Navigare solară: configurație, principiu de funcționare. Călătoria spațială

Navigarea solară este o modalitate de a muta o navă spațială utilizând presiunea luminii și a gazelor de mare viteză (numită și presiunea soarelui) emise de o stea. Să analizăm structura sa în detaliu.

Utilizarea unei pânze implică o călătorie spațială ieftină, combinată cu o perioadă de utilizare extinsă. Datorită lipsei multor piese în mișcare, precum și a nevoii de a utiliza carburant, este posibil să se folosească reutilizabilă o astfel de navă pentru a furniza încărcături utile. De asemenea, uneori se folosesc numele de lumină sau de navigație cu fotoni.

Istoria conceptului

Johannes Kepler a observat odată că coada cometei arată în direcția soarelui, și a sugerat că a fost steaua produce acest efect. Într-o scrisoare către Galileo în 1610, el a scris: „Păstrați naviga nava, adaptată la o adiere solară și sunt cei care îndrăznesc să exploreze, și vidul.“ Poate că, cu aceste cuvinte, el sa referit în mod specific la fenomenul "coada unei comete", deși publicațiile pe această temă au apărut mai mulți ani mai târziu.

James K. Maxwell în anii 60 ai secolului al XIX-lea a publicat teoria câmpului electromagnetic și a radiației, în care a arătat că lumina are un impuls și astfel poate exercita o presiune asupra obiectelor. Ecuațiile lui Maxwell oferă o bază teoretică pentru mișcarea prin presiune ușoară. De aceea, deja în 1864, în comunitatea de fizicieni și în afara ei, se știa că lumina soarelui are un impuls care exercită presiuni asupra obiectelor.

Mai întâi Peter Lebedev în 1899 a demonstrat experimental presiunea luminii, apoi Ernest Nichols și Gordon Hull a avut un experiment independent similar in 1901 folosind radiometru Nichols.

Albert Einstein a introdus o altă formulă, recunoscând echivalența dintre masă și energie. Acum putem scrie pur și simplu p = E / c ca relație între impuls, energie și viteza luminii.

Svante Arrhenius a prezis în 1908 posibilitatea de a presiunii radiații solare, transporta controverse vii pe distanțe interstelare, și, în consecință, conceptul de panspermie. El a fost primul om de știință care a spus că lumina poate muta obiecte între stele.

Friedrich Zander a publicat o lucrare care conținea o analiză tehnică a navigației solare. El a scris despre "utilizarea de oglinzi uriase și foarte subțiri" și "presiunea soarelui pentru a atinge viteze cosmice".

Primele proiecte oficiale de dezvoltare a acestei tehnologii au început în 1976 în Laboratorul de Propulsie Jet pentru misiunea de "rendezvous" propusă cu cometa Halley.

Cum funcționează o navigație solară?

Lumina afectează toate aparatele de pe orbita planetei sau în spațiul interplanetar. De exemplu, o navă spațială obișnuită, lângă Marte, va fi deplasată la mai mult de 1000 km de Soare. Aceste efecte sunt luate în considerare în planificarea traiectoriei călătoriei spațiale încă de la prima nava spațială interplanetară din anii 1960. Radiația afectează, de asemenea, poziția aparatului și acest factor trebuie luat în considerare la proiectarea navei. Forța care acționează asupra pânzei solare este de 1 newton sau mai puțin.

Utilizarea acestei tehnologii este convenabilă în orbitele interstelare, unde orice acțiune este efectuată la rate scăzute. Vectorul puterii pânzei ușoare este orientat de-a lungul liniei solare, ceea ce mărește energia orbitei și a momentului unghiular, ca urmare a faptului că nava se deplasează mai departe de Soare. Pentru a schimba înclinația orbitei, vectorul de forță este în afara planului vectorului de viteză.

Controlul poziției

Sistemul de control al atitudinii (ACS) al navei spațiale este necesar pentru a atinge și schimba poziția dorită atunci când călătoriți prin univers. Poziția setată a aparatului variază foarte lent, adesea mai puțin de un grad pe zi în spațiul interplanetar. Acest proces este mult mai rapid pe orbitele planetelor. Sistemul de control al aparatului care utilizează vele solare trebuie să satisfacă toate cerințele de orientare.

Controlul se realizează printr-o schimbare relativă între centrul presiunii vasului și centrul său de masă. Acest lucru se poate realiza cu ajutorul lamelor de control, a mișcărilor de vele individuale, a mișcării masei de referință sau a modificării reflexiei.

O poziție constantă necesită ca ACS să mențină un cuplu pur la zero. Momentul forței de navigație nu este constant de-a lungul traiectoriei. Modificări cu distanța de la Soare și unghiul care corectează arborele de pânză și deflectă unele elemente ale structurii de susținere, ceea ce duce la modificări ale forței și cuplului.

restricţii

Navigația solară nu va putea să funcționeze la o înălțime mai mică de 800 km de Pământ, deoarece până la această distanță forța de rezistență la aer depășește forța de presiune ușoară. Adică, efectul presiunii solare este slab perceptibil și pur și simplu nu va funcționa. Viteza navei de navigație trebuie să fie compatibilă cu orbita, care este, de obicei, o problemă numai pentru configurația discurilor rotative.

Temperatura de funcționare depinde de distanța, unghiul, reflexia solară, precum și radiatoarele din față și din spate. Rostul poate fi utilizat numai în cazul în care temperatura este menținută în limitele sale materiale. De regulă, poate fi folosit destul de aproape de soare, aproximativ 0,25 unități astronomice dacă nava este proiectată cu atenție pentru aceste condiții.

configurație

Eric Drexler a realizat un prototip de navigație solară din material special. Este un cadru cu un panou de film subțire de aluminiu cu o grosime de 30 până la 100 nanometri. Navigatorul se rotește și trebuie să fie constant sub presiune. Designul de acest tip are o suprafață înaltă pe unitate de masă și, prin urmare, obține accelerație "de cincizeci de ori mai mare" decât cele bazate pe folii plastice detașabile. Este un pătrat pătrat cu piloni și perechi de linii pe partea întunecată a pânzei. Patru coloane intersectate și unul - perpendicular pe centru, pentru a ține firele.

Construcții electronice

Pekka Yanghunen a inventat o pânză electrică. Din punct de vedere mecanic, nu are nimic de-a face cu designul tradițional al luminii. Vasele sunt înlocuite cu cabluri conductive (fire) îndreptate, situate radial în jurul navei. Ele creează un câmp electric. Se extinde pentru câteva zeci de metri în plasma vântului solar înconjurător. Electronii solari sunt reflectați de un câmp electric (cum ar fi fotoni pe o pânză tradițională solară). Nava poate fi controlată prin reglarea încărcării electrice a firelor. Râna electrică are 50-100 fire înălțate de aproximativ 20 km.

Din ce se compune?

Materialul dezvoltat pentru navigația solare Drexler este o peliculă subțire de aluminiu cu grosimea de 0,1 micrometri. Așa cum era de așteptat, a demonstrat suficientă forță și fiabilitate pentru utilizare în spațiu, dar nu pentru pliere, lansare și desfășurare.

Cel mai obișnuit material din modelele moderne este filmul de aluminiu "Kapton" cu o dimensiune de 2 microni. Rezistă la temperaturi ridicate în apropierea Soarelui și este suficient de puternică.

Au existat unele ipoteze teoretice privind utilizarea tehnicilor de fabricație moleculare pentru a crea un vela avansat, puternic, ultra-ușoare bazate pe ochiuri de țesut ale nanotub, în ​​cazul în care răchită „lacune“ mai puțin de jumătate din lungimea de undă a luminii. Acest material a fost creat numai în condiții de laborator, iar mijloacele de fabricare la scară industrială nu sunt încă disponibile.

Navigarea ușoară oferă perspective extraordinare pentru călătoriile interstelar. Desigur, există încă multe întrebări și probleme care trebuie să fie întâmpinate înainte de a călători prin univers, cu ajutorul unui astfel de proiect de nave spațiale va deveni un lucru obișnuit pentru omenire.