Napvitorla

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. február 12-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 5 szerkesztést igényelnek .

A napvitorla (más néven fényvitorla vagy fotonvitorla ) olyan eszköz, amely a napfény nyomását vagy egy tükörfelületre ható lézert használ az űrhajó meghajtására .

Különbséget kell tenni a „ napfény ” ( egy fotonáram , amelyet a napvitorla használ) és a „ napszél ” (elemi részecskék és ionok áramlása, amelyet egy hajón repülnek ) fogalmak között . elektromos vitorla - egy másik típusú űrvitorla ).

A napvitorlával való űrrepülés ötlete az 1920 -as években Oroszországból származik, és a rakétatudomány egyik úttörőjéhez, Friedrich Zanderhez tartozik , aki abból indult ki, hogy a napfény részecskéi – a fotonok – impulzussal rendelkeznek, és azt továbbítják bármilyen megvilágított felület, nyomást keltve . A napfény nyomásának nagyságát először Pjotr Lebegyev orosz fizikus mérte meg 1900 -ban .

A napfény nyomása viszonylag kicsi (a Föld pályáján - kb. 9·10 −6 N/m 2 ), és a Naptól való távolság négyzetével arányosan csökken [1] . Például a 800 x 800 méteres napvitorlára ható összerő körülbelül 5 newton a Föld Naptól való távolságában. [2] A szoláris vitorla szinte korlátlan ideig működhet, és egyáltalán nem igényel munkafolyadékot , ezért bizonyos esetekben előnyösebb lehet a használata. A rendkívül alacsony tolóerő miatt azonban a mai napig egyik űrhajó sem használt napvitorlát főmotorként.

A jelenség fizikája

Tételezzük fel, hogy egy sík, energiával rendelkező fényhullám a felületére merőleges tömegű álló, sík ideális tükörre esik . Jelöljük a visszavert fényhullám energiáját -nak , a tükör által a hullám-visszaverődés eredményeként elért sebességét -nak . Ezután az energia megmaradás törvénye: és a lendület megmaradásának törvénye: . Ezekből az egyenletekből a következőket kaphatja: $m$ $W_{0}$ $W_{1}$ $v$ $W_{0}+mc^{2}=W_{1}+{\frac {mc^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2 }}}}}}$ ${\frac {W_{0}}{c}}=-{\frac {W_{1}}{c}}+{\frac {mv}{\sqrt {1-{\frac {v^ {2}}{c^{2}}}}}}}$

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

(egy)

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

(2)

Ebből következik, hogy a fotonikus vitorla hatásfoka (a vitorlára átvitt beeső hullámenergia hányada) minél nagyobb, minél nagyobb a beeső hullám energiájának aránya a vitorla nyugalmi energiájához viszonyítva. Ha a beeső hullám energiája sokkal nagyobb, mint a tükör nyugalmi energiája, a hullám szinte teljes energiája átkerül a tükörbe. $W_{0}\gg mc^{2}$

A másik szélsőséges esetben a beeső hullám energiája sokkal kisebb, mint a tükör nyugalmi energiája . Ebben az esetben az (1) képletből kapjuk: . A (2) képletből kapjuk: . Ebből a képletből látható, hogy ebben az esetben a fényhullám energiájának csak jelentéktelen részét adja át a vitorlának [3] . $W_{0}\ll mc^{2}$ ${\frac {v}{c}}\approx {\frac {2W_{0}}{mc^{2}}}$ ${\frac {\Delta W}{W_{0}}}={\frac {W_{0}-W_{1}}{W_{0}}}\kb. {\frac {2W_{0} }{mc^{2}}}$

Napvitorla csillaghajó-tervekben

Napvitorlát és más típusú űrvitorlákat terveznek alkalmazni egyes csillaghajó -projektekben [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] . A szoláris vitorlázás előnye, hogy nincs üzemanyag a fedélzeten, ami nagyobb rakományt tesz lehetővé, mint egy sugárhajtású űrhajó. A napvitorla koncepciója azonban olyan vitorlát igényel, amely könnyű súlyú és ugyanakkor nagy területű.

A szoláris vitorlás hátránya, hogy a gyorsulás függ a Naptól való távolságtól: minél távolabb van a Naptól , annál kisebb a napfény nyomása és ezáltal a vitorla gyorsulása, a Naprendszeren kívül pedig napfény és ennek megfelelően a napvitorla hatásfoka megközelíti a nullát. A Nap fénynyomása meglehetősen kicsi, ezért a gyorsulás növelése érdekében vannak olyan projektek, amelyek a szoláris vitorlás felgyorsítását célozzák a Földön kívüli termelőállomások lézeres telepítéseivel [4] [11] . Ezek a projektek a lézerek ultra-nagy távolságra történő pontos célzásának és a megfelelő teljesítményű lézergenerátorok létrehozásának problémájával szembesülnek.

Geoffrey LandisJavasolt egy napelem használata az energia lézeren keresztül történő átvitelére egy bázisállomásról egy csillagközi szondára ionmotorral [12] [13] , ami némi előnyt jelent egy tisztán űrvitorlával szemben (jelenleg ez a projekt műszaki okok miatt nem kivitelezhető korlátozások) [14 ] .

Vitorla konfigurációk

Space Regatta

1989-ben, Amerika felfedezésének 500. évfordulója tiszteletére az Egyesült Államok Kongresszusi Bizottsága versenyt hirdetett több, különböző országokban kifejlesztett szoláris vitorlás hajó pályára állítására és vitorlásverseny lebonyolítására a Marsra. A teljes utat 500 nap alatt tervezték megtenni. A versenyre az Egyesült Államok, Kanada, Nagy-Britannia, Olaszország, Kína, Japán és a Szovjetunió nyújtotta be részvételi jelentkezésüket. Az indulásra 1992-ben kellett volna sor kerülni.

A részvételre jelentkezők szinte azonnal kiesni kezdtek, számos technikai és gazdasági problémával szembesülve. A Szovjetunió összeomlása azonban nem vezetett a hazai projekt munkáinak leállításához, amelynek a fejlesztők szerint minden esélye megvolt a győzelemre. De a regattát a jubileumi bizottság anyagi nehézségei miatt (és valószínűleg több ok miatt) törölték. A nagy show elmaradt. Az orosz gyártású napvitorlát azonban az NPO Energia és a DKBA közösen alkotta meg (az egyetlen az összes közül) , és a verseny első díját kapta [15] .

Napvitorlát használó űrhajó

A szovjet tudósok feltaláltak egy sémát egy űrhajó sugárzás-gravitációs stabilizálására, amely egy napvitorla használatán alapul [16] [17] . A napvitorla első bevetése az űrben a Progress M-15 orosz űrhajón történt 1993. február 24-én a Znamja-2 projekt részeként [18] .

Az első űrhajó, amely űrvitorlát használt motorként, a japán IKAROS volt , amelyet a történelem első űrvitorlásaként tartanak számon. . 2010. május 21- én a Japán Űrügynökség (JAXA) felbocsátotta a H-IIA hordozórakétát , amely az IKAROS szoláris vitorlás űrhajót és a Vénusz légkörének tanulmányozására szolgáló meteorológiai berendezést szállított [ 19] . Az IKAROS a legvékonyabb membránból készült vitorlával van felszerelve, melynek hossza és szélessége 14 x 14 méter . Segítségével a járművek napfény segítségével történő mozgásának jellemzőit kell tanulmányoznia. 16 millió dollárt költöttek az apparátus létrehozására. A napvitorla telepítése 2010. június 3-án kezdődött, és június 10-én sikeresen befejeződött. Az IKAROS táblájáról továbbított képkockák alapján megállapítható, hogy az ultravékony szövet mind a 196 négyzetméterével sikeresen elbántak, a vékonyrétegű napelemek elkezdtek energiát termelni.

Jelenleg Oroszországban van egy "Space Regatta" konzorcium, amely számos kísérletet végzett napelemes reflektorokkal az olaj- és gáztermelés területeinek megvilágítása érdekében. Vannak olyan projektek is, amelyek tükröket olvasztanak a pályán aszteroidákról.

2015. május 20-án próbarepülésre küldték a LightSail-1-et , a világ első napelemes magánműholdat a Cape Canaveral kilövőhelyéről [20] [21] .

A kultúrában

Arthur Charles Clark tudományos-fantasztikus író: " Solar Wind " (1963) című története, amely a "The Exchange of Minds" [22] novellagyűjteményben szerepel , teljes egészében a napenergiával felszerelt jachtok űrregattájának szentel. vitorla és kizárólag a napszél hajtja. A regattán részt vevő egyik kapitány nevében írt történet a jachtokat sorolja fel különféle napvitorlás és repülésstabilizációs lehetőségekkel. A történet egy olyan esetet is leír, amelyben két jacht ütközött.
Bernard Werber Csillagpillangó című könyvében a történet egy fantasztikus, pillangó alakú űrhajóról szól, amely fotonvitorlát használ.
A Star Trek sorozatban. Deep Space 9 " (s03e22 Explorers ) Benjamin Sisko parancsnok egy napvitorlákkal ellátott hajót épít, hogy bebizonyítsa a bajorok és a kardassziai civilizáció ősi kapcsolatáról szóló történet valódiságát
A Star Wars Episode II: Attack of the Clones című filmben a geonosisi csata után Dooku gróf Coruscantra repül egy napelemes vitorláson.
A Disney Kincses bolygó című animációs filmjében a szörfös, a hajó és a dingi napvitorlákkal vannak felszerelve, ahogy a kikötőben látható többi hajó is. A film alapján készült játékban napvitorlákat használó hajók is szerepelnek.
A Warhammer 40 000 univerzumban az Eldar faj hajói napvitorlákkal vannak felszerelve.
A Smeshariki: Pin-code című animációs sorozat egyik sorozata (a Smeshariki animációs sorozat mellékterméke ) , nevezetesen a huszadik „ Solar Breeze ” sorozat – a napvitorla témájának szentelve.
A "Az egész emberiség kedvéért " sorozat harmadik évadában a Sogerner-1 amerikai emberes marsi hajót a nukleáris hajtóművek mellett napvitorlákkal is felszerelik.

Lásd még

Foton motor
Nyomás elektromágneses sugárzás
napos szél
űrvitorla
- elektromos vitorla
- Mágneses vitorla

Jegyzetek

↑ A. Bolonkin. Nagy sebességű AB-Solar Sail . - 2007. - arXiv : fizika / 0701073 .
↑ Jerome Wright (1992), Space Sailing , Gordon and Breach Science Publishers
↑ Butikov E. I., Bykov A. A., Kondratiev A. S. Fizika példákban és problémákban // M .: Nauka. - 1989. - S. 443. - ISBN 5-02-014057-0
↑ 1 2 Előre: Utazás a csillagokhoz energiasugáron . Letöltve: 2017. szeptember 27. Az eredetiből archiválva : 2017. november 6.. (határozatlan)
↑ Robert L. Tovább a csillagokhoz a sugár pontján . Letöltve: 2017. november 14. Az eredetiből archiválva : 2017. november 6.. (határozatlan)
↑ C. Danforth Vitorlázás a protonszélben . Letöltve: 2017. november 13. Az eredetiből archiválva : 2017. október 31.. (határozatlan)
↑ Jones, E. Mikrohullámú meghajtást használó emberes csillagközi hajó: Dysonship // Journal of the British Interplanetary Society. - 1985. - 1. évf. 38. - P. 270−273. Az eredetiből archiválva: 2017. november 15.
↑ Gregory Matloff, Eugene Malov. Starships on Solar Sails: Clipper Ships of the Galaxy . Hozzáférés dátuma: 2017. november 13. Az eredetiből archiválva : 2018. január 7. (határozatlan)
↑ Den Spies, Robert Zubrin. Ultravékony napvitorlák csillagközi utazáshoz . Letöltve: 2017. november 13. Az eredetiből archiválva : 2017. november 15. (határozatlan)
↑ Interstellar Migration and the Human Experience Paperback - 1985. január 1., Ben R Finney (szerző), Eric M Jones (szerző) . Letöltve: 2017. november 14. Az eredetiből archiválva : 2016. április 4.. (határozatlan)
↑ Landis: Lézerrel működő kis csillagközi szonda . go2starss.narod.ru. Letöltve: 2017. szeptember 27. Az eredetiből archiválva : 2017. október 16.. (határozatlan)
↑ Lézerüzemű csillagközi szonda . scholar.google.ru. Hozzáférés időpontja: 2017. szeptember 27. (határozatlan)
↑ Geoffrey A. Landis. Az eredetiből archiválva : 2012. július 22. a Geoffrey A. Landis: Tudományról. a weben elérhető papírok archiválva : 2013. szeptember 15., a Wayback Machine -nél
↑ Landis. Lézersugárral működő csillagközi ionszonda . go2starss.narod.ru. Letöltve: 2017. szeptember 27. Az eredetiből archiválva : 2017. szeptember 27.. (határozatlan)
↑ Nina BAVINA . Akkor nem volt hely ... Letöltve: 2011. május 25. Az eredetiből archiválva : 2011. október 13.. (határozatlan)
↑ Gurko O. V., Slabky L. I. A Nap gravitációs és fénymezőinek erőhatásainak felhasználása az űrhajók tájolásához - A könyvben: "A Föld mesterséges műholdai", vol. 16 - M. : A Szovjetunió Tudományos Akadémiájából, 1963, 34-45. . Letöltve: 2017. október 3. Az eredetiből archiválva : 2022. május 27. (határozatlan)
↑ Polyakhova E. N. „Űrrepülés napvitorlával: problémák és kilátások”, M., Izd. "Tudomány", fej. szerk. fizika és matematika Irodalom, 1986 304 lap.
↑ Gudilin V. E., Slabky L. I. Space cargo ships Progress, Progress-M and modifikations // Rocket and space systems (History. Development. Prospects) . - M. , 1996. - 326 p. Archivált : 2012. december 10. a Wayback Machine -nél
↑ A KAROS projekt weboldala Archivált 2010. július 22-én a Wayback Machine -nél
↑ Felrobbantani! Az X-37B Space Plane és a LightSail Solar Sail Orbit pályára lép (angol) , NBC News . Archiválva az eredetiből 2017. szeptember 28-án. Letöltve: 2017. szeptember 27.
↑ Koroljev Vlagyimir. Minden vitorlán . nplus1.ru (2015. május 22.). Letöltve: 2015. május 30. Az eredetiből archiválva : 2015. június 19. (határozatlan)
↑ A Földtől az égig // Elmecsere / Mikhail Grebenyuk. - Taskent: Yosh gárda, 1989. - S. 238-256. — 464 p. - 400 000 példány. - ISBN 5-633-00221-0 .

Irodalom

Elyasberg PE Bevezetés a mesterséges földi műholdak repülésének elméletébe. - M., 1965.

Linkek

A napvitorla csillagként fog ragyogni a csillagász emlékére
"Space Regatta" konzorcium — Projektek — Napvitorlák és reflektorok
Koroljov Vlagyimir. Minden vitorlán . nplus1.ru (2015. május 22.). (határozatlan)