Параметры солнечных парусов

Post by **Олег Иванов** » 23 Aug 2011 20:52

Прочитал новость про планы создавать новые солнечные паруса и решил чуть прикинуть.
На орбите Земли энергия солнечного излучения составляет, если не изменяет память, 1.4 квт\м2.
Импульс этого излучения (учитывая формулу Е=mc2) будет за час составлять 3600 (сек) х 1400 (кг м2/сек3)/ 300 000 000 (м/сек) - что-то примерно менее 0.16 кг м2/сек2. Иными словами 160 граммовый камушек от этого солнечного ветра ускорится на 1 м\с. Тяга меньше, чем от легчайшего дуновения. Ну ладно, примем абсолютно зеркальную поверхность и перпендикулярное падение света, что меняет импульс света на противоположный и соответственно удваивает ускоряющий импульс. Все равно парус в 1 м2 сможет разогнать не более чем 300 грамовый камушек за час на 1 м2.

Вот взять упомянутый японский парус в 200 м2. С такого паруса за час можно ускорить на 1 м\с уже 2=х пудовый груз.

Теперь опарусе. Понятно, что в космосе да при такой тяге ветра выдержит любая самая тончайшая фольга. Допустим, используется полимерная основа с нанесенным на нее слоем металла. Как ни верти, для транспортировки ее надо скомкать, а на орбите - развернуть. Т.е. хотя бы 10 микрон толщины материал должен иметь. Ну примем его плотность в 1кг\м3. Т.е. 1 м2 этого паруса будет весить не меньше 100 гр. 200 м2 - 20 кг. Добавить сюда необходимый рангоут для поддержания формы паруса - он еще массу по меньшей мере утроит. Еще нужна механика-автоматика для разворачивания паруса (ну ее, правда, можно отстегнуть после разворачивания паруса и оставить позади), но и механика для управления парусом тоже нужна. Такелаж какой-то хоть из паутин. Всякие метиориты-пылинки иногда пролетая будут это хозяйство рвать-ломать - значит нужен некий ремонтный модуль и ЗИП к нему. В общем, имхо, если удастся вложиться в полкило на м2 паруса - это, видимо, будет великим достижением инженерной мысли. А что в результате? Ну допустим 500 м2 парусного вооружения в 250 кг(сомневаюсь, что такой минимум массы технически достижим, но допустим), да еще скромные 250 кг полезного груза . За сутки эта конструкция будет получать изменение скорости не более 5 м\сек. За год - 1.5 км\сек. Немало, но на фоне 30 км\сек скорости движения Земли по орбите не много это. Те же 250 кг в виде топлива, выплевываемого со скоростью 1.5 км\сек за считанные секунды ускорят наш груз примерно также, как парус за год, позволяя совершить экспедицию гораздо быстрее. Да и управлять маршевыми движками проще.

В чем смысл этих солнечноветровых экспериментов, кроме как потешить амбиции и самолюбие? Или может я чего-то не понял? Или неправильно сделал оценки? Каковы вообще параметры современных солнечных парусов

Post by **Олег Иванов** » 23 Aug 2011 21:14

Во, на Вики вычитал

Давление солнечного света чрезвычайно мало (на Земной орбите — около 5·10−6 Н/м2

Т.е. я даже завысил получается (не пойму, где на порядок ошибся) - за час с 1 м2 увеличит скорость на 1 м\с только 5х3.6=18 гр, а не 160. Тем более странно на солнечный ветер рассчитывать.

Post by **Leberecht** » 23 Aug 2011 21:33

Скорее всего подразумевается использование такого приёмчика, как приближение аппарата своим ходом до Венеры, Меркурия, потом раскрытие зонтика, после чего конструкция ускоряется куда резвее и уже до всяких Сатурнов, Юпитеров и Нептунов пархает ну просто мухой.

Да и парус на самом деле не такой уж и сильно большой потребуется.
Если исходить, что 1 м2 увеличит скорость на 1 м\с только 20 грам (округлил), то чтоб тоже самое делать с содержимым нормального обитаемого модуля (Протон 5 тонн вытаскивает, так что возьмём 10 тонн), то парус потребуется около 400 метров в радиусе, т.е. грубо говоря 1КМ в диаметре.

Post by **Олег Иванов** » 23 Aug 2011 22:20

Leberecht wrote: Да и парус на самом деле не такой уж и сильно большой потребуется.
Если исходить, что 1 м2 увеличит скорость на 1 м\с только 20 грам (округлил), то чтоб тоже самое делать с содержимым нормального обитаемого модуля (Протон 5 тонн вытаскивает, так что возьмём 10 тонн), то парус потребуется около 400 метров в радиусе, т.е. грубо говоря 1КМ в диаметре.

Этот парус сам по себе не менее 30 тн весить будет. При таких больших рычагах и тягах надувным тонкопленочным рангоутом не обойдешься - придется систему типа множества парапланов делать, каждый на своей веревочке. Как ими управлять при этом, и чтобы не затеняли друг друга - даже не представляю...

Да и сам по себе надувной рангоут - вещь сомнительная. Диффузия газов сквозь полимерные пленки довольно велика. Расход газа на постоянную подкачку рангоута в течение месяцев будет где-то сравним с расходом реактивного топлива для того же результата. А ненадувной рангоут собственной жесткости слишком тяжелый.

Palych · Post by **Palych** » 24 Aug 2011 02:27

Олег Иванов wrote:А ненадувной рангоут собственной жесткости слишком тяжелый.

Ну и что? Куда ему падать?

venco · Post by **venco** » 24 Aug 2011 03:44

Олег Иванов wrote:В чем смысл этих солнечноветровых экспериментов, кроме как потешить амбиции и самолюбие? Или может я чего-то не понял? Или неправильно сделал оценки? Каковы вообще параметры современных солнечных парусов

Смысл в том, что тяга эта постоянная. Если времени не жаль, то можно разогнаться. Естественно, применимо только если аппарат сам уже не падает, т.е. на орбите. Постепенно орбита меняется (парус надо поворачивать), и через некоторое (большое) время скорость из первой космической станет второй, а потом и третьей. И топлива почти не требуется, только на ориентацию, которую можно и гироскопами делать.

vaduz · Post by **vaduz** » 24 Aug 2011 15:48

venco wrote:Смысл в том, что тяга эта постоянная.

А я думал обратно пропорциональна квадрату расстояния.

vaduz · Post by **vaduz** » 24 Aug 2011 17:41

Хорошая задачка: при заданных условиях за какое время будет достигнута третья космическая скорость с гелиоцентрической орбиты на расстоянии 1АЕ. И каков алгоритм управления парусом для ее достижения.

Post by **Олег Иванов** » 26 Aug 2011 20:24

Palych wrote:
Олег Иванов wrote:А ненадувной рангоут собственной жесткости слишком тяжелый.
Ну и что? Куда ему падать?

Дело не в том, куда ему падать а в том, что он составляет значительную часть массы, которую
1. Надо еще вывести с земли в космос
2. Надо будет разгонять, распределяя тягу солнечного света вместе с полезным грузом еще и на этот придаток. Оно и без того парусное вооружение весит больше полезного груза, а приходится еще и массу каркаса увеличивать.

Hamster · Post by **Hamster** » 29 Aug 2011 07:18

В русской Википедии ошибка - 5·10−6 Н/м2 это давление на черное тело. Для идеально отражающего объекта давление удваивается.

Смысл паруса в том, что он дает импульс все время (хотя он и убывает по мере удаления от солнца. Поэтому, с практической точки зрения, может иметь смысл, как сказал Leberecht, послать зонд для начала поближе к Солнцу.) Чтобы превратить 1.5 км/с от паруса в 6 км/с, от нужно просто разгоняться в четыре раза дольше, а, чтобы превратить 1.5 км/с в 6 км/с от химической ракеты, нужно увеличить отношение топлива к полезному весу в 8 раз (закон Циолковского - масса топлива растет экспоненциально с ростом delta-V). А у нас есть практическое ограничение на массу, которую мы можем за один раз вывести в космос.

Post by **Олег Иванов** » 02 Sep 2011 17:43

Hamster wrote:В русской Википедии ошибка - 5·10−6 Н/м2 это давление на черное тело. Для идеально отражающего объекта давление удваивается.

Смысл паруса в том, что он дает импульс все время (хотя он и убывает по мере удаления от солнца. Поэтому, с практической точки зрения, может иметь смысл, как сказал Leberecht, послать зонд для начала поближе к Солнцу.)

Космический парусник - не яхта с килем, а космос - не водоем. Сила от паруса не может быть направленапод углом, меньшим, чем перпендикуляр к радиусу солнечной системы. Без киля круто к "ветру" не пойти. Чтобы лететь к солнцу, придется не ускоряться, а замедляться, чтобы центробежная сила стала меньше силы притяжения солнца. Это, конечно, тоже решение. Только я что-то не соображу, возможно ли так управлять парусом, чтобы элипс траетории в результате не вытянулся чрезмерно (не раздвинулись его эксцентриситеты)

Hamster · Post by **Hamster** » 03 Sep 2011 00:31

допустим 500 м2 парусного вооружения в 250 кг

LightSail-1 обещают запустить с 32 м2 парусов при массе в 4.5 кг и объеме в 3 литра в сложенном состоянии.

Олег Иванов wrote:
Hamster wrote:В русской Википедии ошибка - 5·10−6 Н/м2 это давление на черное тело. Для идеально отражающего объекта давление удваивается.

Смысл паруса в том, что он дает импульс все время (хотя он и убывает по мере удаления от солнца. Поэтому, с практической точки зрения, может иметь смысл, как сказал Leberecht, послать зонд для начала поближе к Солнцу.)
Космический парусник - не яхта с килем, а космос - не водоем. Сила от паруса не может быть направленапод углом, меньшим, чем перпендикуляр к радиусу солнечной системы. Без киля круто к "ветру" не пойти. Чтобы лететь к солнцу, придется не ускоряться, а замедляться, чтобы центробежная сила стала меньше силы притяжения солнца. Это, конечно, тоже решение. Только я что-то не соображу, возможно ли так управлять парусом, чтобы элипс траетории в результате не вытянулся чрезмерно (не раздвинулись его эксцентриситеты)

Мы можем начать с того, что запустить зонд против движения Земли, и развернуть под острым углом, чтобы он тормозился дальше. В результате он окажется на эллиптической орбите, которая проводит его очень близко к солнцу. Он проходит перигелий и разворачивает парус перпендикулярно солнечному свету. Мы ограничены только температурой, которую может выдержать зонд. Если он пролетает достаточно близко, то он может набрать такую скорость, что он достигнет орбиты Плутона за 5 лет и продолжит удаляться от солнца со скоростью 50 км/с.

Это легко реализуемо сегодня. Если включить еще и научно-фантастические сценарии - есть, например, такой. В космос выводится зонд с полезным грузом в 1 тонну и сверхтонким парусом диаметром в несколько километров. Строится массивный лазер, который находится за пределами атмосферы, запитывается от ядерной электростанции и выдает полезную мощность в 1 гигаватт. В межпланетном пространстве подвешивается фокусирующая линза, которая ограничивает рассеяние луча. (Это один из самых проблематичных аспектов - линза должна быть очень большая.) Лазер фокусируется на парусе и разгоняет его. По расчетам получается, что с этими параметрами системы мы в принципе можем разогнать зонд до скорости 0.1с и достичь ближайшей звезды за 40 лет.

Но прежде чем заниматься такими глобальными проектами, хорошо бы начать с освоения тривиальных парусов из тонкой пластиковой пленки, которые летают под давлением солнечного света.

Post by **Олег Иванов** » 03 Sep 2011 08:21

Hamster wrote: Мы можем начать с того, что запустить зонд против движения Земли, и развернуть под острым углом, чтобы он тормозился дальше. В результате он окажется на эллиптической орбите, которая проводит его очень близко к солнцу. Он проходит перигелий и разворачивает парус перпендикулярно солнечному свету. Мы ограничены только температурой, которую может выдержать зонд. Если он пролетает достаточно близко, то он может набрать такую скорость, что он достигнет орбиты Плутона за 5 лет и продолжит удаляться от солнца со скоростью 50 км/с.

Так вот и я о том же. Сила солнечного света мала и для существенных изменений скорости потребуется несколько оборотов вокруг солнца. А уже орбита Венеры горяча, не говоря о Меркурии. Скорость на низких орбитах выше, чем на высоких. Но чтобы опустить орбиту, надо наоборот замедлиться. Был бы движок мощнее, можно было бы на участках существенно более коротких, чем радиус желательного движения, и тормознуть и снова разогнать - таким образом перевести на круговую орбиту меньшей высоты. А с парусом такой маневр не пройдет, неизбежен переход на элептическую орбиту и полет к Венере преваратится в стремительный пролет на скорости большей венерианской 2-й космической, мимо нее на пути к Солнцу или от Солнца. Тот факт, что на орбите Меркурия сила давления света почти на порядок мощнее, чем на орбите Земли, с этой проблемой не сильно справится. А вот парус нагреться до пары сотен град С, достаточных для разрушения любых полимеров, полагаю. на этом расстоянии от солнца уже сможет. Пожалуй, даже рассчеты провести, на какой высоте парус поплывет, не сложно. Если только в качестве основы для фольги вместо полимеров использовать какой-нить андезитобазальт (с трудом представляю себе технологию - одно дело, вытягивать нити, а другое - делать 2-мерные плоскости)

Hamster · Post by **Hamster** » 03 Sep 2011 23:31

А вот парус нагреться до пары сотен град С, достаточных для разрушения любых полимеров, полагаю. на этом расстоянии от солнца уже сможет. Пожалуй, даже рассчеты провести, на какой высоте парус поплывет, не сложно. Если только в качестве основы для фольги вместо полимеров использовать какой-нить андезитобазальт (с трудом представляю себе технологию - одно дело, вытягивать нити, а другое - делать 2-мерные плоскости)

Перспективные материалы для парусов - алюминий и углеткань. Углеткань может без проблем выстоять 1000-1500 градуов. С теплоизоляцией зондов тоже опыт есть - они долетали до 0.29 ае (внутри орбиты Меркурия).

NanoKaktus · Post by **NanoKaktus** » 05 Sep 2011 18:53

Hamster wrote: Это легко реализуемо сегодня. Если включить еще и научно-фантастические сценарии - есть, например, такой. В космос выводится зонд с полезным грузом в 1 тонну и сверхтонким парусом диаметром в несколько километров. Строится массивный лазер, который находится за пределами атмосферы, запитывается от ядерной электростанции и выдает полезную мощность в 1 гигаватт. В межпланетном пространстве подвешивается фокусирующая линза, которая ограничивает рассеяние луча. (Это один из самых проблематичных аспектов - линза должна быть очень большая.) Лазер фокусируется на парусе и разгоняет его. По расчетам получается, что с этими параметрами системы мы в принципе можем разогнать зонд до скорости 0.1с и достичь ближайшей звезды за 40 лет.

А как тормозить?

Hamster · Post by **Hamster** » 06 Sep 2011 02:34

NanoKaktus wrote:А как тормозить?

Хороший вопрос

Не долетая до альфы Центавра, зонд с парусом разделяется на две части, на земле снова включается лазер, одна часть паруса служит зеркалом, которая отражает луч на вторую половину, пока она не остановится. Осталось всего-ничего (1) попасть лазером по цели диаметром 10~100 км на расстоянии 4 световых лет, (2) маневрировать формой зеркала, чтобы отраженный луч тормозил зонд, причем к моменту остановки они успеют основательно разлететься в стороны. Для реализации (1) очень помогает фокусирующая суперлинза, которая может работать как объектив супертелескопа (и давать изображение системы Альфы Центавра с эффективным разрешением в 100 км).

С другой стороны, если как-то закинем вторую электростанцию и второй лазер на орбиту альфы Центавра, тормозить зонд будет намного легче, и у нас получается дешевая система быстрой транспортировки грузов в обе стороны. Поскольку разгонная фаза занимает меньше года и после этого лазер выключается, мы можем запускать по одному зонду в год.

NanoKaktus · Post by **NanoKaktus** » 06 Sep 2011 17:50

Hamster wrote:
NanoKaktus wrote:А как тормозить?
Хороший вопрос Не долетая до альфы Центавра, зонд с парусом разделяется на две части, на земле снова включается лазер, одна часть паруса служит зеркалом, которая отражает луч на вторую половину, пока она не остановится. Осталось всего-ничего (1) попасть лазером по цели диаметром 10~100 км на расстоянии 4 световых лет, (2) маневрировать формой зеркала, чтобы отраженный луч тормозил зонд, причем к моменту остановки они успеют основательно разлететься в стороны. Для реализации (1) очень помогает фокусирующая суперлинза, которая может работать как объектив супертелескопа (и давать изображение системы Альфы Центавра с эффективным разрешением в 100 км).

С другой стороны, если как-то закинем вторую электростанцию и второй лазер на орбиту альфы Центавра, тормозить зонд будет намного легче, и у нас получается дешевая система быстрой транспортировки грузов в обе стороны. Поскольку разгонная фаза занимает меньше года и после этого лазер выключается, мы можем запускать по одному зонду в год.

Интересно, а такие лазерные лучи между звездами теоретически можно со стороны увидеть?

Ну там рассеяние космической пыли или еще чего...

Зырянин · Post by **Зырянин** » 06 Sep 2011 20:08

для торможения использовать запущенный ранее лазер, который развернет траекторию на 180 в гравитационном поле звезды; затем включится и будет светить лазером навстречу прибывающей основной экспедиции.

Flash-04 · Post by **Flash-04** » 07 Sep 2011 15:08

а чем лазер собираетесь доставлять? обычными РЖД или ядерные к тому времени появятся?

Flash-04 · Post by **Flash-04** » 07 Sep 2011 15:09

помню давно-давно читал статью (кажется в "Наука и Жизнь") там высказывалась идея, что т.к. скорость прогресса космических средств доставки довольно велика (экстраполяция разумеется) то нет смысла что-то запускать сейчас, т.к. запущенное через 100 лет - долетит быстрее того что запущено сейчас.

Hamster · Post by **Hamster** » 07 Sep 2011 15:31

Flash-04 wrote:помню давно-давно читал статью (кажется в "Наука и Жизнь") там высказывалась идея, что т.к. скорость прогресса космических средств доставки довольно велика (экстраполяция разумеется) то нет смысла что-то запускать сейчас, т.к. запущенное через 100 лет - долетит быстрее того что запущено сейчас.

Неясно, как они могли сделать такую экстраполяцию. Последние 40 лет эта скорость прогресса примерно равна нулю. В начале 70-х годов американцы запускали в глубокий космос зонды на химической ракете Titan-III с твердотопливными бустерами и третьей ступенью Centaur-D. В 2011 году американцы запускают зонды на химической ракете Atlas-V с твердотопливными бустерами и третьей степенью - все тем же Centaur. За прошедшее время гидразин в первой ступени заменили керосином и кислородом, два двигателя в Кентавре заменили одним, и на этом прогресс заканчивается.

Конечно, часть проблемы в 200 миллиардах долларов, выкинутых на шаттл, но и без этого причин ожидать быстрый прогресс не видно.

Flash-04 · Post by **Flash-04** » 07 Sep 2011 16:15

я же говорю - спекулятивная экстраполяция. Но IMHO определенная логика есть. Кроме того есть разные типы двигателей. У Лема в "Фиаско" описана более-менее правдоподобная схема межзвездного корабля.

Post by **Олег Иванов** » 20 Sep 2011 12:00

Зырянин wrote:для торможения использовать запущенный ранее лазер, который развернет траекторию на 180 в гравитационном поле звезды; затем включится и будет светить лазером навстречу прибывающей основной экспедиции.

1. Для обычной массы разворот на 180 град - это выход на закольцованную орбиту. 1 космическая - окружность, вторая - парабола, третья - гипербола. Настроить настолько точно направление лазерного луча, чтобпопасть между параболой и элипсом, эксцентриситеты которогорасполагались в звезде и в лазере - это надо сильно точно целиться. Вряд ли это осуществимо. Разве со светом не так?
2. Оно, конечно, свет лазера когерентный и мало рассеивается. Да и разворачивать не обязательно на 180, можно и на 170, например, выбрав звезду в близком к цели секторе, а неточность тяги подправить поворотом паруса. Но все равно терзают сомнеия в точности прицеливания. Ведь в этом случае расстояние значительно увеличивается. По меньшей мере в 2 раза, а вероятнее в десятки, т.к. вряд ли подходящая по размеру и расположению звезда найдется именно в той точке пространства, которая нам нужна.

Post by **Олег Иванов** » 20 Sep 2011 12:10

Hamster wrote: За прошедшее время гидразин в первой ступени заменили керосином и кислородом, два двигателя

Мой однокурсник, спец в матфизике, как раз участвует в одном из проектов НАСА по созданию плазменного двигателя, в котором стенками двигателя является не тугоплавкий материал, а мощное электро-магнитное поле. Не секрет, что главная проблема экономичности реактивного движка (массы перевозимого топлива) в скорости истечения реактивной струи, которая, суть, температура. Эта температура, а значит и скорость, определяется предельной тугоплавкостью используемых материалов. Если вместо материала для отражающих стенок двигателя использовать поле, то появляются огромные возможности даже при нынешних достижениях. А если добавится управляемый термояд, то возможности возрастут драматически. Но никаких подробностей, предупреждая вопросы, я не знаю.

Flash-04 · Post by **Flash-04** » 20 Sep 2011 23:33

Ссылочки хоть какие есть? Жутко интересно!

Привет