Электрический парус
Электрический парус (также известный как электрический парус солнечного ветра или E-парус ) — это предлагаемая форма движения космического корабля, использующая динамическое давление солнечного ветра в качестве источника тяги. Он создает «виртуальный» парус, используя небольшие провода для формирования электрического поля , которое отклоняет протоны солнечного ветра и извлекает их импульс. Идея была впервые концептуализирована Пеккой Янхуненом в 2006 году в Финском метеорологическом институте . [ 1 ]
Принципы работы и конструкция
[ редактировать ]Электрический парус состоит из множества тонких, длинных и проводящих тросов , которые поддерживаются под высоким положительным потенциалом с помощью бортовой электронной пушки . [ 2 ] Положительно заряженные тросы отклоняют протоны солнечного ветра, тем самым извлекая из них импульс. Одновременно они притягивают электроны из плазмы солнечного ветра, создавая электронный ток. Электронная пушка компенсирует поступающий электрический ток.
Один из способов развернуть тросы — вращать космический корабль, используя центробежную силу, чтобы удерживать их натянутыми. Путем точной настройки потенциалов отдельных тросов и, следовательно, силы солнечного ветра индивидуально, положение можно контролировать космического корабля.
Миссии E-sail могут быть запущены практически в любое время с небольшими изменениями во времени в пути. Напротив, обычные миссии «рогатки» должны ждать, пока планеты достигнут определенного положения. [ 3 ]
Электрический солнечный ветровой парус имеет мало общего с традиционным солнечным парусом . Электронный парус получает импульс от ионов солнечного ветра , а фотонный парус приводится в движение фотонами . Таким образом, доступное давление составляет всего около 1% давления фотона; однако это может быть компенсировано простотой масштабирования. В Е-парусе роль паруса играют распрямленные проводящие тросы (изготовленные из проволок), которые радиально располагаются вокруг корабля-носителя. Провода электрически заряжены, поэтому электрическое поле вокруг проводов создается . Электрическое поле проводов простирается на несколько десятков метров в окружающую плазму солнечного ветра. Расстояние проникновения зависит от плотности плазмы солнечного ветра и масштабируется как дебаевская длина плазмы . Поскольку электроны солнечного ветра влияют на электрическое поле (аналогично фотонам в традиционном солнечном парусе), эффективный электрический радиус тросов основан на электрическом поле, которое генерируется вокруг троса, а не на самом тросе. Этот факт также дает возможность маневрировать, регулируя электрический заряд тросов.
Полноразмерный парус будет иметь 50–100 выпрямленных тросов длиной около 20 км (12 миль) каждый. [ 4 ]
[ 5 ] [ 6 ] По сравнению с отражающим солнечным светом парусом, еще одной безмоторной двигательной установкой для дальнего космоса, электрический парус на солнечном ветру может продолжать ускоряться на больших расстояниях от Солнца, все еще развивая тягу по мере движения к внешним планетам. К тому времени, когда он достигнет ледяных гигантов , он, возможно, наберет скорость до 20 км/с (45 000 миль в час; 72 000 км/ч), что соответствует скорости зонда New Horizons , но без гравитационной помощи .
Чтобы свести к минимуму повреждение тонких тросов от микрометеороидов , тросы будут состоять из нескольких нитей диаметром 25–50 микрометров, сваренных вместе через равные промежутки времени. Таким образом, даже если один провод будет разорван, токопроводящая дорожка по всей длине плетеного провода останется на месте. Возможность использования ультразвуковой сварки была продемонстрирована в Хельсинкском университете в январе 2013 года. [ 7 ]
История развития
[ редактировать ]Академия Финляндии финансирует разработку электрических парусов с 2007 года. [ 8 ]
Чтобы протестировать эту технологию, Европейским Союзом . в декабре 2010 года FMI объявила о новом исследовательском проекте электрического паруса, поддерживаемом [ 9 ] Финансовый вклад ЕС составил 1,7 миллиона евро. Его целью было создание лабораторных прототипов ключевых компонентов, в нем приняли участие пять европейских стран и оно завершилось в ноябре 2013 года. [ 10 ] По оценке ЕС проект получил высшие оценки в своей категории. [ 11 ] [ 12 ] Была предпринята попытка проверить принципы работы электрического паруса на низкой околоземной орбите на эстонском наноспутнике ESTCube-1 (2013-2015 гг.), но произошел технический сбой и попытка не увенчалась успехом. Пьезоэлектрический двигатель, используемый для разворачивания паруса, не смог повернуть катушку. В ходе последующих наземных испытаний вероятная причина неисправности была обнаружена в контакте контактного кольца, который, вероятно, был физически поврежден вибрацией при запуске.
Международная исследовательская группа, в которую входит Янхунен, получила финансирование в рамках второго этапа NIAC 2015 года для дальнейшей разработки в Центре космических полетов имени Маршалла НАСА. [ 2 ] [ 13 ] Их исследовательский проект называется «Гелиопаузная электростатическая система быстрого транзита» (HERTS). [ 2 ] [ 14 ] Концепция электростатической системы быстрого транзита «Гелиопауза» (HERTS) в настоящее время проходит испытания. HERTS может потребоваться всего 10–15 лет, чтобы преодолеть расстояние более 100 астрономических единиц (15 миллиардов километров). В концепции HERTS несколько положительно заряженных проводов длиной 20 километров и толщиной 1 миллиметр будут вытянуты из вращающегося космического корабля.
Новый спутник, запущенный в июне 2017 года, [ 15 ] [ 16 ] финский « Аалто-1» наноспутник , находящийся в настоящее время на орбите, в 2019 году испытает электрический парус на возможность схода с орбиты. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]
В 2017 году Академия Финляндии предоставила Центру передового опыта финансирование на 2018–2025 годы команде, в которую входят Янхунен и представители университетов, для создания Финского центра передового опыта в области исследований устойчивого космоса . [ 22 ] [ 23 ]
Внутренние ограничения
[ редактировать ]Почти все спутники на околоземной орбите находятся внутри магнитосферы Земли. Однако электрический парус нельзя использовать внутри планетарных магнитосфер , поскольку солнечный ветер не проникает в них, пропуская лишь более медленные потоки плазмы и магнитные поля . [ 24 ] Вместо этого внутри планетарной магнитосферы электрический парус может действовать как тормоз, позволяя сводить спутники с орбиты. [ 25 ]
Как и в случае с другими технологиями солнечных парусов, хотя умеренное изменение направления тяги может быть достигнуто за счет наклона паруса, вектор тяги всегда направлен более или менее радиально наружу от Солнца . Было подсчитано [ кем? ] этот максимальный рабочий наклон составит 60 °, что приведет к углу толкания 30 ° от внешнего радиального направления. Однако, как и в случае с парусами корабля, лавирование можно было использовать для изменения траектории. Межзвездные корабли, приближающиеся к Солнцу, могут использовать поток солнечного ветра для торможения. [ 25 ]
Приложения
[ редактировать ]- Быстрые миссии (> 50 км/с [110 000 миль в час; 180 000 км/ч] или 10 а.е. [0,00016 световых лет; 4,8 × 10 −5 парсек]) за пределами Солнечной системы и гелиосферы с небольшой или умеренной полезной нагрузкой
- В качестве тормоза для небольшого межзвездного зонда , который был разогнан до высокой скорости с помощью других средств, например лазерного светового паруса. [ 26 ]
- Миссии по спирали внутрь для изучения Солнца на более близком расстоянии
- Двусторонние миссии к внутренним объектам Солнечной системы, таким как астероиды.
- вне точки Лагранжа Космический аппарат для мониторинга солнечного ветра для прогнозирования космической погоды с временем предупреждения более 1 часа
Быстрые миссии на планету Уран
[ редактировать ]Янхунен и др. предложили полет на Уран с использованием электрического паруса. Миссия могла бы достичь пункта назначения примерно за то же время, которое требовалось более раннему космическому зонду «Галилео» , чтобы прибыть к Юпитеру , находящемуся чуть более чем на четверть меньшего расстояния. Галилею потребовалось 6 лет, чтобы достичь Юпитера, стоимость которого составила 1,6 миллиарда долларов, а Кассини-Гюйгенсу потребовалось 7 лет, чтобы добраться до Сатурна, и это стоило почти столько же. Ожидается, что парус будет потреблять 540 Вт , производя около 0,5 ньютона, ускоряя корабль примерно на 1 мм/с. 2 . корабль достигнет скорости около 20 км/с (45 000 миль в час; 72 000 км/ч). К моменту достижения Урана, через 6 лет после запуска, [ 3 ] [ 27 ] Обратной стороной является то, что электрический парус нельзя использовать в качестве тормоза, поэтому корабль достигает скорости 20 км / с (45 000 миль в час; 72 000 км / ч), что ограничивает миссии пролетами или миссиями входа в атмосферу . Для торможения потребуется обычная химическая ракета.
Предлагаемый корабль состоит из трех частей: модуль E-sail с солнечными батареями и катушками для удержания проводов; основной корпус, включая химические двигатели для корректировки траектории в пути и в пункте назначения, а также оборудование связи; и исследовательский модуль для входа в атмосферу Урана и проведения измерений для передачи на Землю через основной корпус. [ 3 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Электрический парус для создания силовой установки космического корабля. Патент подан 2 февраля 2007 г.; ПатентСкоп .
- ^ Jump up to: а б с Уолл, Майк (9 ноября 2015 г.). « Электрические паруса» смогут привести в движение сверхбыстрый космический корабль к 2025 году . Space.com . Проверено 10 ноября 2015 г.
- ^ Jump up to: а б с Новые технологии Из arXiv, 9 января 2014 г. «Новая форма движения космического корабля, предложенная для миссии на Уран | Обзор технологий MIT» . Technologyreview.com . Проверено 12 января 2014 г.
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Янхунен, П. (2004). «Электрический парус для движения космических кораблей». Журнал движения и мощности . 20 (4): 763–764. дои : 10.2514/1.8580 . S2CID 122272677 .
- ^ Янхунен, П.; Сандроос, А. (2007). «Моделирование воздействия солнечного ветра на заряженный провод: основа движения электрического паруса солнечного ветра» (PDF) . Анналы геофизики . 25 (3): 755. Бибкод : 2007AnGeo..25..755J . doi : 10.5194/angeo-25-755-2007 .
- ^ «Электрический солнечный ветровой парус Пекки Янхунена» . Проверено 18 апреля 2008 г.
- ↑ Разработан сверхтонкий провод для электрической парусной космической силовой установки , Марк Хоффман, Science World Report , 10 января 2013 г.
- ^ «Решения о финансировании Академии Финляндии» . Архивировано из оригинала 24 августа 2018 года . Проверено 2 января 2022 г.
- ^ Диллоу, Клей (9 декабря 2010 г.). «Электрический парус, поддерживаемый ЕС, может стать самым быстрым искусственным устройством, когда-либо созданным» . Популярная наука .
- ^ «Проект EU FP7 по электрическому солнечному ветровому парусу» . www.electric-sailing.fi . Проверено 2 января 2022 г.
- ^ «Электронный парус» . www.electric-sailing.fi .
- ^ «Проект ЕС по созданию электрического солнечного ветрового паруса» . Физорг.com . Проверено 12 января 2014 г.
- ^ «Введение в концепцию электрического солнечного паруса» . НАСА . КосмическаяСсылка. 17 августа 2015 года . Проверено 18 августа 2015 г. [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Программа HERTS в НАСА (2015)
- ^ «Аалто-1 — первый финский наноспутниковый проект» . Университет Аалто . Архивировано из оригинала 23 декабря 2014 г. Проверено 25 апреля 2016 г.
- ^ «Этот домен зарезервирован | aalto1.fi» . www.aalto1.fi .
- ^ «Следующей ночью в 00:51 на небе появится падающая звезда – это последнее путешествие злополучного финского спутника» . www.iltalehti.fi .
- ^ «Проект ЕС по строительству электрического солнечного ветрового паруса - Финский метеорологический институт» . ru.ilmatieteenlaitos.fi .
- ^ "уудифицированный" . ЭРР . Архивировано из оригинала 31 января 2013 года.
- ^ «Спутник «Аалто-1» готов к полету» . Аалто.фи. 2 марта 2016 г. Проверено 25 апреля 2015 г.
- ^ конечно, Балтийский курс - Балтийский. «ESTCube-1 передает свои последние слова: «Да здравствует Эстония!» » . Балтийский курс | Новости и аналитика стран Балтии . Проверено 24 апреля 2016 г.
- ^ «Список подразделений, выбранных для участия в программе Центра передового опыта на 2018–2025 годы» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 1 декабря 2017 г. Проверено 23 ноября 2017 г.
- ^ «Новости | Университет Аалто» . www.aalto.fi . 15 декабря 2023 г.
- ^ «Электрические паруса» могут позволить нам достичь самых дальних уголков космоса» . Футуризм. 30 октября 2017. Проверено 23 мая 2023 .
- ^ Jump up to: а б Эшли, Стивен. «Парус E-way: космический корабль, летающий на солнечном ветру на парусах электрического поля, может двигаться со скоростью 180 000 км/ч» . Научный американец . Проверено 21 июля 2018 г.
- ^ Перакис, Николас; Хейн, Андреас М. (2016). «Сочетание магнитных и электрических парусов для межзвездного замедления». Акта Астронавтика . 128 : 13–20. arXiv : 1603.03015 . Бибкод : 2016AcAau.128...13P . дои : 10.1016/j.actaastro.2016.07.005 . S2CID 17732634 .
- ^ Янхунен, Пекка; Лебретон, Жан-Пьер; Мерикаллио, Сини; Патон, Марк; Менгали, Джованни; Кварта, Алессандро А. (2014). «Миссия по быстрому входу в Уран с электронным парусом». Планетарная и космическая наука . 104 : 141–146. arXiv : 1312.6554 . Бибкод : 2014P&SS..104..141J . дои : 10.1016/j.pss.2014.08.004 . S2CID 118329908 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Электростатическая система скоростного транспорта «Гелиопауза»
- Официальная страница электронной почты FMI
- Список оригинальных научных публикаций
- Финский метеорологический институт/космические исследования
- «Электрический солнечный ветровой парус может стать источником энергии для будущих космических путешествий в Солнечной системе» . ScienceDaily . 17 апреля 2008 г. Проверено 15 октября 2008 г.
