Слънчево платно: конфигурация, принцип на работа. Космически пътувания

Слънчевата платформа е начин за преместване на космически кораб с помощта на натиска на светлината и високоскоростните газове (нарича се също слънчево излъчване), излъчвани от звезда. Нека разгледаме структурата му по-подробно.

Използването на платно включва евтини космически пътувания, комбинирани с продължителен период на ползване. Поради липсата на много подвижни части, както и на необходимостта от използване на гориво, потенциално е възможността за повторно използване на такъв кораб, за да се доставят полезни товари. Също така понякога се използват имената светлина или фотон платно.

История на понятието

Йоан Кеплер забелязал, че опашката на кометата гледа по посока на Слънцето и предполага, че звездата произвежда такъв ефект. В писмо до Галилей през 1610, той пише: "Дръжте платното кораб, пригоден за слънчев бриз и там са онези, които се осмеляват да проучи, а на тяхно място." Може би с тези думи той се отнасяше специално към феномена "опашката на комета", въпреки че публикациите по тази тема се появиха няколко години по-късно.

Джеймс К. Максуел през 60-те години на XIX век публикува теорията за електромагнитното поле и радиацията, в която показва, че светлината има инерция и по този начин може да упражнява натиск върху обекти. Уравненията на Максуел осигуряват теоретична основа за движение чрез лек натиск. Затова още през 1864 г. в общността на физиците и извън нея се знаеше, че слънчевата светлина носи импулс, който упражнява натиск върху обекти.

Първо Peter Лебедев през 1899 демонстрира експериментално налягането на светлина и след това Ernest Nichols и Гордън Hull има подобен независим експеримент през 1901 г., като се използва Nichols радиометър.

Алберт Айнщайн въведе различна формулировка, която признава еквивалентността на масата и енергията. Сега можем просто да напишем p = E / c като отношение между импулса, енергията и скоростта на светлината.

Сванте Арениус прогнозира през 1908 г. възможността за слънчева радиация налягане, транспортиране на живи спор междузвездни разстояния, и, като следствие, концепцията за панспермията. Той е първият учен, който казва, че светлината може да движи обекти между звездите.

Фридрих Зандър публикува доклад, включващ технически анализ на слънчевото платно. Той пише за "използването на огромни и много тънки огледала" и "натиска на слънчевата светлина за постигане на космически скорости".

Първите официални проекти за разработване на тази технология започнаха през 1976 г. в лабораторията за реактивни двигатели за предложената мисия "срещи" с кометата Халей.

Как функционира слънчевото платно?

Светлината засяга всички апарати в орбитата на планетата или в междупланетното пространство. Например, обикновен космически кораб до Марс ще бъде изместен на повече от 1000 км от Слънцето. Тези ефекти са взети предвид при планирането на траекторията на космическото пътуване още от първия междупланетен космически кораб през 60-те години. Радиацията влияе и върху местоположението на апарата и този фактор трябва да се вземе предвид при проектирането на плавателния съд. Силата, която действа върху слънчевата платформа, е 1 newton или по-малко.

Използването на тази технология е удобно за междузвездните орбити, където всякакви действия се извършват при ниски ставки. Векторът на силата на платната е ориентиран по протежение на слънчевата линия, което увеличава енергията на орбитата и ъгловия импулс, в резултат на което корабът се придвижва по-далеч от Слънцето. За да промените наклона на орбитата, векторът на сила е извън равнината на вектора на скоростта.

Контрол на позицията

Системата за контрол на поведението (ACS) на космическия апарат е необходима, за да се постигне и да се промени желаната позиция при пътуване през вселената. Зададеното положение на апарата варира много бавно, често по-малко от една степен на ден в междупланетното пространство. Този процес е много по-бърз по орбитите на планетите. Системата за управление на апаратурата, използваща слънчева платформа, трябва да отговаря на всички изисквания за ориентация.

Контролът се постига чрез относително преместване между центъра на налягането на съда и центъра му на маса. Това може да бъде постигнато с помощта на контролни остриета, движението на отделните ветрила, движението на еталонната маса или промените в отразяващата способност.

Постоянната позиция изисква ACS да поддържа чист въртящ момент при нула. Моментът на силата на платното не е постоянен по траекторията. Промени с разстоянието от Слънцето и ъгъла, който коригира платната на вала и отклонява някои елементи от носещата конструкция, което води до промени в сила и въртящ момент.

ограничения

Слънчевата платформа няма да може да работи на височина, по-ниска от 800 километра от Земята, тъй като до това разстояние силата на въздушно съпротивление надвишава силата на лекото налягане. Това означава, че ефектът от слънчевото налягане е слабо забележим и просто няма да работи. Скоростта на завода на ветроходния кораб трябва да е съвместима с орбитата, която обикновено е проблем само за конфигурирането на въртящи се дискове.

Работната температура зависи от разстоянието, ъгъла, отразяването, както и от предните и задните радиатори. Платното може да се използва само когато температурата се поддържа в границите на материала. Като правило, може да се използва доста близо до слънцето, около 0,25 астрономически единици, ако корабът е внимателно проектиран за тези условия.

конфигурация

Ерик Дрекслер изработи прототип на слънчева платформа, изработена от специален материал. Това е рамка с панел от тънък алуминиев филм с дебелина от 30 до 100 нанометра. Платното се върти и трябва непрекъснато да бъде подложено на натиск. Дизайнът от този тип има висока площ на единица маса и следователно получава ускорение "петдесет пъти по-високо" от тези на разгъваеми пластмасови филми. Това е квадратна платформа с мачти и двойки линии на тъмната страна на платното. Четири пресечни мачти и един - перпендикулярно на центъра, за задържане на проводниците.

Електронно строителство

Пека Янгхунен изобретил електрическо платно. Механично тя няма нищо общо с традиционния дизайн на светлината. Платната се заменят с изправени проводящи кабели (жици), разположени радиално около кораба. Те създават електрическо поле. Той се простира за няколко десетки метра в плазмата на заобикалящия слънчев вятър. Слънчевите електрони се отразяват от електрическо поле (като фотони на традиционен слънчев плат). Корабът може да се контролира чрез регулиране на електрическото зареждане на проводниците. Електрическата платна има 50-100 изправени проводника с дължина около 20 километра.

От какво се състои?

Материалът, разработен за слънчевото платно Drexler, е тънък алуминиев филм с дебелина 0,1 микрометра. Както се очакваше, той демонстрира достатъчна сила и надеждност за използване в космоса, но не и за сгъване, стартиране и внедряване.

Най-често срещаният материал в съвременните дизайни е алуминиевият филм "Kapton" с размер 2 микрона. Той е устойчив на високи температури близо до Слънцето и е достатъчно силен.

Налице са някои теоретични допускания, свързани с използването на техники за производството на молекулярни да създадат модерна, мощна, ултра-леки платно на базата на тъканни очи на нанотръба, където ракита "пропуски" по-малко от половината от дължината на вълната на светлината. Такъв материал е създаден само в лабораторни условия и все още не са налице средства за производство в промишлен мащаб.

Лекият платно предлага големи перспективи за междузвездни пътувания. Разбира се, все още има много въпроси и проблеми, пред които трябва да се сблъскате, преди да пътувате през вселената с помощта на такъв дизайн на космически кораби, ще стане общо нещо за човечеството.