☀️ Сонячне Вітрило
Без палива — лише сонячне світло. Тиск фотонного випромінювання повільно штовхає відбивний парус назовні по спіральній кеплерівській орбіті. Інтеграція RK4, одиниці AU / рік.
Без палива — лише сонячне світло. Тиск фотонного випромінювання повільно штовхає відбивний парус назовні по спіральній кеплерівській орбіті. Інтеграція RK4, одиниці AU / рік.
Ця симуляція інтегрує траєкторію космічного апарата із сонячним вітрилом методом Рунге-Кутта четвертого порядку (RK4) в одиницях АО/рік, починаючи з кругової орбіти на відстані 1 АО з орбітальною швидкістю 2π АО/рік, як у Землі. На кожному кроці до сонячного тяжіння додається сила тиску фотонного випромінювання, пропорційна cos²(α)/r², де нормаль вітрила нахилена на кут α відносно радіального напрямку. Змінюючи площу вітрила, масу апарата та кут нахилу, можна керувати тим, наскільки швидко апарат розкручується назовні повз орбіту Марса у бік Юпітера.
Відбивне вітрило, що стартує з орбіти Землі, розкручується назовні під дією тиску фотонів; слід забарвлюється залежно від відстані — від синього біля 1 АО до червоного за межами 5 АО. Значок виходу з'являється, щойно апарат перетинає позначку 3 АО.
Повзунки «Площа A» та «Маса m» змінюють співвідношення площа/маса вітрила, яке визначає характеристичне прискорення на відстані 1 АО. Повзунок «Кут нахилу α» нахиляє нормаль вітрила між радіальним і тангенційним напрямками; «Швидкість» множить кількість кроків RK4 на кадр, а кнопка «Скинути» повертає апарат на кругову орбіту.
Сонячне світло справді штовхає предмети — на відстані 1 АО тиск сонячного випромінювання становить близько 4,56 мікроньютона на квадратний метр. Дуже мало на одиницю площі, але цього достатньо, щоб велике й легке вітрило поступово вилетіло із Сонячної системи без жодного палива.
Величина тяги вітрила масштабується як cos²(α), тому пласке вітрило, повернуте прямо до Сонця (α = 0°), отримує максимальний радіальний поштовх, але без тангенційної складової, яка підвищує орбітальну енергію. Значення α ≈ 35° дає близький до оптимального баланс між величиною тяги та її тангенційною проєкцією для ефективного розкручування назовні, тому воно й обране за замовчуванням.
Від'ємний α нахиляє нормаль вітрила в інший бік, і тангенційна складова тяги набуває ретроградного напрямку. Це забирає орбітальну енергію замість того, щоб її додавати, тому апарат розкручується не назовні, а до Сонця.
Метод Рунге-Кутта четвертого порядку обчислює сумарне прискорення від тяжіння та вітрила у чотирьох точках на кожному кроці й комбінує їх із ваговими коефіцієнтами, що дає значно кращу довгострокову точність, ніж простий метод Ейлера. Це важливо тут, оскільки симуляція виконує тисячі кроків із фіксованим кроком часу 0,002 року, поки радіус і тяга вітрила апарата безперервно змінюються.
Характеристичне прискорення пропорційне площі, поділеній на масу, тому легке й велике вітрило вилітає із системи значно швидше, ніж важке та маленьке. Збільшення площі A або зменшення маси m підвищує показник прискорення вітрила в панелі телеметрії та скорочує час до досягнення порогу виходу в 3 АО.
Якщо обраний кут нахилу спрямовує апарат до Сонця і його відстань падає нижче 0,05 АО, симуляція трактує це як падіння на Сонце й автоматично викликає скидання стану, повертаючи апарат на кругову орбіту 1 АО. Ця перевірка безпеки запобігає збоям інтегратора RK4 поблизу сингулярного члена гравітації, що змінюється як обернений квадрат відстані.