Инженерные вопросы межзвездных перелетов

[pkl]

Подумав, я решил перевести эту страничку:
http://interstellar.jpl.nasa.gov/interstellar/probe/requirements/concept.html
А потом - и выложить здесь. Думаю, будет интересно почитать не только мне одному:

Межзвёздный Зонд: Концепция миссии и космического аппарата.[/size]



Разработанная командой концепция миссии предполагает создание межзвёздного зонда, отвечающего всем требованиям JPL для космических миссий. Для путешествия на расстояние > 200 а.е. в течение 15 лет, межзвездный зонд будет использовать разгон солнечным парусом.
Анализ траектории показал, для этого необходимо двигаться с отлётной скоростью ~ 14 а.е./год. Это может быть достигнуто при использовании паруса с радиусом 200 м с поверхностной плотностью 1 г/м2 (материал паруса плюс поддерживающий каркас). Общая стартовая масса (КК плюс парус) составляет ~ 246 кг. После запуска РН Delta-II, космический аппарат использует солнечный парус для маневра к Солнцу на расстояние до 0,25 а.е.  для получения повышенного давления излучения, что необходимо для ускорения в направлении «передней» части гелиосферы. Чтобы избежать помех инструментам, парус сбрасывается на расстоянии ~ 5 а.е., когда эффект светового давления становится незначительным. Конечная скорость зонда составляет 70 км/с, что в четыре раза больше скорости космических аппаратов Voyager 1 и 2. Необходимая ориентация паруса относительно Солнца показана на схеме траектории. Космический аппарат предназначен для полёта до отметки 200 а.е., а при экономии расходуемых ресурсов полёт будет длиться и до 400 а.е. (~ 30-летняя миссия). Научная и телеметрическая информация собираются в среднем в 30 информационных пакетов.
Телекоммуникационная система использует диапазон Ka для связи с Сетью дальней космической связи; данные сохраняются на борту и сбрасываются в темпе 1 сеанс связи/неделя. 2,7-м антенна может обеспечить скорость  исходящего потока данных до 350 бит/с с дистанции 200 а.е. с помощью  передатчика 220 Вт. Энергопитание осуществляется тремя перспективными радиоизотопными генераторами следующего поколения. Космический аппарат подвешен внутри 11-м отверстия в гексагональном парусе на трёх распорках.
Управление парусом достигается за счёт смещения зонда относительно центра масс паруса. В развёрнутом состоянии парус стабилизируется вращением. Как показала практика, оборудование лучше разместить по краю 2,7-м параболической антенны, которая также функционирует в качестве основы конструкции зонда.



Межзвёздный зонд показан в полётной конфигурации при приближении к Солнцу. Гексагональной парус имеет радиус ~ 200 м и изготовлен из материала  плотностью ~ 1 г/м2. Парус развёрнут и стабилизирован вращением; ряд механизмов, которые используются для обеспечения начального вращения и развёртывания паруса, сброшены после развёртывания паруса. При максимальном сближении (0,25 а.е.) температура паруса, как ожидается, достигнет  ~ 550 К; надлежащая защита полезной нагрузки может быть обеспечена при  её комнатной температуре или ниже.

Представленная здесь концепция миссии предполагает ряд изменений в устройстве космических систем, в том числе создание авионики с низким энергопотреблением, передовых систем управления, и фазированной антенной решетки, работающей в Ка-диапазоне, для связи. Многие из этих разработок также можно использовать и в других будущих миссиях NASA.

  Наиболее важной технологией, необходимой для выполнения этой миссии  является, конечно, солнечный парус. Хотя солнечные паруса были изучены,  они никогда не летали в космос (хотя большой, ~ 20 м парус был развернут на орбитальной станции "Мир"). Действительно, достижение скоростей необходимых для реализации данной миссии, потребуется довольно продвинутой технологии паруса, что требует новых, лёгких светоотражающих материалов, а также обеспечение укладки паруса, развертывания и управления. Эти технологии должны быть испытаны в одном или нескольких  демонстрационных полётах, прежде чем парус с радиусом 200 м и поверхностной плотностью ~ 1 г/м2 будет готов к полету. Поэтому требуется агрессивная программа развития солнечных парусов.

  К счастью, есть также большое количество других задач, которые выиграют от создания солнечного паруса. Если эта программа будет реализована успешно, запуск может быть возможен уже в 2010 году. Межзвёздный зонд может служить первым шагом в более амбициозную программу по изучению внешней Солнечной системы и близлежащих галактических окрестностей.



Научные цели для межзвёздного зонда показаны на различных расстояниях вдоль траектории. Жёлто-оранжевый цвет полосы указывает на радиальную область, где измерения возможны, самый глубокий оранжевый является главной областью интересов. Среди задач, которые также являются возможными: измерения космического инфракрасного фонового излучения, свободного от зодиакального света, съёмка объектов пояса Койпера > 1 км по размеру, обзор органического вещества во внешней Солнечной системе и межзвёздной среде, а также детектирование межзвёздных антипротонов, порождаемых тёмной материей или первичными чёрными дырами.

Межзвёздный зонд НАСА будет первый космическим аппаратом, предназначенным для изучения близлежащей межзвёздной среды и её взаимодействия с нашей Солнечной системой. Его уникальная траектория с возможностью удаления от Земли до 200 а.е. за 15 лет позволит провести первые всеобъемлющие измерения плазмы, нейтральных атомов, магнитных полей, пыли, энергичных частиц, космических лучей и инфракрасного излучения от внешней части Солнечной системы, через границы гелиосферы, и в межзвёздной среде. Несмотря на то, что успех миссии требует пересечения гелиопаузы, широкий спектр междисциплинарных исследований может быть решён в ходе всей миссии.

  В связи с фундаментальным вкладом, который межзвёздный зонд сделает для исследований, которые включают физику космической плазмы, планетарную науку, астрофизику, теорию звёздной и галактической эволюции и космологии, важно, чтобы НАСА начало разработку технологий, необходимых для выполнения этой поистине  эпохальной исследовательской миссии.

Утверждённая полезная нагрузка:
- магнитометр;
- детектор плазмы и радиоволн;
- спектрометр солнечного ветра, межзвёздной плазмы и электронов;
- изотопный спектрометр межпланетных и межзвёздных ионов;
- спектрометр межзвёздных нейтральных атомов;
- детектор высокоэнергичных ионов и электронов;
- прибор для съёмки космических лучей H, He, электрон, позитрон и гамма лучей;
- изотопный спектрометр для регистрации аномальных и галактических космических лучей;
- инструмент для изучения состава пыли;
- инфракрасный инструмент;
- камера для картирования высокоэнергетических нейтральных атомов;
- УФ-фотометр.

Среди рассматриваемых кандидатов:
- детектор объектов пояса Койпера;
- молекулярный анализатор новой концепции;
- детектор высокоэнергичных заряженных ионов;
- детектор космических лучей антипротонов;

Потребности в ресурсах:
Масса: 25 кг
Скорость передачи данных: 25 бит/с
Потребляемая мощность: 20 ватт

[Иван57]

Гравитация у Юпитера мощнее, чем у Венеры и Меркурия, вместе взятых. Т.е., чтобы приблизиться к Солнцу, выгоднее лететь к Юпитеру, а не внутренним планетам. Ядерный буксир - слишком здоровый дрын. И тяжёлый. При этом, если мы начинаем разгон после облёта Юпитера, то с приближением к Солнцу ЭРДУ будет работать всё лучше и лучше. Около перигелия сбрасываем ДУ, проходим перигелий и дальше раскрываем парус. Идея красивая получается - можно уложиться в запуск на "Союзе".

Хм... А если использовать парус в качестве концентратора солнечных лучей (собирающее зеркало) - то за Юпитером ионники на солнечной энергии смогут работать?

И зачем сбрасывать ДУ около перигелия? Там же самый высокий энергопоток. Бери и пользуйся...

[pkl]

Хм... А если использовать парус в качестве концентратора солнечных лучей (собирающее зеркало) - то за Юпитером ионники на солнечной энергии смогут работать?

И каков будет диаметр этого концентратора?

И зачем сбрасывать ДУ около перигелия? Там же самый высокий энергопоток. Бери и пользуйся...

Сравните скорость фотонов со скоростью ионов. И массу паруса с массой ДУ какой угодно конструкции.

Я уж не говорю о том, какие мощности придётся пережёвывать этой ДУ около Солнца.

P.S.: Блин, Иван, почему Вы из всех решений выбираете... эммм.... не оптимальные, скажем так.

[Иван57]

Толстую защиту от радиации не поставишь.

Бак с рабочим телом от радиации не защитит? По крайней мере около Юпитера?

[pkl]

Толстую защиту от радиации не поставишь.

Бак с рабочим телом от радиации не защитит? По крайней мере около Юпитера?

Я имел в виду солнечную радиацию. Электроны из поясов Юпитера - отдельная тема.

[Иван57]

Хм... А если использовать парус в качестве концентратора солнечных лучей (собирающее зеркало) - то за Юпитером ионники на солнечной энергии смогут работать?

И каков будет диаметр этого концентратора?

И зачем сбрасывать ДУ около перигелия? Там же самый высокий энергопоток. Бери и пользуйся...

Сравните скорость фотонов со скоростью ионов. И массу паруса с массой ДУ какой угодно конструкции.

Я уж не говорю о том, какие мощности придётся пережёвывать этой ДУ около Солнца.

P.S.: Блин, Иван, почему Вы из всех решений выбираете... эммм.... не оптимальные, скажем так.

Юпитер - это 5 а.е.
Т.е. чтобы сконцентрировать на таком расстоянии свет до уровня околоземного надо в 5 раз больший диаметр зеркала чем пятно фокуса.
Т.е. 200 метровое зеркало (из вышеприведенного примера) даст такой же поток, как солнечная батарея около Земли диаметром 40 метров.
Порядка 200 - 400 кВт мощность получается. Хватит для небольшого аппарата?
Разумеется, сконцентрировать можно сильнее и тем самым облегчить конструкцию приемника солнечной энергии.

Скорость фотонов и скорость ионов...
А проектная скорость аппарата - она близка к световой?
Если нет, то это все равно, что на автомобиль ставить солнечный парус. Проще кирпичами (ионами) швыряться - есть немалая  вероятность того, что тяга больше будет. Даже с учетом массы преобразователя энергии (двигателя).

[pkl]

Юпитер - это 5 а.е.
Т.е. чтобы сконцентрировать на таком расстоянии свет до уровня околоземного надо в 5 раз больший диаметр зеркала чем пятно фокуса.
Т.е. 200 метровое зеркало (из вышеприведенного примера) даст такой же поток, как солнечная батарея около Земли диаметром 40 метров.
Порядка 200 - 400 кВт мощность получается. Хватит для небольшого аппарата?
Разумеется, сконцентрировать можно сильнее и тем самым облегчить конструкцию приемника солнечной энергии.

Скорость фотонов и скорость ионов...
А проектная скорость аппарата - она близка к световой?
Если нет, то это все равно, что на автомобиль ставить солнечный парус. Проще кирпичами (ионами) швыряться - есть немалая  вероятность того, что тяга больше будет. Даже с учетом массы преобразователя энергии (двигателя).

Нужно не просто зеркало, а зеркало определённой формы. Ваш концентратор будет в разы тяжелее простого паруса, стабилизированного вращением, за счёт поддерживающего форму каркаса. Не считая массы преобразователей, генераторов, ЭРД и рабочего тела для них. Далее. Солнечная постоянная у Земли составляет 1360 вт/кв.м; у Юпитера - 50,3. Взял из таблички отсюда:
http://www.astronet.ru/db/msg/eid/FK86/planets

Это в 1360 / 50,3 = 27,03 /В ДВАДЦАТЬ СЕМЬ РАЗ МЕНЬШЕ  :!:  :!:  :!:  :shock: /. Чтобы собрать 200 кВт у Земли, нам понадобится площадь: 200 000 / 1360 = 147 кв.м. Ещё куда ни шло. Потребную площадь для той же мощности у Юпитера... посчитаете сами, а? А заодно поищите мне, пожалуйста, площадь стадиона Лужники в Москве.  :wink: Но! Мало того!!! Эти выкладки без учёта потерь на преобразование. А они должны быть весьма и весьма. У АМС "Юнона", которая сейчас подлетает к Юпитеру, площадь солнечных батарей 60 кв.м. Это три панели на площадью 2 х 9 м из высокоэффективных солнечных элементов. А дают они... знаете какую мощность? ШЕСТЬСОТ ВАТТ. Вот так :!:

Далее. Чем больше сконцентрирована энергия, тем больше в фокусе будет расти температура. Из чего будете делать приёмник? Из вольфрама? Ниобия? Молибдена? Какова плотность этих металлов, знаете? Я не случайно писал про проблему теплозащитного экрана у зонда. Видимо, его придётся делать многослойным и отделять эти слои по мере удаления от Солнца, чтобы максимально облегчить аппарат.

Далее. При чём тут тяга? Высокая тяга нужна чтобы с Земли стартовать. А здесь нужен максимальный удельный импульс. Я почему про скорость фотонов писал? :wink:

Пример с автомобилем не в тему - межзвёздный зонд движется в пространстве без трения. И не забывайте, что при реактивном движении бОльшая часть энергии расходуется на разгон самого топлива/рабочего тела. Формулу Циолковского не забывайте. Ещё раз: при массе зонда в десятки и сотни кг буксир будет разгонять, в основном, сам себя. Потому что он тащит с собой и отбрасываемую массу. И много чего ещё. Солнечный парус использует внешний источник энергии. И ничего не отбрасывает. Поэтому он суперэффективен - разгоняется только полезная нагрузка.

И ещё - почитайте, всё-таки, ту статью. :wink:

[Иван57]

Юпитер - это 5 а.е.
Т.е. чтобы сконцентрировать на таком расстоянии свет до уровня околоземного надо в 5 раз больший диаметр зеркала чем пятно фокуса.
Т.е. 200 метровое зеркало (из вышеприведенного примера) даст такой же поток, как солнечная батарея около Земли диаметром 40 метров.
Порядка 200 - 400 кВт мощность получается. Хватит для небольшого аппарата?
Разумеется, сконцентрировать можно сильнее и тем самым облегчить конструкцию приемника солнечной энергии.

Скорость фотонов и скорость ионов...
А проектная скорость аппарата - она близка к световой?
Если нет, то это все равно, что на автомобиль ставить солнечный парус. Проще кирпичами (ионами) швыряться - есть немалая  вероятность того, что тяга больше будет. Даже с учетом массы преобразователя энергии (двигателя).

Это в 1360 / 50,3 = 27,03 /В ДВАДЦАТЬ СЕМЬ РАЗ МЕНЬШЕ  :!:  :!:  :!:  :shock: /. Чтобы собрать 200 кВт у Земли, нам понадобится площадь: 200 000 / 1360 = 147 кв.м. Ещё куда ни шло. Потребную площадь для той же мощности у Юпитера... посчитаете сами, а?
...

Далее. При чём тут тяга? Высокая тяга нужна чтобы с Земли стартовать. А здесь нужен максимальный удельный импульс. Я почему про скорость фотонов писал? :wink:
...

Высокая (относительно) тяга нужна и тут.
Дело в том, что разгоняться вы можете только на протяжении определенного отрезка пути, определяемого мощностью солнечного излучения и тем фактом, что желаемая вами скорость больше третьей космической (т.е. на нескольких витках орбиты разгоняться нельзя).

200 000 / 1360 * 27 = 3971 кв.м.
(3971/3,14)^0,5*2=71 м диаметр зеркала
КПД, допустим, 20%
(1/0,2)^0.5*71=159 м

[Иван57]

Юпитер - это 5 а.е.
Т.е. чтобы сконцентрировать на таком расстоянии свет до уровня околоземного надо в 5 раз больший диаметр зеркала чем пятно фокуса.
Т.е. 200 метровое зеркало (из вышеприведенного примера) даст такой же поток, как солнечная батарея около Земли диаметром 40 метров.
Порядка 200 - 400 кВт мощность получается. Хватит для небольшого аппарата?
Разумеется, сконцентрировать можно сильнее и тем самым облегчить конструкцию приемника солнечной энергии.

Скорость фотонов и скорость ионов...
А проектная скорость аппарата - она близка к световой?
Если нет, то это все равно, что на автомобиль ставить солнечный парус. Проще кирпичами (ионами) швыряться - есть немалая  вероятность того, что тяга больше будет. Даже с учетом массы преобразователя энергии (двигателя).

Нужно не просто зеркало, а зеркало определённой формы. Ваш концентратор будет в разы тяжелее простого паруса, стабилизированного вращением, за счёт поддерживающего форму каркаса.
...

"Надуть" купол зеркала электрическим полем не получится?
(Купол зеркала как купол парашюта на стропах; зеркало и аппарат заряжены одноименным электрическим зарядом.)

[Иван57]

....  не забывайте, что при реактивном движении бОльшая часть энергии расходуется на разгон самого топлива/рабочего тела. Формулу Циолковского не забывайте.
...

Угу.
Есть такой момент.
Так что разгоняем рабочее тело до 1000 км/с и хотим скорость аппарата 200 км/с.
итого отношение масс М1/М2=exp(200/1000)=1,22
Рабочее тело - пятая часть массы аппарата.  Не очень много, вообще-то.

[pkl]

Высокая (относительно) тяга нужна и тут.
Дело в том, что разгоняться вы можете только на протяжении определенного отрезка пути, определяемого мощностью солнечного излучения и тем фактом, что желаемая вами скорость больше третьей космической (т.е. на нескольких витках орбиты разгоняться нельзя).

200 000 / 1360 * 27 = 3971 кв.м.
(3971/3,14)^0,5*2=71 м диаметр зеркала
КПД, допустим, 20%
(1/0,2)^0.5*71=159 м

А я слазил в Википедию и поискал про Лужники.  :wink: Размеры поля 105х68 метров.

Чтобы испытать концентратор, договаривайтесь об аренде стадиона заранее.

[pkl]

"Надуть" купол зеркала электрическим полем не получится?
(Купол зеркала как купол парашюта на стропах; зеркало и аппарат заряжены одноименным электрическим зарядом.)

Эммм... сколько на это потребуется энергии? К тому же, когда включится двигатель, купол не сложится?

[Иван57]

...
Далее. Чем больше сконцентрирована энергия, тем больше в фокусе будет расти температура. Из чего будете делать приёмник? Из вольфрама? Ниобия? Молибдена? Какова плотность этих металлов, знаете?
...

Титан?

[Иван57]

"Надуть" купол зеркала электрическим полем не получится?
(Купол зеркала как купол парашюта на стропах; зеркало и аппарат заряжены одноименным электрическим зарядом.)

 К тому же, когда включится двигатель, купол не сложится?

Почему?

[pkl]

...Так что разгоняем рабочее тело до 1000 км/с и хотим скорость аппарата 200 км/с.
итого отношение масс М1/М2=exp(200/1000)=1,22
Рабочее тело - пятая часть массы аппарата.  Не очень много, вообще-то.

1000 км/с скорость истечения :?:  :?:  :?:  :shock: Это что за двигатель такой?

...Так вот, в опытном двигателе, названном «Двухступенчатый с четырьмя решётками» (Dual-Stage 4-Grid — DS4G), построенном по контракту ESA в Австралии, скорость эта достигла рекордных 210 километров в секунду...

http://www.membrana.ru/particle/9566

Имхо, куда вероятнее, что в Вашем примере рабочее тело будет составлять не меньше половины массы аппарата.

Да и 200 км/с - это мощно. В статье выше речь шла о, максимум, 75 км/с на момент отделения паруса.

И концентратор... размером со стадион Лужники. :?  Вы считаете, это реализуемо в обозримой перспективе?

[pkl]

Почему?

Ну так если у Вас относительно большая тяга, аппарат не будет догонять купол? Как Вы усилие, создаваемое двигателем, передадите куполу? Стропы у Вас, как я понимаю, гибкие.

[pkl]

...
Далее. Чем больше сконцентрирована энергия, тем больше в фокусе будет расти температура. Из чего будете делать приёмник? Из вольфрама? Ниобия? Молибдена? Какова плотность этих металлов, знаете?
...

Титан?

Не пойдёт. У него температура плавления 1660±20 °C. А в перигелии температура экрана зонда и без всяких концентраторов может превысить это значение.

[Иван57]

Почему?

Ну так если у Вас относительно большая тяга, аппарат не будет догонять купол? Как Вы усилие, создаваемое двигателем, передадите куполу? Стропы у Вас, как я понимаю, гибкие.

Электрическим полем.

Пленка купола тонкая. Считанные микрометры.
При таких размерах частиц очень хорошо работают электрические фильтры. В отличие от циклонов.
Для справки: ускорения в циклонах достигают величин в сотни g. И этого недостаточно, чтобы осадить мелкую пыль...

[Иван57]

...
Далее. Чем больше сконцентрирована энергия, тем больше в фокусе будет расти температура. Из чего будете делать приёмник? Из вольфрама? Ниобия? Молибдена? Какова плотность этих металлов, знаете?
...

Титан?

Не пойдёт. У него температура плавления 1660±20 °C. А в перигелии температура экрана зонда и без всяких концентраторов может превысить это значение.

Жадность фраера сгубила.

Вам обязательно так близко подходить к Солнцу?
Может обойдетесь температурой в полторы тысячи по Цельсию на обшивке коллектора?

[pkl]

Электрическим полем.

Пленка купола тонкая. Считанные микрометры.

А получится? И какой заряд нужен, чтобы удерживать форму концентратора ТАКИХ размеров.

При таких размерах частиц очень хорошо работают электрические фильтры. В отличие от циклонов.
Для справки: ускорения в циклонах достигают величин в сотни g. И этого недостаточно, чтобы осадить мелкую пыль...

О чём это Вы? :shock: