Солнечный парус

IV корпоративный конкурс «Сила света»

ТЕМА: Солнечный парус

Номинация: «Космическая техника и наземные комплексы для исследования Земли и Вселенной

Автор работы: Ленков Павел Ильич

Дата рождения 22.03.2006

МБОУ СОШ №2, г.Сергиев Посад, класс 9 «Б».

Год выполнения работы 2022 год

Руководитель: Крымкина Наталья Васильевна

Электронная почта: [email protected]

Содержание

1.Введение………………………………………………..3

2. Основная часть………………….....…………............4-8

3.Вывод …………………………….……...…………......9

4. Список литературы .…………………………………10

5. Приложения и дополнения ……………………….11-13

В данной работе мы рассмотрим вопросы, связанные с историей Солнечного Паруса(СП), из чего изготавливают СП, перспективы использования СП.

Цель работы:

• определить эффективности использования СП в областях науки и техники;

Задачи работы:

• рассмотреть вопросы, связанные с использованием СП и современным состоянием работ в этой области;

• рассмотреть расчет времени разгона СП, необходимого для выхода из сферы притяжения Земли;

• провести опыт «Солнечный ветер».

Актуальность работы заключается в том, что технология солнечного паруса уже использовалась в космонавтике. И принципы использования солнечного излучения для управления космическими кораблями хорошо известны планировщикам космических миссий. Более того, некоторые ученые предполагают, что солнечный парус будет широко использоваться и в будущем.

Из истории вопроса.

Солнечный парус (также называемый световым парусом или фотонным парусом)— приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.

Следует различать понятия «солнечный свет» (поток фотонов, именно он используется солнечным парусом) и «солнечный ветер» (поток элементарных частиц и ионов, который используется для полётов на электрическом парусе— другой разновидности космического паруса).

Идея полётов в космосе с использованием солнечного паруса возникла в1920-егоды в России и принадлежит одному из пионеров ракетостроения Фридриху Цандеру, исходившему из того, что частицы солнечного света— фотоны— имеют импульс и передают его любой освещаемой поверхности, создавая давление. Величину давления солнечного света впервые измерил русский физик Пётр Лебедевв1900 году.

Давление солнечного света относительно мало (на Земной орбите— около 9·10⁻⁶Н/м²) и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Например, общая сила, действующая на солнечный парус 800 на 800 метров, составляет около 5 ньютонов на расстоянии Земли от Солнца. Солнечный парус может действовать в течение почти неограниченного периода времени, и совсем не требует расхода рабочего тела, и поэтому в некоторых случаях его использование может быть предпочтительно. Однако до настоящего времени ни один из космических аппаратов не использовал солнечный парус в качестве основного двигателя по причине крайне низкой тяги.

Дальнейшее освоение космического пространства, осуществление межпланетных перелетов, вынуждает конструкторов искать принципиально новые решения в построении космических кораблей. Одним из вариантов межпланетного космического корабля является солнечный парус. Плюс солнечного паруса по сравнению с лазерным парусом - солнечный парус не зависит от источника света, а минус - солнечный свет слабее, чем лазерный свет. СП не расходует топливо для разгона; в космосе паруса наполняет не ветер, а давление частиц солнечного света - фотонов. Оно заставляет парусник непрерывно разгоняться (или тормозить). Космический аппарат (КА) с солнечным парусом будет ускоряться очень не спеша, но со временем сможет достичь невиданных скоростей. Давление фотонов достаточно велико, чтобы КА мог путешествовать между планетами - от Меркурия до Юпитера; для преодоления еще больших расстояний на парус можно направить лазерный луч, запитываемый опять-таки солнечной энергией. Аспекты приложения технологии СП достаточно широки: от удержания спутников в точке стояния на геостационарной орбите до дальних шаттлов, несущих грузы между планетами, астероидами и кометами. Подлетая близко к Солнцу, парусники будущего смогут разгоняться до огромных скоростей, что позволит им сближаться с любым объектом Солнечной системы

Д ля межпланетных полетов важным аспектом является вес корабля и количество ракетного топлива. Применение солнечного паруса в качестве замены двигателя позволит значительно снизить эту нагрузку. Материал для его изготовления должен быть легким и прочным, иметь высокую отражающую способность. Добавление металлических ребер повышает безопасность использования, ведь полотно подвергается ударам метеоритов.

Плотность поверхности материала из композитного волокна не превышает 1 г/м3, а его толщина – несколько микрон. Из существующих вариантов самыми перспективными считаются каптон и милар – тончайшие полимерные пленки с алюминиевым покрытием. Разработка новых нанотехнологий открывает удивительные перспективы в производстве солнечных парусов, их можно создавать перфорированными и практически невесомыми, а это означает повышение эффективности использования.

Самый первый прототип солнечного паруса Sunjammer

В 2014 году NASA запустило в космос свой солнечный парус из каптона – термостойкого пластика, выдерживающего колебание температуры от +400 до -273 градусов Цельсия. Этот материал был разработан химической компанией DuPont. Рекордный по размеру проект, крупнейший из всех созданных на данный момент, имеет площадь 1200 м². Его назвали Sunjammer. Он должен выяснить практическую эффективность использования солнечного паруса при межпланетных полетах. Предполагается удаление от Земли на 3 млн. км за счет действия потока фотонов. Аппарат, толкаемый солнечным ветром, направляется к первой точке Лагранжа.

В ближайших планах ученых – оснащение солнечными парусами аппаратов, наблюдающих за активностью нашей звезды. Они смогут вовремя предупреждать землян о возникающих вспышках и катаклизмах на Солнце. Созданный в России консорциум «Космическая регата», планировавший участие в конкурсе конгресса США по выведению на орбиту кораблей с солнечными парусами, успешно работает в области использования солнечных отражателей для освещения районов добычи газа.

Система NASA Advanced Composite Solar SailSystem (ACS3) развернёт солнечный парус размером с квартиру из кубического спутника размером с тостер на околоземной орбите в середине 2022 года. Миссия будет совершенствовать технологии, связанные с солнечными парусами.Данные, которые собирает новая миссия, будут использоваться для разработки будущих крупномасштабных систем, которые можно будет использовать для поиска астероидов, мониторинга активности Солнца или питания систем связи астронавтов в глубоком космосе.

Расчет времени разгона СП, необходимого для выхода из сферы притяжения Земли.

Рассмотрим разгон до параболической скорости космического аппарата, снабженного солнечным парусом при отлете с геостационарной орбиты. Пусть стартовая масса космического аппарата равна 2000 кг, площадь СП равна 10000 м² , погонная масса материала СП = 7 г/м² . Тогда имеем: Mпар= S · СП = 10000 м² · 7 г/м²= 70000 г = 70 кг

Полная сила, действующая на СП равна F= S · p = 10000 · 10^-5 = 0,1 H; Определим ускорение КА F = m · а;

Найдем характеристическую скорость, которую должен развить КА для выхода из сферы притяжения Земли

Вычислим время разгона

Для данного опыта нам нужна фольга, иголка, фонарик.На иголку мы должны положить фольгу с бортиками по краям. Теперь нужно включить фонарик и подставить к бортику фольги, чтобы увидеть движение фольги по направлению лучей. Из этого опыта мы можем понять, что солнечные лучи (фотоны) имеют силу и давление, с которой могут взаимодействовать с объектом. Такой опыт показывает, что наш Солнечный парус движется именно благодаря солнечным лучам (фотонов) попадающих на парус.

Солнечный парус и другие виды космического паруса планируется использовать в некоторых проектах звездолётов. Преимуществом солнечного парусника является отсутствие топлива на борту, что позволяет увеличить полезную нагрузку по сравнению с космическим кораблём на реактивном движении. Однако концепция солнечного паруса требует лёгкого по массе и одновременно большого по площади паруса.

Недостатком солнечного парусника является зависимость ускорения от расстояния до Солнца: чем дальше от Солнца, тем меньше давление солнечного света и тем самым меньше ускорение паруса, а за пределами Солнечной системы давление солнечного света и соответственно эффективность солнечного паруса приблизится к нулю. Световое давление от Солнца довольно мало, поэтому для увеличения ускорения существуют проекты разгона солнечного парусника лазерными установками с генерирующих станций вне Земли. Данные проекты сталкиваются с проблемой точного наведения лазеров на сверхдальних расстояниях и создания лазерных генераторов соответствующей мощности.

Сделать реально работающий, успешно выполняющий конкретные задачи космический аппарат, использующий солнечный парус – значит решить множество технических проблем, продумать и воплотить в жизнь новые инженерные решения и идеи. Возможно, самой волнующей миссией с использованием СП в ближайшее время сможет стать отправка космического аппарата, который раскроет парус вблизи орбиты Венеры или даже Меркурия, а затем отправится за пределы Солнечной системы

• Эльясберг П. Е. Введение в теорию полёта искусственных спутников Земли. — М., 1965.

• Солнечный парус засияет звездой в память об астрономе

• Консорциум «Космическая регата» — Проекты — Солнечные паруса и рефлекторы

• Королёв Владимир. На всех парусах. nplus1.ru (22 мая 2015).

• https://spacegid.com/solnechnyiy-parus.html

• https://alivespace.ru/solnechnye-parusa-i-osvoenie-kosmosa/

• http://old.mirf.ru/Articles/art752.htm

• https://universetoday.ru/2021/07/04

• https://cloud.mail.ru/stock/jEzM21f5dSvgZCm4HAbdt5cY

1.

С амый первый прототип солнечного паруса Sunjammer

Проект «Радиоастрон»

3.

Солнечный парус шириной 20 метров, разработанный в НАСА

4.О ткрытка в честь Фридриха Цандера