame rotative și rotative inele cu vele pentru o misiune de abordare a cometa Halley . Ideea a fost că astfel de structuri ar trebui să fie întărită prin impulsul unghiular, eliminând astfel nevoia de lonjeroane și economisirea de masă. În mod surprinzător, a fost necesară o cantitate mare de tensiune în toate cazurile, pentru a face față sarcinilor dinamice. vele mai slabi pot ondulație sau clătina ca asieta naviga este schimbat, iar wobbling poate duce la eșec structurale. Diferența în raport tracțiune / masă a fost aproape zero, iar modelele statice au fost mai ușor de controlat.

Design-ul de referință JPL a fost numit „heliogyro“ și a avut lame de o folie de plastic, care au fost desfăcute și apoi întinse de forțe centripete ca rotit. Altitudinea și direcția navei spațiale au fost complet controlate prin schimbarea unghiului paletelor în diferite moduri, similar cu ceea ce se întâmplă într - un elicopter . În timp ce designul nu are un avantaj în masă peste o velă pătrată, rămâne atractivă, deoarece metoda de implementare naviga este mai simplă decât modelele bazate pe catarg.

JPL studiat „vele inel“ panouri atașate la marginea unei nave spațiale rotative. Panourile vor avea deschideri mici, la aproximativ 5% din suprafața totală. Fire ar conecta marginea unuia naviga cu celelalte. Ponderile în mijlocul acestor fire ar împinge pânzele la întindere împotriva formei con cauzată de presiunea exercitată de radiație.

Tipuri de vele solare

O vela solara ar putea avea, de asemenea, funcția dublă de o antenă de mare câștig.

Velă testat în spațiu

De notat este misiunea spațială Mariner 10 , care a zburat între planetele Mercur și Venus demonstrați utilizarea presiunii solare ca o metodă de control atitudine pentru a economisi combustibil.

La 4 februarie 1993 Znamya 2 , un 20 de metri aluminizat reflector milar, a fost testat cu succes pe rus Mir stația spațială. Experimentul a demonstrat doar de propulsie desfășurare și nu. Un al doilea test, Znamaya 2.5 nu a reușit să deploy.

La 9 august, 2004 Institutul japonez pentru spațiu și astronautică de Științe desfășurat cu succes două prototipuri de vele solare. O naviga în formă de trifoi cu patru foi a fost desfășurată la o înălțime de 122 km și una în formă de evantai la 169 km. Ambele vele au folosit un film de o grosime de 7,5 micrometri. Experimentul a fost doar un test pentru mecanismul de implementare, nu pentru propulsie. [9]

Un proiect privat comun între Societatea Planetara , Cosmos Studios și Academia Rusă de Științe a lansat Cosmos 1 la 21 iunie, perioada 2005 de la un submarin în Marea Barents , dar Volna vehiculul de lansare nu a reușit și sonda nu a ajuns pe orbită. O vela solara ar fi folosit pentru a crește treptat orbita satelitului în jurul Pământului. Misiunea a fost să dureze o lună. Un prototip suborbital testat de grup în 2001 a eșuat întotdeauna din cauza rachetei.

Un metru diametru 15 vela solara a fost lansat impreuna cu telescopul spatial Akari cu o rachetă MV Pe 21 februarie anul 2006 . Acesta a ajuns pe orbită, dar vela nu a deschis complet. [10]

O echipă de la Marshall Space Flight Center , împreună cu o echipă de la Ames Research Center a dezvoltat o misiune vela solara numita NanoSail-D , care a fost pierdut din cauza eșecului unei Falcon 1 Lansarea rachetei la 3 august 2008 de . [11] [12] Obiectivul principal al misiunii a fost de a tehnologiilor de deschidere a naviga de testare. Potrivit lui Edward E. Montgomery, director de tehnologie naviga solare la Marshall, nava nu a putut fi returnat date utile cu privire la propulsie bazat pe vele solare , deoarece orbita disponibile la acea oportunitate de lansare a fost prea mic pentru nave spațiale să rămână pe orbită pentru o lungă suficient timp pentru a permite detectarea efectelor presiunii radiațiilor. Structura NanoSail-D a fost realizată din aluminiu și plastic, cu o greutate sondă mai mică de 4,5 kg. Vela avea aproximativ 9,3 m² de suprafață capabil de a aduna lumină.

În luna mai anul 2010 , sonda japoneza Ikaros a fost lansat, primul vreodată să fi folosit cu succes o velă solară ca un sistem de propulsie, care a dus la Venus.

În science fiction

Povestiri

  • По волнам эфира (literalmente „Pe valurile eterului“) din 1913 de către Boris Krasnogorskij prezintă un vehicul spațial propulsat de presiunea solara.
  • Cordwainer Smith nuvelă Femeia care navigau Sufletul (1960), o parte din redescoperirea Man (1993), descrie călătoriile la bordul unui vehicul vela solara.
  • Nuvela vela de spațiu, de asemenea , cunoscut sub numele de Școala navei 25 (praf de Far Suns, 1962) de către Jack Vance spune de un echipaj de cadeți spațiale într - o misiune de formare la bordul unui vehicul defect naviga solare.
  • Planeta maimuțelor (1963), un roman de Pierre Boulle , descrie un spațiu iaht care folosește vele solare.
  • În Arthur C. Clarke colecție de povestiri scurte solare eoliene (1972), un vehicul solar veliere este descris , care merge de la Pământ la Lună.
  • Drumul stelelor (1975) de către Larry Niven și Jerry Pournelle dispune de o navă spațială interstelar străin condus de vele propulsat de lumină laser.
  • În Cartea Soarelui Nou de Gene Wolfe (1980 - 1987) protagonistul se deplasează dincolo de granițele universului pe o navă spațială echipată cu vele solare enorme.
  • În Planeta Vanturilor (1981) de către George RR Martin și Lisa Tuttle , supraviețuitori ai unui naufragiu zbura cu aripi construite din vele solare nava lui.
  • Rocheworld (1985) de Robert L. Forward spune unei misiuni interstelar ghidat de vele alimentate de lumină laser.
  • Atât în verde de pe Marte (Green Mars, 1993) și în albastrul Marte (albastru Mars, 1996) de către Kim Stanley Robinson sunt navete spațiale alimentate de o oglindă care reflectă razele solare.
  • În David Brin Edge of Heaven „s (1998), mașini silențioase folosesc vele solare la carbon colecta de la un gigant roșu de atmosferă pentru a repara un Dyson Sphere- cum ar fi constructii.
  • Charles Stross lui roman Accelerando (2005) spune unui vehicul vela solara alimentat de un set de extrem de puternice lasere utilizate pentru a contacta străinilor inteligente în afara sistemului solar.
  • Bernard Werber lui 2006 romanul Le Papillon des étoiles (literalmente «Fluturele Stelelor») spune povestea unei comunități de oameni care fug de pe Pământ la cap într - o nouă planetă locuibilă la bordul unei nave spatiale propulsat de o velă gigant. Solar ( de la suprafata de un milion de kilometri pătrați când este desfășurată).
  • În romanul The Age of War (Omul care a tras în jos pe cer, 1987) de John Barnes spune despre colonizarea sistemului solar, în care numai tineri Confederația format de coloniile spațiale care orbitează sateliții lui Jupiter și Saturn reușește încă să mențină independența atunci când Pământul este supus exploatării și ocupația militară a republicilor orbitale. Economia Confederația se bazează pe navele de transport vele solare.

Cinema, televiziune și jocuri video

  • In filmul Tron (1982) caracterele pe Tron, Flynn și yori utilizați un calculator model de o vela solara pentru a scăpa de control al programului de Master.
  • Doctor Who este episodul Luminilor (1983) descrie o cursă la nivelul întregului sistem solar cu ajutorul navelor cu vele solare.
  • În 1985 a japonez de film de animație Koshi Starlight hansen: Odin arată o navă spațială circulă pe raze de lumină cu vele sale mari, la distanțe mari în spațiu.
  • În Star Trek filmul The Route pe Pământ (1986) un ofițer la bordul unei nave deteriorate discută un plan de a construi o velă solară pentru a lua nava la cel mai apropiat port.
  • În episodul Vasul solar (exploratori, sezonul 3, 1995) din seria de televiziune Star Trek: Deep Space Nine, un Bajoran vas folosește o velă solară ca sistem de propulsie primar. Nava depășește accidental viteza luminii atunci când naviga este lovit de un flux de tahionilor .
  • A apare cu vele solare în episodul Mesajul (Mesajul, primul sezon, 1995) pentru cel mai recent întruparea limitele exterioare .
  • În Star Wars: Episodul II - Atacul Clonelor (2002), Count Dooku are o navă spațială care utilizează o combinație de hiper - propulsie și o velă stea. De asemenea , în episodul 6 din serialul de televiziune animat Star Wars: Clone Wars Dooku apare conduce un vehicul echipat cu o velă solară.
  • Nava RLS Legacy, prezentat în Disney animat filmul Treasure Planet (2002), este alimentat în întregime de vele solare.
  • GSX-401FW Stargazer, un războinic mobil fără pilot de la Cosmic Era , la calendarul Mobile Suit Gundam SEED anime , folosește un sistem de propulsie folosind nanoparticule cu vele solare.
  • În seria de televiziune Mântuirea, proiectul unei vela solare alimentat de un laser este una dintre metodele utilizate în încercarea de a salva Pământul, permițându- i să ajungă la un asteroid periculos în timp să intervină.
  • În jocul video " Seedship este menționat de mai multe ori, vela solara este folosita pentru a transporta o arcă plin de clone , care va avea sarcina de a coloniza o planetă.

Notă

  1. ^ (EN) Solar Sail , pe tsinghua.edu.cn. Adus de 04-09-08 (arhivate din original la 20 mai 2010).
  2. ^ (EN) NASA Mariner 10 Descriere Misiune , pe nssdc.gsfc.nasa.gov. Adus de 04-09-08.
  3. ^ (EN) navigatie solar „pauze de legile fizicii“ , În New Scientist, luna iulie cu 4, 2003 de . Adus 04-09-2008 .
  4. ^ (EN) Scrisoare catre editori New Scientist Re: Breaks Sailing solare legile fizicii , de wiki.solarsails.info. Adus de 08-01-2016.
  5. ^ (RO) Misiunea velă solară pentru a fi lansat (PDF), pe jamesoberg.com. Adus 04-09-2008 .
  6. ^ (RO)Laserul ascensorului pe blag.xkcd.com. Adus 04-09-2008 .
  7. ^ A b (EN) Exclusiv: Pătrundere în Solar Technology Sail , pe space.com. Adus de 2008-09-04 (arhivate de la original la 1 ianuarie 2011).
  8. ^ (EN) Cercetatorii produce foi puternice, transparente nanotub de carbon , 8 august, 2005 . Adus 04-09-2008 .
  9. ^ (EN) Cercetatorii japonezi cu succes Testul Unfurling solare Sail Racheta de zbor pe de 10 luna august 2004 de . Adus de 2008-09-04 (arhivate de original pe 03 februarie 2006).
  10. ^ (EN) SSSat 1, 2 , pe space.skyrocket.de. Adus 04-09-2008 .
  11. ^ (EN) SpaceX Falcon nu reușește prima dată în timpul etapelor de zbor , pe nasaspaceflight.com. Adus de 2008-09-04 (arhivate de original pe 11 august 2008).
  12. ^ (EN) NASA pentru a încerca istoric solare Sail de desfășurare , 26 iunie 2008 de . Adus de 2008-09-04 (arhivate de original pe 11 februarie 2009).

Elemente conexe

Alte proiecte