Сонячні вітрила — Підйом від Сонця лише за допомогою власного світла

Сонячний тиск: сила від відбитиного світла

Світло несе імпульс p = E/c. Коли фотон відбивається від вітрила, подібного до дзеркала, а не поглинається, він змінює напрямок і передає приблизно двічі свій імпульс вітрилу — той самий принцип, що лежить в основі оптичної пастки, масштабованої для космічного корабля. На відстані 1 а.о. від Сонця, ідеально відбиваюче вітрило відчуває лише приблизно 9,08 мкН на квадратний метр — дуже мало, приблизно як вага канцелярського скрепки, розподіленої по площі 1000 м², але постійне застосування цього імпульсу призводить до справжнього маневрування без використання палива.

Число легкості: тиск фотонів проти сили тяжіння

Ключовий показник якості для будь-якого дизайну вітрила — число легкості β, яке є відношенням прискорення, спричиненого тиском фотонів, до прискорення, спричиненого гравітацією Сонця, на тому ж космічному апараті. Оскільки обидва сили зменшуються пропорційно 1/r², де r — відстань від Сонця, скасовується з цього відношення, залишаючи β пропорційним лише співвідношенню площі до маси (його "ареальну щільність"). LightSail 2, з приблизною масою 32 г/м², досягає β ≈ 0.001–0.005 — повільний спіральний рух. β = 1 означає, що тиск фотонів точно компенсує гравітацію Сонця; розширені концепції з графену або дифракційних вітрил, з масою менше 1 г/м², прагнуть до β, яке наближається або перевищує 1, в такому випадку вітрило може повністю вирватися з гравітаційного впливу Сонця без використання будь-якого двигуна.

P = 2S/c  (S = solar constant ≈ 1361 W/m², c = 3×10⁸ m/s) → P ≈ 9.08 μN/m²
F = P · A · cos²θ   (θ = tilt angle from Sun-line)
Optimal tilt for max tangential thrust: θ = arccos(1/√3) ≈ 35.26°

Орієнтування за допомогою нахилу, а не "зворотного тягу"

Вітрило може лише штовхати, ніколи не тягнути — воно не може створювати "зворотний" тиск проти орбітального руху, як ракета. Замість цього підвищення та зниження орбіти повністю залежать від того, як кут нахилу розділяє відбиту силу на компонент у напрямку руху та перпендикулярно до нього: нахиліть в один бік, і компонента тертя додає орбітальну енергію з кожним проїздом, спірально виводячи космічний корабель назовні; нахиліть в інший бік, і він видаляє енергію, спірально занурюючи його всередину, хоча радіальний тиск завжди спрямований віддалено від Сонця. Оскільки відбита сила масштабується як cos²θ, існує єдиний оптимальний кут нахилу — приблизно 35,26° відносно нормалі — який максимізує компонент тертя та швидкість отримання енергії на одиницю часу. Цей запланований перемикач нахилу через орбіту називається «накручуванням орбіти»: оскільки і сила, і швидкість падають зі збільшенням відстані, зовнішні спіралі природним чином сповільнюються, коли вони віддаляються, тому переходи до зовнішніх планет займають роки, а не дні — це просто обмін часу на нульову масу палива.

Сонячні вітрила

Це не просто теорія. IKAROS (JAXA, 2010) був першим космічним апаратом, який продемонстрував тягу сонячного вітрила в міжпланетарному просторі, використовуючи вітрило площею 200 м² з вбудованими рідкокристалічними панелями для активного керування нахилом. LightSail 2 (The Planetary Society, 2019), CubeSat площею 32 м² з вітрилом з мікану, продемонстрував вимірюваний підйом орбіти завдяки активному плануванню нахилу, пов’язаному з орбітальною позицією, що було підтверджено відстежуваним збільшенням висоти. Планова місія NEA Scout використає вітрило площею 86 м² для досягнення астероїда поблизу Землі без будь-якої хімічної двигувної установки. Концепція Breakthrough Starshot пропонує надлегкі, лазерно-приводні (не сонячні) вітрила для штовхання зонда до значного відсотка швидкості світла — той самий тиск фотонів, взятий на екстремальний рівень.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.