Sluneční plachta - Solar sail

Sluneční plachty (nazývané také lehké plachty nebo fotonové plachty ) jsou metodou pohonu kosmických lodí využívající radiační tlak vyvíjený slunečním zářením na velká zrcadla. Od 80. let byla navržena řada vesmírných letů na testování slunečního pohonu a navigace. První kosmická loď, která tuto technologii využila, byla IKAROS , vypuštěná v roce 2010.

Užitečnou analogií sluneční plavby může být plachetnice; světlo působící silou na zrcátka je podobné plachtě, kterou fouká vítr. Vysokoenergetické laserové paprsky by mohly být použity jako alternativní světelný zdroj k vyvinutí mnohem větší síly, než by bylo možné pomocí slunečního světla, což je koncept známý jako paprsková plavba. Solární plachetnice nabízejí možnost levných operací v kombinaci s dlouhou provozní životností. Vzhledem k tomu, že mají málo pohyblivých částí a nepoužívají žádný hnací plyn, mohou být potenciálně použity mnohokrát k dodání užitečného zatížení.

Sluneční plachty používají jev, který má prokázaný, měřený účinek na astrodynamiku. Sluneční tlak ovlivňuje všechny kosmické lodě, ať už v meziplanetárním prostoru nebo na oběžné dráze kolem planety nebo malého tělesa. Typická kosmická loď, která například míří na Mars, bude vytlačena tisíce kilometrů slunečním tlakem, takže s efekty je třeba počítat při plánování trajektorie, které se provádělo již od nejranějších meziplanetárních kosmických lodí v šedesátých letech minulého století. Sluneční tlak také ovlivňuje orientaci kosmické lodi, což je faktor, který musí být součástí návrhu kosmické lodi .

Celková síla působící například na sluneční plachtu o rozměrech 800 x 800 metrů je asi 5 newtonů (1,1  lbf ) ve vzdálenosti Země od Slunce, což z ní činí nízko-tahový pohonný systém, podobný kosmickým lodím poháněným elektrickými motory , ale jako nepoužívá žádný hnací plyn, tato síla je vyvíjena téměř neustále a kolektivní účinek v průběhu času je dostatečně velký na to, aby byl považován za potenciální způsob pohonu kosmických lodí.

Historie konceptu

Johannes Kepler pozoroval, že ocasy komet směřují od Slunce a navrhl, že Slunce způsobilo účinek. V dopise Galileovi z roku 1610 napsal: „Poskytněte lodě nebo plachty přizpůsobené nebeským vánkům a najdou se i tací, kteří budou stateční i s tou prázdnotou“. Když psal tato slova, mohl mít na mysli fenomén kometárního ocasu, ačkoli jeho publikace o ocasech komet přišly o několik let později.

James Clerk Maxwell , v letech 1861–1864, publikoval svou teorii elektromagnetických polí a záření, která ukazuje, že světlo má hybnost, a proto může vyvíjet tlak na objekty. Maxwellovy rovnice poskytují teoretický základ pro plavbu lehkým tlakem. V roce 1864 tedy fyzikální komunita i mimo ni věděly, že sluneční světlo nese hybnost, která by vyvinula tlak na objekty.

Jules Verne v knize Ze Země na Měsíc , publikované v roce 1865, napsal: „Jednoho dne se objeví rychlosti mnohem větší než tyto (planet a projektilu), z nichž světlo nebo elektřina budou pravděpodobně mechanickým činitelem ... jednoho dne budeme cestovat na Měsíc, planety a hvězdy. " Toto je možná první publikované uznání, že světlo může pohybovat loděmi vesmírem.

Petr Lebeděv byl první, kdo úspěšně prokázal lehký tlak, což udělal v roce 1899 s torzním vyvážením; Ernest Nichols a Gordon Hull provedli podobný nezávislý experiment v roce 1901 pomocí Nicholského radiometru .

Svante Arrhenius předpověděl v roce 1908 možnost, že tlak slunečního záření rozděluje spory života na mezihvězdné vzdálenosti, což představuje jeden způsob, jak vysvětlit koncept panspermie . Zjevně byl prvním vědcem, který uvedl, že světlo může pohybovat objekty mezi hvězdami.

Konstantin Tsiolkovsky nejprve navrhl použít tlak slunečního světla k pohonu kosmických lodí vesmírem a navrhl „použít ohromná zrcadla velmi tenkých plechů k využití tlaku slunečního světla k dosažení kosmických rychlostí“.

Friedrich Zander (Tsander) vydal v roce 1925 technický dokument, který zahrnoval technickou analýzu sluneční plavby. Zander psal o „aplikaci malých sil“ pomocí „lehkého tlaku nebo přenosu světelné energie na vzdálenosti pomocí velmi tenkých zrcadel“.

JBS Haldane spekuloval v roce 1927 o vynálezu trubicových kosmických lodí, které by vynesly lidstvo do vesmíru, a o tom, jak jsou „rozprostřena křídla metalické fólie o ploše jednoho kilometru čtverečního nebo více, aby zachytila ​​tlak záření Slunce“.

JD Bernal napsal v roce 1929: „Mohla by být vyvinuta forma vesmírné plavby, která by používala odpudivý účinek slunečních paprsků místo větru. Vesmírná loď šířící svá velká kovová křídla o rozsahu akrů do plného rozsahu by mohla být foukána do limit oběžné dráhy Neptunu. Poté, aby se zvýšila jeho rychlost, by se přiblížila těsně pod gravitačním polem a při plném průletu kolem Slunce se opět naplno rozplývala. "

Carl Sagan v 70. letech propagoval myšlenku plavby na světlo pomocí obří struktury, která by odrážela fotony v jednom směru a vytvářela hybnost. Své nápady vychoval na univerzitních přednáškách, knihách a televizních pořadech. Byl fixován na rychlé vypuštění této kosmické lodi včas, aby provedl setkání s Halleyovou kometou . Mise bohužel neproběhla včas a nikdy by se nedožil toho, aby ji konečně viděl.

První formální technologická a konstrukční snaha o sluneční plachtu začala v roce 1976 v Jet Propulsion Laboratory pro navrhovanou misi setkání s Halleyovou kometou .

Fyzikální principy

Tlak slunečního záření

Mnoho lidí věří, že kosmické lodě využívající sluneční plachty jsou tlačeny slunečními větry stejně jako plachetnice a plachetnice jsou tlačeny větry přes vody na Zemi . Ale sluneční záření vyvíjí na plachtu tlak díky odrazu a malé části, která je absorbována.

Hybnost fotonu nebo celého toku je dána Einsteinovým vztahem :

p = E/c

kde p je hybnost, E je energie (fotonu nebo toku) a c je rychlost světla . Hybnost fotonu konkrétně závisí na jeho vlnové délce p = h/λ

Tlak slunečního záření může být vztažen k hodnotě ozáření ( sluneční konstanta ) 1361 W/m ² při 1  AU (vzdálenost Země-Slunce), revidované v roce 2011:

• perfektní absorbance: F = 4,54 μN na metr čtvereční (4,54 μ Pa ) ve směru dopadajícího paprsku ( dokonale nepružná kolize )
• perfektní odrazivost: F = 9,08 μN na metr čtvereční (9,08 μPa) ve směru kolmém na povrch ( elastická kolize )

Ideální plachta je plochá a má 100% zrcadlový odraz . Skutečná plachta bude mít celkovou účinnost přibližně 90%, přibližně 8,17 μN/m ² , v důsledku zakřivení (vlnění), vrásek, absorbance, opětovného záření zepředu a zezadu, nespekulárních účinků a dalších faktorů.

Síla na plachtu a skutečné zrychlení plavidla se liší podle inverzního čtverce vzdálenosti od Slunce (není -li extrémně blízko Slunce) a podle čtverce kosinu úhlu mezi vektorem síly plachty a radiálním od slunce, takže

F = F ₀ cos ² θ / R ² (ideální plachta)

kde R je vzdálenost od Slunce v AU. Skutečnou čtvercovou plachtu lze modelovat jako:

F = F ₀ (0,349 + 0,662 cos 29 - 0,011 cos 4θ) / R ²

Všimněte si, že síla a zrychlení se obecně blíží nule kolem θ = 60 ° než 90 °, jak by se dalo u ideální plachty očekávat.

Pokud je část energie absorbována, absorbovaná energie zahřeje plachtu, která tuto energii znovu vyzařuje z předního a zadního povrchu, v závislosti na emisivitě těchto dvou povrchů.

Sluneční vítr , tok nabitých částic vyfukovaných ze Slunce, vyvíjí na reflexní plachtu nominální dynamický tlak asi 3 až 4 nPa , o tři řády menší než tlak slunečního záření.

Parametry plachty

Zatížení plachty (plošná hustota) je důležitým parametrem, který je celkovou hmotností dělenou plochou plachty, vyjádřenou v g/m ² . Je reprezentován řeckým písmenem σ.

Plachetní plavidlo má charakteristické zrychlení, _c , které by zažilo při 1 AU při pohledu na Slunce. Všimněte si, že tato hodnota odpovídá jak incidentu, tak odraženému momentu. Pomocí výše uvedené hodnoty 9,08 μN na metr čtvereční radiačního tlaku při 1 AU je a _c vztaženo k plošné hustotě:

a _c = 9,08 (účinnost) / σ mm / s ²

Za předpokladu 90% účinnosti a _c = 8,17 / σ mm / s ²

Číslo světlosti λ je bezrozměrný poměr maximálního zrychlení vozidla dělený místní gravitací Slunce. Pomocí hodnot při 1 AU:

λ = a _c / 5,93

Číslo světlosti je také nezávislé na vzdálenosti od Slunce, protože gravitace i světelný tlak odpadávají jako inverzní čtverec vzdálenosti od Slunce. Toto číslo proto definuje typy manévrů na oběžné dráze, které jsou pro dané plavidlo možné.

Tabulka uvádí několik příkladů hodnot. Užitečné zatížení není zahrnuto. První dva pocházejí z detailního návrhového úsilí v JPL v 70. letech minulého století. Třetí, mřížový sailer, může představovat asi nejlepší možnou úroveň výkonu. Rozměry pro čtvercové a příhradové plachty jsou hrany. Dimenze pro heliogyro je špička čepele od špičky čepele.

Typ	σ (g/m 2 )	a c (mm/s 2 )	λ	Velikost (km 2 )
Čtvercová plachta	5.27	1,56	0,26	0,820
Heliogyro	6,39	1.29	0,22	15
Mřížový plachetník	0,07	117	20	0,840

Kontrola postoje

Aktivní systém řízení polohy (ACS) je nezbytný pro dosažení a udržení požadované orientace plachetního plavidla. Požadovaná orientace plachty se v meziplanetárním prostoru mění pomalu (často méně než 1 stupeň za den), ale mnohem rychleji na planetární oběžné dráze. ACS musí být schopen splnit tyto požadavky na orientaci. Kontrola postoje je dosažena relativním posunem mezi tlakovým středem plavidla a jeho těžištěm . Toho lze dosáhnout ovládacími lopatkami, pohybem jednotlivých plachet, pohybem kontrolní hmoty nebo změnou odrazivosti.

Držet konstantní postoj vyžaduje, aby ACS udržoval čistý točivý moment na lodi nulový. Celková síla a točivý moment na plachtě nebo sadě plachet není po trajektorii konstantní. Síla se mění se sluneční vzdáleností a úhlem plachty, což mění vlnění v plachtě a odklání některé prvky nosné konstrukce, což má za následek změny síly plachty a točivého momentu.

Teplota plachty se také mění se sluneční vzdáleností a úhlem plachty, což mění rozměry plachty. Sálavé teplo z plachty mění teplotu nosné konstrukce. Oba faktory ovlivňují celkovou sílu a točivý moment.

Aby si ACS udržel požadovaný postoj, musí kompenzovat všechny tyto změny.

Omezení

Na oběžné dráze Země je sluneční tlak a odporový tlak obvykle stejný ve výšce asi 800 km, což znamená, že nad touto nadmořskou výškou by muselo fungovat plachetní plavidlo. Plachetnice musí operovat na oběžných drahách, kde jsou jejich otáčky kompatibilní s oběžnými dráhami, což je obecně problém pouze u konfigurací rotujících disků.

Provozní teploty plachet jsou funkcí sluneční vzdálenosti, úhlu plachty, odrazivosti a emisivity vpředu a vzadu. Plachtu lze použít pouze tam, kde je její teplota udržována v mezích materiálu. Plachtu lze obecně použít spíše blízko Slunce, kolem 0,25 AU, nebo dokonce blíže, pokud je pečlivě navržena pro tyto podmínky.

Aplikace

Potenciální aplikace pro plachetní plavidla se pohybují po celé sluneční soustavě , od Slunce po kometová mračna za Neptunem. Plavidlo může provádět odchozí plavby za účelem dodání nákladu nebo nástupu na stanici v cílovém místě. Mohou být použity k přepravě nákladu a případně také použity pro cestování lidí.

Vnitřní planety

Pro cesty uvnitř vnitřní sluneční soustavy mohou dodat zátěž a poté se vrátit na Zemi pro další plavby, fungující jako meziplanetární raketoplán. Zejména pro Mars by plavidlo mohlo poskytnout ekonomické prostředky rutinního zásobování operací na planetě podle Jerome Wrighta: „Náklady na vypuštění nezbytných konvenčních pohonných hmot ze Země jsou pro pilotované mise obrovské. Použití plachetnic by potenciálně mohlo ušetřit více než 10 USD miliardové náklady na mise “.

Solární plachetnice se může přiblížit ke Slunci, aby doručila pozorovací užitečné zatížení nebo se ujala oběžné dráhy stanice. Mohou pracovat při 0,25 AU nebo blíže. Mohou dosáhnout vysokých orbitálních sklonů, včetně polárních.

Sluneční plachty mohou cestovat na a ze všech vnitřních planet. Výlety na Merkur a Venuši jsou pro setkání a vstup na oběžnou dráhu pro užitečné zatížení. Výlety na Mars by mohly být buď schůzkové, nebo kyvné s uvolněním užitečného zatížení pro aerodynamické brzdění .

Velikost plachty m	Merkur Rendezvous		Venuše Rendezvous		Mars Rendezvous		Aerobrake Mars
	dny	tun	dny	tun	dny	tun	dny	tun
800 σ = 5 g/m 2 bez nákladu	600	9	200	1	400	2	131	2
	900	19	270	5	500	5	200	5
	1200	28			700	9	338	10
2000 σ = 3 g/m 2 bez nákladu	600	66	200	17	400	23	131	20
	900	124	270	36	500	40	200	40
	1200	184			700	66	338	70

Vnější planety

Minimální časy přenosu na vnější planety těží z využití nepřímého přenosu (sluneční výkyv). Tato metoda však má za následek vysokou rychlost příjezdu. Pomalejší převody mají nižší rychlost příjezdu.

Minimální převodu času do Jupiteru k o _c 1 mm / s ^2, s ne rychlost odjezd vzhledem k Zemi je 2 roky při použití nepřímého přenosu (sluneční otočným o). Rychlost příjezdu ( V _∞ ) se blíží 17 km/s. U Saturnu je minimální doba cesty 3,3 roku s rychlostí příjezdu téměř 19 km/s.

Minimální časy na vnější planety ( a _c = 1 mm/s ² )

	Jupiter	Saturn	Uran	Neptune
Čas, rok	2.0	3.3	5.8	8.5
Rychlost, km/s	17	19	20	20

Vnitřní gravitační zaměření Oort Cloud/Sun

Vnitřní gravitační zaostřovací bod Slunce leží v minimální vzdálenosti 550 AU od Slunce a je bodem, na který je světlo ze vzdálených objektů zaostřeno gravitací v důsledku jeho průchodu Sluncem. Jedná se tedy o vzdálený bod, na který sluneční gravitace způsobí zaostření oblasti hlubokého vesmíru na druhé straně Slunce, a tak bude účinně sloužit jako velmi velký objektiv teleskopu.

Bylo navrženo, aby nafouknutá plachta vyrobená z berylia , která začíná na 0,05 AU od Slunce, získala počáteční zrychlení 36,4 m/s ² a dosáhla rychlosti 0,00264 c (asi 950 km/s) za méně než den. Taková blízkost ke Slunci by se v blízké budoucnosti mohla ukázat jako nepraktická v důsledku strukturální degradace berylia při vysokých teplotách, difúze vodíku při vysokých teplotách a také elektrostatického gradientu generovaného ionizací berylia ze slunečního větru, což představuje riziko výbuchu. Revidovaný perihelion 0,1 AU by snížil výše uvedenou teplotu a expozici slunečnímu toku. Taková plachta by trvala „Dva a půl roku k dosažení heliopauzy, šest a půl roku k dosažení vnitřního gravitačního ohniska Slunce, s příchodem do vnitřního Oortova oblaku za ne více než třicet let“. „Taková mise by mohla na cestě provádět užitečná astrofyzikální pozorování, prozkoumávat techniky gravitačního zaostřování a zobrazovat objekty Oort Cloud při zkoumání částic a polí v této oblasti, které jsou spíše galaktického než slunečního původu.“

Satelity

Robert L. Forward uvedl, že k úpravě oběžné dráhy satelitu kolem Země lze použít sluneční plachtu. V limitu by mohla být použita plachta k „vznášení“ satelitu nad jedním pólem Země. Kosmické lodě vybavené solárními plachtami by mohly být také umístěny na blízké oběžné dráhy tak, aby byly nehybné vůči Slunci nebo Zemi, což je typ satelitu pojmenovaný Forward jako „ statit “. To je možné, protože pohon zajišťovaný plachtou kompenzuje gravitační přitažlivost Slunce. Taková oběžná dráha by mohla být užitečná pro dlouhodobé studium vlastností Slunce. Podobně by kosmická loď vybavená sluneční plachtou mohla také zůstat na stanici téměř nad polárním solárním terminátorem planety, jako je Země, nakloněním plachty ve vhodném úhlu, který je nutný proti gravitaci planety.

Ve své knize Případ pro Mars , Robert Zubrin poukazuje na to, že odráží sluneční světlo z velkého statite, umístěn v blízkosti polárního terminátoru planety Mars, by mohly být zaměřeny na jeden z Polární čepičky Marsu až výrazně ohřát atmosféru planety. Takový statit mohl být vyroben z asteroidového materiálu.

Opravy trajektorie

MESSENGER sonda obíhající Mercury používá mírný tlak na jeho solární panely provádět jemné trajektorie korekce na cestě do rtuti. Změnou úhlu solárních panelů vzhledem ke Slunci se měnilo množství tlaku slunečního záření, aby se trajektorie kosmické lodi upravila jemněji, než je možné u trysek. Drobné chyby jsou výrazně zesíleny manévry s gravitační pomocí , takže použití radiačního tlaku k provedení velmi malých oprav ušetřilo velké množství pohonné hmoty.

Mezihvězdný let

V sedmdesátých letech navrhl Robert Forward dvě schémata pohonu poháněná paprskem využívající buď lasery nebo masery k tlačení obřích plachet na značný zlomek rychlosti světla .

Ve sci -fi románu Rocheworld Forward popsal světelnou plachtu poháněnou super lasery. Jakmile se hvězdná loď přiblížila svému cíli, vnější část plachty se oddělila. Vnější plachta by se poté znovu zaměřila a odrážela lasery zpět na menší, vnitřní plachtu. To by poskytlo brzdný tah k zastavení lodi v cílovém hvězdném systému.

Obě metody představují monumentální inženýrské výzvy. Lasery by musely pracovat roky nepřetržitě v gigawattové síle. Forwardovo řešení vyžaduje vybudování obrovských polí solárních panelů na planetě Merkur nebo v její blízkosti. Na několik desítek astronomických jednotek od Slunce by muselo být umístěno zrcadlo o velikosti planety nebo Fresnelovy čočky, aby se lasery soustředily na plachtu. Obří brzdová plachta by musela fungovat jako přesné zrcátko, aby se brzdový paprsek zaměřil na vnitřní plachtu „zpomalení“.

Potenciálně jednodušší přístup by bylo použít maser k řízení „sluneční plachty“ složené ze sítě drátů se stejným rozestupem jako je vlnová délka mikrovln směřujících na plachtu, protože manipulace s mikrovlnným zářením je poněkud jednodušší než manipulace viditelného světla. Hypotetická konstrukce mezihvězdné sondy „ Starwisp “ by k jejímu tlačení využívala spíše mikrovlny než viditelné světlo. Masery se díky delší vlnové délce šíří rychleji než optické lasery, a proto by neměly tak velký účinný dosah.

Masery by mohly být také použity k napájení malované solární plachty, konvenční plachty potažené vrstvou chemikálií určených k odpaření při zásahu mikrovlnným zářením. Hybnost generovaná tímto odpařováním by mohla výrazně zvýšit tah generovaný slunečními plachtami, jako forma lehkého ablativního laserového pohonu .

Pro další soustředění energie na vzdálenou sluneční plachtu navrhl Forward čočku navrženou jako velkou zónovou desku . To by bylo umístěno v místě mezi laserem nebo maserem a kosmickou lodí.

Dalším fyzicky realističtějším přístupem by bylo využít ke zrychlení světlo ze Slunce. Loď by nejprve klesla na oběžnou dráhu a těsně prošla Sluncem, aby maximalizovala přísun sluneční energie na plachtu, a poté by se začala urychlovat od systému pomocí světla ze Slunce. Zrychlení bude klesat přibližně jako inverzní čtverec vzdálenosti od Slunce a za určitou vzdálenost by loď již nedostávala dostatek světla, aby ji výrazně zrychlila, ale udržela by dosaženou konečnou rychlost. Když se loď přiblížila k cílové hvězdě, mohla otočit plachty k ní a začít využívat vnější tlak cílové hvězdy ke zpomalení. Rakety by mohly zvýšit sluneční tah.

Podobné spuštění a zachycení sluneční plavby bylo navrženo pro řízenou panspermii k rozšíření života v jiné sluneční soustavě. Rychlost 0,05% rychlosti světla lze dosáhnout slunečními plachtami přepravujícími užitečné zatížení 10 kg za použití vozidel s tenkými slunečními plachtami s efektivní plošnou hustotou 0,1 g/m ² s tenkými plachtami o tloušťce 0,1  µm a velikostech řádově jednoho kilometru čtverečního . Alternativně by roje 1 mm kapslí mohly být vypuštěny na sluneční plachty o poloměrech 42 cm, z nichž každá nese 10 000 kapslí se stovkou milionů extremofilních mikroorganismů, aby zasadily život v různých cílových prostředích.

Teoretické studie naznačují relativistické rychlosti, pokud sluneční plachta využívá supernovu.

Deorbitování umělých satelitů

Byly navrženy malé sluneční plachty ke zrychlení deorbitace malých umělých satelitů z oběžných drah Země. Satelity na nízké oběžné dráze Země mohou využívat kombinaci slunečního tlaku na plachtu a zvýšeného atmosférického odporu k urychlení opětovného vstupu satelitu . Plachta na oběžné dráze vyvinutá na Cranfieldově univerzitě je součástí britského satelitu TechDemoSat-1, vypuštěného v roce 2014, a předpokládá se, že bude nasazen na konci pětileté životnosti satelitu. Účelem plachty je vynést satelit z oběžné dráhy na dobu asi 25 let. V červenci 2015 byl do vesmíru vypuštěn britský 3U CubeSat s názvem DeorbitSail za účelem testování deorbitové struktury 16 m ² , ale nakonec se jej nepodařilo nasadit. V roce 2017 je plánováno spuštění studentské mise CubeSat 2U s názvem PW-Sat2, která bude testovat 4 m ² deorbitovou plachtu. V červnu 2017 nasadil druhý britský 3U CubeSat s názvem InflateSail 10m ² deorbitovou plachtu ve výšce 500 kilometrů (310 mi). V červnu 2017 byl na nízkou oběžnou dráhu Země spuštěn 3U Cubesat URSAMAIOR za účelem testování deorbitačního systému ARTICA vyvinutého společností Spacemind . Zařízení, které zabírá pouze 0,4 U krychlového kosmického prostoru, nasadí plachtu 2,1 m ² k deorbitaci satelitu na konci provozní životnosti

Konfigurace plachet

IKAROS , uvedený na trh v roce 2010, byl prvním praktickým vozidlem na sluneční plachtu. Jak 2015, to bylo ještě v tahu, což dokazuje praktičnost sluneční plachty pro dlouhodobé mise. Je roztočený a v rozích jeho čtvercové plachty má špičkové hmoty. Plachta je vyrobena z tenké polyimidové fólie potažené odpařeným hliníkem. Řídí elektricky ovládanými panely z tekutých krystalů . Plachta se pomalu otáčí a tyto panely se zapínají a vypínají, aby ovládaly polohu vozidla. Když jsou zapnuty, rozptylují světlo a snižují přenos hybnosti do této části plachty. Když je plachta vypnutá, odráží více světla a přenáší větší hybnost. Tímto způsobem plachtu otočí. Tenkovrstvé solární články jsou také integrovány do plachty a pohánějí kosmickou loď. Konstrukce je velmi spolehlivá, protože rozmístění rotace, které je výhodné u velkých plachet, zjednodušilo mechanismy rozkládání plachty a LCD panely nemají žádné pohyblivé části.

Padáky mají velmi nízkou hmotnost, ale padák není funkční konfigurace pro sluneční plachtu. Analýza ukazuje, že konfigurace padáku by se zhroutila ze sil vyvíjených krycími čarami, protože radiační tlak se nechová jako aerodynamický tlak a nepůsobí tak, aby udržoval padák otevřený.

Nejvyšší konstrukcí tahu k hmotnosti pro pozemně montované konstrukce s možností nasazení jsou čtvercové plachty se stěžněmi a spojovacími čarami na tmavé straně plachty. Obvykle existují čtyři stěžně, které rozprostírají rohy plachty, a stožár ve středu, který drží kotevní lana . Jednou z největších výhod je, že v lanoví nejsou žádná horká místa od vrásnění nebo pytlování a plachta chrání konstrukci před sluncem. Tato forma se proto může přiblížit ke Slunci a dosáhnout maximálního tahu. Většina návrhů řídí malé pohyblivé plachty na koncích nosníků.

V sedmdesátých letech studoval JPL mnoho rotujících plachet typu blade a ring pro misi na setkání s Halleyovou kometou . Záměrem bylo vyztužit struktury pomocí momentu hybnosti, eliminovat potřebu vzpěr a šetřit hmotu. Ve všech případech bylo ke zvládnutí dynamických zatížení zapotřebí překvapivě velké množství pevnosti v tahu. Slabší plachty by se zvlnily nebo oscilovaly, když by se změnil postoj plachty, a oscilace by se přidaly a způsobily strukturální selhání. Rozdíl v poměru tahu k hmotnosti mezi praktickými konstrukcemi byl téměř nulový a statické návrhy se snadněji kontrolovaly.

Referenční návrh JPL byl nazýván „heliogyro“. Měl rotační nože z plastové fólie nasazené z válečků a zadržované odstředivými silami. Postoj a směr kosmické lodi měly být zcela kontrolovány změnou úhlu lopatek různými způsoby, podobně jako cyklické a kolektivní stoupání helikoptéry . Ačkoli konstrukce neměla oproti hranaté plachtě žádnou masovou výhodu, zůstala atraktivní, protože způsob nasazení plachty byl jednodušší než konstrukce na bázi vzpěry. CubeSail (UltraSail) je aktivní projekt, jehož cílem je zavést heliogyro plachtu.

Konstrukce Heliogyro je podobná čepelím na vrtulníku. Výroba je díky lehkému odstředivému vyztužení plachet rychlejší. Jsou také vysoce efektivní z hlediska nákladů a rychlosti, protože čepele jsou lehké a dlouhé. Na rozdíl od čtvercových a rotujících kotoučů se heliogyro snáze nasazuje, protože lopatky jsou zhutněny na cívce. Čepele se při vysunutí po vysunutí z kosmické lodi vysunou. Jak heliogyro cestuje prostorem, systém se točí kvůli odstředivému zrychlení. A konečně, užitečné zatížení pro lety do vesmíru je umístěno v těžišti, aby se vyrovnalo rozložení hmotnosti a zajistil stabilní let.

JPL také zkoumala „prstencové plachty“ (Spinning Disk Sail ve výše uvedeném diagramu), panely připevněné k okraji rotující kosmické lodi. Panely by měly mírné mezery, asi jedno až pět procent celkové plochy. Čáry by spojovaly okraj jedné plachty s druhou. Hmoty uprostřed těchto linií by táhly plachty napnuté proti kuželu způsobenému radiačním tlakem. Vědci z JPL uvedli, že by to mohl být atraktivní design plachet pro velké stavby s lidskou posádkou. Zejména vnitřní prstenec by mohl být vyroben tak, aby měl umělou gravitaci zhruba stejnou jako gravitace na povrchu Marsu.

Sluneční plachta může sloužit jako anténa s vysokým ziskem dvojí funkci. Návrhy se liší, ale většina upravuje metalizační vzor tak, aby vytvořil holografickou monochromatickou čočku nebo zrcadlo v požadovaných rádiových frekvencích, včetně viditelného světla.

Elektrická sluneční větrná plachta

Pekka Janhunen z FMI navrhla typ sluneční plachty nazývaný elektrická sluneční větrná plachta . Mechanicky to má málo společného s tradičním designem sluneční plachty. Plachty jsou nahrazeny narovnanými vodícími popruhy (dráty) umístěnými radiálně kolem hostitelské lodi. Dráty jsou elektricky nabité a vytvářejí kolem vodičů elektrické pole . Elektrické pole sahá několik desítek metrů do plazmy okolního slunečního větru. Sluneční elektrony se odrážejí v elektrickém poli (jako fotony na tradiční sluneční plachtě). Poloměr plachty je spíše z elektrického pole než ze samotného drátu, takže plachta je lehčí. Řemeslo lze také řídit regulací elektrického náboje drátů. Praktická elektrická plachta by měla 50–100 narovnaných drátů o délce asi 20 km.

Elektrické sluneční větrné plachty mohou upravit svá elektrostatická pole a postoje plachet.

Magnetická plachta

Magnetická plachta by také využívat sluneční vítr. Magnetické pole však odklání elektricky nabité částice ve větru. Používá drátové smyčky a místo statického napětí přes ně vede statický proud.

Všechny tyto designy manévrují, i když mechanismy jsou různé.

Magnetické plachty ohýbají dráhu nabitých protonů, které jsou ve slunečním větru . Změnou postojů plachet a velikosti magnetických polí mohou změnit množství a směr tahu.

Výroba plachet

Materiály

Nejběžnějším materiálem v současných provedeních je tenká vrstva hliníkového povlaku na polymerní (plastové) fólii, jako je aluminizovaná 2 µm Kaptonova fólie. Polymer poskytuje mechanickou podporu i flexibilitu, zatímco tenká kovová vrstva zajišťuje odrazivost. Takový materiál odolává teplu průchodu blízko Slunce a stále zůstává přiměřeně silný. Hliníková reflexní fólie je na sluneční straně. Plachty Cosmos 1 byly vyrobeny z aluminizované PET fólie ( Mylar ).

Eric Drexler vyvinul koncept plachty, ve které byl odstraněn polymer. Navrhl velmi vysoké tahy k hmotnosti solárních plachet a vyrobil prototypy materiálu plachet. Jeho plachta by používala panely z tenkého hliníkového filmu ( tloušťka 30 až 100 nanometrů ) podepřené tahovou strukturou. Plachta by se otáčela a musela by být neustále tlačena. V laboratoři vyráběl a zpracovával vzorky filmu, ale materiál byl příliš choulostivý na to, aby přežil skládání, spouštění a nasazování. Návrh plánoval spoléhat na vesmírnou produkci filmových panelů a spojit je s napínací strukturou s možností nasazení. Plachty v této třídě by nabízely vysokou plochu na jednotku hmotnosti, a tedy zrychlení až „padesátkrát vyšší“ než konstrukce založené na nasazovacích plastových fóliích. Materiál vyvinutý pro sluneční plachtu Drexler byl tenký hliníkový film se základní tloušťkou 0,1 µm, který byl vyroben napařovací depozicí v vesmírném systému. Drexler použil podobný postup k přípravě filmů na zemi. Jak se očekávalo, tyto fólie prokázaly dostatečnou pevnost a odolnost pro manipulaci v laboratoři a pro použití ve vesmíru, ale ne pro skládání, spouštění a nasazování.

Výzkum Geoffreyho Landise v letech 1998–1999, financovaný Institutem pro pokročilé koncepce NASA , ukázal, že různé materiály, jako je oxid hlinitý pro laserové světelné plachty a uhlíková vlákna pro mikrovlnné tlačené světelné plachty, byly vynikajícím materiálem plachet k dříve standardním hliníkovým nebo Kaptonovým filmům.

V roce 2000 vyvinula společnost Energy Science Laboratories nový materiál z uhlíkových vláken, který by mohl být užitečný pro sluneční plachty. Materiál je více než 200krát silnější než konvenční konstrukce solárních plachet, ale je tak porézní, že má stejnou hmotnost. Tuhost a trvanlivost tohoto materiálu by mohla způsobit, že sluneční plachty budou výrazně odolnější než plastové fólie. Materiál by se mohl sám nasadit a měl by odolávat vyšším teplotám.

Tam bylo nějaké teoretické spekulace o použití molekulárních výrobních technik k vytvoření pokročilého, silného, ​​hyper-lehkého plachetního materiálu, založeného na nanotrubičkových pletivových vazbách, kde „prostory“ vazby jsou menší než polovina vlnové délky světla dopadajícího na plachtu. I když takové materiály byly dosud vyráběny pouze v laboratorních podmínkách a prostředky pro výrobu takového materiálu v průmyslovém měřítku zatím nejsou k dispozici, takové materiály by mohly mít hmotnost menší než 0,1 g/m ² , což je činí lehčími než jakýkoli současný materiál plachet podle faktor minimálně 30. Pro srovnání, 5 mikrometrů silný materiál materiálu Mylar plachta 7 g/m ² , aluminizované Kaptonovy fólie mají hmotnost až 12 g/m ² a nové materiály z uhlíkových vláken Energy Science Laboratories 3 g /m ² .

Nejméně hustý kov je lithium , asi 5krát méně hustý než hliník. Čerstvé, neoxidované povrchy jsou reflexní. Při tloušťce 20 nm má lithium plošnou hustotu 0,011 g/m ² . Vysoce výkonná plachta by mohla být vyrobena ze samotného lithia při 20 nm (bez emisní vrstvy). Muselo by být vyrobeno ve vesmíru a ne použito k přiblížení ke Slunci. V mezích může být plachetní plavidlo konstruováno s celkovou plošnou hustotou kolem 0,02 g/m ² , což mu dává číslo lehkosti 67 a _c asi 400 mm/s ² . Hořčík a berylium jsou také potenciálními materiály pro vysoce výkonné plachty. Tyto 3 kovy lze legovat navzájem a hliníkem.

Vrstvy odrazu a emisivity

Hliník je běžnou volbou pro reflexní vrstvu. Obvykle má tloušťku alespoň 20 nm s odrazivostí 0,88 až 0,90. Chrom je dobrou volbou pro emisní vrstvu na obličeji daleko od Slunce. Může snadno poskytnout hodnoty emisivity 0,63 až 0,73 pro tloušťky od 5 do 20 nm na plastové fólii. Použitelné hodnoty emisivity jsou empirické, protože dominují efekty tenkého filmu; hodnoty objemové emisivity v těchto případech neobstojí, protože tloušťka materiálu je mnohem tenčí než emitované vlnové délky.

Výroba

Plachty se na Zemi vyrábějí na dlouhých stolech, kde se rozbalují stuhy a spojují a vytvářejí plachty. Plachetní materiál potřeboval mít co nejmenší váhu, protože by to vyžadovalo použití raketoplánu k přenesení plavidla na oběžnou dráhu. Tyto plachty jsou tedy zabaleny, spuštěny a rozvinuty ve vesmíru.

V budoucnu by výroba mohla probíhat na oběžné dráze uvnitř velkých rámů, které podpírají plachtu. To by mělo za následek nižší hmotnost plachet a odstranění rizika selhání nasazení.

Operace

Změna oběžných drah

Plachtění je nejjednodušší na meziplanetárních drahách, kde se změny nadmořské výšky provádějí při nízkých rychlostech. U trajektorií směřujících ven je vektor síly plachty orientován před sluneční linii, což zvyšuje orbitální energii a moment hybnosti, což má za následek pohyb lodi dále od Slunce. U vnitřních trajektorií je vektor síly plachty orientován za přímkou ​​Slunce, což snižuje orbitální energii a moment hybnosti, což má za následek pohyb lodi směrem ke Slunci. Stojí za povšimnutí, že pouze sluneční gravitace přitahuje plavidlo ke Slunci - neexistuje obdoba připlouvání plachetnice k větru. Chcete -li změnit sklon oběžné dráhy, vektor síly se otočí mimo rovinu vektoru rychlosti.

Na oběžných drahách kolem planet nebo jiných těles je plachta orientována tak, že její silový vektor má součást podél vektoru rychlosti, a to buď ve směru pohybu pro vnější spirálu, nebo proti směru pohybu pro vnitřní spirálu.

Optimalizace trajektorie může často vyžadovat intervaly se sníženým nebo nulovým tahem. Toho lze dosáhnout pohybem plavidla kolem linie Slunce s plachtou nastavenou v příslušném úhlu, aby se snížil nebo odstranil tah.

Kyvné manévry

Blízký sluneční průchod lze použít ke zvýšení energie plavidla. Zvýšený radiační tlak se snoubí s účinností být hluboko v gravitaci Slunce, čímž se podstatně zvýší energie pro běhy do vnější sluneční soustavy. Optimálního přístupu ke Slunci se dosáhne zvýšením orbitální excentricity při zachování energetické úrovně tak vysoké, jak je to praktické. Minimální přibližovací vzdálenost je funkcí úhlu plachty, tepelných vlastností plachty a jiné konstrukce, účinků zatížení na konstrukci a optických charakteristik plachty (odrazivosti a emisivity). Blízký průchod může mít za následek podstatnou optickou degradaci. Požadované otáčky se mohou podstatně zvýšit v těsném průchodu. Plachetní plavidlo přilétající ke hvězdě může použít těsný průchod ke snížení energie, což platí i pro plachetní plavidlo při zpáteční cestě z vnější sluneční soustavy.

Lunární výkyv může mít důležité výhody pro trajektorie opouštějící nebo přicházející na Zemi. To může zkrátit dobu vypínání, zejména v případech, kdy je plachta silně zatížena. K získání příznivých směrů odletu nebo příletu vzhledem k Zemi lze také použít kyvadlo.

Mohlo by být také použito planetární houpání podobné tomu, co se děje s kosmickými loděmi na pobřeží, ale dobré zarovnání nemusí existovat kvůli požadavkům na celkovou optimalizaci trajektorie.

Následující tabulka uvádí některé příklady konceptů využívajících paprskový laserový pohon podle návrhu fyzika Roberta L. Forwarda :

Mise	Výkon laseru	Hmotnost vozidla	Akcelerace	Průměr plachty	Maximální rychlost (% rychlosti světla)
1. Průlet - Alpha Centauri, 40 let
odchozí fáze	65 GW	1 t	0,036 g	3,6 km	11% @ 0,17 ly
2. Rendezvous - Alpha Centauri, 41 let
odchozí fáze	7 200 GW	785 t	0,005 g	100 km	21% @ 4,29 ly
fáze zpomalení	26 000 GW	71 t	0,2 g	30 km	21% @ 4,29 ly
3. S posádkou - Epsilon Eridani, 51 let (včetně 5 let zkoumání hvězdného systému)
odchozí fáze	75 000 000 GW	78 500 t	0,3 g	1000 km	50% při 0,4 ly
fáze zpomalení	21 500 000 GW	7 850 t	0,3 g	320 km	50% @ 10,4 ly
návratová fáze	710 000 GW	785 t	0,3 g	100 km	50% @ 10,4 ly
fáze zpomalení	60 000 GW	785 t	0,3 g	100 km	50% při 0,4 ly

Mezihvězdný cestovní katalog využívající k úplnému zastavení fotogravitační asistence.

název	Čas cesty (rok)	Vzdálenost (ly)	Svítivost ( L ☉ )
Sirius A.	68,90	8,58	24.20
α Centauri A	101,25	4,36	1,52
α Centauri B	147,58	4,36	0,50
Procyon A.	154,06	11,44	6,94
Vega	167,39	25.02	50,05
Altair	176,67	16,69	10,70
Fomalhaut A	221,33	25.13	16,67
Denebola	325,56	35,78	14,66
Kolečko A.	341,35	50,98	49,85
Epsilon Eridiani	363,35	10,50	0,50

• Následné asistence u α Cen A a B by mohly umožnit cestování na 75 let oběma hvězdám.
• Lightsail má nominální poměr hmotnosti k povrchu (σ _nom ) 8,6 × 10 ⁻⁴ gramů m ⁻² pro nominální plachtu třídy grafenu.
• Rozloha Lightsail, asi 10 ⁵ m ² = (316 m) ²
• Rychlost až 37 300 km s ⁻¹ (12,5% c)

. Odkaz:

Provozní nebo dokončené projekty

Kontrola postoje (orientace)

Jak mise Mariner 10 , která proletěla kolem planet Merkur a Venuše , tak mise MESSENGER k Merkuru předvedla použití slunečního tlaku jako metody řízení polohy, aby se zachovala hnací látka pro řízení polohy.

Hayabusa také použil sluneční tlak na svých solárních pádlech jako metodu řízení polohy ke kompenzaci rozbitých reakčních kol a chemické trysky.

Sluneční plachta MTSAT-1R ( Multifunkční transportní satelit ) působí proti točivému momentu vytvářenému tlakem slunečního světla na sluneční soustavu. Ořezová záložka na solárním poli provádí malé úpravy vyvážení točivého momentu.

Testy pozemního nasazení

NASA úspěšně testovala technologie nasazení na malých plachtách ve vakuových komorách.

4. února 1993 byl z ruské vesmírné stanice Mir úspěšně nasazen Znamya 2 , 20 metrů široký aluminizovaný mylarový reflektor . Přestože nasazení proběhlo úspěšně, pohon nebyl prokázán. Druhý test, Znamya 2.5 , se nepodařilo správně nasadit.

V roce 1999 bylo v DLR/ESA v Kolíně nad Rýnem testováno úplné nasazení sluneční plachty na zemi.

Suborbitální testy

Společný soukromý projekt Planetary Society , Cosmos Studios a Russian Academy of Science v roce 2001 provedl suborbitální prototypový test, který selhal kvůli selhání rakety.

Sluneční plachta o průměru 15 metrů (SSP, sub užitečné zatížení sluneční plachty, soraseiru sabupeiro-do ) byla vypuštěna společně s ASTRO-F na raketu MV 21. února 2006 a dostala se na oběžnou dráhu. Nasadilo se z pódia, ale neúplně se otevřelo.

9. srpna 2004 japonský ISAS úspěšně nasadil dvě prototypové sluneční plachty ze znějící rakety. Plachta ve tvaru jetele byla nasazena ve výšce 122 km a plachta ve tvaru vějíře byla nasazena ve výšce 169 km. Obě plachty používaly 7,5 mikrometrový film. Experiment čistě testoval mechanismy nasazení, nikoli pohon.

IKAROS 2010

Dne 21. května 2010, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) zahájila na světě je první meziplanetární sluneční plachta kosmické lodi " Ikaros " ( I nterplanetary Ki ite-řemeslné A ccelerated od R adiation O f o S un ) k Venuši. Použitím nové metody pohonu solárních fotonů to byla první skutečná kosmická loď na sluneční plachtu plně poháněná slunečním světlem a byla první kosmickou lodí, která uspěla v letu na sluneční plachtě.

JAXA úspěšně testovala IKAROS v roce 2010. Cílem bylo nasadit a ovládat plachtu a poprvé určit odchylky minutové oběžné dráhy způsobené lehkým tlakem. Určení oběžné dráhy bylo provedeno nedalekou sondou AKATSUKI, ze které se IKAROS odpojil poté, co byli oba přivedeni na přenosovou oběžnou dráhu na Venuši. Celkový efekt během šestiměsíčního letu byl 100 m/s.

Do roku 2010 nebyly ve vesmíru úspěšně používány žádné sluneční plachty jako primární pohonné systémy. Dne 21. května 2010 zahájila Japonská agentura pro průzkum vesmíru (JAXA) kosmickou loď IKAROS (Interplanetary Kite -craft Accelerated by Radiation Of the Sun), která 10. června nasadila 200 m ² polyimidovou experimentální sluneční plachtu. V červenci proběhla další fáze protože začala demonstrace zrychlení zářením. Dne 9. IKAROS mezi IKAROS a Zemí, která byla pořízena od doby před využitím Dopplerova jevu. Data ukázala, že IKAROS vypadá, že se plaví na slunci od 3. června, kdy nasadil plachtu.

IKAROS má diagonální spřádací čtvercovou plachtu 14 × 14 m (196 m ² ) vyrobenou ze 7,5 mm mikrometru (0,0075 mm) silného listu polyimidu . Polyimidová fólie měla hmotnost asi 10 gramů na metr čtvereční. Do plachty je vloženo tenkovrstvé solární pole. V plachtě je zabudováno osm LCD panelů, jejichž odrazivost lze upravit pro řízení polohy . IKAROS strávil šest měsíců cestováním na Venuši a poté zahájil tříletou cestu na odvrácenou stranu Slunce.

NanoSail-D 2010

Tým z NASA Marshall Space Flight Center (Marshall) spolu s týmem z NASA Ames Research Center vyvinuli misi sluneční plachty s názvem NanoSail-D , která byla ztracena při selhání startu na palubě rakety Falcon 1 dne 3. srpna 2008 Druhá záložní verze, NanoSail-D2 , někdy také nazývaná jednoduše NanoSail-D, byla spuštěna s FASTSAT na Minotaur IV 19. listopadu 2010 a stala se první sluneční plachtou NASA rozmístěnou na nízké oběžné dráze Země. Cílem mise bylo otestovat technologie rozmístění plachet a shromáždit údaje o používání slunečních plachet jako jednoduchého, „pasivního“ prostředku k obíhání mrtvých satelitů a vesmírného odpadu. Struktura NanoSail-D byla vyrobena z hliníku a plastu, přičemž sonda vážila méně než 4,5 kg. Plachta má asi 100 metrů čtverečních (9,3 m ² ) lehkého povrchu. Po několika počátečních problémech s nasazením byla sluneční plachta nasazena a v průběhu své 240denní mise údajně vytvořila „bohatství dat“ o používání slunečních plachet jako pasivních deorbitových zařízení.

NASA vypustila druhou jednotku NanoSail-D uloženou uvnitř satelitu FASTSAT na Minotauru IV 19. listopadu 2010. Datum vyhození z mikrosatelitu FASTSAT bylo plánováno na 6. prosince 2010, ale k nasazení došlo až 20. ledna 2011.

Projekty LightSail planetární společnosti

21. června 2005 zahájil společný soukromý projekt Planetary Society , Cosmos Studios a Russian Academy of Science prototyp plachty Cosmos 1 z ponorky v Barentsově moři , ale raketa Volna selhala a kosmické lodi se nepodařilo dosáhnout oběžné dráhy. Měli v úmyslu použít plachtu k postupnému zvednutí kosmické lodi na vyšší oběžnou dráhu Země po dobu jednoho měsíce. Podle Louisa Friedmana pokus o spuštění vyvolal zájem veřejnosti. Navzdory neúspěšnému pokusu o spuštění kosmu 1, Planetární společnost sklidila za jejich úsilí od vesmírné komunity potlesk a vyvolala obnovený zájem o technologii solárních plachet.

Na 75. narozeniny Carla Sagana (9. listopadu 2009) oznámila Planetary Society plány na další tři pokusy, nazvané LightSail -1 , -2 a -3. Nový design bude používat plachtu Mylar 32 m ² rozmístěnou ve čtyřech trojúhelníkových segmentech, jako je NanoSail-D. Konfigurace startu je 3U CubeSat a od roku 2015 byla naplánována jako sekundární užitečné zatížení pro start 2016 při prvním startu SpaceX Falcon Heavy .

„ LightSail-1 “ byl vypuštěn 20. května 2015. Účelem testu bylo umožnit úplné vyzkoušení systémů satelitu před LightSail-2. Jeho oběžná dráha nebyla dostatečně vysoká, aby unikla atmosférickému odporu Země a prokázala skutečnou sluneční plavbu.

„ LightSail-2 “ byl vypuštěn 25. června 2019 a nasazen na mnohem vyšší nízkou oběžnou dráhu Země. Jeho sluneční plachty byly nasazeny 23. července 2019.

Projekty ve vývoji nebo navrhované

Navzdory ztrátám Cosmos 1 a NanoSail-D (které byly způsobeny selháním jejich odpalovacích zařízení) zůstávají vědci a inženýři po celém světě povzbuzováni a pokračují v práci na slunečních plachtách. Zatímco většina dosud vytvořených přímých aplikací má v úmyslu používat plachty jako levné způsoby nákladní dopravy, někteří vědci zkoumají možnost využití slunečních plachet jako prostředku pro přepravu lidí. Tento cíl silně souvisí se správou velmi velkých (tj. Hodně nad 1 km ² ) povrchů ve vesmíru a pokroky ve výrobě plachet. Vývoj slunečních plachet pro pilotovaný vesmírný let je stále v plenkách.

Sunjammer 2015

Technologické ukázkové plachetní plavidlo, přezdívané Sunjammer , bylo vyvíjeno se záměrem prokázat životaschopnost a hodnotu technologie plavby. Sunjammer měl čtvercovou plachtu o šířce 38 metrů na každé straně (celková plocha 13 000 čtverečních stop nebo 1208 metrů čtverečních). Letělo by to z Lagrangeova bodu Slunce-Země L ₁ 900 000 mil od Země (1,5 milionu km) do vzdálenosti 3 miliony kilometrů (1864 114 mil). Očekávalo se, že demonstrace bude zahájena na Falconu 9 v lednu 2015. Šlo by o sekundární užitečné zatížení, uvolněné po umístění klimatické družice DSCOVR do bodu L1. S poukazem na nedostatek důvěry ve schopnost jejího dodavatele L'Garde dodat, mise byla zrušena v říjnu 2014.

Gossamerova deorbitová plachta

V prosinci 2013 má Evropská vesmírná agentura (ESA) navrhovanou deorbitovou plachtu s názvem „ Gossamer “, která by měla být použita k urychlení deorbitace malých (méně než 700 kilogramů (1 500 liber)) umělých satelitů z nízkých Oběžné dráhy Země . Startovací hmotnost je 2 kilogramy (4,4 lb) s objemem startu pouze 15 × 15 × 25 centimetrů (0,49 × 0,49 × 0,82 ft). Po nasazení by se plachta rozšířila na 5 x 5 metrů (16 ft × 16 ft) a použila by kombinaci slunečního tlaku na plachtu a zvýšeného atmosférického odporu pro urychlení opětovného vstupu satelitu .

NEA Scout

Near-Earth Asteroid Scout (NEA Scout) je úkolem je společně vyvinutý NASA ‚s Marshall Space Flight Center (MSFC) a Jet Propulsion Laboratory (JPL), skládající se z řiditelného low-cost CUBESAT sluneční plachta kosmické lodi, který je schopen se setkávat blízkozemní asteroidy (NEA). Byly by použity čtyři 7 m (23 stop) výložníky, čímž by se rozvinula hliníková polyimidová sluneční plachta o 83 m ² (890 sq ft). V roce 2015 NASA oznámila, že vybrala NEA Scout jako jeden z několika sekundárních užitečných nákladů na palubě Artemis 1 , prvního letu nosné rakety SLS této agentury .

OKEANOS

OKEANOS (Nadrozměrné draky pro průzkum a kosmonautiku ve vnější sluneční soustavě) byl koncept mise navržený japonskou společností JAXA k trojským asteroidům Jupitera využívajícím k pohonu hybridní sluneční plachtu; plachta by byla pokryta tenkými solárními panely pro pohon iontového motoru . Analýza shromážděných vzorků in-situ by byla provedena buď přímým kontaktem, nebo pomocí landeru nesoucího hmotnostní spektrometr s vysokým rozlišením. Přistávací modul a návrat vzorku na Zemi byly studované možnosti. Okeanos Jupiter Trojan asteroid Explorer byl finalista pro japonskou ISAs ' 2. Velký třídy poslání, které mají být zahájeny v pozdních 2020s. Nebylo však vybráno.

Průlomový Starshot

Dobře financovaný projekt Breakthrough Starshot, oznámený 12. dubna 2016, si klade za cíl vyvinout flotilu 1000 lehkých plachet nanocraftu nesoucích miniaturní kamery poháněné pozemními lasery a odeslat je do Alpha Centauri rychlostí 20% rychlosti světla. Cesta by trvala 20 let.

Sluneční křižník

V srpnu 2019 NASA udělila týmu Solar Cruiser 400 000 dolarů za studie koncepce devítiměsíčních misí. Kosmická loď by měla sluneční plachtu o rozloze 1672 m ² (18 000 čtverečních stop) a obíhala by Slunce po polární dráze, zatímco přístroj pro koronograf by umožňoval simultánní měření struktury magnetického pole Slunce a rychlosti ejekcí koronální hmoty . Pokud bude vybrán pro vývoj, spustí se v roce 2024.

V populární kultuře

V románu Larryho Nivena a Jerryho Pournelleho The Mote in God Eye z roku 1974 jsou mimozemšťané objeveni, když jejich sonda poháněná sluneční plachtou vstoupila do lidského prostoru.

Podobná technologie byla tématem v epizodě Star Trek: Deep Space Nine „ Průzkumníci “. V epizodě jsou světelné lodě popsány jako starodávná technologie používaná Bajorany k cestování mimo jejich sluneční soustavu pomocí světla z bajorského slunce a speciálně konstruovaných plachet k jejich pohonu vesmírem ( „Průzkumníci“. Star Trek: Deep Space Nine . Sezóna 3 . Díl 22.).

Ve filmu Hvězdné války 2002 Útok klonů byl hlavní padouch hrabě Dooku viděn pomocí kosmické lodi se slunečními plachtami.

Viz také

• CubeSail  - plánovaná kosmická loď sluneční plachty
• Extraterrestrial: The First Sign of Intelligent Life Beyond Earth  - 2021 popular science book by Avi Loeb
• Optický výtah
• Poynting – Robertsonův efekt  - proces, při kterém sluneční záření způsobuje, že zrnko prachu obíhající kolem hvězdy ztrácí moment hybnosti
• Technosignature  - Vlastnost, která poskytuje vědecké důkazy o přítomnosti technologie
• Jarkovského efekt

Reference

Bibliografie

• G. Vulpetti, Fast Solar Sailing: Astrodynamics of Special Sailcraft Trajectories , ;; Space Technology Library Vol. 30, Springer, srpen 2012, (vázaná kniha) https://www.springer.com/engineering/mechanical+engineering/book/978-94-007-4776-0 , (edice Kindle), ASIN: B00A9YGY4I
• G. Vulpetti, L. Johnson, GL Matloff, Solar Sails: Nový přístup k meziplanetárnímu letu , Springer, srpen 2008, ISBN  978-0-387-34404-1
• JL Wright, Space Sailing , Gordon and Breach Science Publishers, London, 1992; Wright se podílel na úsilí JPL použít sluneční plachtu na setkání s Halleyovou kometou.
• NASA/CR 2002-211730, Kapitola IV -představuje optimalizovanou únikovou trajektorii prostřednictvím plavebního režimu reverzace H
• G. Vulpetti, The Sailcraft Splitting Concept, JBIS , sv. 59, s. 48–53, únor 2006
• GL Matloff, Deep-Space Probes: To the Outer Solar System and Beyond , 2. vyd., Springer-Praxis, UK, 2005, ISBN  978-3-540-24772-2
• T. Taylor, D. Robinson, T. Moton, TC Powell, G. Matloff a J. Hall, „Integrace a analýza solárních pohonných systémů (pro opční období)“, závěrečná zpráva pro NASA/MSFC, smlouva č. H -35191D Opční období, Teledyne Brown Engineering Inc., Huntsville, AL, 11. května 2004
• G. Vulpetti, „Sailcraft Trajectory Options for the Interstellar Probe: Mathematical Theory and Numerical Results“, kapitola IV NASA/CR-2002-211730, The Interstellar Probe (ISP): Pre-Perihelion Trajectories and Application of Holography , červen 2002
• G. Vulpetti, Sailcraft-Based Mission to The Solar Gravitational Lens, STAIF-2000, Albuquerque (New Mexico, USA), 30 January-3 February 2000
• G. Vulpetti, „Obecné 3D trajektorie reverzace H pro vysokorychlostní plachetnice“, Acta Astronautica , sv. 44, č. 1, s. 67–73, 1999
• CR McInnes, Solar Sailing: Technology, Dynamics, and Mission Applications , Springer-Praxis Publishing Ltd, Chichester, UK, 1999, ISBN  978-3-540-21062-7
• Genta, G. a Brusa, E., „The AURORA Project: a New Sail Layout“, Acta Astronautica , 44, No. 2–4, pp. 141–146 (1999)
• S. Scaglione a G. Vulpetti, „Projekt Aurora: Odstranění plastového substrátu za účelem získání celokovové sluneční plachty“, speciální vydání Acta Astronautica , sv. 44, č. 2–4, s. 147–150, 1999

externí odkazy

• „Vychylování asteroidů“ od Gregory L. Matloffa, IEEE Spectrum, duben 2012
• Projekt sluneční plavby Planetary Society
• Solární fotonová plachta přichází od Gregory L. Matloffa
• Místo mise NASA pro NanoSail-D
• Mise NanoSail-D : Dana Coulter, „NASA to Attempt Historic Solar Sail Deployment“ , NASA, 28. června 2008
• Far-out Pathways to Space: Solar Sails from NASA
• Solar Sails Komplexní sbírka informací a referencí na sluneční plachty, kterou spravuje Benjamin Diedrich. Dobré diagramy ukazující, jak musí lehcí námořníci čelit.
• Vícejazyčný web U3P se zprávami a letovými simulátory
• ISAS nasadil ve vesmíru film solární plachty
• Návrh solární plachty s válečkovým útesem, hybridním pohonem a centrální dokovací a užitečnou stanicí.
• Rozhovor s JPL NASA o technologii solárních plachet a misích
• Web s technickými soubory pdf o sluneční plavbě, včetně zprávy NASA a přednášek na Aerospace Engineering School of Rome University
• Pokročilé koncepty světelné plachty tlačené sluncem a laserem
• Andrews, DG (2003). „Mezihvězdná doprava pomocí dnešní fyziky“ (PDF) . Papír AIAA 2003-4691 . Archivováno z originálu (PDF) dne 2006-03-11.
• www.aibep.org: Oficiální stránky Amerického institutu pohonu paprskové energie
• Vesmírná plavba Pojmy, operace a historie konceptu plachetnice
• Web Bernda Dachwalda Široké informace o pohonu plachet a misích