Hoe Solar Sail Technology Werkt

{h1}

In dit artikel zal WordsSideKick.com laten zien hoe de technologie van zonne-zeil werkt, en een diepgaande blik werpen op de cosmos-1-missie.

In de jaren 1970 stelden NASA-wetenschappers voor een sonde naar de komeet van Halley te sturen, die zou worden voortgestuwd door de druk van het zonlicht tegen een gigantisch zonnevizuig. Hoewel het voorstel werd verworpen als zijnde te riskant en onbewezen, heeft het idee van een door een zonnevaart aangedreven ruimtevaartuig te lijden gehad. Talloze ontwikkelingen en tests van materialen met zonne-zeil zijn in de loop van de jaren uitgevoerd, maar niemand heeft een dergelijk ruimtevaartuig ontworpen, met succes gelanceerd en gevaren.

In juni 2005 zal The Planetary Society, in samenwerking met verschillende Russische ruimtevaartorganisaties, het ruimteschip Cosmos-1 in de baan van de aarde lanceren.

Wat is een zonnevaartuig? Hoe kun je zonlicht gebruiken om een ​​ruimtevaartuig in de ruimte te verplaatsen? In dit artikel laat WordsSideKick.com zien hoe zonneweekse-technologie werkt, bekijk de Cosmos-1-missie grondig en ontdek wat zonne-energie betekent voor toekomstige ruimtevaart.

Speciale dank

Speciale dank aan Dr. Louis Friedman, Uitvoerend directeur van De Planetaire Samenleving, voor zijn technische hulp.

Solar Sails

Vierkant zonneveer

Vierkant zonneveer

Zonnezeilen kunnen beelden oproepen van grote oude zeilschepen, zoals klipper schepen, of moderne America's Cup race jachten. De principes, constructie en werking van zonneweringen verschillen echter aanzienlijk van die van zeilboten.

Wat is een Solar Sail?

EEN zonnevaart is een zeer grote spiegel die zonlicht reflecteert. Als de fotonen van zonlicht het zeil raken en weerkaatsen, duwen ze het zeil zachtjes mee door het momentum over te brengen op het zeil. Omdat er zoveel fotonen uit zonlicht zijn en omdat ze constant het zeil raken, is er een constante druk (kracht per oppervlakte-eenheid) uitgeoefend op het zeil die een constante versnelling van het ruimtevaartuig produceert. Hoewel de kracht op een zonne-zeil ruimtevaartuig minder is dan een conventionele chemische raket, zoals de spaceshuttle, versnelt het ruimtevaartuig met zonne-energie constant in de tijd en bereikt een hogere snelheid. Het is als het vergelijken van de effecten van een windvlaag versus een gestage, zachte bries op een paardenbloemzaad dat in de lucht zweeft. Hoewel de windvlaag (raketmotor) aanvankelijk het zaad met grotere kracht duwt, sterft het snel en het zaad loopt slechts zo ver weg. In tegenstelling, duwt de wind zwak het zaad gedurende een langere periode van tijd, en het zaad reist verder. Zonnezeilen zorgen ervoor dat ruimtevaartuigen binnen het zonnestelsel en tussen sterren kunnen bewegen zonder grote raketmotoren en enorme hoeveelheden brandstof.

Wat is een Solar Sail gemaakt van?

Om een ​​zonnevaart een praktische manier te maken om een ​​ruimteschip voort te stuwen, moet het een van de volgende kenmerken hebben:

  • Groot gebied - Het moet zoveel mogelijk zonlicht verzamelen, want hoe groter het gebied, des te groter de kracht van het zonlicht.
  • Lichtgewicht - Het zeil moet dun zijn en een minimale massa hebben, want hoe meer massa, hoe minder versnelling het zonlicht aan het zeil geeft.
  • Duurzaam en temperatuurbestendig - Het moet de temperatuurveranderingen, geladen deeltjes en micrometeoroidevallen van de ruimte weerstaan.

Om aan deze kenmerken te voldoen, zijn de meeste zonneweringen gemaakt van dunne, met metaal gecoate, duurzame kunststoffen zoals Mylar of Kapton. Het zonneveer van Cosmos-1 is bijvoorbeeld gemaakt van aluminium gecoat Mylar, heeft een dikte van 0,0002 inch of 5 micron (gewone Saran-wrap is ongeveer 0,001 inch of 25 micron dik) en een oppervlakte van 6,415 vierkante voet (600 square meter).

Zonne-zeilen zijn er in drie belangrijke ontwerpen:

  • Vierkant zeil - vereist bomen om het zeilmateriaal te ondersteunen
  • Heliogyro vaar - bladen als een helikopter, het zeil moet worden gedraaid voor stabiliteit
  • Disc zeil - rond zeil dat moet worden bestuurd door het zwaartepunt ten opzichte van het drukpunt te verplaatsen

Cosmos-1 heeft een zonneveer dat een kruising is tussen een vierkant zeil en een heliogyro-zeil. Het is een afgerond zonneveer dat is verdeeld in acht driehoekige bladen met opblaasbare gieken voor ondersteuning. Het zeil hoeft niet te worden gedraaid voor stabiliteit.

Cruisen door zonlicht

Het manoeuvreren van een ruimtevaartuig met zonne-zeil vereist het in balans brengen van twee factoren: de richting van het zonneveer ten opzichte van de zon en de omloopsnelheid van het ruimtevaartuig. Door de hoek van het zeil ten opzichte van de zon te veranderen, verandert u de richting van de kracht die door zonlicht wordt uitgeoefend.

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

Een solair zeil manoeuvreren om van baan te veranderen (ter illustratie, de verandering in de baan die hier wordt weergegeven, gebeurt sneller dan in werkelijkheid.)

Wanneer het ruimtevaartuig in een baan rond de aarde of de zon is, rijdt het met een gegeven snelheid en afstand in een cirkelvormig of elliptisch pad. Om naar een hogere baan te gaan (verder van het object af reizen), beinvloedt u het zonneveer ten opzichte van de zon, zodat de door zonlicht opgewekte druk in de richting van uw omloopbeweging staat. De kracht versnelt het ruimtevaartuig, verhoogt de snelheid van zijn baan en het ruimtevaartuig beweegt in een hogere baan. Als u daarentegen naar een lagere baan wilt gaan (dichter bij het object), buigt u het zeil ten opzichte van de zon zodat de druk die door het zonlicht wordt gegenereerd, tegenovergesteld is aan de richting van uw omloopbeweging. De kracht vertraagt ​​dan het ruimtevaartuig, verlaagt de snelheid van zijn baan en het ruimtevaartuig valt in een lagere baan.

De druk van zonlicht neemt af met het kwadraat van de afstand tot de zon. Daarom oefent zonlicht meer druk uit op de zon dan verder weg.Toekomstige zonne-zeil ruimtevaartuigen kunnen hiervan profiteren door eerst te laten vallen in een baan dicht bij de zon - een zonnevlieg - en de grotere zonlichtdruk te gebruiken om een ​​grotere versnellingstoename te krijgen aan het begin van de missie. Dit wordt a genoemd aangedreven perihelion manoeuvre.

Druk van zonlicht

Aan de hand van de volgende vergelijkingen en waarden kunt u de kracht van het zonlicht en de versnelling van het ruimtevaartuig berekenen:

  • Kracht (F) = 2 (P x A) / c
  • Versnelling (a) = F / M

Bij 1 astronomische eenheid (AU) is de kracht van zonlicht ongeveer 131 watt / voet2 (1.400 watt / meter2). Ons ruimtevaartuig weegt 2,2 lb (1 kg) en heeft een zeiloppervlak van 0,38 mi2 (1 km2 of 1 miljoen m2), dus:

  • P (vermogen) = 1.400 watt / m2
  • EEN (oppervlakte) = 1 miljoen m2
  • c (snelheid van het licht) = 3x108 Mevrouw
  • M (massa) = 1 kg

Dit komt neer op een kracht (F) van ongeveer 2 lb of 9 newtons (N). Deze kracht leidt tot een versnelling (a) van ongeveer 29 ft / s 2 (9 m / s2), iets minder dan de versnelling ten gevolge van de zwaartekracht van de aarde. Ter vergelijking: een hoofdmotor met ruimtependel kan 367.000 lb (1,67 miljoen N) kracht produceren tijdens het opstijgen en 462.000 lb (2,1 miljoen N) stuwkracht in een vacuüm.

Cosmos-1 ruimtevaartuigontwerp

Eén blad voor zonne-zeil

Eén blad voor zonne-zeil

Het eerste zonne-zeil ruimtevaartuig, Cosmos-1 genaamd, is ontwikkeld, gebouwd en getest door The Planetary Society, een particuliere non-profitorganisatie die tot doel heeft de verkenning van ons zonnestelsel aan te moedigen. De Planetaire Samenleving heeft een Russische ruimtevaartorganisatie gecontracteerd, de Babakin Space Center, om het ruimteschip te bouwen, te lanceren en te bedienen. De kosten van het project bedragen ongeveer $ 4 miljoen en worden gefinancierd door Cosmos Studios, een nieuw op wetenschap gebaseerd mediabedrijf.

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

Kosmos-1 ruimtevaartuig

Het ruimtevaartuig zelf weegt 88 lb (40 kg) en kan op een tafelblad zitten. Na de lancering van de eerste fase wordt het ruimtevaartuig in de baan om de aarde gebracht - 840 km perperte en 850 km hoge top. De ruimtetuigsystemen omvatten:

Zonne-zeil

  • gemaakt van gealuminiseerd Mylar
  • dikte van 0,0002 inch (5 micron)
  • oppervlakte van 6,415 vierkante voet (600 vierkante meter)
  • opgesteld in acht driehoekige bladen, elk ongeveer 15 m lang en bestaande uit opblaasbare plastic buizen die het zeil ondersteunen (een schuim kan in de buizen worden gebruikt om ze vast te houden als ze eenmaal zijn opgeblazen). Elk blad kan door elektrische motoren worden gedraaid (zoals een helikopterblad) om de hoek ten opzichte van de zon te veranderen.

Zonne-zeil inzet - Een gasvulsysteem onder druk blaast de plastic buizen op.

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

Zonne-zeil inzet

macht - Een klein aantal zonnecellen levert alle elektrische energie.

  • Navigatie - Het is essentieel voor het ruimtevaartuig om te weten waar het is en waar de zon te allen tijde is.
  1. Een sensor detecteert de positie van de zon.
  2. Een GPS-ontvanger (Global Positioning System) detecteert de positie van het ruimtevaartuig. (Vanaf de grond wordt de baan van het ruimtevaartuig bepaald aan de hand van Doppler-volggegevens met behulp van ingebouwde versnellingsmeters, die we later zullen bespreken.)
  3. De informatie van de zonsensor en de GPS-ontvanger worden continu doorgegeven aan de boordcomputer van het ruimtevaartuig.
  4. De boordcomputer bedient de motoren die de zeilmessen draaien om de juiste oriëntatie van de zeilmessen ten opzichte van de zon te behouden.
  5. De boordcomputer kan correcties accepteren of opdrachten van de grond opheffen.

communicatie - Redundante radiosystemen worden gebruikt om te communiceren met vluchtcontrollers op de grond.

  • één UHF-band, 400 megahertz
  • één S-band, 2210 MHz

Boordcomputer

  • Twee microprocessors uit de 386EX-serie: oud, maar betrouwbaar in de barre omgeving van de ruimte; kan worden uitgevoerd in energiebesparende modi, vergelijkbaar met laptops; geprogrammeerd om de systemen aan boord te bedienen, informatie door te geven aan de grond en opdrachten van de grond te ontvangen
  • Een softwareprogramma wijst taken toe aan elke microprocessor op basis van de werkbelasting en prestaties (snelheid, vertraging).
  • Elke processor heeft zijn eigen kleine hoeveelheid alleen-lezen geheugen (ROM) - genoeg om de computer op te starten en het besturingssysteem te laden in RAM (Random-Access Memory).
  • Drie herschrijfbare ROM's bevatten de besturingssystemen en programma's. De kopieën van de ROM worden vóór gebruik gecontroleerd op fouten veroorzaakt door straling in de ruimte.
  • Er zijn drie RAM's aanwezig om het besturingssysteem te ontvangen. Nogmaals, de integriteit van elk RAM wordt gecontroleerd op fouten voordat het wordt geladen.
  • Dankzij de ROM-architectuur kunnen programmeurs op elk gewenst moment de software van het ruimtevaartuig bijwerken en opnieuw opstarten. Het stelt het ruimtevaartuig ook in staat te functioneren in het geval van ernstige stralingsschade.
  • Gegevens worden opgeslagen in twee afzonderlijke databases die zijn verbonden door seriële en parallelle systemen.

instrumenten

  • Twee ingebouwde beeldcamera's (Russisch en Amerikaans) om de missie te documenteren
  • On-board accelerometers om de versnelling van het ruimtevaartuig te meten als gevolg van zonlichtdruk (niet-zwaartekrachtversnelling)

In de volgende sectie zullen we de details van de Cosmos-1-missie bespreken.

Folding Solar Sails

Het oorspronkelijke ontwerp van het zeilblad had het tot rollen gevouwen. Sommige testen gaven echter aan dat het vouwen van de zeilmessen in accordeonachtige structuren betrouwbaarder zou zijn, wat nog steeds zou worden ingezet door de buizen op te blazen.

Cosmos-1-missie

Cosmos-1 wordt gelanceerd vanaf een onderzeeër.

Cosmos-1 wordt gelanceerd vanaf een onderzeeër.

Start het voertuig

Om de Cosmos-1 in de baan van de aarde te krijgen, wordt het ruimtevaartuig geladen in een gemodificeerde intercontinentale ballistische raket (ICBM) van Russisch ontwerp, de Volna. Het ICBM zal worden gelanceerd vanaf een Russische onderzeeër in de Barentszzee.Typisch, de Volna ICBM heeft niet voldoende stuwkracht om een ​​baan te bereiken, maar de raket die voor Cosmos-1 wordt gebruikt, heeft een extra raketmotor (kick stage) die wordt gebruikt om satellieten te ont-banen. De kickstage-engine biedt de extra stuwkracht die nodig is om Cosmos-1 in een baan om de aarde te krijgen.

Eens in een baan om de aarde zullen de zonneweringen worden ingezet. De missie kan van enkele dagen tot enkele maanden duren. De missie zal als een succes worden beschouwd als het ruimtevaartuig met behulp van de zonnezeilen naar een hogere baan kan gaan. Als het doel van de missie wordt bereikt en de missie langer dan een paar dagen duurt, kan er een aanvullende test zijn om te bepalen of op aarde gebaseerde lasers voldoende licht kunnen leveren om het ruimtevaartuig in een baan om de aarde te duwen.

Hoe Solar Sail Technology werkt: sail

Lancering (grotere versie van de afbeelding)

Andere Solar Sail-missies

Andere groepen dan The Planetary Society hebben zonnegolfmissies voorgesteld en ontwikkelen. In augustus 2004 werden twee grote zonneweringen gelanceerd die door de Japanse luchtvaartonderzoeksdienst in de ruimte werden ingezet. NASA ontwikkelt een ruimtevaartuig met zonne-zeil om te lanceren. Het Duitse Ruimtevaartagentschap (DLR) en het European Space Agency (ESA) hebben ook een ruimtevaartuig met zonne-zeil in ontwikkeling en de Carnegie Mellon University werkt aan een heliogyro-zonnevaartuig.

Toekomst van Solar Sails

Het grote voordeel van een ruimtevaartuig met zonne-zeil is dat het tussen de planeten en de sterren kan reizen zonder brandstof te vervoeren. Zonne-zeil ruimtevaartuigen hebben alleen een conventioneel lanceervoertuig nodig om in de baan van de aarde te komen, waar de zonneweringen kunnen worden ingezet en het ruimtevaartuig wordt uitgezonden. Deze ruimtevaartuigen versnellen geleidelijk, in tegenstelling tot conventionele chemische raketten, die een extreem snelle acceleratie bieden. Dus voor een snelle reis naar Mars biedt een zonne-zeil ruimtevaartuig geen voordeel ten opzichte van een conventionele chemische raket. Als u echter een grote lading naar Mars moet vervoeren en u geen haast heeft, is een ruimtevaartuig met zonne-energiezeilen ideaal. Wat betreft het reizen over de grotere afstanden die nodig zijn om de sterren te bereiken, kunnen zonne-zeil ruimtetuigen, die een geleidelijke maar constante versnelling hebben, hogere snelheden bereiken dan conventionele chemische raketten en zo de afstand in minder tijd overbruggen. Uiteindelijk maakt zonne-zeiltechnologie interstellaire vluchten en pendelbussen tussen planeten minder duur en daarom praktischer dan conventionele chemische raketten.

Specifieke impuls

In de raketwetenschap wordt de brandstofefficiëntie van een raketmotor gemeten aan de hand van zijn specifieke impuls. Specifieke impuls verwijst naar de eenheden van stuwkracht per eenheid drijfgas in de loop van de tijd verbruikt. Omdat een zonne-zeil ruimtevaartuig geen brandstof draagt, heeft het een oneindige specifieke impuls.

Verwante WordsSideKick.com-koppelingen

  • Hoe licht werkt
  • Hoe Rocket-motoren werken
  • Hoe satellieten werken
  • Hoe Space Shuttles werken
  • Hoe de zon werkt
  • Hoe Space Elevators zullen werken
  • Hoe lichtaandrijving zal werken
  • Hoe opblaasbaar ruimtevaartuig zal werken
  • Hoe antimaterie ruimtevaartuigen zullen werken
  • Hoe Fusion Propulsion zal werken
  • Hoe Space Elevators zullen werken

De Planetaire Samenleving

  • De Planetaire Samenleving
  • Het Solar Sail-project van de Planetary Society
  • Cosmos Studios, Inc.

Solar Sail-informatie

  • NASA's Advanced Propulsion Concepts: Solar Sails
  • NASA's Advanced Propulsion Concepts: Interstellar Light Sail
  • Duits Ruimtevaartagentschap (DLR) Solar Sail Home Page
  • Solar Sails
  • Het Microlight Solar Sail
  • Carnegie Mellon University: Solar Blade Solar Sail Project
  • JPL Basisbeginselen van Space Flight

Boeken

  • "Starsailing: Solar Sails and Interstellar Travel" door Louis Friedman
  • "Space Sailing" door Jerome L. Wright
  • "The Starflight Handbook: A Pioneer's Guide to Interstellar Travel" door Eugene F. Mallove, Gregory L. Matloff (Contributor)
  • "Solar Sailing: Technology, Dynamics and Mission Applications" door Colin Robert McInnes
  • "Rise from Earth: een gemakkelijk te begrijpen gids voor ruimtevluchten" door Wayne Lee


Video Supplement: Solar Sails are the Future of Space Travel.




Onderzoek


Fracking-Linked Earthquakes May Strike Far From Wells
Fracking-Linked Earthquakes May Strike Far From Wells

2011: Jaar Van Natuurrampen (Infographic)
2011: Jaar Van Natuurrampen (Infographic)

Science Nieuws


Ontdekking Van Deeltjes Heeft Natuurkundigen In De Maling Genomen
Ontdekking Van Deeltjes Heeft Natuurkundigen In De Maling Genomen

Vreemde Vis Heeft Doorschijnend Hoofd
Vreemde Vis Heeft Doorschijnend Hoofd

Bijna 2 Miljoen Kinderen Sterven Aan Vervuiling Per Jaar
Bijna 2 Miljoen Kinderen Sterven Aan Vervuiling Per Jaar

Waarom Mensen 'Twitch' Wanneer Ze In Slaap Vallen?
Waarom Mensen 'Twitch' Wanneer Ze In Slaap Vallen?

Grand Cayman Blue Iguana Kruipt Terug Van Uitsterven
Grand Cayman Blue Iguana Kruipt Terug Van Uitsterven


WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com