Sonnensegel (auch genannt leichte Segel oder Foton-Segel) sind eine Form des Raumfahrzeugantriebs mit dem Strahlendruck des Lichtes von einem Stern oder Laser, um enorme ultradünne Spiegel zu hohen Geschwindigkeiten zu stoßen.

Japans JAXA hat erfolgreich IKAROS 2010 geprüft. Die Absicht war, das Segel und für das erste Mal einzusetzen und zu kontrollieren, die durch den leichten Druck verursachten Minutenbahn-Unruhen bestimmend. Bahn-Entschluss wurde durch die nahe gelegene AKATSUKI-Untersuchung getan, von dem distanziertem IKAROS nachdem beide in eine Übertragungsbahn Venus gebracht worden waren. Die Gesamtwirkung über den sechsmonatigen' Flug war 100 m/s.

Geschichte

Das Konzept, Foton-Druck für den Antrieb zu verwenden, wurde zuerst vom russischen Wissenschaftler Konstantin Tsiolkovsky 1921 vorgeschlagen, und 1924 haben er und Friedrich Zander über geschrieben, "enorme Spiegel von sehr dünnen Platten" zu verwenden, und, "den Druck des Sonnenlichtes zu verwenden, um kosmische Geschwindigkeiten zu erreichen".

Der Begriff "Sonnenschifffahrt" wurde gegen Ende der 1950er Jahre ins Leben gerufen und durch die Novelle von Arthur C. Clarke "Sunjammer" im Mai 1964 verbreitet.

Physik

Strahlendruck, Sonnenwind und Ernst sind die durch die Sonne verursachten Hauptkräfte. Strahlendruck ist viel stärker als der Sonnenwind. Die am besten bekannte Methode, Ernst für den Antrieb zu verwenden, ist ein Ernst helfen.

1924 hat der russische Raumingenieur Friedrich Zander vorgeschlagen, dass der Stoß des Lichtes als eine Form des Raumantriebs verwendet werden konnte, der keinen Brennstoff verlangt. Einstein hat vorgehabt (und Experimente bestätigen), dass Fotonen einen Schwung p=E/c haben; deshalb übt jedes leichte Foton, das gefesselt ist von oder von einer Oberfläche nachdenkend, einen kleinen Betrag des Strahlendrucks aus.

Das läuft auf Kräfte ungefähr 4.57x10 N/m hinaus, um Oberflächensenkrechte zur Radiation in der Erdbahn, und etwas weniger zu absorbieren, als doppelt so viel, wenn die Radiation widerspiegelt wird. Das wurde experimentell vom russischen Physiker Pyotr Nikolaevich Lebedev 1900, und unabhängig von Nichols und Rumpf an Dartmouth 1901 mit einem Nichols radiometer bewiesen.

Beladene Partikeln vom Sonnenwind können Geomagnetic-Stürme verursachen, die Macht-Bratrost auf der Erde herausschlagen, und die Schwänze von Kometen weg von der Sonne anspitzen. Die Sonnenwinddurchschnitte 6.7 Milliarden Tonnen pro Stunde an 520 km/s mit "langsamen" niedrigen Energiekranz-Ausweisungen, die 400 km/s und "schnell", höhere Energieausweisungen erreichen, die 750 km/s im Durchschnitt betragen.

In der Entfernung der Erde ist der durchschnittliche Sonnenwinddruck 3.4×10 N/m, drei Größenordnungen weniger als Strahlendruck.

Der Sonnenwind beherrscht viele Phänomene, weil seine Wechselwirkungskreuz-Abteilung mit Benzin und beladenen Partikeln ungefähr 10mal größer ist als dieses der Fotonen.

Sowohl der Strahlendruck als auch Sonnenwind sind kleine Kräfte, die in einer umgekehrten Quadratgesetzbeziehung zur Entfernung von der Sonne abnehmen. Sogar große Segel erzeugen kleine Beschleunigungen, aber mit der Zeit können Segel große Geschwindigkeiten aufbauen.

Es gibt zwei Weisen, einen Kurs eines Segels zu ändern. Erstens kann das Segel zum Licht gekippt werden. Die Richtung der Beschleunigung ändert sich, weil widerspiegelte Radiation und Wind immer eine Kraft-Senkrechte zur Oberfläche des Segels machen. Kleinere Hilfsschaufeln können das Großsegel in seine neue Position freundlich ziehen (sieh, dass die Schaufeln auf der Illustration Weltall 1, oben etikettiert haben).

Zweitens wird der Ernst von einer nahe gelegenen Masse, wie ein Stern oder Planet, die Richtung eines Raumschiffes verändern.

Methoden des Gebrauches

Das Entgehen planetarischer Bahn

Segel-Bahn, und braucht deshalb nicht zu schwanken oder sich direkt zu oder weg von der Sonne zu bewegen. Fast alle Missionen würden das Segel verwenden, um Bahn zu ändern, anstatt direkt weg von einem Planeten oder der Sonne zu stoßen. Das Segel wird langsam als die Segel-Bahnen um einen Planeten rotieren gelassen. Der Stoß drängt das Handwerk in der Richtung auf die Augenhöhlenbewegung, sich zu einer höheren Bahn zu bewegen. Um die Bahn zu senken, muss das Segel gegen die Bewegung in der Bahn stoßen. Wenn eine Bahn weg von einem Planeten weit genug ist, kann das Handwerk ähnliche Manöver in einer Sonnenbahn durchführen.

Balken angetrieben

Die meisten theoretischen Studien von interstellaren Missionen mit einem Sonnensegelriss, das Segel mit einem sehr großen Laser zu stoßen. Die Richtung des Stoßes würde deshalb weg von der Sonne und zum Bestimmungsort sein.

In der Theorie konnte ein lightsail, der durch einen Laser von der Erde gesteuert ist, ein Raumfahrzeug verlangsamen, das sich einem entfernten Stern oder Planeten nähert. Ein Teil des Segels konnte losgemacht und verwendet werden, um den Balken auf die Vorwärtsloberfläche des Rests des Segels einzustellen. In der Praxis würde der grösste Teil des Verlangsamens geschehen, während die zwei Teile in einer großen Entfernung von einander sind. Deshalb würde der distanzierte Teil eine genaue optische Gestalt und Orientierung brauchen, und, wie man zurzeit bekannt, macht keine Methode solch ein Segel. Ein anderes Problem besteht darin, dass die Laser gepflegt haben, sich zu beschleunigen oder sich zu verlangsamen, konnte ein Segel Jahre, Jahrzehnte oder Jahrhunderte nehmen, um das Handwerk abhängig von der Entfernung zu erreichen.

Beschränkungen von Sonnensegeln

Sonnensegel arbeiten schlecht in der niedrigen Erdbahn (unter ungefähr 800 km Höhe) wegen der Erosion oder Luftschinderei. Über dieser Höhe geben sie sehr kleine Beschleunigungen, die Monate nehmen, um bis zu nützlichen Geschwindigkeiten zu bauen. Sonnensegel müssen physisch groß sein, und Nutzlast-Größe ist häufig klein. Das Entfalten von Sonnensegeln ist auch schwierig gewesen.

Untersuchte Segel-Designs

"Fallschirme" würden sehr niedrige Masse haben, aber theoretische Studien zeigen, dass sie von den durch Leichentücher gelegten Kräften zusammenbrechen werden. Strahlendruck benimmt sich wie aerodynamischer Druck nicht.

Eric Drexler hat sehr hohen Stoß zur Masse Sonnensegel entworfen, und hat Prototypen des Segel-Materials gemacht. Sein Segel würde Tafeln des dünnen (30 bis 100 Nanometer dicken) durch eine dehnbare Struktur unterstützten Aluminiumfilms verwenden. Das Segel würde rotieren und würde ständig unter dem Stoß sein müssen. Er hat gemacht und hat Proben des Films im Laboratorium behandelt, aber das Material war zu fein, um Falte, Start und Aufstellung zu überleben. Das Design hat geplant, sich auf die im Weltraum vorhandene Produktion der Filmtafeln zu verlassen, sich ihnen mit einer deployable Spannungsstruktur anschließend. Segel in dieser Klasse würden Gebiet pro Einheitsmasse und folglich Beschleunigungen bis zu "fünfzigmal höher" anbieten als auf deployable Plastikfilmen gestützte Designs.

Die gestoßenen im höchsten Maße zu Massendesigns für Boden-gesammelte deployable Strukturen sind Rahsegler mit den Masten und Kerl-Linien auf der dunklen Seite des Segels. Gewöhnlich gibt es vier Masten, die die Ecken des Segels und einen Mast im Zentrum ausbreiten, um Kerl-Leitungen zu halten. Einer der größten Vorteile ist, dass es keine Krisenherde in der Takelage von wrinkling oder Aufbauschung gibt, und das Segel die Struktur vor der Sonne schützt. Diese Form kann deshalb in der Nähe von der Sonne für den maximalen Stoß gehen. Die meisten Designs steuern mit kleinen Segeln auf den Enden der Spieren.

In den 1970er Jahren hat JPL viele studiert, Klinge und Ringsegel für eine Mission zum Rendezvous mit dem Kometen von Halley rotieren lassend. Die Absicht war, die Strukturen mit dem winkeligen Schwung zu versteifen, das Bedürfnis nach Spreizen beseitigend, und Masse sparend. In allen Fällen waren überraschend große Beträge der Zugbelastung erforderlich, um mit dynamischen Lasten fertig zu werden. Schwächere Segel würden in wellenartige Bewegungen versetzen oder schwingen, wenn die Einstellung des Segels geändert, und die Schwingungen hinzufügen und Strukturmisserfolg verursachen würde. Der Unterschied im Verhältnis des Stoßes zur Masse zwischen praktischen Designs war fast Null, und die statischen Designs waren leichter zu kontrollieren.

Das Bezugsdesign von JPL wurde den "heliogyro" genannt. Es hat Folie-Klingen von Rollen aufmarschieren lassen und hat durch Zentrifugalkräfte ausgehalten, als es rotiert hat. Die Einstellung und Richtung des Raumfahrzeugs sollten durch das Ändern des Winkels der Klingen auf verschiedene Weisen völlig kontrolliert werden, die dem zyklischen und gesammelten Wurf eines Hubschraubers ähnlich sind. Obwohl das Design keinen Massenvorteil gegenüber einem Rahsegler hatte, ist es attraktiv geblieben, weil die Methode, das Segel einzusetzen, einfacher war als ein Spreize-basiertes Design.

JPL hat auch "Ringsegel" (Spinnendes Plattensegel im obengenannten Diagramm), dem Rand eines rotierenden Raumfahrzeugs beigefügte Tafeln untersucht. Die Tafeln würden geringe Lücken, ungefähr ein bis fünf Prozent des Gesamtgebiets haben. Linien würden den Rand eines Segels zum anderen verbinden. Massen in der Mitte dieser Linien würden die Segel ziehen, die gegen den durch den Strahlendruck verursachten coning gespannt sind. JPL Forscher haben gesagt, dass das ein attraktives Segel-Design für große besetzte Strukturen sein könnte. Der innere Ring könnte insbesondere gemacht werden, künstlichen Ernst zu haben, der grob dem Ernst auf der Oberfläche des Mars gleich ist.

Ein Sonnensegel kann einer Doppelfunktion als eine Antenne des hohen Gewinns dienen. Designs unterscheiden sich, aber die meisten modifizieren das metallization Muster, um eine holografische monochromatische Linse oder Spiegel in den Radiofrequenzen von Interesse einschließlich des sichtbaren Lichtes zu schaffen.

Pekka Janhunen von FMI hat einen Typ des Sonnensegels genannt das elektrische Sonnenwindsegel erfunden. Mechanisch hat es wenig genau wie das traditionelle Sonnensegel-Design. Die Segel werden durch gerade gemachte Leiten-Haltestricke (Leitungen) gelegt radial um das Gastgeber-Schiff ersetzt. Die Leitungen werden elektrisch beauftragt, ein elektrisches Feld um die Leitungen zu schaffen. Das elektrische Feld erweitert einige Zehnen von Metern ins Plasma des Umgebungssonnenwinds. Die Sonnenelektronen werden durch das elektrische Feld (wie die Fotonen auf einem traditionellen Sonnensegel) widerspiegelt. Der Radius des Segels ist vom elektrischen Feld aber nicht der wirklichen Leitung selbst, das Segel leichter machend. Das Handwerk kann auch durch die Regulierung der elektrischen Anklage der Leitungen gesteuert werden. Ein praktisches elektrisches Segel würde 50-100 gerade gemachte Leitungen mit einer Länge von ungefähr 20 km jeder haben.

Ein magnetisches Segel würde auch den Sonnenwind verwenden. Jedoch lenkt das magnetische Feld die elektrisch beladenen Partikeln im Wind ab. Es verwendet Leitungsschleifen, und führt einen statischen Strom durch sie, anstatt eine statische Stromspannung anzuwenden.

Ganzes dieses Designmanöver, obwohl die Mechanismen verschieden sind. Magnetische Segel biegen den Pfad der beladenen Protone, die im Sonnenwind sind. Indem sie die Einstellungen der Segel und die Größe der magnetischen Felder ändern, können sie den Betrag und die Richtung des Stoßes ändern. Elektrische Sonnenwindsegel können ihre elektrostatischen Felder anpassen und Einstellungen durchsegeln.

Segel-Prüfung im Raum

Bis 2010 waren keine Sonnensegel im Raum als primäre Antrieb-Systeme erfolgreich verwendet worden. Am 21. Mai 2010 hat die Raumfahrterforschungsagentur von Japan (JAXA) den "IKAROS" (Interplanetarisches Flugdrache-Handwerk gestartet, das durch die Radiation der Sonne beschleunigt ist) Raumfahrzeug, das 200 M polyimide experimentelles Sonnensegel am 10. Juni eingesetzt hat. Im Juli hat die folgende Phase für die Demonstration der Beschleunigung durch die Radiation begonnen. Am 9. Juli wurde es nachgeprüft, dass IKAROS Radiation von der Sonne gesammelt hat und Foton-Beschleunigung durch den Bahn-Entschluss von IKAROS durch die Reihe und Reihe-Rate (RARR) begonnen hat, die kürzlich zusätzlich zu den Daten der Relativierungsbeschleunigungsgeschwindigkeit von IKAROS zwischen IKAROS und der Erde berechnet wird, die genommen worden ist, seitdem bevor Doppler die Wirkung verwertet wurde. Die Daten haben gezeigt, dass IKAROS scheint, Sonnenschifffahrt seit dem 3. Juni gewesen zu sein, als es das Segel eingesetzt hat.

IKAROS hat ein diagonales spinnendes aus einer dicken Platte von polyimide gemachtes Rahsegler. Ein Dünnfilm Sonnenreihe wird im Segel eingebettet. Acht FLÜSSIGKRISTALLANZEIGE-Tafeln werden im Segel eingebettet, dessen reflectance für die Einstellungskontrolle angepasst werden kann. IKAROS wird sechs Monate ausgeben, Venus reisend, und wird dann eine dreijährige Reise zur weiten Seite der Sonne beginnen.

Sonnendruck hat für die Einstellungskontrolle demonstriert

Sowohl der Seemann, hat 10 Mission, die durch das Planet-Quecksilber als auch Venus und die BOTE-Mission zu Quecksilber geflogen ist, den Gebrauch des Sonnendrucks als eine Methode der Einstellungskontrolle demonstriert, um Einstellungskontrolle-Treibgas zu erhalten.

Hayabusa hat auch Sonnendruck als eine Methode der Einstellungskontrolle verwendet, gebrochene Reaktionsräder und chemische Trägerrakete zu ersetzen.

Sonnensegel-Aufstellungstests

NASA hat Aufstellungstechnologien auf kleinen Skala-Segeln in Vakuumräumen erfolgreich geprüft.

Am 4. Februar 1993 wurde Znamya 2, ein 20 Meter breiter aluminized-mylar Reflektor, von der russischen Mir Raumstation erfolgreich aufmarschiert. Obwohl die Aufstellung erfolgreich gewesen ist, wurde Antrieb nicht demonstriert. Ein zweiter Test, Znamya 2.5, hat gescheitert, sich richtig aufzustellen.

1999 wurde eine umfassende Aufstellung eines Sonnensegels auf dem Boden an DLR/ESA in Köln geprüft.

Am 9. August 2004 hat der japanische ISAS erfolgreich zwei Prototyp Sonnensegel von einer tönenden Rakete eingesetzt. Ein Segel in der Form von des Klees wurde an 122 km aufmarschiert Höhe und ein fächerförmiges Segel wurden an 169 km Höhe aufmarschiert. Beide Segel haben 7.5-Mikrometer-Film verwendet. Das Experiment hat rein die Aufstellungsmechanismen, nicht den Antrieb geprüft.

Teilweise erfolgreiche Sonnensegel-Antrieb-Tests

Ein gemeinsames privates Projekt zwischen der Planetarischen Gesellschaft, dem Studio von Weltall und der russischen Akademie der Wissenschaft hat Weltall 1 am 21. Juni 2005 von einem Unterseeboot in der Barentssee gestartet, aber die Rakete von Volna hat gescheitert, und das Raumfahrzeug hat gescheitert, Bahn zu erreichen. Ein Sonnensegel würde verwendet worden sein, um das Raumfahrzeug zu einer höheren Erdbahn allmählich zu erheben. Die Mission hätte seit einem Monat gedauert. Ein Subaugenhöhlenprototyp-Test durch die Gruppe hat 2001 ebenso auch wegen des Rakete-Misserfolgs gescheitert. Dieselbe Gruppe hat Pläne auf dem 75. Geburtstag von Carl Sagan (am 9. November 2009) bekannt gegeben, um drei weitere Versuche zu machen, hat LightSail-1,-2, und-3 synchronisiert. Das neue Design wird einen 32 Quadratmeter Segel von Mylar verwenden, das in vier Dreieckssegmenten wie NanoSail-D aufmarschiert ist. Die Start-Konfiguration ist dass drei angrenzender CubeSats und steht auf dem Plan, um auf einer Rakete von Minotaur IV Q4 2010 loszufahren.

Ein 15-Meter-Diametersonnensegel (SSP, Sonnensegel-U-Boot-Nutzlast, soraseiru sabupeiro - tut), wurde zusammen mit ASTRO-F auf einer M-V Rakete am 21. Februar 2006 gestartet, und es gemacht, um zu umkreisen. Es hat sich von der Bühne aufgestellt, aber hat sich unvollständig geöffnet.

NanoSail-D

Eine Mannschaft von der NASA Raumflugzentrum von Marschall (die Marschall), zusammen mit einer Mannschaft von der NASA Forschungszentrum von Ames, hat eine Sonnensegel-Mission genannt NanoSail-D entwickelt, der in einem Start-Misserfolg an Bord eines Falken 1 Rakete am 3. August 2008 verloren wurde. Die zweite Aushilfsversion, NanoSail-D2 wurde mit FASTSAT auf Minotaur IV am 19. November 2010 gestartet, das erste in der niedrigen Erdbahn aufmarschierte Sonnensegel von Nasa werdend. Die Ziele der Mission waren, Segel-Aufstellungstechnologien zu prüfen, und Daten über den Gebrauch von Sonnensegeln als ein einfaches, "passives" Mittel von de-orbiting toten Satelliten und Raumschutt zu sammeln. Die NanoSail-D Struktur wurde aus Aluminium und Plastik mit dem Raumfahrzeug gemacht, das weniger massiert als. Das Segel hat über der Licht fangenden Oberfläche. Nach einigen anfänglichen Problemen mit der Aufstellung wurde das Sonnensegel aufmarschiert, und über den Kurs seiner 240-tägigen Mission hat wie verlautet einen "Reichtum von Daten" bezüglich des Gebrauches von Sonnensegeln als passive deorbit Geräte erzeugt.

Zukünftige Sonnensegel-Antrieb-Tests

Eine Mannschaft vom Raumzentrum von Surrey an der Universität Surreys entwickelt sich eine Sonnensegel-Demonstrationsmission hat den "CubeSail" genannt. Diese Mission ist erwartet, gegen Ende 2011 loszufahren. CubeSail basiert auf dem Standard von CubeSat, und wenn verstaut, wird es 3U Standardvolumen (3, 100 Mm x 100 Mm x 100 Mm) besetzen. Wenn in der Bahn es Booms von vier 3.6 M erweitern wird, ein Segel von 25 M einsetzend. Das primäre Ziel der Mission ist, Aufstellung eines Sonnensegels und das Konzept der Sonnenschifffahrt zu demonstrieren. Schließlich und an seinem Ende des Lebens wird es sein Segel verwenden, um seinen ballistischen Koeffizienten zu ändern und in die Atmosphäre der Erde wiedereinzugehen. Diese Endphase der Mission hat viel Mediaaufmerksamkeit angezogen, weil es das Potenzial hat, das größeres Raumfahrzeug an Bord als ein de-orbiting Gerät zu verwenden ist und potenziell das Raumschutt-Problem zu beheben ist.

Segel-Materialien

Das Material, das für den Drexler Sonnensegel entwickelt ist, war ein dünner Aluminiumfilm mit einer Grundlinie-Dicke von 0.1 Mikrometern, um durch die Dampf-Absetzung in einem im Weltraum vorhandenen System fabriziert zu werden. Drexler hat einen ähnlichen Prozess verwendet, um Filme auf dem Boden vorzubereiten. Wie vorausgesehen, haben diese Filme entsprechende Kraft und Robustheit demonstriert, um im Laboratorium und für den Gebrauch im Raum, aber nicht für die Falte, den Start und die Aufstellung zu behandeln.

Das allgemeinste Material in aktuellen Designs ist aluminized 2 µm Film von Kapton. Es widersteht der Hitze eines Passes in der Nähe von der Sonne und bleibt noch vernünftig stark. Der Aluminiumreflektieren-Film ist auf der Sonne-Seite. Die Segel des Weltalls 1 wurden aus dem aluminized LIEBLINGS-Film (Mylar) gemacht.

Die Forschung durch Dr Geoffrey Landis in 1998-9, gefördert vom Institut von NASA für Fortgeschrittene Konzepte, hat gezeigt, dass verschiedene Materialien wie Tonerde für den Laser lightsails und die Kohlenstoff-Faser für die Mikrowelle gestoßen haben, waren lightsails höhere Segel-Materialien zum vorher normalen Aluminium oder den Filmen von Kapton.

2000 haben Energiewissenschaftslaboratorien ein neues Kohlenstoff-Faser-Material entwickelt, das für Sonnensegel nützlich sein könnte. Das Material ist mehr als 200mal dicker als herkömmliche Sonnensegel-Designs, aber es ist so porös, dass es dieselbe Masse hat. Die Starrheit und Beständigkeit dieses Materials konnten Sonnensegel machen, die bedeutsam kräftiger sind als Plastikfilme. Das Material konnte selbsteinsetzen und sollte höheren Temperaturen widerstehen.

Es hat etwas theoretische Spekulation über das Verwenden molekularer Produktionstechniken gegeben, um fortgeschrittenes, starkes, hyperleichtes Segel-Material zu schaffen, gestützt auf dem Nanotube-Ineinandergreifen webt, wo die weben "Räume" weniger als Hälfte der Wellenlänge des Lichtes sind, das an das Segel stößt. Während solche Materialien bis jetzt nur in Laborbedingungen erzeugt worden sind, und die Mittel, um solches Material auf einer Industrieskala zu verfertigen, noch nicht verfügbar sind, haben solche Materialien Masse weniger als 0.1 g/m ² gekonnt, sie leichter machend, als jedes aktuelle Segel-Material durch einen Faktor von mindestens 30. Zum Vergleich segeln 5 Mikrometer dicke Mylar materielle Masse durch 7 g/m ², aluminized Filme von Kapton haben eine Masse nicht weniger als 12 g/m ² und die neuen Kohlenstoff-Faser-Material-Massen von Laboratorien der Wissenschaft der Energie 3 g/m ².

Anwendungen

Satelliten

Robert L. Forward hat darauf hingewiesen, dass ein Sonnensegel verwendet werden konnte, um die Bahn eines Satelliten um die Erde zu modifizieren. In der Grenze konnte ein Segel verwendet werden, um ein Satellit über einem Pol der Erde "zu schwanken". Mit Sonnensegeln ausgerüstetes Raumfahrzeug konnte auch in nahe Bahnen über die Sonne gelegt werden, die entweder in Bezug auf die Sonne oder in Bezug auf die Erde, einen Typ des Satelliten stationär sind, der von Forward ein statite genannt ist. Das ist möglich, weil der durch das Segel zur Verfügung gestellte Antrieb das Gravitationspotenzial der Sonne ausgleicht. Solch eine Bahn konnte nützlich sein, für die Eigenschaften der Sonne über lange Dauern zu studieren.

Solch ein Raumfahrzeug konnte denkbar direkt über einen Pol der Sonne gelegt werden, und an dieser Station für lange Dauern bleiben. Ebenfalls konnte ein Segel-ausgestattetes Sonnenraumfahrzeug auch auf der Station fast über dem polaren terminator eines Planeten wie die Erde durch das Kippen des Segels im passenden Winkel bleiben musste gerade dem Ernst des Planeten entgegenwirken.

In seinem Buch, Dem Fall für Mars, weist Robert Zubrin darauf hin, dass das widerspiegelte Sonnenlicht von einem großen statite, der in der Nähe vom polaren terminator des Planeten Mars gelegt ist, auf eine der Marspolareis-Kappen zum bedeutsam warmen die Atmosphäre des Planeten eingestellt werden konnte. Solch ein statite konnte vom Asteroid-Material gemacht werden.

Schussbahn-Korrekturen

Die BOTE-Untersuchung en route zu Quecksilber verwendet leichten Druck, der gegen seine Sonnenkollektoren reagiert, um feine Schussbahn-Korrekturen durchzuführen. Durch das Ändern des Winkels der Sonnenkollektoren hinsichtlich der Sonne kann der Betrag des Sonnenstrahlungsdrucks geändert werden, um die Raumfahrzeugschussbahn feiner anzupassen, als mit Trägerraketen möglich ist. Geringe Fehler werden durch den Ernst außerordentlich verstärkt helfen Manövern, so führen sehr kleine Korrekturen vorher zu großen Ersparnissen in Treibgas später.

Interstellarer Flug

In den 1980er Jahren hat Robert Forward zwei Balken-angetriebene Antrieb-Schemas mit entweder Lasern oder Masern vorgeschlagen, um riesige Segel zu einem bedeutenden Bruchteil der Geschwindigkeit des Lichtes zu stoßen.

Im Flug der Libelle, schicken Sie Nach hat ein leichtes durch Superlaser angetriebenes Segel beschrieben. Da sich der starship seinen Bestimmungsort genähert hat, würde sich der Außenteil des Segels lösen. Das Außensegel würde dann wiedereinstellen und die Laser zurück auf ein kleineres, inneres Segel widerspiegeln. Das würde Bremsen-Stoß zur Verfügung stellen, um das Schiff im Bestimmungsort-Sternsystem aufzuhören.

Beide Methoden stellen kolossale Technikherausforderungen auf. Die Laser würden seit Jahren unaufhörlich an der gigawatt Kraft funktionieren müssen. Zweitens würden sie mehr Energie fordern, als sich die Erde zurzeit verzehrt. Drittens verlangt die eigene Lösung von Forward des elektrischen Problems, dass enorme Sonnenkollektor-Reihe an oder in der Nähe vom Planet-Quecksilber gebaut wird. Viertens wären ein planet-großer Spiegel oder fresnel Linse erforderlich, dass sich mehrere Dutzende astronomische Einheiten von der Sonne, um die Laser zu behalten, auf das Segel konzentriert haben. Fünft würde das riesige Bremsen-Segel als ein Präzisionsspiegel handeln müssen, um den Bremsen-Balken auf das innere "Verlangsamungs"-Segel einzustellen.

Eine potenziell leichtere Annäherung würde eine Maser verwenden sollen, um ein "Sonnensegel zu steuern, das" aus einem Ineinandergreifen von Leitungen mit demselben Abstand wie die Wellenlänge der Mikrowellen zusammengesetzt ist, da die Manipulation der Mikrowellenradiation etwas leichter ist als die Manipulation des sichtbaren Lichtes. Das hypothetische "Starwisp" interstellare Untersuchungsdesign würde eine Maser verwenden, um es zu steuern. Masern ausgedehnt schneller als optische Laser infolge ihrer längeren Wellenlänge, und würden als lang eine wirksame Reihe so nicht haben.

Masern konnten auch verwendet werden, um ein gemaltes Sonnensegel anzutreiben, ein herkömmliches mit einer Schicht von Chemikalien angestrichenes Segel hat vorgehabt, wenn geschlagen, durch die Mikrowellenradiation zu verdampfen. Der durch diese Eindampfung erzeugte Schwung konnte den Stoß bedeutsam vergrößern, der durch Sonnensegel als eine Form des Leichtgewichtsablativlaserantriebs erzeugt ist.

Um weiter die Energie auf ein entferntes Sonnensegel einzustellen, haben Designs den Gebrauch eines großen Zonentellers gedacht. Das würde an einer Position zwischen dem Laser oder der Maser und dem Raumfahrzeug gelegt. Der Teller konnte dann das äußere Verwenden derselben Energiequelle angetrieben werden, so seine Position aufrechterhaltend, um die Energie auf das Sonnensegel einzustellen.

Zusätzlich ist es vom Projektmitwirkenden von da Vinci T. Pesando theoretisiert worden, dass Segel verwertendes im interstellaren Reisen erfolgreiches Sonnenraumfahrzeug verwendet werden konnte, um ihre eigenen Zonenteller oder vielleicht sogar Masern zu tragen, die sich während flybys an nahe gelegenen Sternen aufzumarschieren sind. Solch ein Versuch konnte Zukunft sonnendurchgesegeltes Handwerk erlauben, um eingestellte Energie von anderen Sternen aber nicht von der Erde oder Sonne effektiv zu verwerten, so sie schneller durch den Raum und vielleicht sogar zu entfernteren Sternen antreibend. Jedoch bleibt das Potenzial solch einer Theorie unsicher wenn nicht zweifelhaft wegen der Hochleistungspräzision beteiligte und mögliche erforderliche Nutzlasten.

Eine andere mehr physisch realistische Annäherung würde das Licht vom Hausstern verwenden sollen, um sich zu beschleunigen. Das Schiff würde zuerst unaufhörlich weg um den Hausstern umkreisen, bis die passende Startgeschwindigkeit dann erreicht wird, würde das Schiff seine Reise weg vom System mit dem Licht vom Stern beginnen, um fortzusetzen, sich zu beschleunigen. Außer einer Entfernung würde das Schiff genug Licht nicht mehr erhalten, um es bedeutsam zu beschleunigen, aber würde seinen Kurs wegen der Trägheit aufrechterhalten. Als es sich den Zielstern genähert hat, konnte das Schiff seine Segel dazu drehen und beginnen, nach innen zu umkreisen, um sich zu verlangsamen. Zusätzlicher Vorwärts- und Rückstoß konnte mit herkömmlicheren Mitteln des Antriebs wie Raketen erreicht werden.

Zukünftige Annäherungen

Trotz der Verluste des Weltalls 1 und NanoSail-D (die wegen des Misserfolgs ihrer Abschussvorrichtungen waren) bleiben Wissenschaftler und Ingenieure um die Welt ermutigt und setzen fort, an Sonnensegeln zu arbeiten. Während die meisten direkten Anwendungen geschaffen bis jetzt vorhaben, die Segel als billige Weisen des Ladungstransports zu verwenden, untersuchen einige Wissenschaftler die Möglichkeit, Sonnensegel als ein Mittel zu verwenden, Menschen zu transportieren. Diese Absicht ist stark mit dem Management von sehr großen (d. h. ganz über 1 km ²) Oberflächen im Raum und den Segel-Bilden-Förderungen verbunden. So, in der Nähe/Durchschnittszeit, wird Sonnensegel-Antrieb hauptsächlich auf die Vollendung einer sehr hohen Zahl von zu Mannschaft nichtgehörten Missionen in jedem Teil des Sonnensystems und darüber hinaus gerichtet.

Sonnensegel-Stapellauf springt 2010 und 2011 vor

Am 21. Mai 2010 hat Raumfahrterforschungsagentur von Japan (Jaxa) das erste interplanetarische Sonnensegel-Raumfahrzeug in der Welt "IKAROS" (Interplanetarisches Flugdrache-Handwerk gestartet, das durch die Radiation der Sonne beschleunigt ist) Venus. NASA hat die zweite NanoSail-D Einheit gestartet, die innerhalb des FASTSAT Satelliten auf Minotaur IV am 19. November 2010 verstaut ist. Das Ausweisungsdatum vom FASTSAT Mikrosatelliten wurde zum 6. Dezember 2010 geplant, aber Aufstellung ist nur am 20. Januar 2011 vorgekommen. Die Planetarische Gesellschaft der Vereinigten Staaten plant, einen künstlichen Satelliten "LightSail-1" auf die Bahn der Erde 2011 zu starten.

Mathematischer Überblick

Sonnensegel-Behälter werden durch ihre Leichtigkeitszahl klassifiziert, die das Verhältnis der Beschleunigung wegen der leichten Kraft auf dem Segel zur Kraft des Ernstes ist. (Bemerken Sie, dass diese beide sich mit dem umgekehrten Quadrat der Entfernung ändern. So ist das Verhältnis für jedes Fahrzeug unveränderlich.) Eine typische reflektierende Oberfläche muss ungefähr 4 Quadratmeter des reflektierenden Gebiets für alle 5 Gramme des Fahrzeuggewichts zur Verfügung stellen, um einen Leichtigkeitsfaktor 1 zu haben.

Die leichte Kraft kann in die normale Kraft (weg von der leichten Quelle) und die tangentiale Kraft als eine Funktion des Winkels vom Segel-Gesicht zum Licht getrennt werden. Die Normale Kraft pro Gebiet = 8/9 + 1/9. Die Tangentiale Kraft pro Gebiet = 4/9.

Der verlängerte Heliocentric Bezugsrahmen

• In den 1991-92 wurden die klassischen Gleichungen der Sonnensegel-Bewegung im Sonnenschwerefeld mit einem verschiedenen mathematischen Formalismus, nämlich, der Leichtigkeitsvektor geschrieben, der völlig die sailcraft Dynamik charakterisiert. Außerdem hat ein Sonnensegel-Raumfahrzeug im Stande sein sollen, seine Bewegung umzukehren (im Sonnensystem) vorausgesetzt, dass sein Segel genug leicht ist, dass Sailcraft-Segel, das (σ) lädt, nicht höher ist als 2.1 g/m ². Dieser Wert hat eine Höchstleistungstechnologie, aber wahrscheinlich innerhalb der Fähigkeiten zu erscheinenden Technologien zur Folge.
• Für das Konzept der schnellen Schifffahrt und einiger zusammenhängender Sachen zu beschreiben, müssen wir zwei Bezugssysteme definieren. Das erste ist ein Kartesianisches Trägheitskoordinatensystem, das auf die Sonne oder ein heliocentric Trägheitsrahmen (HIF, für den kurzen) in den Mittelpunkt gestellt ist. Zum Beispiel kann das Flugzeug der Verweisung oder das XY Flugzeug, HIF das Mittelekliptische an einem Standardzeitalter wie J2000 sein. Der zweite Kartesianische Bezugsrahmen ist der so genannte heliocentric Augenhöhlenrahmen (HOF, für den kurzen) mit dem Ursprung im sailcraft barycenter. Die X-Achse von HOF ist die Richtung des Sun-to-sailcraft Vektoren oder Positionsvektoren, die Z-Achse ist entlang dem sailcraft winkeligen Augenhöhlenschwung, wohingegen die Y-Achse gegen den Uhrzeigersinn Triade vollendet. Solch eine Definition kann zu sailcraft Schussbahnen, sowohl einschließlich gegen den Uhrzeigersinn als auch einschließlich im Uhrzeigersinn Kreisbogen der Bewegung auf solche Art und Weise erweitert werden, dass HOF immer eine dauernde positiv orientierte Triade ist. Der Segel-Orientierungseinheitsvektor (definiert in sailcraft), sagen wir, n kann in HOF von einem Paar von Winkeln, z.B der Azimut α und die Erhebung δ angegeben werden. Erhebung ist der Winkel, den n mit dem xy-plane von HOF (-90 °  δ  90 °) bildet. Azimut ist der Winkel, den der Vorsprung von n auf den HOF xy-plane mit der HOF X-Achse bildet (0  α < 360 °). In HOF sind Azimut und Erhebung zur Länge und Breite beziehungsweise gleichwertig.
• Der sailcraft Leichtigkeitsvektor L = [λ, λ, λ] hängt von α und δ (nichtlinear) und den thermooptischen Rahmen der Segel-Materialien (geradlinig) ab. Einen kleinen Beitrag vernachlässigend, der aus der Abweichung des Lichtes kommt, hat man die folgenden besonderen Fälle (ohne Rücksicht auf das Segel-Material):

1. α = 0, δ = 0  [λ, 0, 0]  λ = L =λ\
2. α  0, δ = 0  [λ, λ, 0]
3. α = 0, δ  0  [λ, 0, λ].

Ein Flugbeispiel

Herkömmliche Strategie

• Nehmen Sie an, dass ein sailcraft mit einem Ganzmetallsegel von Aluminium und solchem Chrom dass σ = 2 g/m ² gebaut wird. Eine Abschussvorrichtung liefert den (gepackten) sailcraft an ungefähr Million Kilometern von der Erde. Dort wird der ganze sailcraft aufmarschiert und beginnt seinen Flug im Sonnensystem (hier, wegen der Einfachheit, jede Gravitationsunruhe von Planeten wird vernachlässigt). Ein herkömmliches Raumfahrzeug würde sich ungefähr in einer kreisförmigen Bahn an ungefähr 1 AU von der Sonne bewegen. Im Gegensatz ist ein sailcraft wie dieser genug leicht, um im Stande zu sein, dem Sonnensystem zu entkommen oder zu einem entfernten Gegenstand im heliosphere hinzuweisen. Wenn die Richtung, der die Oberfläche des Segels, vertreten durch den normalen Oberflächenvektoren n gegenübersteht, zur lokalen Sonnenlicht-Richtung (d. h. die Segel-Gesichter zur Sonne), dann λ = λ = 0.725 (d. h. 1/2) parallel ist. Nehmen Sie zum Beispiel an, dass man von einem Punkt an 1 AU auf dem ekliptischen anfängt und eine Sonnennähe-Entfernung von 0.2 AU in demselben Flugzeug durch eine zweidimensionale Schussbahn erreicht. Im Allgemeinen gibt es drei Weisen, einen sailcraft, am Anfang an R von der Sonne, zu einer Entfernung R zu liefern:
• das Verwenden eines zusätzlichen Antrieb-Systems, um das gefaltete Segel sailcraft an die Sonnennähe einer elliptischen Bahn zu senden; dort wird das Segel mit seiner Achse-Parallele zum Sonnenlicht aufmarschiert, für den maximalen Sonnenfluss in der gewählten Entfernung zu bekommen;
• in durch den α ein bisschen negativ nämlich über eine langsame Verlangsamung schnell wachsend;
• stark sich durch einen "genug großen" in HOF negativen Winkel der Segel-Achse verlangsamend.

: Der erste Weg - obwohl verwendbar, als eine gute Bezugsweise - verlangt ein anderes Hochleistungsantrieb-System.

: Der zweite Weg wird im vorliegenden Fall von σ = 2 g/m ² ausgeschlossen; eigentlich, ein kleiner α zu hoch und ein negativer λ zu niedrig im absoluten Wert: Der sailcraft würde weit von der Sonne mit einer abnehmenden Geschwindigkeit (wie besprochen, oben) gehen.

: Auf die dritte Weise gibt es einen kritischen negativen Winkel der Segel-Achse in HOF, sagen wir, α solch, der für die Segel-Orientierung α umbiegt, wird die sailcraft Schussbahn wie folgt charakterisiert:

1. die Entfernung (von der Sonne) vergrößert zuerst, erreicht ein lokales Maximum an einem Punkt M, nimmt dann ab. Der winkelige Augenhöhlenschwung (pro Einheitsmasse), sagen wir, H des sailcraft nimmt im Umfang ab. Es ist passend, um den Skalar H = H zu definieren · k, wo k der Einheitsvektor der HIF Z-Achse ist;
2. nach einer kurzen Zeit (wenige Wochen oder weniger, im Allgemeinen), erreicht die sailcraft Geschwindigkeit V = V ein lokales Minimum an einem Punkt P. H setzt fort abzunehmen;
3. vorbei P nimmt die sailcraft Geschwindigkeit zu, weil die Gesamtvektor-Beschleunigung, sagen wir, A durch das Formen eines akuten Winkels mit der Vektor-Geschwindigkeit V beginnt; in mathematischen Begriffen, dV / dt = A · V / V> 0. Das ist der erste Stichpunkt, um zu begreifen;
4. schließlich erreicht der sailcraft einen Punkt Q wo H = 0; hier zeigt die Gesamtenergie des sailcraft (pro Einheitsmasse), sagen wir, E (einschließlich des Beitrags des Sonnendrucks auf das Segel) ein (negatives) lokales Minimum. Das ist der zweite Stichpunkt;
5. vorbei Q, der sailcraft - das Halten des negativen Werts der Segel-Orientierung - gewinnt winkeligen Schwung durch das Umkehren seiner Bewegung wieder (der H ist, wird unten und H Im Film orientiert, den einer von Graf Dooku verwendet wird, um selbst über den Raum anzutreiben. Ein Sonnensegel wurde auch im Avatar von James Cameron verwendet. Im Filmschatz-Planeten von Disney werden Sonnensegel wörtlich als Segel für das interstellare Reisen des entworfenen-masted Segelschiffs des Dampfpunkrocks verwendet, das zum Reisen durch den Raum fähig ist.

Siehe auch

• Magnetisches Segel
• Elektrisches Segel
• Weltall 1

Raumfahrzeugantrieb

• Optisches Heben
• Optische Pinzette
• Nichols radiometer
• IKAROS

Bibliografie

• G. Vulpetti, L. Johnson, G. L. Matloff, Sonnensegel: Eine Neuartige Annäherung an den Interplanetarischen Flug, Springer, August 2008, internationale Standardbuchnummer 978-0-387-34404-1

• J. L. Wright, Raumschifffahrt, Gordon und Bruch-Wissenschaftsherausgeber, London, 1992; Wright wurde mit der Anstrengung von JPL beteiligt, ein Sonnensegel für ein Rendezvous mit dem Kometen von Halley zu verwenden.
• NASA/CR 2002-211730, das Kapitel IV - präsentiert die Theorie und die optimale Schussbahn der NASA-ISP über die H-Umkehrungssegelweise
• G. Vulpetti, Der Sailcraft Zerreißendes Konzept, JBIS, Vol.59, Seiten 48-53, Februar 2006
• G. L. Matloff, Tiefe Raumsonden: Zum Außensonnensystem und Darüber hinaus, 2. Hrsg., Springer-Praxis, das Vereinigte Königreich, 2005, internationale Standardbuchnummer 978-3-540-24772-2
• T. Taylor, D. Robinson, T. Moton, T. C. Powell, G. Matloff, und J. Hall, Sonnensegel-Antrieb-Systemintegration und Analyse (für die Auswahl-Periode), Schlussbericht für NASA/MSFC, Auswahl-Periode des Vertrags Nr. H-35191D, Teledyne Brown Engineering Inc., Huntsville, Alabama, am 11. Mai 2004
• G. Vulpetti, Sailcraft Schussbahn-Optionen für die Interstellare Untersuchung: Mathematische Theorie und Numerische Ergebnisse, das Kapitel IV NASA/CR-2002-211730, "Die Interstellare Untersuchung (ISP): Vorsonnennähe-Schussbahnen und Anwendung der Holographie", Juni 2002
• G. Vulpetti, Mit Sitz in Sailcraft Mission zur Sonnengravitationslinse, STAIF-2000, Albuquerque (New Mexico, die USA), am 30. Januar - am 3. Februar 2000
• G. Vulpetti, Allgemeine 3D-H-Umkehrungsschussbahnen für Schnelllaufenden Sailcraft, Acta Astronautica, Vol. 44, Nr. 1, Seiten 67-73, 1999
• C. R. McInnes, Sonnenschifffahrt: Technologie, Dynamik, und Missionsanwendungen, Springer-Praxis Publishing Ltd, Chichester, das Vereinigte Königreich, 1999, internationale Standardbuchnummer 978-3-540-21062-7
• Genta, G., und Brusa, E., Das AURORA-Projekt: ein Neues Segel-Lay-Out, Acta Astronautica, 44 Jahre alt, Nr. 2-4, Seiten 141-146 (1999)
• S. Scaglione und G. Vulpetti, Das Aurora-Projekt: Eliminierung des Plastiksubstrats, um ein Ganzmetallsonnensegel, Sonderausgabe von Acta Astronautica, vol Zu erhalten. 44, Nr. 2-4, Seiten 147-150, 1999

Links

• Planetarische Gesellschaftsseite für segelnde Sonnenprojekte
• Missionsseite von NASA für NanoSail-D
• NanoSail-D Mission: Dana Coulter, "NASA, um Historische Sonnensegel-Aufstellung", NASA, am 28. Juni 2008 Zu versuchen
• Tolle Pfade zum Raum: Sonnensegel von NASA
• Sonnensegel Umfassende Sammlung der Sonnensegel-Information und Verweisungen, die von Benjamin Diedrich aufrechterhalten sind. Gute Diagramme, die sich zeigen, wie leichte Matrosen wenden müssen.
• U3P Mehrsprachige Seite mit Nachrichten und Flugsimulatoren
• ISAS aufmarschierter Sonnensegel-Film im Raum
• Vorschlag eines Sonnensegels mit der Rolle reefing, dem hybriden Antrieb und einem Hauptdocken und der Nutzlast-Station.
• Interview mit dem JPL der NASA über die Sonnensegel-Technologie und Missionen
• Website mit technischen Pdf-Dateien über die Sonnenschifffahrt, einschließlich des Berichts von NASA und der Vorträge in der Raumfahrttechnikschule der Universität von Rom

• Fortgeschritten Sonnen- und lasergestoßene Lightsail Konzepte
• www.aibep.org: Offizielle Seite des amerikanischen Instituts für den Ausgestrahlten Energieantrieb
• Raum, der Segelschiff-Konzepte, Operationen und Geschichte des Konzepts Durchsegelt