Sol sejl

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 12. februar 2022; checks kræver 5 redigeringer .

Et solsejl (også kaldet et let sejl eller foton sejl ) er en enhed, der bruger trykket fra sollys eller en laser på en spejloverflade til at fremdrive et rumfartøj .

Det er nødvendigt at skelne mellem begreberne " sollys " ( en strøm af fotoner , det er den, der bruges af et solsejl) og " solvind " (en strøm af elementære partikler og ioner, som bruges til at flyve på en elektrisk sejl - en anden type rumsejl ).

Ideen om at flyve i rummet ved hjælp af et solsejl opstod i Rusland i 1920'erne og tilhører en af pionererne inden for raketvidenskab Friedrich Zander , der tog udgangspunkt i, at partikler af sollys - fotoner - har en impuls og overfører den til enhver oplyst overflade, hvilket skaber tryk . Størrelsen af sollystrykket blev først målt af den russiske fysiker Pyotr Lebedev i 1900 .

Sollysets tryk er relativt lille (på Jordens bane - ca. 9·10 −6 N/m 2 ) og falder i forhold til kvadratet på afstanden fra Solen [1] . For eksempel er den samlede kraft, der virker på et solsejl på 800 gange 800 meter, omkring 5 Newton i Jordens afstand fra Solen. [2] Et solsejl kan fungere i et næsten ubegrænset tidsrum og kræver slet ikke forbrug af en arbejdsvæske , og derfor kan det i nogle tilfælde være at foretrække. Til dato har ingen af rumfartøjerne dog brugt et solsejl som hovedmotor på grund af den ekstremt lave fremdrift.

Fænomenets fysik

Lad os antage, at en plan lysbølge med energi falder ind på et stationært fladt idealspejl med masse vinkelret på dets overflade . Lad os betegne energien af den reflekterede lysbølge som , hastigheden erhvervet af spejlet som et resultat af bølgereflektion som . Så loven om bevarelse af energi: og loven om bevarelse af momentum :. Fra disse ligninger kan du få: $m$ ${\displaystyle W_{0))$ $W_{1}$ $v$ $W_{0}+mc^{2}=W_{1}+{\frac {mc^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2 }}}}}}$ ${\frac {W_{0}}{c}}=-{\frac {W_{1}}{c}}+{\frac {mv}{\sqrt {1-{\frac {v^ {2}}{c^{2}}}}}}}$

v=c{\frac {(1+{\frac {2W_{0}}{mc^{2}}})^{2}-1}{(1+{\frac {2W_{0} }{mc^{2}}})^{2}+1}}

(en)

W_{1}={\frac {W_{0}}{1+{\frac {2W_{0}}{mc^{2}}}}}

(2)

Det følger heraf, at effektiviteten af et fotonisk sejl (brøkdelen af den indfaldende bølgeenergi, der overføres til sejlet) er jo større, jo større er forholdet mellem den indfaldende bølgeenergi og sejlets resterende energi. Når energien fra den indfaldende bølge er meget større end spejlets hvileenergi , overføres næsten al bølgens energi til spejlet. $W_{0}\gg mc^{2}$

I det andet ekstreme tilfælde er energien fra den indfaldende bølge meget mindre end spejlets hvileenergi . I dette tilfælde får vi fra formel (1): . Fra formel (2) får vi: . Det kan ses af denne formel, at i dette tilfælde overfører lysbølgen kun en ubetydelig del af sin energi til sejlet [3] . $W_{0}\ll mc^{2}$ ${\frac {v}{c}}\ca. {\frac {2W_{0}}{mc^{2}}}$ ${\frac {\Delta W}{W_{0}}}={\frac {W_{0}-W_{1}}{W_{0}}}\ca. {\frac {2W_{0} }{mc^{2}}}$

Solsejl i rumskibsdesign

Solsejl og andre typer rumsejl er planlagt brugt i nogle rumskibsprojekter [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] . Fordelen ved solsejlads er fraværet af brændstof om bord, hvilket giver mulighed for en større nyttelast sammenlignet med et jetdrevet rumfartøj. Konceptet med et solsejl kræver dog et sejl, der er let i vægt og samtidig stort i areal.

Ulempen ved en solsejlbåd er accelerationens afhængighed af afstanden til Solen: Jo længere væk fra Solen , desto lavere bliver sollystrykket og dermed mindre acceleration af sejlet, og uden for solsystemet er trykket på sollys og dermed solsejlets effektivitet vil nærme sig nul. Lystrykket fra Solen er ret lille, så for at øge accelerationen er der projekter til at accelerere solsejlbåden med laserinstallationer fra generatorstationer uden for Jorden [4] [11] . Disse projekter står over for problemet med præcis målretning af lasere på ultralange afstande og skabelsen af lasergeneratorer med passende effekt.

Geoffrey Landisforeslået at bruge et solbatteri til at transmittere energi via en laser fra en basestation til en interstellar sonde med en ionmotor [12] [13] , hvilket giver en vis fordel i forhold til et rent rumsejl (i øjeblikket er dette projekt ikke gennemførligt pga. teknisk begrænsninger) [14] .

Sejlkonfigurationer

Space Regatta

I 1989, til ære for 500-året for opdagelsen af Amerika, annoncerede den amerikanske kongreskommission en konkurrence om at sætte i kredsløb om flere solsejlskibe udviklet i forskellige lande og gennemføre et sejlløb til Mars. Hele rejsen var planlagt til at blive tilbagelagt på 500 dage. USA, Canada, Storbritannien, Italien, Kina, Japan og Sovjetunionen indsendte deres ansøgninger om deltagelse i konkurrencen. Lanceringen skulle finde sted i 1992.

Ansøgere om deltagelse begyndte at droppe ud næsten øjeblikkeligt, da de stod over for en række tekniske og økonomiske problemer. Sovjetunionens sammenbrud førte dog ikke til, at arbejdet med det indenlandske projekt blev indstillet, som ifølge udviklerne havde alle chancer for at vinde. Men regattaen blev aflyst på grund af økonomiske vanskeligheder for jubilæumskommissionen (og muligvis på grund af en kombination af årsager). Det store show fandt ikke sted. Imidlertid blev det russisk-fremstillede solsejl skabt (det eneste af alle) i fællesskab af NPO Energia og DKBA , og modtog konkurrencens førstepræmie [15] .

Rumfartøj, der bruger et solsejl

Sovjetiske videnskabsmænd opfandt et skema til stråling-tyngdekraftstabilisering af et rumfartøj, baseret på brugen af et solsejl [16] [17] . Den første indsættelse af et solsejl i rummet blev foretaget på det russiske rumfartøj Progress M-15 den 24. februar 1993 som en del af Znamya-2-projektet [18] .

Det første rumfartøj, der brugte et rumsejl som motor, var det japanske IKAROS , som betragtes som den første rumsejlbåd i historien. . Den 21. maj 2010 opsendte Japan Space Agency (JAXA) løftefartøjet H-IIA , der bar IKAROS solar sejl-rumfartøjet og et meteorologisk apparat til at studere Venus atmosfære [ 19] . IKAROS er udstyret med et sejl lavet af den tyndeste membran, der måler 14 gange 14 meter i længden og bredden. Med dens hjælp formodes det at studere funktionerne i bevægelsen af køretøjer ved hjælp af sollys. 16 millioner dollars blev brugt på at skabe enheden. Indsættelsen af solsejlet begyndte den 3. juni 2010 og blev afsluttet med succes den 10. juni. Baseret på de rammer, der er transmitteret fra bestyrelsen for IKAROS, kan det konkluderes, at alle 196 kvadratmeter af det ultratynde stof blev behandlet med succes, og tyndfilmssolpaneler begyndte at generere energi.

Nu i Rusland er der et konsortium "Space Regatta", som udførte flere eksperimenter med solreflektorer for at belyse områder med olie- og gasproduktion. Der er også projekter til at smelte spejle i kredsløb fra asteroider.

Den 20. maj 2015 blev LightSail-1 , den første private solcelledrevne satellit nogensinde , sendt på en testflyvning fra Cape Canaveral-opsendelsesstedet [20] [21] .

I kultur

Historien " Solar Wind " (1963) af science fiction-forfatteren Arthur Charles Clark , inkluderet i novellesamlingen "The Exchange of Minds" [22] , er udelukkende viet til en rumregatta af yachter udstyret med en solcelle. sejle og udelukkende drives af solvinden. Historien, skrevet på vegne af en af kaptajnerne, der deltager i regattaen, lister yachter med forskellige muligheder for solsejl og flystabilisering. Historien beskriver også en hændelse, hvor to yachter stødte sammen.
I bogen Stjernesommerfugl af Bernard Werber handler historien om et fantastisk rumskib i form af en sommerfugl ved hjælp af et fotonsejl.
I serien Star Trek. Deep Space 9 " (s03e22 Explorers ) Kommandør Benjamin Sisko bygger et skib med solsejl for at bevise sandheden af historien om bajoranernes gamle kontakt med den cardassianske civilisation
I Star Wars Episode II: Attack of the Clones, efter slaget ved Geonosis, flyver grev Dooku til Coruscant i en solsejlbåd.
I Disneys animerede film Treasure Planet er surferen, skibet og jollen udstyret med solsejl, ligesom andre både, der ses i havnen. Spillet baseret på filmen indeholder også skibe, der bruger solsejl.
I Warhammer 40.000 -universet er skibene fra Eldar-racet udstyret med solsejl.
En af serierne i den animerede serie Smeshariki: Pin-code (et spin-off af animationsserien Smeshariki ), nemlig den tyvende serie " Solar Breeze " - er dedikeret til temaet solsejlet
I den tredje sæson af serien " For the Sake of All Mankind " er det amerikanske bemandede Marsskib "Sogerner-1" udover atommotorer udstyret med solsejl.

Se også

Foton motor
Tryk elektromagnetisk stråling
solrig vind
rumsejlads
- elektrisk sejl
- Magnetisk sejl

Noter

↑ A. Bolonkin. Højhastigheds AB-Solar Sejl . - 2007. - arXiv : fysik / 0701073 .
↑ Jerome Wright (1992), Space Sailing , Gordon and Breach Science Publishers
↑ Butikov E. I., Bykov A. A., Kondratiev A. S. Fysik i eksempler og problemer // M .: Nauka. - 1989. - S. 443. - ISBN 5-02-014057-0
↑ 1 2 Frem: Rejsen til stjernerne på en energistråle . Hentet 27. september 2017. Arkiveret fra originalen 6. november 2017. (ubestemt)
↑ Robert L. Forward To the Stars at the Point of the Beam . Hentet 14. november 2017. Arkiveret fra originalen 6. november 2017. (ubestemt)
↑ C. Danforth Sejler i protonvinden . Hentet 13. november 2017. Arkiveret fra originalen 31. oktober 2017. (ubestemt)
↑ Jones, E. A Manned Interstellar Vessel Using Microwave Propulsion: A Dysonship // Journal of the British Interplanetary Society. - 1985. - Bd. 38. - S. 270−273. Arkiveret fra originalen den 15. november 2017.
↑ Gregory Matloff, Eugene Malov. Starships on Solar Sails: Clipper Ships of the Galaxy . Dato for adgang: 13. november 2017. Arkiveret fra originalen 7. januar 2018. (ubestemt)
↑ Den Spies, Robert Zubrin. Ultratynde solsejl til interstellare rejser . Hentet 13. november 2017. Arkiveret fra originalen 15. november 2017. (ubestemt)
↑ Interstellar Migration and the Human Experience Paperback - 1. januar 1985 af Ben R Finney (forfatter), Eric M Jones (forfatter) . Hentet 14. november 2017. Arkiveret fra originalen 4. april 2016. (ubestemt)
↑ Landis: Lille interstellar sonde drevet af en laser . go2starss.narod.ru. Hentet 27. september 2017. Arkiveret fra originalen 16. oktober 2017. (ubestemt)
↑ Laserdrevet interstellar sonde . scholar.google.ru. Dato for adgang: 27. september 2017. (ubestemt)
↑ Geoffrey A. Landis. Arkiveret fra originalen den 22. juli 2012. om Geoffrey A. Landis: Videnskab. papirer tilgængelige på nettet Arkiveret 15. september 2013 på Wayback Machine
↑ Landis. Interstellar ionsonde drevet af en laserstråle . go2starss.narod.ru. Hentet 27. september 2017. Arkiveret fra originalen 27. september 2017. (ubestemt)
↑ Nina BAVINA . Der var ikke plads dengang... Hentet 25. maj 2011. Arkiveret fra originalen 13. oktober 2011. (ubestemt)
↑ Gurko O. V., Slabky L. I. Brugen af kraftpåvirkninger fra Solens gravitations- og lysfelter til orientering af rumfartøjer - I bogen: "Artificial satellites of the earth", vol. 16 - M. : Fra Videnskabsakademiet i USSR, 1963, 34-45. . Hentet 3. oktober 2017. Arkiveret fra originalen 27. maj 2022. (ubestemt)
↑ Polyakhova E. N. "Rumflyvning med et solsejl: problemer og udsigter", M., Izd. "Videnskab", overhoved. udg. fysik og matematik Litteratur, 1986 304 ark.
↑ Gudilin V. E., Slabky L. I. Rumfragtskibe Progress, Progress-M og deres modifikationer // Raket- og rumsystemer (History. Development. Prospects) . - M. , 1996. - 326 s. Arkiveret 10. december 2012 på Wayback Machine
↑ KAROS-projektets hjemmeside Arkiveret 22. juli 2010 på Wayback Machine
↑ Skyd af! X-37B Space Plane og LightSail Solar Sail Go Into Orbit (engelsk) , NBC News . Arkiveret fra originalen den 28. september 2017. Hentet 27. september 2017.
↑ Korolev Vladimir. På alle sejl . nplus1.ru (22. maj 2015). Hentet 30. maj 2015. Arkiveret fra originalen 19. juni 2015. (ubestemt)
↑ Fra jord til himmel // meningsudveksling / Mikhail Grebenyuk. - Tasjkent: Yosh guard, 1989. - S. 238-256. — 464 s. - 400.000 eksemplarer. - ISBN 5-633-00221-0 .

Litteratur

Elyasberg PE Introduktion til teorien om flyvningen af kunstige jordsatellitter. - M., 1965.