Aurinkopurje

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 12. helmikuuta 2022 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 5 muokkausta .

Aurinkopurje (kutsutaan myös valopurjeeksi tai fotonipurjeeksi ) on laite, joka käyttää auringonvalon painetta tai laseria peilipinnalla avaruusaluksen liikuttamiseen .

On tarpeen erottaa käsitteet " auringonvalo " ( fotonivirta , jota aurinkopurje käyttää) ja " aurinkotuuli " (alkuainehiukkasten ja ionien virta, jota käytetään lentämään sähköpurje - toinen avaruuspurjetyyppi ).

Ajatus avaruudessa lentämisestä aurinkopurjeella syntyi Venäjältä 1920- luvulla ja kuuluu yhdelle rakettitieteen edelläkävijöistä Friedrich Zanderille , joka lähti siitä, että auringonvalon hiukkasilla - fotoneilla - on impulssi ja ne siirtävät sen kaikki valaistut pinnat aiheuttaen painetta . Auringonvalon paineen voimakkuuden mittasi ensimmäisen kerran venäläinen fyysikko Pjotr Lebedev vuonna 1900 .

Auringonvalon paine on suhteellisen pieni (Maan kiertoradalla - noin 9·10 −6 N/m 2 ) ja pienenee suhteessa etäisyyden neliöön Auringosta [1] . Esimerkiksi 800 x 800 metrin aurinkopurjeeseen vaikuttava kokonaisvoima on noin 5 Newtonia Maan etäisyydellä Auringosta. [2] Aurinkopurje voi toimia lähes rajoittamattoman ajan, eikä se vaadi lainkaan käyttönesteen kulutusta , joten joissain tapauksissa sen käyttö voi olla parempi. Toistaiseksi mikään avaruusaluksista ei kuitenkaan ole käyttänyt aurinkopurjetta päämoottorina erittäin alhaisen työntövoiman vuoksi.

Ilmiön fysiikka

Oletetaan, että tasovaloaalto, jolla on energiaa, osuu kiinteään litteään ideaaliseen peiliin, jonka massa on normaali sen pintaan nähden . Merkitään heijastuneen valoaallon energiaksi , peilin aallonheijastuksen tuloksena saavuttama nopeus . Sitten energian säilymisen laki: ja liikemäärän säilymisen laki: . Näistä yhtälöistä saat: $m$ $W_{0}$ $W_{1}$ $v$ $W_{0}+mc^{2}=W_{1}+{\frac {mc^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2 }}}}}}$ ${\frac {W_{0}}{c}}=-{\frac {W_{1}}{c}}+{\frac {mv}{\sqrt {1-{\frac {v^ {2}}{c^{2}}}}}}}$

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

(yksi)

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

(2)

Tästä seuraa, että fotonipurjeen hyötysuhde (purjeeseen siirtyvän tulevan aallon energian osuus) on sitä suurempi, mitä suurempi on tulevan aallon energian suhde purjeen lepoenergiaan. Kun tulevan aallon energia on paljon suurempi kuin peilin lepoenergia , lähes kaikki aallon energia siirtyy peiliin. $W_{0}\gg mc^{2}$

Toisessa ääritapauksessa tulevan aallon energia on paljon pienempi kuin peilin lepoenergia . Tässä tapauksessa kaavasta (1) saadaan: . Kaavasta (2) saadaan: . Tästä kaavasta voidaan nähdä, että tässä tapauksessa valoaalto siirtää vain merkityksettömän osan energiastaan purjeeseen [3] . ${\displaystyle W_{0}\ll mc^{2))$ ${\frac {v}{c}}\approx {\frac {2W_{0}}{mc^{2}}}$ ${\frac {\Delta W}{W_{0}}}={\frac {W_{0}-W_{1}}{W_{0}}}\noin {\frac {2W_{0} }{mc^{2}}}$

Aurinkopurje tähtilaivamalleissa

Aurinkopurjetta ja muun tyyppisiä avaruuspurjeita suunnitellaan käytettäväksi joissakin tähtialusprojekteissa [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] . Aurinkopurjehduksen etuna on polttoaineen puuttuminen aluksella, mikä mahdollistaa suuremman hyötykuorman verrattuna suihkukäyttöiseen avaruusalukseen. Aurinkopurjeen käsite edellyttää kuitenkin kevyttä ja samalla pinta-alaltaan suurta purjetta.

Aurinkopurjeveneen haittapuoli on kiihtyvyyden riippuvuus etäisyydestä Aurinkoon: mitä kauempana Auringosta , sitä pienempi auringonvalon paine ja siten purjeen kiihtyvyys, ja aurinkokunnan ulkopuolella purjeen paine. auringonvalo ja vastaavasti aurinkopurjeen hyötysuhde lähestyy nollaa. Auringon valonpaine on melko pieni, joten kiihtyvyyden lisäämiseksi on olemassa hankkeita aurinkopurjeveneen kiihdyttämiseksi laserasennuksilla maan ulkopuolella olevilta tuotantoasemilta [4] [11] . Näissä hankkeissa on ongelmana laserien tarkka kohdistaminen erittäin pitkille etäisyyksille ja sopivan tehoisten lasergeneraattoreiden luominen.

Geoffrey Landisehdotettiin aurinkopariston käyttämistä energian siirtämiseen laserin kautta tukiasemalta ionimoottorilla varustettuun tähtienväliseen luotain [12] [13] , mikä antaa jonkin verran etua puhtaasti avaruuspurjeeseen verrattuna (tällä hetkellä tämä projekti ei ole toteutettavissa teknisistä syistä johtuen rajoitukset) [14 ] .

Purjekokoonpanot

Space Regatta

Yhdysvaltain kongressin komissio julkaisi vuonna 1989 Amerikan löytämisen 500-vuotispäivän kunniaksi kilpailun useiden eri maissa kehitettyjen aurinkopurjelaivojen asettamiseksi kiertoradalle ja purjehduskilpailun järjestämiseksi Marsiin. Koko matka oli tarkoitus kattaa 500 päivässä. Yhdysvallat, Kanada, Iso-Britannia, Italia, Kiina, Japani ja Neuvostoliitto jättivät osallistumishakemuksensa kilpailuun. Laukaisun piti tapahtua vuonna 1992.

Osallistumishakijat alkoivat keskeyttää lähes välittömästi useiden teknisten ja taloudellisten ongelmien vuoksi. Neuvostoliiton romahtaminen ei kuitenkaan johtanut kotimaisen projektin työn lopettamiseen, jolla oli kehittäjien mukaan kaikki mahdollisuudet voittaa. Mutta regatta peruttiin vuosipäivätoimikunnan taloudellisten vaikeuksien vuoksi (ja mahdollisesti useista syistä). Suuri show jäi tekemättä. NPO Energia ja DKBA loivat kuitenkin venäläisvalmisteisen aurinkopurjeen (ainoana) , ja se sai kilpailun ensimmäisen palkinnon [15] .

Avaruusalus aurinkopurjeella

Neuvostoliiton tiedemiehet keksivät aurinkopurjeen käyttöön perustuvan järjestelmän avaruusaluksen säteilypainovoimastabilointiin [16] [17] . Ensimmäinen aurinkopurjeen käyttöönotto avaruudessa tehtiin venäläisellä Progress M-15 -avaruusaluksella 24. helmikuuta 1993 osana Znamya-2-projektia [18] .

Ensimmäinen avaruuspurjetta moottorina käyttänyt avaruusalus oli japanilainen IKAROS , jota pidetään historian ensimmäisenä avaruuspurjeveneenä. . Japanin avaruusjärjestö JAXA laukaisi 21. toukokuuta 2010 H-IIA- kantoraketin , joka kantoi aurinkopurjeen IKAROS -avaruusaluksen ja meteorologisen laitteen Venuksen ilmakehän tutkimiseen [ 19] . IKAROS on varustettu ohuimmasta kalvosta valmistetulla purjeella, jonka pituus ja leveys on 14 x 14 metriä . Sen avulla sen on tarkoitus tutkia ajoneuvojen liikkeen ominaisuuksia auringonvalon avulla. Laitteen luomiseen käytettiin 16 miljoonaa dollaria. Aurinkopurjeen käyttöönotto aloitettiin 3.6.2010 ja saatiin onnistuneesti päätökseen 10.6. IKAROSin laudalta lähetettyjen kehysten perusteella voidaan päätellä, että kaikki 196 neliömetriä erittäin ohutta kangasta saatiin onnistuneesti käsiteltyä ja ohutkalvoiset aurinkopaneelit alkoivat tuottaa energiaa.

Nyt Venäjällä on konsortio "Space Regatta", joka suoritti useita kokeita aurinkoheijastimilla valaistakseen öljyn ja kaasun tuotantoalueita. On myös projekteja peilien sulattamiseksi kiertoradalla asteroideista.

20. toukokuuta 2015 LightSail-1 , ensimmäinen yksityinen aurinkoenergialla toimiva satelliitti , lähetettiin koelennolle Cape Canaveralin laukaisupaikalta [20] [21] .

Kulttuurissa

Tieteiskirjailija Arthur Charles Clarkin tarina " Solar Wind " (1963) , joka sisältyy novellikokoelmaan "The Exchange of Minds" [22] , on kokonaan omistettu aurinkoenergialla varustettujen jahtien avaruusregatille. purjehtia ja yksinomaan aurinkotuulen ohjaamana. Tarina, joka on kirjoitettu yhden regataan osallistuvan kapteenin puolesta, luettelee jahteja, joissa on erilaisia aurinkopurje- ja lennonvakautusvaihtoehtoja. Tarina kuvaa myös tapausta, jossa kaksi huvivenettä törmäsi.
Bernard Werberin kirjassa Star Butterfly tarina kertoo fantastisesta perhosen muotoisesta avaruusaluksesta, joka käyttää fotonipurjetta.
Sarjassa Star Trek. Deep Space 9 " (s03e22 Explorers ) Komentaja Benjamin Sisko rakentaa aurinkopurjeineen laivan todistaakseen tarinan todenperäisyydestä bajorilaisten muinaisesta kontaktista Cardassian sivilisaatioon
Star Wars Episode II: Attack of the Clones -pelissä Geonosiksen taistelun jälkeen kreivi Dooku lentää Coruscantiin aurinkopurjeveneellä.
Disneyn animaatioelokuvassa Treasure Planet surffaaja, laiva ja vene on varustettu aurinkopurjeilla, kuten muutkin satamassa nähdyt veneet. Elokuvaan perustuvassa pelissä on myös aurinkopurjeita käyttäviä aluksia.
Warhammer 40 000 -universumissa Eldar-rodun alukset on varustettu aurinkopurjeilla.
Yksi animaatiosarjan Smeshariki: Pin-code sarjasta (Smeshariki-animaatiosarjan jatko ), nimittäin kahdeskymmenes " Solar Breeze " - on omistettu aurinkopurjeen teemalle.
Sarjan " Koko ihmiskunnan hyväksi " kolmannella kaudella amerikkalainen miehitetty marsilainen "Sogerner-1" on varustettu ydinmoottoreiden lisäksi aurinkopurjeilla.

Katso myös

Fotoni moottori
Paine sähkömagneettista säteilyä
aurinkoinen tuuli
avaruuspurje
- sähköpurje
- Magneettinen purje

Muistiinpanot

↑ A. Bolonkin. Nopea AB- aurinkopurje . - 2007. - arXiv : fysiikka / 0701073 .
↑ Jerome Wright (1992), Space Sailing , Gordon and Breach Science Publishers
↑ Butikov E. I., Bykov A. A., Kondratiev A. S. Fysiikka esimerkeissä ja ongelmissa // M .: Nauka. - 1989. - S. 443. - ISBN 5-02-014057-0
↑ 1 2 Eteenpäin: Matka tähtiin energiasäteellä . Haettu 27. syyskuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 6. marraskuuta 2017. (määrätön)
↑ Robert L. Eteenpäin tähtiin säteen pisteessä . Haettu 14. marraskuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 6. marraskuuta 2017. (määrätön)
↑ C. Danforth purjehtimassa protonituulessa . Haettu 13. marraskuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 31. lokakuuta 2017. (määrätön)
↑ Jones, E. Mikroaaltovoimaa käyttävä miehitetty tähtienvälinen alus: Dysonship // Journal of the British Interplanetary Society. - 1985. - Voi. 38. - s. 270-273. Arkistoitu alkuperäisestä 15. marraskuuta 2017.
↑ Gregory Matloff, Eugene Malov. Starships on Solar Sails: Clipper Ships of the Galaxy . Käyttöpäivä: 13. marraskuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 7. tammikuuta 2018. (määrätön)
↑ Den Spies, Robert Zubrin. Ultraohuet aurinkopurjeet tähtienvälisille matkoille . Haettu 13. marraskuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 15. marraskuuta 2017. (määrätön)
↑ Interstellar Migration and the Human Experience Pehmeäkantinen kirja - 1. tammikuuta 1985, Ben R Finney (Kirjoittaja), Eric M Jones (Kirjoittaja) . Haettu 14. marraskuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 4. huhtikuuta 2016. (määrätön)
↑ Landis: Pieni tähtienvälinen luotain, joka toimii laserilla . go2starss.narod.ru. Haettu 27. syyskuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 16. lokakuuta 2017. (määrätön)
↑ Laserkäyttöinen tähtienvälinen luotain . scholar.google.ru. Käyttöönottopäivä: 27.9.2017. (määrätön)
↑ Geoffrey A. Landis. Arkistoitu alkuperäisestä 22. heinäkuuta 2012. aiheesta Geoffrey A. Landis: Tiede. paperit saatavilla verkossa Arkistoitu 15. syyskuuta 2013 Wayback Machinessa
↑ Landis. Tähtienvälinen ioniluotain, joka toimii lasersäteellä . go2starss.narod.ru. Haettu 27. syyskuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 27. syyskuuta 2017. (määrätön)
↑ Nina BAVINA . Silloin ei ollut tilaa ... Haettu 25. toukokuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 13. lokakuuta 2011. (määrätön)
↑ Gurko O. V., Slabky L. I. Auringon gravitaatio- ja valokenttien voimavaikutusten käyttö avaruusalusten suuntaamiseen - Kirjassa: "Maan keinotekoiset satelliitit", voi. 16 - M. : Neuvostoliiton tiedeakatemiasta, 1963, 34-45. . Haettu 3. lokakuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 27. toukokuuta 2022. (määrätön)
↑ Polyakhova E. N. "Avaruuslento aurinkopurjeella: ongelmat ja näkymät", M., Izd. "Tiede", pää. toim. fysiikka ja matematiikka Kirjallisuus, 1986 304 arkkia.
↑ Gudilin V. E., Slabky L. I. Avaruuslastialukset Progress, Progress-M ja niiden modifikaatiot // Raketti- ja avaruusjärjestelmät (History. Development. Prospects) . - M. , 1996. - 326 s. Arkistoitu 10. joulukuuta 2012 Wayback Machinessa
↑ KAROS-projektin verkkosivut Arkistoitu 22. heinäkuuta 2010 Wayback Machinessa
↑ Räjähtäkää! X-37B Space Plane ja LightSail Solar Sail Go Into Orbit (englanniksi) , NBC News . Arkistoitu alkuperäisestä 28. syyskuuta 2017. Haettu 27.9.2017.
↑ Korolev Vladimir. Kaikissa purjeissa . nplus1.ru (22. toukokuuta 2015). Haettu 30. toukokuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 19. kesäkuuta 2015. (määrätön)
↑ Maasta taivaaseen // Mielenvaihto / Mikhail Grebenyuk. - Tashkent: Yosh Guard, 1989. - S. 238-256. — 464 s. - 400 000 kappaletta. - ISBN 5-633-00221-0 .

Kirjallisuus

Elyasberg PE Johdatus maan keinotekoisten satelliittien lennon teoriaan. - M., 1965.

Linkit

Aurinkopurje loistaa tähtenä tähtitieteilijän muistoksi
Konsortio "Space Regatta" — Projektit — Aurinkopurjeet ja heijastimet
Koroljov Vladimir. Kaikissa purjeissa . nplus1.ru (22. toukokuuta 2015). (määrätön)