סולרי סולס: הנדסה העתיד של נסיעות חלל ללא מטרות

צוואר הבקבוק הבסיסי של חקר החלל הוא עריצות של משוואה הרקטות.כל קילוגרם של מטען דורש קילוגרמים רבים של דחף, אשר בתורו דורש יותר מבנה וקטנקציה, יצירת מחזור אכזרי של תשואות מופחתות.במשך עשרות שנים, מתכננים המשימה חלמו על מערכת הנעה כימית לחלוטין לעקוף את הכניעה הזו, אך ורק על ידי מפרשים סולאריים אלה יכולים להציף את התנופה האלגנטית ביותר מפרדיגמה זו: שיטה של מנעולעת של כל החודשים העלולים להציף ביעילות, אך ורק על פני השמש, אך ורק על פני השמש, רק על פני השמש, אך ורק על פני השמש, רק על פני השמש, משטף באופן יעיל, אך ורק על ידי זרם בלתי פוסק של רקטות מפלט בלתי פוסק של טילים מפלט בלתי פוסק, אך ורק על פני השמש, אך ורק על ידי זרם בלתי פוסק של כל השנים, על ידי זרם בלתי פוסק של שטף, אך ורק על ידי זרם בלתי פוסק של רקטות מפלט בלתי פוסק של שטף, אך ורק על ידי זרם בלתי פוסק של טילים, אך ורק על ידי שטף, מפלט בלתי פוסק של טילים מפלט בלתי פוסק של טילים, אך ורק על ידי השמש, מפלט בלתי פוסק של שטף, ממתכת, מפלט בלתי פוסק של השמש, אך ורק על ידי

בעוד הרעיון הוא פשוט בתיאוריה, ההנדסה הנדרשת כדי לבנות ולבקר חללית מפרש דוחפת חומרים עכשוויים מדעים ופרוסות מבנים לגבולותיהם המוחלטים. מאמר זה מספק בדיקה מפורטת של איך מלחים סולאריים עובדים, ההנדסים העצומים שהם עומדים בפני, ואת המשימות השאפניות כי הם מתרשים קורס לעבר עתיד שבו חלליות נוסעים ללא משקל הדלק.

הפיזיקה של ה- Photon Propulsion

מפרשים סולאריים פועלים על עיקרון זה נבדל מן הרוח או חלקיקים סולאריים.הם מסתמכים על המומנטום הנסחף על ידי קרינה אלקטרומגנטית. A photon, למרות שאין לו מסה מנוחה, יש מומנטום שווה לאנרגיה שלו מחולק על ידי מהירות האור (p= E/c) כאשר photon תוקף משטח רפלקטיבי ומקפיץ בחזרה, השינוי המומנטום של הפוטון מועבר אל פני השטח, ומייצר מעצמה קטנה אך ניתנת לעוצמה.

גודלו של כוח זה נקבע על ידי כוחו של אור האירוע ואת רפידות של המפרש.במרחק של כדור הארץ מהשמש (1 AU), קבוע השמש מכתיב צפיפות כוח מתקרב של כ-1,361 וואט למ"ר.עבור מפרש רפלקטיבי לחלוטין, כוח הלחץ הקרינה ניתן על ידי המשוואה:

(ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(ב) ,0) ,(א) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

⁇ והסכם השוויון

מדד הביצוע האמיתי של מפרש סולארי אינו דחף מוחלט, אלא האצה.זה נשלט על ידי ה-FLT:0)sail לטעון FLT:1, המוגדר כמסת החלל הכוללת המחולקים על ידי אזור המפרש ( ⁇ = m/A).

במשוואה זו, (FLT:0) ⁇ FLT:1 מייצג את היעילות האופטית של המפרש (הסבר על רפלקטיביות לא מושלמת) כדי להשיג האצה משמעותית (על סדר של 0.1 עד 1 מ"מ / s2), את ההטעינה של המפרש חייב להיות נמוך במיוחד.האצה של טיל כימי נמדדת ב g's, אבל האצה של מפרש סולארי נמדדת בשבריר של מילימטר לשנייה מרובעת, כי הוא זמן קצר יותר מאשר זמן קצר לאחר מכן, אך הוא אורך קבוע, אך ורק לאחר מכן הוא אורך זמן קצר יחסית, אך הוא אורך זמן קצר יחסית, אך הוא אורך זמן קצר יותר מאשר זמן קצר יותר מאשר זמן קצר יותר מאשר קבוע, אך הוא אורך זמן קצר יותר מאשר קבוע, אך הוא אורך זמן קצר יותר מאשר זמן קצר יותר מאשר זמן קצר לאחר מכן.

החוק הריבועי ההפוך גם ממלא תפקיד מכריע.לנצל את המרחק מן הרובע השמש הזמין ואת הכוח הסולארי והדחף.זה הופך את המלחים הסולאריים המתאימים באופן טבעי למשימות מערכת חוצות-סולאריות, אך דורש עיצוב מסלול יצירתי או מקורות אנרגיה חלופיים (כמו לייזרים) לפעילות חללית עמוקה.

חומרים מדעים ואדריכלות מלח

בניית מפרש סולארי דורש חומרים שיכולים לשרוד את הנוקשות של החלל תוך שמירה על צפיפות נמוכה להפליא.המטרה עבור מפרשי הדור הבא היא יחס שטח-למס של כמה מאות מטרים רבועים לקילוגרם. זה מכריח מהנדסים לעבוד עם חומרים שהם רק מיקרונים עבים, הרבה יותר דק מכל עטיפה פלסטית משותפת.

בחירת Membrane

הסטנדרט הנוכחי של מזכרי מפרש הוא סרטים פולימידיים מאלומיניום, עם CP1 של נאס"א ו-Copton זמין מסחרית להיות מועמדים מובילים.חומרים אלה מציעים איזון משכנע של תכונות:

(FLT:0)Low Density:FLT:1rea עוביים סרטיים אופייניים נע בין 2 ל 5 מיקרונים, התשואות של שיניים מתחת 10 גרם / m2 לסרט בלבד.
(ב) ⁇ :0) ⁇ גבוהה: ⁇ 1:1 , שכבת דק של אלומיניום פנוי מספק משטח רפלקטיבי המסוגל להעביר ביעילות מומנטום פוטוני.
(FLT:0) Thermal Stability:FLT:1igimides לשמור על התכונות המכאניות שלהם על פני טווח טמפרטורה רחב (-200 מעלות צלזיוס ל +300 ° C), אשר חיוני עבור משטח הנחשק ישירות לשמש.
(FLT:0) ,Resistance to Degradation:cioFLT:1) החומר חייב לעמוד בשחיקה חמצן אטומית במסלול כדור הארץ נמוך ו-UV מחוסמת על משימה רב שנתית.

ייצור מפרש של דקות זו ללא פיות, דמעות או קמטים על פני שטח של אלפי מטרים רבועים הוא אתגר תעשייתי משמעותי.כל פגם יכול להפיץ ולסכן את המבנה כולו.

המונחים: mechanisms

השגת מפרש סולארי למסלול דורשת להזיז אותו לנפח של פחות מכמה מטרים מעוקבים.התחישוב הוא השלב הקריטי ביותר של המשימה.

(FLT:0Spin Deployment: FLT:1 בשימוש על ידי JaXA של IKAROS, המפרש הוא מתקפל בסגנון קונדינציה ולאחר מכן פרוס על ידי כוח צנטריפוג שנוצר על ידי סיבוב החללית.זה פשוט מכני אבל מגביל את הצורה להגדרות מתקדמות.
(FLT:0)Boom Deployment:FLT:1 בשימוש על ידי אור החברה הפלנטרית ספירל ומושגים של נאס"א, בומות מתכתיות או מורכבות ללא כל קשר למתח את המריבה.זה מאפשר עבור פעולה ייצוב 3- צירים ובקרת הצבעה גדולה יותר.
(ב) ⁇ :0) בוממות מנופחות: 1FLT:1rea טכניקה ניסיונית באמצעות מבנים קשיחים שמפוצצים בחלל ולאחר מכן מחוסנים באור UV.

לנווט את הקוסמוס ללא מנוע

אחד ההיבטים המורכבים ביותר של שיט סולארי הוא עיצוב מסלול. כי הווקטור דחף נקבע על ידי הכיוון של המפרש ביחס לשמש, מתכנן המשימה חייב "לכבוש" דרך החלל כדי להגיע ליעדים שלהם.

Orbital Maneuvering and Tacking

בניגוד לספינת מפרש ארצית המשתמשת ברוח נגד קסטל, מפרש סולארי משתמש בזווית של השתקפות.כאשר המפרש הוא perpendicular לשמש, דחף הוא רק קורנל (ממרחק) על ידי הטיית המפרש בזווית, מרכיב של דחף הופך להיות טנגנטי אל מסלול.זה רכיב טנגנטי יכול להגדיל או להקטין את התנופה הזווית המקיפה של החללית.

(ב) ⁇ :0) ⁇ ⁇ : 1 (ב) על ידי שימוש במרכיב הדחף השחית כדי להוסיף מומנטום זוויתי, החללית אט אט אט אט אט מתרחקת מהשמש לעבר כוכבי הלכת החיצוניים.
(ב) ⁇ :0) ⁇ ⁇ (במדבר כ"ד): "ב" (ב)"ב" (ב"ב) "הפלי" (ב"ב)"ב[[1924]], [[1924]],]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]],

נקודות תפוצה מלאכותיות

יתרון גדול נוסף של מפרשי השמש הוא היכולת לרחף במסלולים שאינם-קיפלריאן, כגון LT:0A מלאכותי Lagrange PointFLT:1 (ALP) מפרש שמש יכול לזרז את כוח המשיכה של השמש, המאפשר חללית להישאר ממוקם השמש של נקודת L1 או לבצע תצפיות heliophysics ייחודיות כי הם בלתי אפשריים עם חללית קונבנציונלית זה עושה יכולת מעקב אחר השמש אידיאלי עבור תצפית חלל השמש.

הנדסה Hurdles

למרות האלגנטיות התיאורטית שלהם, הפלגים הסולאריים מתמודדים עם אתגרים הנדסיים עמוקים, אשר הגבילו את אימוץם למשימות ניסיוניות.

בקרת קונטינציה ויציבות סטרקטיבית

מפרש סולארי הוא למעשה מדדן מאוד, גדול מאוד מחובר לאוטובוס חלל זעיר יחסית.מרכז הלחץ (שם השמש דוחפת) חייב להיות יישר עם מרכז המסה.כל אי-השמדה מציגה מומנט אשר יגרום לחללית לחלחל.

למלח יש קמטים קטנים או דמעות שמזיזים את מרכז הלחץ.
הרחבה תרמית יכולה להפיג את צורת השוט.
פעילות השמש עלולה לגרום לתנודות בלחץ הקרינה.

מערכות בקרה אקטיבית צריכות להשתמש במזוזות ההמונים קטנים או פסים רפלקטיביים כדי למנוע את ההפרעות הללו. LightSail 2 הדגים את היכולת לבצע "להיגוי" על ידי שינוי הכיוון של החללית כולה, אך זמן זה הנצרך שיכול לשמש להאצה ונדרש מערכת נחישות גישה חזקה.

איכות הסביבה Degradation

סביבת החלל קשה, ולמלח סולארי אין מגן מגן מפני איומים עיקריים:

קרינה:0 (Ultraviolet קרינה: FLT:1 phons UV יכול לשבור את השרשראות פולימרים במזכרון המלח, מה שגורם לו להיות ערפד לאורך זמן.
(FLT:0) חמצן אלגנטי (AO): «FirLT:1 במסלול כדור הארץ נמוך, AO הוא תגובתי מאוד ויכול לשקוע את הציפוי הרהרטיבי ואת תת הפולימרים.
(FLT:0Micrometeoroids: FIRLT:1) השפעה אחת של מיקרומטרורואיד יכול ליצור קרע שמתפשט תחת מתח, שעלול להרוס את השוט.
(ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ : ⁇ 1 (המשטח הגדול וההתנהגותי) יכול לצבור מטען סטטי, המוביל לפריאות אלקטרוסטטיות שעלולות לפגוע באנביות.

מורשת המשימה: מניסויים ועד תפעול

המעבר של שיט סולארי ממדע בדיוני לטכנולוגיה מבצעית מונע על ידי כמה משימות חלוצות.כל אחד הראה היבטים קריטיים של פריסה, ניווט וביצועים.

IKAROS (2010) - הוכחה למושג

הסוכנות לחקר החלל היפנית (JAXA) השיקה את ה-IFLT:0 (interplanetary Kite-craft Accelerated על ידי קרינה של קרינת השמשFLT:1 (IKAROS) בשנת 2010 היה החללית הראשונה להדגים בהצלחה את ההנעה הסולארית במהלך השייט הבין כוכבי הלכתי.השיט ה- 20 מטריגון נפרס באמצעות כוח צנטריפוגה, ונשאה גבישי לאחור כדי להשיג את המשימה של נורוויה של נורוופית ו-לנית של וולוו.

LightSail 2 (2019) - Crowdfunded Success

ה-Planary Society LightSail 2 היה משימה ציונית עבור טיסה לא-ממשלתית בחלל שיגור בשנת 2019, ה-32 מ"ר 2 היה פרוס באוטובוס קוביש.המטרה העיקרית שלו הייתה להפגין מפרש סולארי מבוקר במסלול כדור הארץ על ידי העלאת הגובה המקיפים שלו. במהלך המשימה שלו, אור 2 גייס בהצלחה את מסלולו ביותר מ-32 ק"מ, להוכיח כי חללית קטנה וזולה יכולה להשיג גם היא להניע מסלול של מידע על פני השטח הדינמיקה ממש.

נאס"א: «NEA Scout and the Path Ahead

נאס"א מפתחת טכנולוגיית מפרש השמש במשך עשרות שנים, והגיעה לשיאה בפרויקטים כמו FLT:0Near-Earth ScoutsFLT:1 (NEA Scout) המתוכננת כ- 6U CubeSat, NEA Scout תוכנן להשתמש ב-86 מ"ר השמש כדי לטוס על ידי ואפיין אסטרואיד קרוב לכדור הארץ. בעוד המשימה מתמודדת עם עיכובים, העבודה על מערכת הפריסה והפליג עצמו רשמה את רמת המוכנות המתקדמת ביותר ל- 2,600 מטרד"מ"מ"מ"מ"ל, אשר מדרגה 2, אשר מכוונת באופן משמעותי ל- 2, אשר נועדהטר.

Beyond Sol: לייזר-Driven Lightsails

עבור משימות במערכות כוכבים אחרות, השמש הופכת חלשה מדי מעבר למסלולו של יופיטר.כדי להשיג נסיעות בין כוכביות בתוך חיי אדם, יש לדרג את מושג המפרש הסולארי באופן דרמטי ומופעל על ידי מקור חיצוני.ה-FLT:0 באמצעות StarshotFLT:1 יוזמה מציעה באמצעות מערך מבוסס קרקע של לייזרים המספק 100 GW של כוח לדחוף דקדוק בגודל של 20 מטרים כדי להגיע למהירויות של מערכת אלפא-מטר כדי להגיע ל- 20 מטר כדי להגיע למהירויות של אור על פני 20 שנה.

מושג זה דורש חומרים מדע רחוק מעבר ליכולות הנוכחיות.האורות חייבות להיות משקל מאוד, רפלקטיביות מאוד באורכי הגל של הלייזר, ומסוגלות עם עומסים תרמיים קיצוניים ללא פיזור או שריפה.הדיוק המצביע הנדרש כדי לשמור על הלייזר נעול על מפרש במהירויות הקשורות ליחסיות הוא אתגר ניווט רב-יסודי ובקרת. בעוד שכוכב הוא מטרה ארוכת טווח, הוא מדגים את הפוטנציאל האולטימטיבי של צילום מונע.

מסקנה

מפרשים סולאריים אינם תחליף לטילים כימיים או לדחפורים יון.הם טכנולוגיה משלימה המתאימה לנישה מסוימת: משימות הדורשות ⁇ V ומבצעי מחיקה ארוכים ללא עונש המוני של דחף על הסיפון.הם הטכנולוגיה הידועה היחידה שיכולה, בעיקרון, לאפשר כלי שיט להגיע לתווך הבין-כוכבי בתוך חיי אדם באמצעות הפיזיקה המובנת כיום.

נתיב ההנדסה הוא ברור אך תלול.אנחנו זקוקים למערכות בקרה קלות, קשות יותר, ויותר רפלקטיביות.אנחנו זקוקים למערכת פריסה שיכולה להפליג באופן אמין את גודל שדות הכדורגל.אנחנו צריכים מערכות בקרה חזקות ואוטומיות המסוגלות לנהל את הריקוד העדין בין השמש לכובד משקל.כפי שטכנולוגיות אלה בוגרות, מפרשי השמש יעברו משכר ניסיוני למערכת ההנעה העיקרית לדור חדש של חוקרי חלל עמוקים, ועד להתבוננות אווירית, ועד לאנרגיות אוויריות, ואוויריות, רק לאטמוספירה, רק למרחב אלחוטיות, רק למרחב איטיות, ואווירה.