Röviden a cikkről: Korábban a taxisofőrök azt kiabálták: „De menjünk!”, a pilóták - „A légcsavartól!”, Gagarin pedig a lakonikusra szorítkozott: „Menjünk!” Elképzelhető, hogy 20-30 év múlva a kozmonauták „tengeri” felkiáltásokkal fogják megtölteni a rádió éterét, mint például: „Emeld fel a nagyvitorlát, távolítsd el a bomba felső vitorláit!” Végül is a napvitorla olcsó, hozzáférhető és nagyon hatékony közlekedési eszköz az űrben, amely ma az egyik legjobb módja annak, hogy az emberek eljuthassanak a Marsra. Minden, amit tudni szeretne erről, megtalálható az új „Emelje fel a vitorlákat!” cikkben.

Emeld fel a vitorlákat!

Napvitorla - az út a csillagokhoz

Mindenki gyerekkora óta tudja, hogy ilyen és olyan lehetetlen. De mindig van egy tudatlan ember, aki ezt nem tudja. Ő teszi a felfedezést.

Albert Einstein

A vitorla egy egyszerű eszköz, amely több száz éve jól szolgálja az embereket. A földet pontosan vitorlák alatt alakították ki. Ám a 19. század végén először a gőzgépeknek, majd a dízelmotoroknak adtak teret, később pedig az űrrakéták és az atomenergia állt az ember szolgálatába. Úgy tűnik, a vitorlás hajók örökre „elhajóztak” a sport, a gazdagok szabadidős, drága történelmi filmek és kalandos tengeri regények birodalmába.

Ahogy Rabinovich mondta egy híres viccben: „Alig várod!” Az űrkutatás vezető szakértői évtizedek óta komolyan vitatják a napvitorla űrben való alkalmazásának kérdését. Sokan hallottuk már ezt a kifejezést, és hozzávetőleges elképzelésünk van a napvitorla működéséről. De mi is az a napvitorla, ha közelebbről megvizsgáljuk? Valóban hatékonyabb, mint a vegyi rakétahajtóművek?

Szerző!

Közel 400 évvel ezelőtt a kiváló német csillagász, Johannes Kepler (1571-1630) üstökösöket figyelve azt tapasztalta, hogy farkuk folyamatosan a Nappal ellentétes irányba van irányítva. Az általa 1619-ben megjelent „Az üstökösökről” című értekezés a napfény hatásával magyarázta ezt a jelenséget (ez akkoriban nemcsak őrült, de kifejezetten veszélyes gondolat is volt). Mindenesetre Kepler volt az első, aki felvetette, hogy a napfény nyomást gyakorol az üstökösök farkára.

A következő néhány évszázadban csak a csillagászokat, a sarlatánokat és a skizofréneket érdekelte az űr, és az elsők pusztán akadémikusan kutatták azt – nem volt szándékuk odarepülni, a többiek pedig biztosan nem tudták kitalálni, hogyan használnák a napfényt a világűrre. bolygók.

A fénynyomás elméletét a klasszikus elektrodinamika keretein belül James Clarke Maxwell terjesztette elő 1873-ban, aki ezt a jelenséget az elektromágneses mező impulzusának anyagra való átadásával hozta összefüggésbe.

Történik, hogy a nyugati tudósok manapság rendkívül vonakodnak emlékezni arra, hogy Oroszországban nagy tudományos felfedezéseket tettek. Egyáltalán nem hozzák összefüggésbe a rádió feltalálását Popovval, és az izzólámpát sem Lodyginnel. Azt azonban kivétel nélkül minden kutató elismeri, hogy honfitársaink az úttörők az űrvitorlák fejlesztésében.

Így a fény szilárd anyagokra gyakorolt ​​nyomását először Pjotr ​​Nyikolajevics Lebegyev (1866-1912) vizsgálta 1899-ben. Kísérleteiben egy ürített (~10-től mínusz 4-ig higanymilliméter hatványig terjedő) üvegedényt használt, ahol vékony ezüstszálra függesztették fel egy torziós mérleg lengőkarjait vékony csillámkorong-szárnyakkal. besugárzásnak voltak kitéve). Lebegyev volt az, aki kísérletileg megerősítette Maxwell fénynyomás-elméletének érvényességét.

Magát a napvitorlát egy másik orosz tudós találta fel - Friedrich Arturovich Zander(1887-1933). Először megvizsgálta ennek az eszköznek több tervét, amelyek közül a legmegfelelőbbet részletesen leírta 1924-ben a „Flights to Other Planets” című cikk kiadatlan változatában.

A tudós terve szerint a napvitorla területe 1 négyzetkilométer, képernyővastagsága 0,01 milliméter, tömege pedig 300 kilogramm. A vitorlának rendelkeznie kellett egy központi tengellyel és bizonyos erőelemekkel, amelyek támogatták az alakját. Zander megjegyezte, hogy a képernyő vastagsága még kisebb is lehet, mivel Edisonnak sikerült 0,001 milliméter vastag és 3200 négyzetméteres nikkellemezeket előállítania.

A tudós megpróbálta kidolgozni az űrhajók napvitorla alatti mozgásának alapelméletét is. Célszerűnek tartotta, hogy egy köztes bolygóközi állomáson elhelyezett második vitorla által összegyűjtött fényáramot az űrhajó napvitorlájára irányítsák. Ez az elképzelése visszhangozza azokat a modern javaslatokat, amelyek szerint mesterséges sugárzó (lézer) szelet kell használni egy űrhajó felgyorsítására, ami lényegesen nagyobb nyomást gyakorol a felszínre, mint a napsugarak.

Amink van?

Egyes források a napvitorlát „fénynek” nevezik - ez leggyakrabban olyan esetekben történik, amikor nem a Napot, hanem például a lézert javasolják fényforrásként használni.

Ennek az eszköznek a működési elve hihetetlenül egyszerű - az űrszonda egy nagy vásznat - egy vitorlát - telepít, amely vagy visszaveri, vagy elnyeli (fekete vitorlás opciókat is figyelembe vesznek) a fény fotonjait.

A Föld keringési pályáján (1 csillagászati ​​egységnyi távolságra a Naptól) egy 0,8 g/m 2 tömegű vitorla megközelítőleg ugyanolyan erősségű napfényt tapasztal. A nyomás fordítottan arányos a Naptól való távolság négyzetével. Ne feledje, hogy a vitorla sokkal nehezebb is lehet - és ennek ellenére többé-kevésbé működőképes marad, bár nem lesz képes önállóan kibontakozni a napszél hatására (mechanikusan kell kihelyezni).

A napvitorla fő hátránya, hogy a hajót a Naptól csak távolabb tudja mozgatni, felé nem. Néha elhangzik az a vélemény, hogy a Nap irányába repülés lehetséges, ha tapogatózik (itt nyilvánvaló az analógia a tengeri vitorlás széllel szembeni cikcakkos mozgásával). A napvitorla dőlésszögének a ráeső fényhez viszonyított megváltoztatásával könnyedén irányíthatja az űrhajót, tetszés szerinti gyakorisággal változtatva a röppályáját (rakétahajtóművek számára elérhetetlen öröm).

A világűrben való mozgás „vitorlás” módszerének fő és legfontosabb előnye az üzemanyagköltségek teljes hiánya. A Föld-közeli űrben egyelőre nincs alternatívája a modern vegyi rakétáknak – viszonylag olcsók, és több száz tonna rakományt képesek pályára állítani.

Ha azonban bolygóközi utazásról van szó, a kémiai rakéták előnyei véget érnek. Egyszerűen nem képesek a hajót állandó gyorsulással (és ezáltal a lehető legnagyobb sebességgel) biztosítani – elvégre tömegük több mint 90%-a gyorsan elfogyasztott üzemanyag. A legóvatosabb becslések szerint egy Mars-úthoz 900 tonna üzemanyagra lesz szükség - és ez annak ellenére, hogy a hasznos teher tömege körülbelül 10-szer kisebb lesz. Azt is mondják a rakétákról, hogy „az üzemanyag viszi magát”.

Első pillantásra az űrvitorla nagyon lassú. Igen, valóban, a gyorsulás kezdeti szakaszai egy teknősfajra hasonlítanak majd. Nem szabad azonban megfeledkezni arról, hogy a gyorsulás folyamatosan hat (0,8 g/m2 súlyú vitorla esetén a kezdeti gyorsulás 1,2 mm/s2 lesz). Levegőtlen körülmények között ez lehetővé teszi, hogy az ember nagyon rövid idő alatt óriási sebességet érjen el.

Sajnos a napvitorla űrben való használatának kilátásairól szóló vita nem érint egy nagyon fontos kérdést - hogyan lassítják le a hajót ilyen gigantikus sebességeknél? A csillagközi expedíciókra van válasz - az ellenkező irányba fordított napvitorla használatával (ez azonban jelentősen megnöveli a repülési időt). De mi a helyzet egy utazással, mondjuk a Marsra? A rakéta-üzemanyagot nem hatékony magával vinni, és az új típusú hajtóművek (például a jelenleg fejlesztés alatt álló ionmotorok) alkalmazása továbbra is kérdéses.

Anyag és forma

Az anyag, amelyből a napvitorlákat készítik, a lehető legkönnyebb és tartósabb legyen. Jelenleg a legígéretesebb polimer fóliák a Milar és a Kapton (5 mikron vastagság), az egyik oldalon alumíniumozott (a legvékonyabb fémréteg, 100 nanométer), ami akár 90%-os visszaverődést is biztosít.

Ennek megvannak a maga nehézségei. A Mylar nagyon olcsó és könnyen beszerezhető (kicsit vastagabb fóliák is kaphatók a kereskedelemben), de hosszú távú űrben való használatra alkalmatlan, mivel ultraibolya sugárzás hatására megsemmisül. A Kapton stabilabb, de egy ilyen film minimális vastagsága 8 mikron, és ez csökkenti egy ilyen vitorla teljesítményét.

Jelenleg a nanotechnológia fejlődésében reménykednek a tudósok – segítségükkel szén nanocsövekből lehet a legkönnyebb és leghatékonyabb napvitorlát létrehozni.

A vitorlák formája (dizájnja) szinte fontosabb, mint az anyag, amelyből készültek.

A legegyszerűbb és legmegbízhatóbb (de nehezebb, és ezért nem túl gyors) napvitorla vázszerkezettel rendelkezik. Leginkább egy sárkányra hasonlít - egy könnyű, kereszt alakú keret négy háromszög alakú vitorla támasztó alapja, biztonságosan rögzítve. A keret alakja eltérő lehet - akár kerek is. Ennek a kialakításnak az a nyilvánvaló előnye, hogy a vitorlák biztonságosan rögzítve vannak – nem tudnak felkunkorodni, és könnyen irányíthatók (különböző szögben elforgathatók a fényhez képest).

Vannak olyan vitorlatervek, amelyeknek nincs keretük - az úgynevezett „forgó szerkezet”. Ezek a modellek az űrhajóhoz rögzített szalagok formájában készülnek. Ahogy a neve is sugallja, az ilyen típusú vitorlák nyitását a hajó tengelye körüli forgása biztosítja. A centrifugális erők (kis súly van rögzítve a hevederek végeihez) különböző irányokba húzzák őket, így nehéz keret nélkül is megtehető. Elméletileg ez a kialakítás nagyobb mozgási sebességet biztosít a térben, mint egy vázszerkezet alacsony súlya miatt.

Ezek a napvitorla szerkezetének fő lehetőségei. Más modelleket is kínálnak, például olyan vásznakat, amelyek szabadon lebegnek a térben, és kábelekkel rögzítik a hajóhoz. Ez a vitorlák egyfajta „versenyzős” változata - minden sebességi előnyük ellenére megbízhatatlanok és nehezen irányíthatók.

Egy másik lehetőség (bár egyes kutatók hajlamosak egy külön jövő járműosztályba helyezni) az úgynevezett „plazmavitorla”.

A plazmavitorlák a Föld mágneses terének miniatűr modelljei lesznek. Ahogy a napszél nyomása alatt meghajlik a mágneses mezőnk, úgy az űrhajót körülvevő (15-20 kilométer átmérőjű) mágneses tér is visszahúzódik a töltött részecskék nyomása alatt.

Mit tartogat számunkra a következő nap?

Tavaly augusztus 9-én a Japán Asztronautikai Intézet (ISAS) két teljes értékű napvitorlát bocsátott vízre és telepített alacsony pályára (122 és 169 km).

De nem a felkelő nap országa volt az első, ahol napvitorlákat teszteltek. A pálma (néhány fenntartással) ismét Oroszországhoz tartozik - 1993. február 4-én a Znamya-2 kísérletet egy 20 méteres vékonyrétegű szerkezet bevetésével végezték centrifugális erők alkalmazásával a Progress M- fedélzetén. 15 űrszonda dokkolt az orbitális állomáshoz.

Miért ez a bajnokság fenntartásokkal? A tény az, hogy a kísérlet fő célja nem ennek a vászonnak a tapadási tulajdonságainak tesztelése volt, hanem a földfelszín egy részének visszavert fénnyel való megvilágítása - ez a napvitorlák másik nagyon valós funkciója.

A Kosmotrans AKS-1 és AKS-2 műholdak klaszteres felbocsátását idén tavaszra tervezték (a becsült dátum ebben a hónapban). Mindegyik körülbelül két kilogramm súlyú (30x30x40 cm-es tartály), és egy teniszpálya méretű (vastagság - 2 mikrométer) napvitorlát hordoznak.

A film felületére aranyozott érzékelőket szerelnek fel, amelyek rögzítik a töltéseloszlás dinamikáját a vitorla területén a Föld földrengésveszélyes területein.

Az űrvitorlás hajók teljesítményének tesztelése mellett a tervek szerint kísérletsorozatot végeznek a földfelszín ultra-érzékeny érzékelésével (földrengés-előrejelzés) és öt kilométer átmérőjű fényfolttal való megvilágítással. A műholdakat 800 kilométeres pályára bocsátják, és több évszázadon át ott is maradhatnak.

Egyszóval - ha megnézzük az űrnavigáció fejlesztésének helyzetét (Ciolkovszkij egyébként így hívta a kozmonautikát), akkor a Naprendszer legközelebbi bolygóinak feltárása megszűnik tudományos-fantasztikus irodalomnak lenni. Jelenleg a napvitorla a legígéretesebb eszköz az űrben való mozgáshoz, és számos előnnyel rendelkezik a vegyi rakétahajtóművekkel szemben. Ki tudja, talán 20-30 év múlva te és én tudunk majd jegyet venni egy űrvitorlás hajóra, és elmenni nyaralni a Marsra?

"(fotonok áramlása, ezt használja a napvitorla) és a "napszél" (elemi részecskék és ionok áramlása, amelyet állítólag elektromos vitorlán való repüléshez használnak - egy másik típusú űrvitorla).

A napfény nyomása rendkívül alacsony (a Föld pályáján - kb. 5·10 −6 N/m 2), és a Naptól való távolság négyzetével arányosan csökken. A napvitorla azonban egyáltalán nem igényel rakéta-üzemanyagot, és szinte korlátlan ideig üzemelhet, így használata bizonyos esetekben vonzó lehet. A napvitorla effektust többször alkalmazták kis korrekciók elvégzésére az űrhajók pályáján, vitorlaként napelemeket vagy hőszabályozó rendszer radiátorait alkalmazták. A mai napig azonban egyetlen űrhajó sem használt napvitorlát fő hajtóműként.

Napvitorla csillaghajó projektekben

A napvitorla a mai csillaghajó legígéretesebb és legvalósághűbb változata.

A napelemes vitorlás előnye, hogy nincs üzemanyag a fedélzetén, ami növeli a hasznos terhet egy sugárhajtású űrhajóhoz képest.

A napelemes vitorlás hátránya, hogy a Naprendszeren kívül a napfény nyomása a nullához közelít. Ezért van egy projekt egy napelemes vitorlás felgyorsítására valamilyen aszteroida lézerrendszereivel. Ez a projekt azt a problémát veti fel, hogy a lézereket ultra nagy távolságra pontosan irányítsák, és megfelelő teljesítményű lézergenerátorokat hozzanak létre.

Napszélnyomás felhasználásával már most is lehet csillagközi szondát építeni.

A napelemes vitorlások esetében 2 lehetőség van: az elektromágneses hullámok nyomására és a részecskék áramlására.

Űrregatta

A NASA által kifejlesztett 20 méter átmérőjű napvitorla

Napvitorla vastagsága

1989-ben az Egyesült Államok Kongresszusának jubileumi bizottsága versenyt hirdetett Amerika felfedezésének 500. évfordulója tiszteletére. Az volt az ötlete, hogy több, különböző országokban kifejlesztett napelemes vitorlást bocsásson pályára, és vitorlásversenyt hajtson végre a Mars felé. A teljes útvonalat 500 nap alatt tervezték teljesíteni. A versenyre az USA, Kanada, Nagy-Britannia, Olaszország, Kína, Japán és a Szovjetunió nyújtotta be részvételi jelentkezésüket. Az indulásnak 1992-ben kellett volna megtörténnie.

A részvételre jelentkezők szinte azonnal kiesni kezdtek, számos technikai és gazdasági problémával szembesülve. A Szovjetunió összeomlása azonban nem vezetett a hazai projekt munkáinak leállításához, amelynek a fejlesztők szerint minden esélye megvolt a győzelemre. De a regatta a jubileumi bizottság anyagi nehézségei miatt (és talán számos ok miatt) elmaradt. A nagyszabású bemutatóra nem került sor. Azonban az NPO Energia és a DKBA közösen elkészített egy orosz gyártású napvitorlát (az egyedüliként), amely a verseny első díját kapta.

Napvitorlát használó űrhajó

Űrhajó-stabilizációs rendszer

A szovjet tudósok feltaláltak egy sémát egy űrhajó sugárzási-gravitációs stabilizálására, amely egy napvitorla használatán alapul.

Egy napvitorla első bevetése

Az orosz Progressz űrszondán 1993. február 4-én hajtották végre a napvitorla első bevetését az űrben, a Banner projekt részeként.

Lásd még

• Űrvitorla
  • Mágneses vitorla

Megjegyzések

Linkek

• "Space Regatta" konzorcium - Projektek - Napvitorlák és reflektorok

Irodalom

• Eliasberg P.E. Bevezetés a mesterséges földi műholdak repülési elméletébe. - M., 1965.

Wikimédia Alapítvány. 2010.

Nézze meg, mi a „Solar Sail” más szótárakban:

Eszköz (például fémezett vitorlafilm formájában) űrhajó meghajtására a napsugárzás nyomásával. Az automatikus bolygóközi... ... Nagy enciklopédikus szótár

Eszköz (például fémezett vitorlafilm formájában) űrhajó meghajtására a napsugárzás nyomásával. Az automatikus bolygóközi... ... enciklopédikus szótár

Napvitorla- (a napellenzőt) nyáron használták amfiteátrumokban, hogy megvédjék a naptól az órákon át tartó előadások során. Az ilyen gondolatokat hirdető pompei falakon lévő feliratokat külön megjegyzéssel látták el: vela erunt elérhető S. p. A régészek felfedezték ... Ókor szótára

napvitorla- Light Sailor Light (szoláris) vitorla Egy űrhajó meghajtó rendszer, amely a vékony fémrétegre eső fény nyomásától kap lökést... Magyarázó angol-orosz szótár a nanotechnológiáról. - M.

Egy űrhajó egyik lehetséges hajtóműve; egy átlátszatlan fólia (például fémezett polimer), amely egy űrhajóra van felszerelve, és repülés közben használható, és képes kommunikálni... ... Nagy Szovjet Enciklopédia

Napvitorla- napellenző, használat nyáron amfiteátrumokban, hogy sok órán át védjék a napfényt. bemutatott Feliratok a falakon Pompejiben, hirdetik. az ilyen ábrázolásokról külön megjegyzéssel látták el: van S. p. régészek fedezték fel. szakember. feszítő szerkezetek... Ókori világ. enciklopédikus szótár

napvitorla- Olyan eszköz, amely például egy nagy felületű fémezett film, amelyet egy tárgy (test) térben történő mozgatására használnak a napsugarak fénynyomásának hatására. A modern asztronautikában eddig ez az egyetlen nem sugárhajtómű. E... Magyarázó ufológiai szótár angol és német megfelelőkkel

Cosmos 1 Cosmos 1 Cosmos 1 (számítógépes modell) Gyártó ... Wikipédia

Ennek a kifejezésnek más jelentése is van, lásd: Vitorla (jelentések). Vitorlás A vitorla egy járműhöz erősített szövet vagy lemez, amely a szélenergiát előremozgássá alakítja... Wikipédia

Egy űrhajó motorja, amely napszél-impulzusokat használ tolóerő forrásaként. Pekka Janhunen, a Finn Meteorológiai Intézet orvosa találta ki 2006-ban, az uniós hatóságok fokozott érdeklődést mutatnak... Wikipédia

Könyvek

• Napvitorla. Sci-fi vagy valóság az űrutazásról? Kiegészítésekkel. Solar Sail Motion a Nap-közeli régiókban. Orosz-angol útmutató a modern terminológiához, E. N. Polyakhova, V. V. Koblik. Ez a könyv az űrnavigáció modern elméletének dinamikus alapelveit tükrözi, vagyis az űrben való repülést egy napvitorla alatt, amely a napenergia fénynyomásának hatására mozog...

A NASA által kifejlesztett 20 méter széles napvitorla

Napvitorla (más néven könnyű vitorla vagy foton vitorla) - olyan eszköz, amely a napfény nyomását vagy egy tükörfelületen lézerrel mozgatja azt.

Különbséget kell tenni a „napfény” (a fotonok áramlása, amit a napvitorla) és (az elemi részecskék és ionok áramlása, amelyet elektromos vitorlán repüléshez használnak - egy másik típus) fogalmak között. űrvitorla).

A napvitorlával való űrrepülés ötlete az 1920-as években merült fel Oroszországban, és a rakétatudomány egyik úttörőjéhez, Friedrich Zanderhez tartozik, aki abból indult ki, hogy a napfény részecskéi – a fotonok – lendülettel bírnak, és azt továbbítják bármilyen megvilágított felület, nyomást hozva létre. A napfény nyomását először Pjotr ​​Lebegyev orosz fizikus mérte meg 1900-ban.

A napfény nyomása rendkívül alacsony (a Föld pályáján - kb. 9·10 −6 N/m 2), és a távolság négyzetével arányosan csökken. A napvitorla azonban szinte korlátlan ideig üzemelhet, és egyáltalán nem igényel üzemanyagot, ezért használata bizonyos esetekben vonzó lehet. A mai napig azonban egyetlen űrhajó sem használt napvitorlát fő hajtóműként.

Napvitorla csillaghajó projektekben

"Heliopause elektrosztatikus gyorsszállítási rendszer" HERTS E-Sail NASA

A napvitorla a csillaghajó eddigi legígéretesebb és legvalósághűbb változata.

A napelemes vitorlás előnye, hogy nincs üzemanyag a fedélzetén, ami nagyobb hasznos teherbírást tesz lehetővé a sugárhajtású űrhajókhoz képest. A napvitorla koncepció azonban olyan vitorlát igényel, amely könnyű súlyú és ugyanakkor nagy területű.

A szoláris vitorlás hátránya a gyorsulás függése a Naptól való távolságtól: minél távolabb van a Naptól, annál kisebb a napfény nyomása és ezáltal a vitorla gyorsulása, valamint a napfény nyomásán túl és ennek megfelelően a napvitorla hatásfoka megközelíti a nullát. A Nap fénynyomása meglehetősen alacsony, ezért a gyorsulás növelése érdekében léteznek olyan projektek, amelyek egy napelemes vitorlás felgyorsítására irányulnak lézeres berendezésekkel a külső termelőállomásokról. Ezek a projektek azonban azzal a problémával szembesülnek, hogy a lézereket ultra nagy távolságra pontosan irányítsák, és megfelelő teljesítményű lézergenerátorokat hozzanak létre.

Jeffrey Landis azt javasolta, hogy egy lézer segítségével vigyék át az energiát egy bázisállomásról egy ionhajtású csillagközi szondára, ami némi előnyt jelentene egy tiszta űrvitorlával szemben (ez a projekt jelenleg technikai korlátok miatt nem valósítható meg).

Űrregatta

1989-ben az Egyesült Államok Kongresszusának jubileumi bizottsága versenyt hirdetett Amerika felfedezésének 500. évfordulója tiszteletére. Az volt az ötlete, hogy több, különböző országokban kifejlesztett napelemes vitorlást bocsásson pályára, és vitorlásversenyt hajtson végre. A teljes útvonalat 500 nap alatt tervezték teljesíteni. A versenyre az USA, Kanada, Nagy-Britannia, Olaszország, Kína, Japán és a Szovjetunió nyújtotta be részvételi jelentkezésüket. Az indulásnak 1992-ben kellett volna megtörténnie.

A részvételre jelentkezők szinte azonnal kiesni kezdtek, számos technikai és gazdasági problémával szembesülve. A Szovjetunió összeomlása azonban nem vezetett a hazai projekt munkáinak leállításához, amelynek a fejlesztők szerint minden esélye megvolt a győzelemre. De a regatta a jubileumi bizottság anyagi nehézségei miatt (és talán számos ok miatt) elmaradt. A nagyszabású bemutatóra nem került sor. Azonban az NPO Energia és a DKBA közösen elkészített egy orosz gyártású napvitorlát (az egyedüliként), amely a verseny első díját kapta.

Napvitorlát használó űrhajó

A szovjet tudósok feltaláltak egy sémát egy űrhajó sugárzási-gravitációs stabilizálására, amely egy napvitorla használatán alapul.

A Znamja-2 projekt részeként 1993. február 24-én Oroszországban 1993. február 24-én hajtották végre a napvitorla első bevetését az űrben.

2010. május 21-én a Japán Űrügynökség (JAXA) felbocsátotta az IKAROS űrszondát egy napvitorlával és egy meteorológiai kutatóberendezéssel. Az „IKAROS” a legvékonyabb, 14 x 14 méteres membránnal van felszerelve. Segítségével a tervek szerint a járművek napfény segítségével történő mozgásának sajátosságait tanulmányozzák. 16 millió dollárt költöttek a készülék megalkotására – jegyzi meg az ügynökség. A napvitorla telepítése 2010. június 3-án kezdődött, és június 10-én sikeresen befejeződött. Az IKAROS táblájáról továbbított felvételek alapján megállapíthatjuk, hogy mind a 200 négyzetméter ultravékony szövetet sikeresen bővítették, és a vékonyrétegű napelemek elkezdtek energiát termelni.

Fejezet 10. §-a tárgyalta a Föld befolyási övezetét elhagyó napvitorlás űrhajó problémáját. 5. Egy vitorla irányítása a Föld befolyási övezetén kívül könnyebb. Ha a vitorlát úgy kényszerítjük forgásra, hogy a napsugarak mindig merőlegesek legyenek a felszínére, akkor az űrhajó „elmerül egy legyengült gravitációs mezőben”, és elliptikus, parabola vagy hiperbolikus pályán kezd el mozogni a Nap körül.

Rizs. 131. Repülési séma napvitorlával: a) a külső bolygókra; 6) a belső bolygókra. A nyilak a vonóerők vektorai.

A számítások azt mutatják, hogy egy 0,5 tonna tömegű eszköz egy felületi sűrűségű filmekből készült átmérőjű vitorlával 286 nap alatt érhetné el a Marsot félig elliptikus pályán. Egy ilyen vitorla olyan gyorsulást adna a Föld pályáján, amely megközelítőleg megegyezik a Nap gravitációjának gyorsulásával. A vitorla átmérőjével a hajó tömege képes lenne elhagyni a Naprendszert.

De a legelőnyösebb úgy elfordítani a vitorlát, hogy a napfény „szinte a tatba fújja” a hajót, miközben a Nap körül mozog. Ebben az esetben a napsugarak ferdén esnek a vitorlára (ez csökkenti a nyomást), de a vitorla tolóereje szinte a mozgás irányába irányul. A hajó spirálisan kezd el távolodni a Naptól (131. ábra, c).

Első pillantásra úgy tűnhet, hogy a napvitorla nem engedi közelebb kerülni a Naphoz, de ez nem így van. Úgy helyezzük el a vitorlát, hogy a napfény nyomása lelassuljon

a hajó mozgását, akkor azt spirálisan mozgatjuk bolygórendszerünkbe, azaz a Vénusz és a Merkúr pályája felé (131. ábra, b).

A célbolygó területét elérve egy napvitorlával ellátott jármű elrepülhet a bolygó mellett, de több héten keresztül összetett vitorlás manővereket is végrehajthat, figyelembe véve a közeli tér árnyékos régiójának meglétét. a bolygót, hogy leereszkedjen a bolygó felé, és belépjen mesterséges műholdjának pályájára.

Ha a vitorlát úgy irányítják, hogy a napsugarak állandó szögben esnek rá (ez a vezérlés elvileg egyszerű, de nem optimális), akkor az űrhajó mozgása a Föld befolyási övezetén kívül történik a úgynevezett logaritmikus spirál. Egy ilyen vezérlőprogram nagyjából megfelel az ábrán látható pályáknak. 131 (a logaritmikus spirál minden körpályát egyenlő szögben metszi). Az ilyen járatok az időtartamukat tekintve nyereségesek legyenek. A fent leírt vitorla átmérője a napsugarakhoz képest megfelelően állandó tájolás mellett 247 nap alatt szállítaná a hasznos terhet a Marsra. Vegye figyelembe, hogy egy pulzáló Hohmann-repülés 259 napot igényel (lásd 6. táblázat).

Sajnos azonban a dolog bonyolultabb, mint amilyennek látszik. A logaritmikus spirál bizonyos szögben metszi a Föld pályáját (a többi pályához hasonlóan). Például a napi repülés fenti esetére ennek a szögnek 8,5°-nak kell lennie. A Föld hatóköréből való kilépés heliocentrikus sebességének megfelelő irányához a kilépés geocentrikus sebességének, amint azt egy egyszerű számítás is mutatja, 4,4 km/s-nak kell lennie. De el tud-e érni a Föld-közeli pályáról elindított napvitorlás jármű ilyen sebességgel a Föld befolyási övezetének határát? Ez kétséges. Valószínűleg ezt a sebességet vegyi motorral kell hozzáadni. De akkor könnyebb hozzáadni ezt a sebességet a megfelelő irányba, és sokkal rövidebb idő alatt elérni a Marsot. Hasonló okból további fékező impulzusra lesz szükség a célbolygó elérésekor, hogy lehetővé váljon annak mesterséges műholdjának pályájára való belépés.

Azonban bebizonyosodott, hogy a Föld pályájáról egy másik bolygó pályájára napvitorlával repülés lehetséges (bizonyos, a vitorla dőlésszögét megváltoztató programmal) olyan pálya mentén, amely nem metszi, hanem csak érinti a pályákat. a Föld és a célbolygó, valamint a kezdeti és végső heliocentrikus sebesség megegyezik a Föld és a bolygók keringési sebességével. De sajnos,

A repülés időtartama most sokkal hosszabb lesz. Például a fent leírt vitorlával, amelynek átmérője terhelés alatt keletkezik, ha a napsugarak függőlegesen, 1 a távolságra esnek rá. a Naptól a Föld pályájáról a Mars pályájára történő gyorsulás 405 napig tartana. Még ha a gyorsulás megduplázódik is (amelyhez azonos terhelés mellett a vitorla átmérőjének körülbelül 500 m-nek kellene lennie), a Marsra való repülés 322 napig tartana, a Vénuszra - 164 napig, a Merkúrig - 0,53 évig, Jupiter - 6,6 év, Szaturnusz - 17 év, Uránusz - 49 év, Neptunusz - 96 év, Plútó - 145 év.

Nem túl biztatóak a legfrissebb adatok a napvitorlával a Föld-közeli pályáról a bolygóközeli pályára tartó repülések időtartamáról! Nem szabad azonban elfelejteni, hogy azok a repülések, amelyeknek nem célja a vizsgált bolygó mesterséges műholdjának pályájára ereszkedni, hanem csak a bolygó melletti repülésre korlátozódnak, alig különböznek a logaritmikus spirál mentén végzett repülésektől. Végül a vitorlafelület növelése csökkenti a repülési időt, bár a hatalmas vékony rétegek kezelése nehéz technikai kihívást jelent.

A napvitorla egy űrhajó meghajtásának módszere egy csillag által kibocsátott könnyű és nagy sebességű gáznyomás (más néven napnyomás) segítségével. Nézzük meg közelebbről a készülékét.

A vitorla használata olcsó űrutazást és meghosszabbított élettartamot kínál. A sok mozgó alkatrész hiánya, valamint a hajtóanyag használatának szükségessége miatt egy ilyen hajó potenciálisan újrafelhasználható hasznos teher szállítására. Néha használatosak a könnyűvitorla vagy fotonvitorla elnevezések is.

A fogalom története

Johannes Kepler egyszer észrevette, hogy az üstökös farka a Naptól távolabb mutat, és azt sugallta, hogy a csillag okozta ezt a hatást. Galileinak 1610-ben írt levelében ezt írta: „Gondoskodj egy hajóról a napszellőhöz igazított vitorlával, és lesznek, akik fel merik fedezni ezt az űrt.” Talán ezekkel a szavakkal kifejezetten az „üstökösfarok” jelenségre utalt, bár évekkel később publikációk jelentek meg ebben a témában.

James C. Maxwell az 1960-as években publikált egy elméletet az elektromágneses mezőkről és a sugárzásról, amelyben megmutatta, hogy a fénynek van lendülete, és így nyomást gyakorolhat a tárgyakra. A Maxwell-egyenletek adják az elméleti alapot a könnyű nyomással történő mozgáshoz. Ezért már 1864-ben a fizikus közösségen belül és kívül is ismerték, hogy a napfény olyan impulzust hordoz, amely nyomást gyakorol a tárgyakra.

Először Pjotr ​​Lebegyev mutatta be kísérletileg 1899-ben, majd Ernest Nichols és Gordon Hull 1901-ben végzett hasonló független kísérletet Nichols radiométerével.

Albert Einstein egy másik megfogalmazást mutatott be, felismerve a tömeg és az energia egyenértékűségét. Most egyszerűen felírhatjuk p = E/c-t a lendület, az energia és a fénysebesség kapcsolataként.

1908-ban megjósolta a napsugárzás nyomásának lehetőségét, amely az élő spórákat csillagközi távolságokon keresztül szállítja, és ennek következtében a pánspermia fogalmát. Ő volt az első tudós, aki azt állította, hogy a fény képes tárgyakat mozgatni a csillagok között.

Az első formális projektek ennek a technológiának a kifejlesztésére 1976-ban kezdődtek a Jet Propulsion Laboratory-ban a Halley-üstökössel tervezett találkozási küldetés céljából.

A napvitorla működési elve

A fény a bolygó körül keringő összes járműre hatással van. Például egy tipikus űrhajó, amely a Mars felé tart, több mint 1000 km-re elmozdul a Naptól. Ezeket a hatásokat már az 1960-as években, az első bolygóközi űrszonda óta figyelembe vették az űrutazási pályatervezés során. A sugárzás a vízi jármű helyzetét is befolyásolja, és ezt a tényezőt figyelembe kell venni a hajó tervezésénél. A napvitorlára ható erő 1 newton vagy kevesebb.

Ennek a technológiának a használata kényelmes a csillagközi pályákon, ahol minden műveletet alacsony ütemben hajtanak végre. A könnyű vitorla erővektora a napvonal mentén orientálódik, ami növeli a keringési energiát és a szögimpulzusokat, aminek következtében a vízi jármű távolabb kerül a Naptól. A pálya dőlésszögének megváltoztatásához az erővektor a sebességvektor síkján kívül van.

Pozícióvezérlés

Az űrszonda helyzetszabályozó rendszere (ACS) elengedhetetlen a kívánt helyzet eléréséhez és megváltoztatásához az univerzumban való utazás során. A jármű célpozíciója nagyon lassan változik, gyakran kevesebb mint napi egy fokkal a bolygóközi térben. Ez a folyamat sokkal gyorsabban megy végbe a bolygópályákon. A napvitorlát használó jármű vezérlőrendszerének minden tájolási követelményt meg kell felelnie.

A szabályozás az edény nyomásközéppontja és tömegközéppontja közötti relatív eltolással érhető el. Ez vezérlőlapátok használatával, egyes vitorlák mozgatásával, ellenőrző tömeg mozgatásával vagy a fényvisszaverő képesség megváltoztatásával érhető el.

Az állandó helyzet megköveteli, hogy az ACS nullán tartsa a nettó nyomatékot. A vitorla erőnyomatéka nem állandó a pálya mentén. A Naptól való távolság és a szög változása, amely beállítja a vitorla tengelyét és eltéríti a tartószerkezet egyes elemeit, ami az erő és a nyomaték változását eredményezi.

Korlátozások

A napvitorla nem tud működni a Földtől 800 km-nél kisebb magasságban, mivel addig a távolságig a légellenállás ereje meghaladja a könnyű nyomás erejét. Vagyis a napnyomás hatása gyengén észrevehető, és egyszerűen nem fog működni. A forgási sebességnek kompatibilisnek kell lennie a pályával, ami általában csak a forgó lemez konfigurációknál jelent problémát.

Az üzemi hőmérséklet a napsugárzás távolságától, a szögtől, a visszaverődéstől, valamint az első és hátsó sugárzóktól függ. A vitorla csak ott használható, ahol a hőmérsékletet az anyagi határokon belül tartják. Általában elég közel használható a naphoz, körülbelül 0,25 csillagászati ​​egységnyi távolságra, ha a hajót ezekre a körülményekre gondosan tervezték.

Konfiguráció

Eric Drexler különleges anyagból készített egy prototípus napvitorlát. Ez egy 30-100 nanométer vastagságú vékony alumínium fóliából készült paneles keret. A vitorla forog, és állandó nyomás alatt kell lennie. Ez a fajta kialakítás nagy egységnyi tömeggel rendelkezik, és ezért „ötvenszer nagyobb” gyorsulást ér el, mint a felhelyezhető műanyag fóliákon alapulók. Négyzet alakú vitorlákból áll, árbocokkal és páros vonalakkal a vitorla sötét oldalán. Négy egymást keresztező árboc és egy a középpontra merőlegesen a vezetékek megtartásához.

Elektronikus tervezés

Pekka Janhunen feltalálta az elektromos vitorlát. Mechanikailag kevés a közös a hagyományos világítástervezéssel. A vitorlákat a hajó körül sugárirányban elhelyezett kiegyenesített vezető kábelek (drótok) helyettesítik. Elektromos mezőt hoznak létre. Több tíz méterrel benyúlik a környező napszél plazmájába. A napelektronokat az elektromos tér visszaveri (mint a fotonok egy hagyományos napvitorlán). A hajót a vezetékek elektromos töltésének szabályozásával lehet irányítani. Egy elektromos vitorlán 50-100 kiegyenesített vezeték van, körülbelül 20 km hosszúságban.

Miből van?

A Drexler napvitorlájához kifejlesztett anyag vékony, 0,1 mikrométer vastag alumíniumfilm. Ahogy az várható volt, elegendő szilárdságot és megbízhatóságot mutatott az űrben való használatra, de az összecsukásra, kilövésre és telepítésre nem.

A modern szerkezetek leggyakoribb anyaga a 2 mikron méretű Kapton alumíniumfólia. Ellenáll a magas hőmérsékletnek a Nap közelében, és meglehetősen erős.

Elméleti spekulációk születtek arról, hogy molekuláris gyártási technikákat alkalmaznak egy fejlett, erős, ultrakönnyű vitorla létrehozására, nanocsövek szövethálói alapján, ahol a szövött "rések" kisebbek, mint a fény hullámhosszának fele. Ilyen anyagot csak laboratóriumi körülmények között hoztak létre, és az ipari méretű gyártás eszközei még nem állnak rendelkezésre.

Egy könnyű vitorla óriási távlatokat nyit a csillagközi utazás előtt. Természetesen még mindig sok kérdéssel és problémával kell szembenézni, mielőtt az Univerzumban egy ilyen űrszonda-konstrukcióval való utazás mindennapossá válik az emberiség számára.