ПРОЕКТ ICARUS: СОЛНЕЧНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПАРУСА ДЛЯ ICARUS
МЕЖЗВЕЗДНАЯ МИССИЯ
Pat Galea
http://www.icarusinterstellar.org/papers/SolarSail_Galea.pdf
Спроектируйте Icarus Study Group pg@dudegalea.co.uk
Собственно текст (PROMT):
ПРОЕКТ ICARUS: СОЛНЕЧНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПАРУСА ДЛЯ ICARUS
МЕЖЗВЕЗДНАЯ МИССИЯ
Pat Galea
http://www.icarusinterstellar.org/papers/SolarSail_Galea.pdf
Спроектируйте Icarus Study Group pg@dudegalea.co.uk
РЕЗЮМЕ
Проект Icarus является всесторонним теоретическим техническим исследованием проекта миссии к другой звезде, следуя за исторически успешным Проектом Дедал. В то время как сфера действий для проекта определяет, что относящаяся к космическому кораблю система толчка будет главным образом основана на сплаве, аспекты миссии и полной архитектуры могли быть осуществлены или помочься при помощи солнечных парусов. Этот документ для обсуждения дает краткий обзор целей Проекта Icarus, и исследует потенциальное заявление солнечных парусов в нескольких областях миссии. Это включает: повышение, которому помогают, Icarus исследует из нашей солнечной системы; развертывание подисследований в цели солнечная система для того, чтобы исследовать местные планеты и другие объекты интереса; развертывание ретрансляционной станции в гравитационном центре Солнца, чтобы получить передачи от отдаленного ремесла Icarus. Эта работа рассматривает некоторые из технических требований для этих потенциальных ролей так же как любых потенциальных повышений работы к миссии. Это - подчинение Проекта Icarus Study Group.
ВВЕДЕНИЕ
Проектный Icarus1 - всестороннее исследование межзвездной миссии начать беспилотное исследование к звезде, с прибытием не позже чем 100 лет после запуска. Это исследование повторно посещает оригинальный Проект исследование Дедала, проводимое в 1970-ых [1].
Цели Проекта, Icarus должен проектировать вероятное межзвездное исследование, которое является проектом понятия для потенциальной миссии в ближайших столетиях; позволить прямое сравнение технологии с Дедалом и обеспечить оценку зрелости сплава базировали космический толчок для будущих миссий предшественника; произвести больший интерес в реальных перспективах срока межзвездных миссий предшественника, которые основаны на вероятной науке; и заставлять новое поколение ученых интересоваться проектированием космических миссий, которые идут вне нашей солнечной системы [2].
В то время как Дедал был запланирован, чтобы быть миссией демонстрационного полета к Звезде Барнарда, сфера действий для Icarus определяет, что будет некоторая мера замедления в цели, чтобы учесть большее возвращение науки. Они также определяют, что первичная система толчка для Icarus будет основана на сплаве. Однако, другие формы вторичного толчка исследуются, чтобы установить, могли ли бы они помочь определенным аспектам миссии. Icarus может также развернуть подисследования в целевой системе, чтобы выполнить наверх-точную-экспертизу индивидуальных объектов.
Эта бумага исследует потенциальное заявление солнечных парусов к различным фазам миссии Icarus. Конфигурация ремесла Icarus еще не была определена, таким образом мы смотрим на различные возможные конфигурации и ограничивающие случаи, чтобы установить граничные условия. Где количественные предположения должны быть сделаны о ремесле Icarus, мы берем проект Дедала как отправную точку.
Хотя целевая звезда для Icarus еще не была выбрана, в этой газете для удобства мы выбираем целевую звезду, чтобы быть Alpha Centauri A.
1 СОЛНЕЧНОЕ ЗАЯВЛЕНИЕ ПАРУСА 1.1 Замедления в Целевой Звезде
В межзвездном месте Icarus, как ожидают, достигнет скоростей 0.1-0.2c. Ремесло должно быть замедлено, чтобы или войти в орбиту вокруг звезды или увеличить время столкновения в пределах целевой системы. Двигатель сплава может обеспечить
некоторая мера этого замедления, но здесь мы установим, может ли солнечный парус добавить этот usefully2.
Во-первых, мы исследуем потенциал на реалистический парус, чтобы замедлить Icarus.
Анализ Следующего Matloff's [3] мы принимаем ограничивающий случай входа в параболическую орбиту, используя полое тело (то есть раздутый) парус бериллия [4]. Этот тип паруса потенциально способен к противостоянию высоким температурам, с которыми можно было бы столкнуться в маневре замедления. Мы получаем v, максимальная начальная скорость, которую ремесло должно иметь при стартовом замедлении паруса для паруса, чтобы быть в состоянии захватить его в параболическую орбиту:
(1)
где L - целевая яркость звезды, p - reflectivity паруса, погрузки паруса (то есть масса в область паруса единицы, состоя из массы паруса и полезного груза), и Rf - расстояние от звезды, в которой замедление заканчивается (и ремесло захвачено). Поскольку мы рассматриваем миссию Alpha Centauri A, мы берем L = 1.56L0 (где L0 - яркость Солнца, 3.845 x 1026 W). Общее количество sailcraft погрузка данного = asail + mp/A, где mp - масса полезного груза, и A, является областью паруса.
Для особенностей паруса мы выбираем оптимистические ценности (поскольку мы пытаемся установить то, что пределы). Таким образом мы устанавливаем asail = 4 x 10-5 kg/m2, и p = 0.9, которые являются в оптимистическом конце ценностей, Matloff предусматривает парус полого тела бериллия [5]. Мы предполагаем, что самым близким, что этот парус может благополучно приблизиться к развернутой звезде, является Rf = 0.066 AU (то есть пункт конца замедления), и который Icarus будет возглавлять непосредственно для звезды, так, чтобы солнечное излучение было нормально к парусу.
Как ограничивающий случай, где у нас есть только парус без полезного груза, мы находим что v, «0.004c (1200 km/s). Это - максимальная начальная скорость, возможная данный эти предположения о свойствах паруса. Добавление полезного груза снизит эту скорость (таким образом требующий большего предшествующего замедления, используя другие средства), хотя этому можно дать компенсацию до некоторой степени, увеличивая область паруса, как может быть замечен в рис. 1, который показывает отношения между параметрами.
IX 10*
100000
Рис. 1: Парус Бериллия Полого тела для замедления в Alpha Centauri A
Поскольку даже ограничивающий случай требует, чтобы 96-98 % замедления был выполнен другими средствами перед солнечным
парус развернут, трудно сделать случай для того, чтобы использовать этот тип солнечного паруса, чтобы выполнить последнюю часть замедления
который тривиален в сравнении.
Исключив этот реалистический парус, мы теперь смотрим на проблему от другой перспективы, основывая абсолютные теоретические пределы для способностей "идеального паруса". Для этого идеального паруса мы принимаем прекрасный reflectivity (p = 1)
и масса, больше чем ноль (asail> 0). С этими предположениями легко показано, что минимальной областью для идеального паруса, который мог привести к орбитальному захвату, дают
Амин — mpvi
Рис. 2: Идеальный Парус для замедления в Alpha Centauri A
для Icarus по прибытию в целевую систему (основанный на Дедале фигурирует) находятся на заказе десятков к сотням тонн. Принимая массу Icarus 50 000 кг (после того, как полное топливное истощение) и межзвездная скорость 0.1c (то есть в медленном конце масштаба), затем выполнить все замедление к параболическому захвату орбиты, используя один только парус, расчетная идеальная область паруса составляет 7 x 1011 м.; круглый парус диаметра 944 км.
1.2 Развертывание Гравитационной Ретрансляционной станции Линзы
Maccone показывает, что, если ремесло приемника помещено далее чем 550 AU от Солнца на оси, присоединяющейся к центру Солнца и отдаленного передатчика так, чтобы Солнце было между передатчиком и приемником (рис. 3), тогда Солнце будет действовать как гравитационная линза, сосредотачивающая электромагнитные волны на приемник, чрезвычайно увеличивая выгоду антенны [6]. Фактически, из-за эффектов короны Солнца, приемник должен быть по крайней мере приблизительно 700 AU от Солнца. Есть многие технические трудности преодолеть, такие как поддержание замка приемника на сигнале [7], но здесь мы полагаем, что возможность использования солнечных парусов помогает развертыванию ремесла приемника. Во-первых,
Приемник Так | |carus
Ремесло
Рис. 3: Получение передач через гравитационную линзу Сола (чтобы не измерить)
отметьте, что ремесло приемника не обязательно должно быть развернуто в то же самое время, поскольку Icarus начат. В очень ранних фазах миссии Icarus будет достаточно близок к Солу, что прямой контакт может быть установлен с разумной полосой пропускания.
Параметры миссии развернуть приемник очень подобны тем для других предложенных межзвездных миссий предшественника. McInnes обсуждает использование системы направленной власти, чтобы выдвинуть ремесло к необходимому расстоянию через приблизительно десятилетие [8]. Мы следуем за этим анализом здесь, чтобы получить параметры для миссии к 700 AU.
Сильный лазер в Земле (или Сол) орбита сосредоточен на ремесло приемника большой линзой Френели (рис. 4).
Рис. 4: Подталкивание ремесла приемника с лазером
ремесло ускорено во время этой фазы 'повышения', пока ремесло не еще дальше чем предел дифракции линзы. Ремесло тогда входит в фазу 'побережья' для остальной части миссии. McInnes получает уравнения, которые определяют полную продолжительность миссии [8]:
Dd _ 4 1 + p
(3)
2.44X 'nd2 ac
где d - диаметр паруса, D диаметр линзы, X длина волны лазерного света, P лазерная выходная мощность и p и reflectivity и погрузка паруса, как выше. s дает расстояние пределу дифракции линзы, и ускорение во время фазы повышения.
Чтобы получить полную продолжительность миссии к определенному расстоянию s, мы суммируем повышение и продолжительности фазы побережья:
2s s — s
t = \~ + /
V J2as
McInnes принимает 1 г m—2, включая массу паруса и полезного груза. Область паруса таким образом определена массой полезного груза. Мы вычисляем продолжительность миссии к 700 AU, с 10 лазерами GW (X = 1^m), линза диаметра 1 км, и пересекаем под парусом reflectivity p = 0.85. (Рис. 5). Таким образом мы можем видеть это для разумной массы полезного груза 300 кг, приемника
50 100 150 200 250 300 рис. 5: продолжительность Миссии для выдвинутого лазером паруса к гравитационному центру Солнца
ремесло могло быть развернуто в 700 AU в течение десяти лет, используя парус диаметра на 620 м..
1.3 Повышение от Солнечной Системы
Проект Дедала призвал к ремеслу с массой в запуске 54 000 тонн (включая топливо), таким образом мы берем это как число основания для массы Icarus. Это - намного большая масса чем тот обычно связанный с ремеслом, ускоренным парусами, так прежде всего мы будем смотреть на пределы идеального паруса.
Уравнение 1 может быть тривиально повторно сформулировано (симметрией), чтобы обеспечить тональную частоту, заключительную скорость, данную R, начальное расстояние от Солнца. Мы используем те же самые параметры паруса что касается случая замедления, за исключением того, что L = L0 как звезда является Сол.
Используя идеальный парус как в анализе выше, мы находим, что, чтобы ускорить 50 000-тонное ремесло к 0.1c, парусу области 1.1 x 1015 m2 требовались бы. Конечно, мы не ожидаем, что парус выполнит все ускорение, поскольку большая часть этого должна быть выполнена двигателем сплава. Чтобы обеспечить даже одну десятую скорости (то есть 0.01c), идеальный парус должен был бы быть 1.1 x 1013 m2 в области, или круг диаметра 3742 км.
Мы теперь полагаем, что использование лазера выдвигает Icarus. От McInnes снова у нас есть предельная скорость для Icarus, когда она передала предел дифракции линзы [8]:
2.09 D 1 + p
(5)
X d ac
Для массы Icarus 50 000 тонн результаты показывают в рис. 6. В действительности, более высокие лазерные полномочия могли вызвать
Рис. 6: Лазер выдвинул повышение Icarus от солнечной системы
проблемы со способностью паруса противостоять высоким температурам; это не было проанализировано в этой газете. Однако, мы можем видеть, что использование 100 лазеров GW с 100-километровой линзой диаметра, чтобы выдвинуть Icarus, v,, является 0.002c, который действительно превышает скорость спасения Солнца несколько AU от Солнца, так мог потенциально позволить Icarus задержать старт двигателя сплава, пока это не оставило солнечную систему. Это, однако, потребовало бы очень большого паруса 250-километрового диаметра на Icarus.
1.4 Развертывание Подисследований
Проект Дедала определил, что до восемнадцати подисследований будут понижены в целевой системе, чтобы исследовать планеты и другие объекты интереса. Icarus может также понизить подисследования, хотя число и природа их обрабатывают, еще не был определен.
Вычисление орбит внутрисистемы сложно фактами, что они более сложны чем упрощенные случаи, покрытые выше, и также что оптимальная орбита инъекции и подисследует траектории, зависят от деталей 'интересного объекта' распределение в системе. Так для удобства здесь, мы рассматриваем миссию к гипотетической солнечной системе, которая идентична нашему.
Если Icarus замедлит в круглую орбиту приблизительно 1 AU от Солнца, то это будет эксплуатационным в системе и восстановлении данных в течение многих лет, давая подисследования возможность пересечь к их предназначению и все еще в состоянии использовать Icarus как реле коммуникаций. Кроме того, относительно непосредственная близость к Солнцу позволит подисследованию солнечные паруса, чтобы работать эффективно.
Поскольку орбиты передачи внутрисистемы рассмотрели экстенсивно в литературе, детали не будут повторены здесь. В резюме подисследования, используя солнечные паруса могли достигнуть диапазона планет в солнечной системе к Урану через 1-16 лет [8].
Использование парусов на подисследованиях также поднимает возможность посещения объектов, которые могут быть неуклюжими, чтобы достигнуть другими средствами. Маневр 'проворота' позволяет подисследованию увеличить свою орбитальную склонность в течение многих
орбиты. Таким образом это не было бы ограничено объектам в орбитальном самолете Icarus. Также подисследование могло быть послано, чтобы 'колебаться' по полюсу Солнца, или некоторой другой non-Keplerian орбите, которая будет трудной достигнуть иначе [8].
2 ДАЛЬНЕЙШИХ РАБОТЫ
Хранение паруса в течение нескольких десятилетий следовало его последующими вызовами подарков развертывания надежности. Исследования долгосрочного ухудшения парусов и механизмов развертывания, вместе с методами уменьшения, обеспечили бы уверенность, что солнечная технология паруса полезна в системе предназначения.
Развертывание подисследований, как полагали, как analagous начало с Земной орбиты. Другие схемы развертывания должны быть исследованы. Например, Icarus мог войти в целевую систему, замедлявшую, но все еще полностью захваченный. Солнечные подисследования паруса могли быть полезно развернуты в этом сценарии и целях посещения в способе демонстрационного полета? Кроме того, действительно ли возможно понизиться подисследование, в то время как в пути Alpha Centauri A, который может посетить Proxima Centauri, который является некоторым расстоянием далеко?
ЗАКЛЮЧЕНИЯ
Вероятная большая масса ремесла Icarus в запуске и прибытии в целевую систему, вместе с высокой межзвездной скоростью отдает использование солнечных парусов, неправдоподобных для полезного ускорения или замедления ремесла в целом.
Однако, двумя аспектами миссии, которая могла полезно использовать паруса, является развертывание подисследований в целевой системе, и развертывание гравитационного приемника коммуникаций линзы (хотя с использованием сильного лазера, чтобы выдвинуть это). У обоих из этих типов ремесла есть подобные требования к солнечным парусам, которые традиционно обсуждены для межпланетных миссий.
ПОДТВЕРЖДЕНИЯ
Автор хотел бы благодарить членов Проекта Icarus для их комментариев и предложений, особенно Келвин Long, Tibor Pacher, Ричард Obousy, Andreas Tziolas, Роберт Adams и Адам Crowl.
ССЫЛКИ
[1] A. Обязательство и др., "Проект Дедал - Заключительное Сообщение относительно ЕЩЕ РАЗ Исследование Starship". JBIS Межзвездные Исследования, Приложение 1978.
[2] K. Долго, R.Obousy и др., "Проект Icarus: Сын Дедала, Полет Ближе к Другой Звезде". arXiv:1005.3833v1 [physics.pop-ph], 2010.
[3] Г. L. Matloff, "Солнечное Замедление Паруса Фотона в Alpha Centauri A". IAC-09-C4.6.5, 2009.
[4] R. Ya. Kezerashvili и Г. L. Matloff, "Солнечное излучение и Парус Полого тела Бериллия: 2. Распространение, Перекомбинация и Процессы Эрозии". JBIS, 61, 47-57 2008.
[5] Г. L. Matloff, "Парус Полого тела Бериллия и Межзвездное Путешествие". JBIS, 59, 349-354 2006.
[6] C. Maccone, Полет Открытого космоса и Коммуникации. 1-ый редактор, Springer-практика, Chichester, Великобритания 2009.
[7] P. Шлем, "Проект Icarus: Механизмы для того, чтобы Увеличить Стабильность Гравитационно Линзовых Межзвездных Коммуникаций". 61-ый IAC, Прага, Сессия D4.2 Межзвездные Миссии Предшественника, 2010 (предстоящий).
[8] Колин McInnes, Солнечный Парусный спорт: Технология, Динамика и Заявления Миссии. 1sted., Springer-практика, Chichester, Великобритания 1999.
1Project Icarus - Нулевой Фонд Tau (TZF) инициатива в сотрудничестве с британским Межпланетным Обществом (ЕЩЕ РАЗ).
2We рассматривают только солнечные паруса в этой газете. Проект Icarus также изучает другие методы, такие как MagSail.
Может, действительно, админы сделают отдельную межзвёздную ветку и отправят все эти темы туда?
Я научную фантастику люблю, но предпочитаю написанную более художественно. Чтобы сюжет был и язык хороший. :twisted: