Velă solară

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 12 februarie 2022; verificările necesită 5 modificări .

O velă solară (numită și velă ușoară sau velă fotonică ) este un dispozitiv care utilizează presiunea luminii solare sau un laser pe suprafața unei oglinzi pentru a propulsa o navă spațială .

Este necesar să se facă distincția între conceptele de „ lumină solară ” ( un flux de fotoni , acesta este cel folosit de o velă solară) și „ vânt solar ” (un flux de particule și ioni elementari, care este folosit pentru a zbura pe un velă electrică  - un alt tip de velă spațială ).

Ideea de a zbura în spațiu folosind o velă solară a apărut în Rusia în anii 1920 și aparține unuia dintre pionierii științei rachetelor Friedrich Zander , care a pornit de la faptul că particulele de lumină solară - fotonii - au un impuls și îl transferă la orice suprafață iluminată, creând presiune . Mărimea presiunii luminii solare a fost măsurată pentru prima dată de fizicianul rus Pyotr Lebedev în 1900 .

Presiunea luminii solare este relativ mică (pe orbita Pământului - aproximativ 9·10 −6 N/m 2 ) și scade proporțional cu pătratul distanței de la Soare [1] . De exemplu, forța totală care acționează asupra unei pânze solare de 800 pe 800 de metri este de aproximativ 5 Newtoni la distanța Pământului de Soare. [2] O velă solară poate funcționa pentru o perioadă aproape nelimitată de timp și nu necesită deloc consumul unui fluid de lucru și, prin urmare, în unele cazuri, utilizarea sa poate fi de preferat. Cu toate acestea, până în prezent, niciuna dintre navele spațiale nu a folosit o velă solară ca motor principal din cauza tracțiunii extrem de scăzute.

Fizica fenomenului

Să presupunem că o undă de lumină plană cu energie este incidentă pe o oglindă ideală plană staționară de masă normală pe suprafața sa . Să desemnăm energia undei de lumină reflectată ca , viteza dobândită de oglindă ca rezultat al reflectării undei ca . Apoi legea conservării energiei: și legea conservării impulsului: . Din aceste ecuații, puteți obține:

(unu) (2)

Rezultă că eficiența unei vele fotonice (fracțiunea energiei undei incidente transferată către vele) este cu atât mai mare, cu atât este mai mare raportul dintre energia undei incidente și energia de repaus a velei. Când energia undei incidente este mult mai mare decât energia de repaus a oglinzii , aproape toată energia undei este transferată în oglindă.

În celălalt caz extrem, energia undei incidente este mult mai mică decât energia de repaus a oglinzii . În acest caz, din formula (1) se obține: . Din formula (2) se obţine: . Din această formulă se poate observa că în acest caz unda luminoasă transferă doar o parte nesemnificativă din energia sa către pânză [3] .

Velă solară în modele de nave stelare

Vela solară și alte tipuri de vele spațiale sunt planificate pentru a fi utilizate în unele proiecte de nave stelare [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] . Avantajul navigației solare este absența combustibilului la bord, ceea ce permite o sarcină utilă mai mare în comparație cu o navă spațială cu reacție. Cu toate acestea, conceptul de velă solară necesită o velă care este ușoară în greutate și în același timp mare ca suprafață.

Dezavantajul unei barci cu pânze solare este dependența accelerației de distanța față de Soare: cu cât este mai departe de Soare , cu atât presiunea luminii solare este mai mică și, astfel, accelerația velei este mai mică, iar în afara sistemului solar , presiunea de lumina soarelui și, în consecință, eficiența velei solare se va apropia de zero. Presiunea ușoară de la Soare este destul de mică, așa că pentru a crește accelerația, există proiecte de accelerare a velierului solar cu instalații laser din stațiile generatoare din afara Pământului [4] [11] . Aceste proiecte se confruntă cu problema țintirii precise a laserelor la distanțe ultra-lungi și cu crearea de generatoare de laser de putere adecvată.

Geoffrey Landisa propus utilizarea unei baterii solare pentru a transmite energie printr-un laser de la o stație de bază la o sondă interstelară cu un motor ionic [12] [13] , ceea ce oferă un oarecare avantaj față de o velă pur spațială (în prezent acest proiect nu este fezabil din cauza tehnică ). limitări) [14 ] .

Configurații vele

Regata spațială

În 1989, în onoarea împlinirii a 500 de ani de la descoperirea Americii, Comisia Congresului SUA a anunțat un concurs pentru a pune pe orbită mai multe nave solare cu pânze dezvoltate în diferite țări și a desfășura o cursă de navigație către Marte. Întreaga călătorie a fost planificată să fie parcursă în 500 de zile. Statele Unite, Canada, Marea Britanie, Italia, China, Japonia și Uniunea Sovietică și-au depus cererile de participare la concurs. Lansarea urma să aibă loc în 1992.

Solicitanții de participare au început să renunțe aproape imediat, confruntându-se cu o serie de probleme tehnice și economice. Prăbușirea Uniunii Sovietice, însă, nu a dus la încetarea lucrărilor la proiectul intern, care, potrivit dezvoltatorilor, avea toate șansele de câștig. Dar regata a fost anulată din cauza dificultăților financiare ale comisiei aniversare (și posibil din cauza unei combinații de motive). Marele spectacol nu a avut loc. Cu toate acestea, vela solară de fabricație rusă a fost creată (singura dintre toate) în comun de NPO Energia și DKBA și a primit premiul I al competiției [15] .

Nava spațială folosind o velă solară

Oamenii de știință sovietici au inventat o schemă pentru stabilizarea radiației-gravitație a unei nave spațiale, bazată pe utilizarea unei vele solare [16] [17] . Prima desfășurare a unei vele solare în spațiu a fost făcută pe nava rusă Progress M-15 pe 24 februarie 1993, ca parte a proiectului Znamya-2 [18] .

Prima navă spațială care a folosit o velă spațială ca motor a fost japoneza IKAROS , care este considerată prima barcă spațială din istorie. . La 21 mai 2010, Agenția Spațială Japoneză (JAXA) a lansat vehiculul de lansare H-IIA , care transporta nava spațială solară IKAROS și un aparat meteorologic pentru studierea atmosferei lui Venus [ 19] . IKAROS este echipat cu o pânză din cea mai subțire membrană care măsoară 14 pe 14 metri în lungime și lățime. Cu ajutorul său, ar trebui să studieze caracteristicile mișcării vehiculelor cu ajutorul luminii solare. Pentru crearea dispozitivului s-au cheltuit 16 milioane de dolari. Desfășurarea pânzei solare a început pe 3 iunie 2010 și a fost finalizată cu succes pe 10 iunie. Pe baza cadrelor transmise de la bordul IKAROS, se poate concluziona că toți cei 196 de metri pătrați ai țesăturii ultra-subțiri au fost tratați cu succes, iar panourile solare cu peliculă subțire au început să genereze energie.

Acum, în Rusia există un consorțiu „Space Regatta”, care a efectuat mai multe experimente cu reflectoare solare pentru a ilumina zonele de producție de petrol și gaze. Există și proiecte pentru topirea oglinzilor pe orbită de la asteroizi.

Pe 20 mai 2015, LightSail-1 , primul satelit privat alimentat cu energie solară , a fost trimis într-un zbor de testare de la locul de lansare din Cape Canaveral [20] [21] .

În cultură

Vezi și

Note

  1. ↑ A. Bolonkin. Velă AB-Solar de mare  viteză . - 2007. - arXiv : fizică / 0701073 .
  2. ↑ Jerome Wright (1992), Space Sailing , Gordon and Breach Science Publishers 
  3. ↑ Butikov E. I., Bykov A. A., Kondratiev A. S. Fizica în exemple și probleme // M .: Nauka. - 1989. - S. 443. - ISBN 5-02-014057-0
  4. ↑ 1 2 Înainte: Călătorie spre stele pe un fascicul de energie . Preluat la 27 septembrie 2017. Arhivat din original la 6 noiembrie 2017.
  5. ↑ Robert L. Înainte către stele în punctul fasciculului . Consultat la 14 noiembrie 2017. Arhivat din original pe 6 noiembrie 2017.
  6. ↑ C. Danforth Sailing in the Proton Wind . Consultat la 13 noiembrie 2017. Arhivat din original la 31 octombrie 2017.
  7. ↑ Jones, E. A Manned Interstellar Vessel Using Microwave Propulsion: A Dysonship  //  Journal of the British Interplanetary Society. - 1985. - Vol. 38. - P. 270−273. Arhivat din original pe 15 noiembrie 2017.
  8. ↑ Gregory Matloff, Eugene Malov. Nave stelare pe pânze solare: navele Clipper ale galaxiei . Data accesului: 13 noiembrie 2017. Arhivat din original pe 7 ianuarie 2018.
  9. ↑ Den Spies, Robert Zubrin. Pânze solare ultrasubțiri pentru călătorii interstelare . Consultat la 13 noiembrie 2017. Arhivat din original la 15 noiembrie 2017.
  10. ↑ Interstellar Migration and the Human Experience Broşat - 1 ianuarie 1985 de Ben R Finney (Autor), Eric M Jones (Autor) . Consultat la 14 noiembrie 2017. Arhivat din original la 4 aprilie 2016.
  11. ↑ Landis: Sondă interstelară mică alimentată de un laser . go2starss.narod.ru. Consultat la 27 septembrie 2017. Arhivat din original la 16 octombrie 2017.
  12. ↑ Sondă interstelară alimentată cu laser . scholar.google.ru. Data accesului: 27 septembrie 2017.
  13. ↑ Geoffrey A. Landis. Arhivat din original pe 22 iulie 2012. pe Geoffrey A. Landis: Science. lucrări disponibile pe web Arhivate pe 15 septembrie 2013 la Wayback Machine
  14. ↑ Landis. Sondă de ioni interstelar alimentată de un fascicul laser . go2starss.narod.ru. Preluat la 27 septembrie 2017. Arhivat din original la 27 septembrie 2017.
  15. ↑ Nina BAVINA . Nu era loc atunci... Consultat la 25 mai 2011. Arhivat din original la 13 octombrie 2011.
  16. ↑ Gurko O. V., Slabky L. I. Utilizarea influențelor de forță ale câmpurilor gravitaționale și luminoase ale Soarelui pentru orientarea navelor spațiale - În cartea: „Sateliții artificiali ai pământului”, vol. 16 - M. : Din Academia de Științe a URSS, 1963, 34-45. . Preluat la 3 octombrie 2017. Arhivat din original la 27 mai 2022.
  17. ↑ Polyakhova E. N. „Zbor spațial cu velă solară: probleme și perspective”, M., Izd. „Știință”, cap. ed. fizica si matematica Literatură, 1986 304 file.
  18. ↑ Gudilin V. E., Slabky L. I. Space cargo ships Progress, Progress-M and their modifications // Rocket and space systems (History. Development. Prospects) . - M. , 1996. - 326 p. Arhivat pe 10 decembrie 2012 la Wayback Machine
  19. ↑ Site-ul web al proiectului KAROS Arhivat 22 iulie 2010 la Wayback Machine 
  20. ↑ Pleacă! Avionul spațial X-37B și vela solară LightSail intră pe orbită  (în engleză) , NBC News . Arhivat din original pe 28 septembrie 2017. Preluat la 27 septembrie 2017.
  21. ↑ Korolev Vladimir. Pe toate pânzele . nplus1.ru (22 mai 2015). Consultat la 30 mai 2015. Arhivat din original la 19 iunie 2015.
  22. ↑ De la pământ la cer // Schimb de păreri / Mikhail Grebenyuk. - Tashkent: Yosh guard, 1989. - S. 238-256. — 464 p. - 400.000 de exemplare.  - ISBN 5-633-00221-0 .

Literatură

Link -uri