Żagiel słoneczny

[wini]

taka mnie myśl ostatnio naszła, może ktoś lepiej obeznany w fizyce odpowie:

używając napędu w postaci żagla słonecznego jaką maksymalną prędkość może uzyskać sonda go używająca? napęd bierze się z odbijających się od membrany fotonów, nie potrzebuje paliwa więc czy taka sonda mogłaby się rozpędzać nawet przez kilka lat orbitując słońce( pewnie dodatkowo dałoby się wykorzystać efekt grawitacyjnej procy) i dopiero po uzyskaniu odpowiedniej prędkości byłaby "wypuszczana" poza Układ Słoneczny. Takie coś jest w ogóle możliwe? i jak tak, czy możemy myśleć o prędkościach rzędu kilku/nastu procent prędkości światła?:> pewnie problemem nie do obejścia byłoby utrzymanie orbity przy zwiększaniu prędkości.

[Jarek]

Jakiś rekordowych prędkości to raczej nie da się osiagnąć, bo efektywność tego napędu maleje szybko wraz z odległością od Słońca. Ale prędkosci znacznie rpzekraczajaće III kosmiczną są jak najbardizej realne, przynajmniej dla sond bezzałogowych o małej masie. Proponuję poszukać informacji o rozważanym kiedyś przez NASA projekcie Interstellar Probe. Nie wiem, na ile te materiały są dostępne, bo sam projekt albo zarzucono, albo nadal nie wyszedł poza studium koncepcyjne. Generalnie chodziło o rozpędzenie żaglem słonecznym do dużej prędkości niewielkiej sondy [masa rzędu 200kg chyba], która miała dotrzeć w możliwie krótkim czasie [kilkanaście lat?] do heliopauzy i dalej, badając ośrodek międzygwiazdowy.
O, jest:
http://interstellar.jpl.nasa.gov/interstellar/probe/index.html
http://interstellar.jpl.nasa.gov/interstellar/probe/introduction/intro.html
Tam podają osiągnięcie dystansu 200AU w czasie 15 lat,  prędkość [po zakończeniu rozpędzania?] 14AU/rok
Może ten pomysł nabierze rozpędu po sukcesach Japończyków z Ikarosem...
Pozdrawiam
-J.
[edit]
P.S. Tutaj:
http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/13644/1/00-0010.pdf
 są szczególowe dane nt. projektowanych osiągów takiego napędu, 70km/s chcą osiagnać. Wymaga to skierowania sondy jak najbliżej Słońca i rozwinięcia żagla w peryhelium, odrzucany byłby 5 AU od Słońca.

[wini]

Żagiel słoneczny to idea napędzania statków kosmicznych za pomocą żagla wykorzystującego ciśnienie światła. Cząsteczki światła (fotony) odbijając się od membrany żagla powodują jego "odpychanie" zwiększając prędkość sondy. Ciśnienie jakie wywiera światło słoneczne w odległości od Słońca w jakiej znajduje się Ziemia wynosi zaledwie 4,6µPa przy pochłonięciu światła i dwa razy tyle przy jego całkowity odbiciu. Z powodu tak małej siły konstrukcja żagla kosmicznego wymaga jego jak największej powierzchni przy zachowaniu minimalnej wagi. Aktualnie rozważane są dwa materiały z których taki żagiel można zbudować: mylar i kaplon. Grubość wykonanej z nich membrany wynosi kilka mikrometrów.

Zalety napędu:
- znikome koszty związane z budową urządzenia
- zerowy wydatek energetyczny napędu
- możliwość przyspieszania przez długi okres czasu "za darmo"

Wady:
- mała siła ciągu a za tym długi czas rozpędzania.
- ryzyko uszkodzenia membrany przez mikrometeoryty
- problematyczne rozkładanie ogromnych połaci cienkiego żagla bez jego uszkodzenia oraz utrzymanie jego napięcia.

Napęd ten został przetestowany tylko raz w japońskiej misji IKAROS.

Typy żagla:
- żagiel stelażowy

Najprostsza forma żagla przypominająca latawiec. Konstrukcja zbudowana z poprzecznych sztywnych prętów stelaża na której rozpięta jest membrana.
-żagiel obrotowy:

konstrukcja linowa na której zamocowana jest membrana. Do rozłożenia żagla wykorzystywana jest siła odśrodkowa wywołana obrotem konstrukcji. Poprzeczne linki służyłyby do kompensacji naprężeń spowodowanych przez ruch obrotowy.
- żagiel promieniowy

żagiel zbudowany z długich nawet na wiele kilometrów taśm początkowo zwiniętych a w czasie misji odrzucanych przez sprężynę przy okazji rozwijając się. zaletą rozwiązania jest brak utraty napędu w przypadku uszkodzenia którejś z taśm.

Inne żagle:
- żagiel magnetyczny

Ten typ żagla wykorzystywałby przede wszystkim wiatr słoneczny złożony z naładowanych cząsteczek a nie z fotony. Jego działanie polegałoby na rozłożeniu pętli z nadprzewodnika i wytworzeniu silnego pola magnetycznego powodującego odbijanie naładowanych cząsteczek.

- żagiel laserowy
żagiel wykonany z membrany odbijąjącej światło ale źródłem światła byłby umieszczony na orbicie lub księżycu laser. Technologia ta wymagałaby jednak lasera o dużej mocy oraz membrany która odbija ponad 99.95% światła tak aby laser jej nie zniszczył.

Źródła: wiki, orbitalvector

[wini]

mam nadzieje, że Air Q się nie obrazi ale fajnie to wytłumaczył i chciałbym żeby się to tu znalazło:) kopiuje z astro4u z tematu o Ikarosie:

Cytat: adam_m  18/03/2010 18:19
słonecznego (zakladam że 90% daje najlepsze efekty, czy może jest jak normalnych żaglach, tzn przy kącie ostrym mamy największy ciąg?)  i odległości od słońca?

Tak się może wydawać, że dla 90 stopni w stosunku do strumienia fotonów mamy najlepsze ustawienie. Są dwa ale
-im dalej od Słońca tym ciśnienie fotonów jest mniejsze
-trzeba pamiętać o grawitacji i całej z tym związanym mechanice orbitalnej
Lepiej ustawić żagiel pod odpowiednim kątem i odpowiednio kierować trajektorią. Tak jak na tych obrazkach:

Cytat: adam_m  18/03/2010 18:19
jedynie czego nie moge pojać to fakt jak oni chcą doleciec do Wenus przy pomocy żagla. do planet wewnetrznych chyba żagiel bedzie bardziej przeszkadzał niż pomagał. no chyba że chodzi tutaj o wychamowanie i zmniejszanie okołosłonecznej orbity?

Na to wygląda



Co do ciśnienia jakie wywołują fotony. To w przypadku idealnie gładkiej i idealnie odbijającej powierzchni, ustawionej 90 stopni do strumienia mamy wartość 9.1*10^-6 N/m^2, czyli jest to teoretyczne maksimum. Te liczby znalazłem tutaj
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20030093608_2003101292.pdf
można tam również znaleźć wyprowadzenie prostych zależności. Co ciekawe, na wstępie tego pdfa jest mowa o sondzie Mariner-10, która wykorzystała powyższe efekty aby zachować odpowiednie ustawienie w przestrzeni

[kanarkusmaximus]

Na prośbę Winiego scaliłem wątek o żaglu słonecznym z dwoma postami w wątku o IKAROSie.

Jarku - dzięki za linki! Naprawdę ciekawe!

[wini]

Jakiś rekordowych prędkości to raczej nie da się osiagnąć, bo efektywność tego napędu maleje szybko wraz z odległością od Słońca. Ale prędkosci znacznie rpzekraczajaće III kosmiczną są jak najbardizej realne, przynajmniej dla sond bezzałogowych o małej masie. P...

ciekawe informacje:) też troche poszukałem, angielska wiki wydaje się być dobrym źródłem o tej technologii. Na dole przedstawiono sposób na takie manewrowanie żaglem aby udało się osiągnąć prędkość maksymalna około 30AU/rok (przy zwykłym rozpędzaniu maksymalnie 14au/rok. Niestety moja ograniczona wiedza nie pozwala mi na pełne zrozumienie tych informacji więc jakby ktoś chciał je przetłumaczyć i przybliżyć tutaj to zapraszam:)

drugą informacja jaką znalazłem jest prędkość statku napędzanego żaglem gdyby oświetlano go laserem. tutaj wartości szacowane maksymalnej prędkości wąchają się od 10 do 50% prędkości światła, czyli taki napęd już pozwoliłby coś niecoś podziałać w okolicach naszego słoneczka;)

[Maquis]

Przy 10% prędkości światła podróż do najbliższego układu to jakieś 40-50 lat... całkiem znośnie, jeśli weźmie się pod uwagę, że Voyagery funkcjonują już przez 30 lat

[Jarek]

Mała korekta do tego, co pisałem przy Ikarosie [i jest już tutaj]. Otóz aby rozpędzić hipotetyczna sonde poza US do omawianych prędkości [70km/s alias 14AU/year] trzeb juz rpzy pomocy zagla wykonać manewr zbliżenia do Słońca [w linkowanych materiałach podają dystans 0.25AU], by potem wystrzelić w siną dal. Ten etap lotu też musi być realizowany za pomocążagla, bo jest równie jeśli nie bardziej energetycznie kosztowny [w sensie delta v], co lot na peryferie US, oczywiscie nie z tak skrajną prędkoscia, jak docelowa w tym projekcie.
Napisałem też, że żagiel ma być odstrzelony w odległości 5AU od Słońca. To nie przypadek, po prostu efektywność takiego napędu szybko spada. W jednym z linkowanych artykułów były wykresy-symulacje osiagów/profili lotu w zależności od  momentu odstrzelenia żagla i chyba też punktu przysłonecznego orbity. Widać stąd,że taki napęd ma [jak każdy] swoje ograniczenia.  Jest za to w miarę prosty w realizacji.
 W wersje z aktywnym "dmuchaniem" w żagiel za pomocą laserów/maserów nie bardzo mi się chce wierzyć w praktycznej realizacji. To może działać na mała odległość, gdzie problem ze skupieniem wiązki lasera i potrzebna mocą jest do pokonania technicznie. Tymczasem ze względu na znikomy ciąg sonda musiałaby być rozpędzana latami, by uzyskać te rewelacyjne delta v z teoretycznych opracowań. W krótkim czasie, osiagnąwszy zaledwie ułamek końcowej prędkości, znajdzie się tak daleko, że nawet jakiś giga laser umieszczony w punkcie startu będzie za słaby,by jego oddziaływanie na żagiel było mierzalne. Mówimy tu o odległościach mierzonych w wielokrotnościach AU [150mln km]. Dla przykładu dobrze zogniskowana wiązka lasera wycelowana w Księżyc [np. w odbłyśniki z Apollo czy Łunochoda] na miejscu ma przekrój średnicy rzędu 3km. A to jest dystans 380 tys. km zaledwie.
 Tak wiec sądzę, że w praktyce te marzenia o 10% prędkości światła zostaną w sferze s-f.
Pozdrawiam
-J.

[wini]

W wersje z aktywnym "dmuchaniem" w żagiel za pomocą laserów/maserów nie bardzo mi się chce wierzyć w praktycznej realizacji. To może działać na mała odległość, gdzie problem ze skupieniem wiązki lasera i potrzebna mocą jest do pokonania technicznie. Tymczasem ze względu na znikomy ciąg sonda musiałaby być rozpędzana latami, by uzyskać te rewelacyjne delta v z teoretycznych opracowań. W krótkim czasie, osiagnąwszy zaledwie ułamek końcowej prędkości, znajdzie się tak daleko, że nawet jakiś giga laser umieszczony w punkcie startu będzie za słaby,by jego oddziaływanie na żagiel było mierzalne. Mówimy tu o odległościach mierzonych w wielokrotnościach AU [150mln km]. Dla przykładu dobrze zogniskowana wiązka lasera wycelowana w Księżyc [np. w odbłyśniki z Apollo czy Łunochoda] na miejscu ma przekrój średnicy rzędu 3km. A to jest dystans 380 tys. km zaledwie.
 Tak wiec sądzę, że w praktyce te marzenia o 10% prędkości światła zostaną w sferze s-f.
Pozdrawiam
-J.

w źródłach które podawałem maksymalny zasięg takiego napędu a więc i lasera był podany na 40 lat świetlnych. jak pisałem wcześniej nie jestem jednak w stanie korygować takich twierdzeń.

[kanarkusmaximus]

w źródłach które podawałem maksymalny zasięg takiego napędu a więc i lasera był podany na 40 lat świetlnych. jak pisałem wcześniej nie jestem jednak w stanie korygować takich twierdzeń.

A nie chodziło tutaj przypadkiem o zasięg komunikacji laserowej?

[wini]

w źródłach które podawałem maksymalny zasięg takiego napędu a więc i lasera był podany na 40 lat świetlnych. jak pisałem wcześniej nie jestem jednak w stanie korygować takich twierdzeń.

A nie chodziło tutaj przypadkiem o zasięg komunikacji laserowej?

nie, chodzi o zasięg:

the upper limit for an interstellar light sail system is estimated at about 40 light years

w każdym razie z tego co wyczytałem takie systemy są jeszcze w sferze s/f więc możemy skończyć dyskusje:) Laser musiałby mieć ogromną moc, pracować przez lata i pożerałby więcej energii niż produkuje obecnie ludzkość. Chociaż te rzeczy chyba powinny zależeć od wielkości ładunku i coś małego powinno mieć mniejsze wymagania?

[Matias]

Troszkę odświeżamy - mamy właśnie na orbicie Ziemi żagielek kosmiczny, za którego ładne uwiecznienie są nawet nagrody, fundowane przez NASA i portal spaceweather.com

Fragment artykułu z kosmo - Konkurs: wyśledź NanoSail-D :

"NASA i witryna spaceweather.com ogłosiły wspólny konkurs na zdjęcie żagla słonecznego NanoSail-D. Satelita rozłożył 20 stycznia żagiel słoneczny o powierzchni 9,3 m2. Odbite od niego światło słoneczne sprawia, że satelita ma jasność ponad pięć razy większą od Wenus. NanoSail będzie orbitował jeszcze przez około 70-120 dni. (...)

Aby zachęcić amatorów do obserwacji satelity, agencja kosmiczna i serwis spaceweather.com ufundowały nagrody za trzy najlepsze zdjęcia przelatującego NanoSaila-D. Nagroda główna do 500 dolarów amerykańskich, I nagroda - 300 USD, II nagrofa - 100 USD."

Ktoś może próbował polować na "zajączka"?

Załącznik: Rozłożony żagiel satelity NanoSail-D.

[Trinkulo]

Skoro ma jasność kilkukrotnie większą od Wenus, a jasność Wenus w tej chwili to ok -4 mag przed wschodem Słońca to musi to być lepsze niż flara Iridium. Tymczasem za heavens-above.com jasność satelity waha się w granicach od 3 do 4 mag. Dlaczego ?

[Matias]

Skoro ma jasność kilkukrotnie większą od Wenus, a jasność Wenus w tej chwili to ok -4 mag przed wschodem Słońca to musi to być lepsze niż flara Iridium. Tymczasem za heavens-above.com jasność satelity waha się w granicach od 3 do 4 mag. Dlaczego ?

Być może chodzi o to, że maksymalna jasność liczona jest w czasie puszczenia zajączka - momencie odpowiedniego ustawienia się żagla względem statycznego obserwatora na Ziemi, kierując w jego stronę odbite od NanoSail-D światło.