ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ДПННОГО ЯВЛЕНИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»

Аэрокосмический институт (6 факультет)

Кафедра 601 «Космические системы и ракетостроение»

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Введение в специальность»

на тему: «Солнечный парус»

 

Выполнил: студент 1 курса
группы М60-109С-18
Рокотянский Артём Антонович

 

Научный руководитель:

Кандидат технических наук, доцент
Зернов Владимир Игорьевич

 

Содержание

ВВЕДЕНИЕ. 3

ГЛАВА 1. СОЛНЕЧНЫЙ ПАРУС.. 4

1.1 История формирования идеи солнечного паруса и реализация концепции космической оборудования. 4

1.2 Попытки создания. 7

ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ДПННОГО ЯВЛЕНИЯ.. 12

ГЛАВА 3. КОНСТРУКЦИЯ И СИСТЕМЫ ФОТОННОГО ПАРУСА.. 14

3.1 Конфигурация. 14

3.2 Управление. 16

3.3 Ограничения. 17

ГЛАВА 4. НАПРАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕТОВОГО ПАРУСА.. 18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 19

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 20

 

 

                                                   

 

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. На данный момент человечество стремительно изучает космическое пространство на предмет нахождения в ней потенциальных планет, на которых существует или возможна к существованию жизнь. Именно для этих целей ведущие космические державы стремятся к созданию межпланетных космических аппаратов и кораблей. Но с ростом расстояния между точками А и В, растёт и количество полезного груза, в частности - количество топлива. Для решения данной проблемы ведутся разработки новых двигателей, которые при меньшем количестве топлива смогут выполнять работу соизмеримую или большую, чем мы имеем на данный момент при старых технологиях. Идеально под эти критерии подходит солнечный, световой или фотонный парус, который в теории при полном отсутствии топлива на борту космического аппарата, сможет генерировать энергию для двигателей за счёт источника световой энергии.

Объект исследования – солнечный парус.

Предмет исследования – научные статьи и выдержки из научной литературы о фотонном парусе.

Цель исследования – изучить такое явление, как световой парус.

Данная цель предполагает решение следующих задач:

1.  Изучить историю формирования идеи и реализации концепции космической оборудования.

2.  Рассмотреть конструкцию и системы фотонного паруса, физические процессы данного явления.

3.  Выделить направления применения светового паруса.

 

 

ГЛАВА 1. СОЛНЕЧНЫЙ ПАРУС

История формирования идеи солнечного паруса и реализация концепции космической оборудования

Солнечный парус представляет собой способ передвижения космического корабля с использованием давления световых и высокоскоростных газов (также называемого давлением солнечного света), излучаемого звездой. Использование паруса предполагает недорогие космические путешествия в сочетании с увеличенным сроком использования. Из-за отсутствия множества движущихся частей, а также необходимости использовать пропеллент, потенциально становится возможным многоразовое использование такого корабля для доставки полезных грузов. Также иногда используются названия световой или фотонный парус.

Йоханес Кеплер как-то заметил, что хвост кометы смотрит по направлению от Солнца, и предположил, что именно звезда производит такой эффект.

Рис. 1 Расположение газового хвоста кометы относительно Солнца

В письме Галилею в 1610 году он писал: "Обеспечьте корабль парусом, приспособленным к солнечному бризу, и найдутся те, кто отважится исследовать и эту пустоту". Возможно, при этих словах он ссылался именно на феномен "хвоста кометы", хотя публикации на эту тему появились несколько лет спустя. Максвелл в 60-х годах XIX века опубликовал теорию поля и электромагнитного излучений. Уравнения Максвелла дают теоретическую основу для передвижения при помощи светового давления. Поэтому уже в 1864 году в сообществе физиков и вне его было известно, что солнечный свет несет импульс, оказывающий давление на объекты. Сванте Аррениус предсказал в 1908 году возможность давления солнечной радиации, переносящей живые споры на межзвездные расстояния, и, как следствие, понятие панспермии. Он был первым ученым, заявившим, что свет может перемещать объекты между звездами. Фридрих Цандер опубликовал документ, включающий технический анализ солнечного паруса. Он писал об «использовании огромных и очень тонких листах зеркал» и «давлении солнечного света для достижения космических скоростей».

Российский ученый разработал первую в истории реальную конструкцию летательного аппарата на солнечном парусе. Советский инженер Фридрих Цандер в 1924 году подал в Комиссию по изобретениям соответствующую заявку, но эксперты назвали ее слишком фантастической и отклонили.

Рис. 2 Космический аэроплан Цандера

Рис. 3 Открытка в честь Фридриха Цандера

На Западе идею создания солнечного паруса связывают, в первую очередь, со знаменитым астрономом, астрофизиком и популяризатором науки Карлом Саганом. Он был большим сторонником межзвездных полетов, и как ученый стал одним из самых авторитетных консультантов NASA.
Саган впервые упомянул идею солнечного паруса в 1976 году. До этого он столкнулся с проблемой невозможности дальних космических полетов при помощи летательных аппаратов на основе физического двигателя. Но солнечный парус в теории позволял выйти из данного технологического тупика.

В 1980 году Карл Саган с единомышленниками, другими знаменитыми учеными, основал Планетарное общество, целью которого значится исследование космического пространства, поиск внеземной жизни, а также поддержка направленных на это проектов. Данная организация и является одним из главных сторонников и лоббистов идеи солнечного паруса.

Попытки создания

Еще в 1974 году инженерам удалось впервые «обуздать» солнечный ветер. Произошло это в рамках запуска американской автоматической межпланетной станции Маринер-10. В качестве солнечного паруса выступили ее панели солнечных батарей. Их развернули под нужным углом к Солнцу, что позволило корректировать расположение корабля в пространстве.

Рис. 4 Автоматическая межпланетная станция Маринер-10

Следующей конструкцией, похожей на солнечной парус, стал отражатель Знамя-2, установленный в 1993 году на орбитальной станции Мир. Но он использовался не в качестве ускорителя, а как дополнительный источник света для Земли. Эта конструкция создала на поверхности нашей планеты огромный «солнечный зайчик» диаметром 8 километров.

Рис. 5 Отражатель Знамя-2, установленный на орбитальную станцию Мир

В дальнейшем процесс создания и развертывания солнечных парусов столкнулся с настоящим злым роком. Так, в 2005 году упала во время старта российская ракета Волна, несущая на орбиту спутник Космос-1 с солнечным парусом диаметром 30 метров.

Неудачами закончились попытки запустить солнечные паруса в 2001 и 2005 году. Ракета Falcon 1 от американской компании SpaceX, стартовавшая в августе 2008, также должна была отправить на орбиту солнечный парус, NanoSail-D. Но она упала на третьей минуте полета.

Первый по-настоящему удачный запуск солнечного паруса состоялся в 2010 году в рамках японского проекта IKAROS. Японские инженеры отправили на орбиту и смогли там полностью развернуть полиамидную пленку толщиной 7,5 мкм и площадью 196 квадратных метров.

Рис. 6 Японский солнечный парус IKAROS

Этот солнечный парус функционировал в течение многих месяцев во время полета автоматической межпланетной станции Акацуки в сторону Венеры. Возможно, он действует и сейчас, но с 2012 года с аппаратом нет связи.

В ноябре 2010 года американская ракета Минотавр-4 вынесла на орбиту солнечный парус NanoSail-D2. Объект летал вокруг Земли в течение восьми месяцев, и многие жители нашей планеты успели увидеть его на ночном небе в виде яркой точки, плывущей по небосводу.

 

Рис. 7 Солнечный парус NanoSail-D2

В январе 2015 года NASA планировало вывести на орбиту при помощи частной ракет-носителя Falcon 9 солнечный парус Sunjammer. Он должен был стать самым большим в истории объектом подобного рода, ведь площадь его поверхности составляет около 1200 квадратных метров.

Рис. 8 Солнечный парус Sunjammer от NASA

Но в ноябре 2014 года стало известно, что Американское космическое агентство отменило этот запуск, так что ракета Falcon 9 отправилась на орбиту без солнечного паруса на борту. Запуск Sunjammer пока что перенесен на 2019 год.

 

 

ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ДПННОГО ЯВЛЕНИЯ

Максвелл в 60-х годах XIX века опубликовал теорию поля и электромагнитного излучений, в которой показал, что свет имеет импульс и таким образом может оказывать давление на объекты.

Затем Петр Лебедев в 1899 году экспериментально продемонстрировал давление света, а затем Эрнест Николс и Гордон Халл провели аналогичный независимый эксперимент в 1901 году с использованием радиометра Николса.

Рис. 9 Схема опыта П.Н. Лебедева

Рис. 10 Формула давления света

Альберт Эйнштейн, признав эквивалентность массы и энергии, написал соотношение между импульсом, энергией и скоростью света, как p = E/c.

А чтобы увеличить энергию орбиты и момент импульса нужно максимально увеличить площадь паруса, то есть вектор силы светового паруса должен быть ориентирован вдоль солнечной линии.

Таким образом сила, воздействующая на солнечный парус, составляет 1 ньютон и меньше.

Рис. 11 Измерения размера квадратного паруса в зависимости от доли полезной нагрузки

В результате, если на орбите Земли поместить квадрат из фольги размерами всего лишь 100 на 100 метров, то каждые 10 секунд такой «парус» будет увеличивать свою скорость на сантиметр в секунду. Всего за 40 дней такой парус разгонится от первой до второй космической скорости, за полгода – до третьей космической скорости – скорости, достаточной для того, чтобы навсегда покинуть Солнечную систему.