Электрический парус: первая проверка концепции / Хабр

первая проверка концепции / Хабр

В Центре космических полётов Маршалла начались испытания в рамках проекта по разработке электрического паруса — революционного космического двигателя, способного доставить космический аппарат к границе Солнечной системы на максимальной скорости и вытолкнуть из гелиосферы. Испытания предоставят данные для моделирования самого устройства Heliopause Electrostatic Rapid Transit System (HERTS).

Как и солнечный парус, электрический парус использует давление солнечного ветра, но не фотонов, а протонов. В этом есть свои преимущества. Фотоны перестают давать необходимую тягу уже на расстоянии 5 а.е. от Солнца, где-то в районе пояса астероидов, а вот протоны — совсем другое дело. Электрический парус будет ещё разгоняться даже на расстоянии 16-20 или даже 30 а.е. от Солнца! Если верить расчётам, к этому моменту он достигнет очень высокой скорости. К примеру, расстояние примерно в 100 а.е. до гелиопаузы он преодолеет менее за 9,9 года с разгоном от Юпитера или за 11 лет без разгона, втрое быстрее «Вояджера-1» и вдвое быстрее аппарата на солнечном парусе.

Инженер НАСА Брюс Уигманн руководит разработкой. В его руках алюминиевый трос толщиной 1 мм, из таких тросов будет состоять электрический парус

Устройство состоит из ряда длинных и тонких тросов с высоким положительным зарядом и бортовой электронной пушки, направленной против движения космического корабля. Поток электронов из пушки заряжает тросы, так что положительно заряженный металл отталкивает протоны солнечного ветра и получает импульс. Солнце испускает протоны со скоростями от 400 до 750 км/с — так называемые быстрый и медленный солнечные ветра. Концепцию предложил в 2006 году финский учёный Пекка Янхунен.

Электрический парус НАСА будет состоять из 10-20 алюминиевых тросов диаметром около 1 мм и длиной 20 км каждый. Таким образом, парус образует окружность с диаметром 40 километров. Заняв исходную позицию, аппарат начнёт медленно вращаться (примерно один оборот в час), и тросы сами вытянутся во всю длину за счёт центробежной силы.

После этого от начнёт медленно двигаться. На расстоянии 1 а.е. от Солнца расчётная тяга составляет примерно 0,150 mN.

Эффективная площадь электронного паруса HERTS составляет примерно 600 км² на расстоянии 1 а.е. от Солнца и увеличивается до более чем 1200 км² на 5 а.е.

Сейчас проходят испытания в симуляторе солнечного ветра High Intensity Solar Environment Test (на фото внизу), где измеряется количество столкновений протонов и электронов от солнечного ветра с положительно заряженным тросом. Инженеры умышленно используют вместо алюминия стальной трос. Хотя сталь плотнее алюминия, но это нержавеющий материал, который моделирует нержавеющие свойства алюминия в космосе и позволит дольше проводить испытания.

Сенсоры замеряют отражения протонов от заряженного троса и количество притянутых к нему электронов. Эта информация нужна, чтобы разработать спецификации электронной пушки на аппарате.

В данный момент система HERTS находится на низкой стадии технологической готовности, признаёт НАСА. Даже если результаты испытаний в камере, моделирование и проверка систем развёртывания тросов окажутся успешными, а эти испытания займут два года, всё равно останется ещё много работы по проектированию и изготовлению электрического паруса. Первый космический корабль на таком двигателе мы можем увидеть только лет через десять.

Концепт электрического паруса получил развитие

Пока движется исследование в рамках проекта «Новые горизонты», вопрос остается открытым. Но ученые не прекращают поиск возможностей выхода за пределы внешних планет и продолжения исследований гелиопаузы и большой межзвездной среды, в которой движется Солнце. Брюс Вигман представил концепт миссии под названием Heliopause Electrostatic Rapid Transit System (HERTS), подчеркивая необходимость исследования гелиосферы и ее пределов.

Приятно видеть развитие курса, проложенного еще легендарными «Вояджерами», «Пионерами» и «Новыми горизонтами». Ученые настаивают на том, что нужно продолжать попытки исследования внешних пределов Солнечной системы — в конце концов, они до сих пор не знают, вышел ли «Вояджер» за ее пределы. В любом случае, ключевой проблемой остается двигатель. Команда Вигмана в Центре управления космическими полетами Маршалла получила грант I степени от Института передовых концептов NASA с целью последующей разработки своей идеи.

HERTS включает в себя парус и менее зависит от топлива. Однако это не обычный солнечный парус, который использует импульс фотонов для движения. Описание концепта сбивает с толку, поскольку электрический парус HERTS будет взаимодействовать с солнечным ветром, который состоит не из фотонов, а из заряженных частиц, которые текут от Солнца постоянно, хоть и беспорядочно, с высокой скоростью. Космический аппарат с солнечным парусом, по некоторым расчетам, может двигаться в 5-10 раз быстрее, чем самый передовой транспорт, построенный нами до сих пор, «Вояджер-1» со своими 17,1 км/с.

Вигман подробно объясняет принцип работы своего паруса:

«Основной принцип, на котором работает HERTS, — это обмен импульсов между массивом длинных проводов под напряжением и протонами солнечного ветра, которые радиально текут от Солнца на скорости от 300 до 700 км/с. Высоковольтные положительно заряженные провода, ориентированные на поток солнечного ветра, отражают текущие протоны, в результате чего возникает реактивная сила в проводах — направленная также радиально от Солнца. За месяцы эта небольшая сила разгонит космический аппарат до гигантских скоростей — порядка 100-150 км/с (от 20 до 30 а. е. в год). Предложенный механизм HERTS может дать уникальную возможность исследования гелиопаузы и пределов внешней Солнечной системы менее чем за десять лет».

Концепт HERTS можно считать потомком идей Пекки Джанхунена (Финский метеорологический институт), концепция которого предполагает длинные провода (в 20 километров длиной), простирающиеся от космического корабля, каждый из которых поддерживает устойчивый электрический потенциал при помощи солнечно заряженной электронной пушки на борту транспорта. При сотне проводов — каждый из которых будет тоньше человеческого волоса — будет достигнут максимальный эффект. Поскольку солнечный ветер намного слабее, чем солнечный фотон, электрический парус с проводами в космосе все еще эффективен, по расчета Джанхунена, и может создать эффективный парус на солнечном ветре площадью в несколько квадратных километров.

Целесообразность паруса Джанхунена рассматривалась в течение прошлого года. Специальная комиссия установила, что электрический парус может достичь скорости в три-четыре раза большей, чем любая реалистичная современная технология, включая солнечные паруса и солнечно-электрическую двигательную установку. Поскольку мы взаимодействуем с потоком частиц, плывущих прочь от Солнца, мы ищем способ создания межпланетной двигательной системы, которая не будет страдать от недостатков крупных солнечных парусов, использующих импульс фотона для движения. Развертывание проводов, для сравнения, будет относительно простым.

Как фотонные паруса, так и поездка на солнечном ветре ограничены расстоянием от Солнца, но электрический парус может найти применение в будущих межзвездных миссиях. Если разогнать (неэлектрический) парус с помощью лазерного или микроволнового пучка на небольшой процент от скорости света, его можно будет и замедлить с помощью солнечного ветра звезды, которая будет пунктом назначения, если развернуть парус при входе в новую систему.

Космические миссииКосмические полетыКосмический туризм

Для отправки комментария вы должны или

Электрический солнечный ветровой парус (E-парус)

Электрический солнечный ветровой парус , или сокращенно электрический парус , является двигательным изобретением, сделанным в 2006 году в Космическом центре Кумпула Пеккой Янхуненом. Новости, связанные с электронными парусами, можно найти в блоге об электрических парусах (он на финском языке, но с кнопкой «Перевести на ваш язык»). См. также постоянно обновляемый список научных работ и список часто задаваемых вопросов. Финская стартап-компания Aurora Propulsion Technologies Oy занимается коммерциализацией электрического паруса и тесно связанной с ним технологии плазменного тормоза. Электрический парус представляет собой новую концепцию космического движения, в которой для создания тяги используется импульс солнечного ветра (Янхунен, П., Электрический парус для движения космического корабля, AIAA Journal of Propulsion and Power, 20, 4, 763-764, 2004, Янхунен, П. и А. Сандроос, Моделирование воздействия солнечного ветра на заряженный провод: движение электрического паруса солнечного ветра, Ann. Geophys., 25, 755-767, 2007). Электрический парус чем-то похож на более известный парус давления солнечного излучения, который часто называют просто 9.0026 солнечный парус . Полноразмерный электрический парус состоит из ряда (50-100) длинных (например, 20 км), тонких (например, 25 мкм) токопроводящих тросов (проводов). Космический корабль содержит электронную пушку на солнечной энергии (типичная мощность несколько сотен ватт), которая используется для поддержания высокого (обычно 20 кВ) положительного потенциала космического корабля и проводов. Электрическое поле проводов распространяется на несколько десятков метров в окружающую плазму солнечного ветра. Поэтому ионы солнечного ветра «видят» провода как довольно толстые, шириной около 100 м, препятствия. Существует техническая концепция относительно простого развертывания (размыкания) проводов и электрического управления или «управления» полученным космическим кораблем. Динамическое давление солнечного ветра меняется, но в среднем составляет около 2 нПа на расстоянии Земли от Солнца. Это примерно в 5000 раз слабее, чем давление солнечного излучения. Однако из-за очень большой эффективной площади и очень малого веса на единицу длины тонкой металлической проволоки электрический парус по-прежнему эффективен. 20-километровый провод электрического паруса весит всего несколько сотен граммов и умещается на небольшой катушке, но когда он открывается в космосе и подключается к электронной пушке космического корабля, он может создавать эффективную площадь солнечного ветра в несколько квадратных километров, которая способна извлекать около 10 миллиньютон силы от солнечного ветра. 2. После действия в течение одного года это ускорение дало бы значительную конечную скорость 30 км/с. Меньшие полезные грузы можно было бы перемещать в космосе довольно быстро с помощью электрического паруса, например, облет Плутона может произойти менее чем за пять лет. В качестве альтернативы можно выбрать перемещение полезной нагрузки среднего размера с обычной скоростью 5-10 км/с, но с меньшими затратами на движение, поскольку масса, которая должна быть запущена с Земли, в электрическом парусе невелика. Основное ограничение электрического паруса заключается в том, что, поскольку он использует солнечный ветер, он не может создавать большую тягу внутри магнитосферы, где нет солнечного ветра. Хотя направление тяги в основном от Солнца, его можно в некоторых пределах изменять, наклоняя парус. Таким образом, также возможен поворот к Солнцу. Электрический парус получил награду Финляндии за инновации в области качества 2010 года в категории «Потенциальные инновации». Приз вручил Президент Финляндии Тарья Халонен от 11 ноября 2010 г. Добавлено 6 февраля 2021 г.: На этом сайте также размещены страницы моего предложения по урегулированию мегаспутника Церера.

Что такое электрический парус? Еще один экзотический способ исследовать Солнечную систему

Художественная концепция демонстрационной миссии с солнечным парусом, в которой для навигации будут использоваться лазеры. Кредит: НАСА

Мы все знакомы с идеей солнечных парусов для исследования Солнечной системы, используя световое давление Солнца. Но есть еще одна силовая установка, которая может использовать энергию солнца, электрические паруса, и это довольно захватывающая идея.

Несколько недель назад я ответил на чей-то вопрос о моих любимых экзотических двигательных установках и выдал несколько интересных мне идей: солнечные паруса, ядерные ракеты, ионные двигатели и т.  д. Но есть еще одна силовая установка, которая поддерживает на подходе, и я совершенно забыл упомянуть, но это одна из лучших идей, которые я слышал за последнее время: электрические паруса.

Как вы, наверное, знаете, солнечный парус использует фотоны солнечного света. Хотя фотоны не имеют массы, они обладают импульсом и могут передавать его, когда отражаются от отражающей поверхности.

Помимо света, солнце также испускает постоянный поток заряженных частиц – солнечный ветер. Группа инженеров из Финляндии во главе с доктором Пеккой Янхуненом предложила построить электрический парус, который будет использовать эти частицы для доставки космических кораблей в Солнечную систему.

Чтобы понять, как это работает, мне нужно вбить в ваш мозг несколько понятий.

Во-первых, солнце. Этот смертоносный радиационный шар в небе. Как вы, наверное, знаете, существует непрерывный поток заряженных частиц, в основном электронов и протонов, несущихся от Солнца во всех направлениях.

Предоставлено: Universe Today

Астрономы не совсем уверены, как именно, но какой-то механизм в солнечной короне, его верхних слоях атмосферы, ускоряет эти частицы до космической скорости. Их скорость варьируется от 250 до 750 км/с.

Солнечный ветер уходит от Солнца в космос. Мы видим его влияние на кометы, придающее им характерные хвосты, и он образует пузырь вокруг Солнечной системы, известный как гелиосфера. Именно здесь солнечный ветер от Солнца встречается с коллективными солнечными ветрами от других звезд Млечного Пути.

Фактически, космический корабль НАСА «Вояджер» недавно прошел через этот регион, наконец, пробившись в межзвездное пространство.

Солнечный ветер вызывает прямое давление, как и настоящий ветер, но оно невероятно слабое, лишь часть светового давления, которое испытывает солнечный парус.

Но солнечный ветер отрицательно заряжен, и в этом ключ.

Электрический парус работает, наматывая невероятно тонкую проволоку, толщиной всего 25 микрон, но длиной 20 километров. Космический корабль оснащен солнечными панелями и электронной пушкой, для запуска которой требуется всего несколько сотен ватт.

Визуализация солнечного ветра, сталкивающегося с магнитной «защитой» Земли, известной как магнитосфера. Облака направленной на юг плазмы способны отслаивать слои обращенного к Солнцу пузыря и складывать их в слои на ночной стороне планеты (в центре справа). Слои можно сжать достаточно сильно, чтобы воссоединиться и доставить солнечные электроны (желтые искры) прямо в верхние слои атмосферы для создания полярного сияния. 1 кредит

Выбрасывая электроны в космос, космический корабль поддерживает сильно положительно заряженное состояние. Когда отрицательно заряженные солнечные частицы сталкиваются с положительно заряженной привязью, они «видят» в ней огромное препятствие диаметром 100 метров и врезаются в него.

Придавая импульс тросу и космическому кораблю, ионы разгоняют его от солнца.

Величина ускорения очень слабая, но это постоянное давление солнца, которое может накапливаться в течение длительного периода времени. Например, если космический корабль массой 1000 кг имеет 100 таких проводов, расходящихся во всех направлениях, он может получить ускорение 1 мм в секунду за секунду.

В первую секунду он проходит 1 мм, затем 2 мм в следующую секунду и т. д. В течение года этот космический корабль может двигаться со скоростью 30 км/с. Просто для сравнения: самый быстрый космический корабль НАСА «Вояджер-1» развивает скорость всего около 17 км/с. Так что гораздо быстрее, определенно на скорости убегания от Солнечной системы.

Одним из недостатков метода является то, что он не работает в магнитосфере Земли. Таким образом, космический корабль с электрическим парусом должен быть унесен традиционной ракетой от Земли, прежде чем он сможет развернуть свой парус и отправиться в глубокий космос.

Уверен, вам интересно, не является ли это путешествием в один конец, чтобы уйти от солнца, но на самом деле это не так. Как и в случае с солнечными парусами, электрический парус можно поворачивать. В зависимости от того, на какую сторону паруса падает солнечный ветер, он либо поднимает, либо опускает орбиту космического корабля от Солнца.

Концепт этого художника показывает, как космический корабль «Вояджер-1» входит в пространство между звездами. В межзвездном пространстве преобладает плазма, ионизированный газ (показанный здесь как коричневатая дымка), который был выброшен звездами-гигантами миллионы лет назад. Кредит: НАСА

Ударьте по парусу с одной стороны, и вы поднимите его орбиту, чтобы отправиться во внешнюю часть Солнечной системы. Но вы также можете ударить по другой стороне и понизить ее орбиту, позволив ей спуститься внутрь Солнечной системы. Это невероятно универсальная двигательная установка, и всю работу делает солнце.

Хотя это звучит как научная фантастика, на самом деле в разработке находятся некоторые тесты. Эстонский прототип спутника был запущен еще в 2013 году, но его двигатель не смог размотать трос. Финский спутник Aalto-1 был запущен в июне 2017 года, и одним из его экспериментов является испытание электрического паруса.

Позже в этом году мы должны выяснить, жизнеспособна ли эта техника.

Не только финны рассматривают эту силовую установку. В 2015 году НАСА объявило, что они предоставили доктору Пекке Янхунену и его команде грант Фазы II «Инновационные передовые концепции» для изучения того, как эту технологию можно использовать для достижения внешней части Солнечной системы за меньшее время, чем другие методы.

Электростатическая система быстрого транзита Heliopause, или космический корабль HERTS, будет вытягивать 20 таких электрических тросов наружу от центра, образуя огромный круговой электрический парус для ловли солнечного ветра. При медленном вращении космического корабля центробежные силы растянут тросы и придадут ему круглую форму.

Обладая положительным зарядом, каждый трос действует как огромный барьер для солнечного ветра, обеспечивая космическому кораблю эффективную площадь поверхности 600 квадратных километров после запуска с Земли. Однако по мере удаления от Земли его эффективная площадь увеличивается до эквивалента 1200 квадратных километров к тому времени, когда он достигает Юпитера.

Художественная иллюстрация электростатической системы быстрого транзита Heliopause НАСА. Кредит: НАСА

Когда солнечный парус начинает терять энергию, электрический парус продолжает ускоряться. На самом деле, он будет продолжать ускоряться за пределы орбиты Урана.

Если технология сработает, миссия HERTS сможет достичь гелиопаузы всего за 10 лет. «Вояджеру-1» понадобилось 35 лет, чтобы достичь этого расстояния в 121 астрономической единице от Солнца.

А как же руль? Изменяя напряжение на каждом проводе по мере вращения космического корабля, вы можете заставить весь парус по-разному взаимодействовать с той или иной стороной солнечного ветра. Вы могли управлять всем космическим кораблем, как парусами на лодке.

В сентябре 2017 года группа исследователей из Финского метеорологического института объявила о довольно радикальной идее о том, как они могли бы использовать электрические паруса для всестороннего исследования пояса астероидов.

Вместо одного корабля предложили построить флот из 50 отдельных 5-килограммовых спутников. Каждый из них намотал свой собственный трос длиной 20 км и поймал солнечный ветер. В ходе трехлетней миссии космический корабль отправится к поясу астероидов и посетит несколько различных космических скал. Полный флот, вероятно, сможет исследовать 300 отдельных объектов.

Каждый космический корабль будет оснащен небольшим телескопом с апертурой всего 40 мм. Это примерно размер зрительной трубы или половины бинокля, но этого было бы достаточно, чтобы рассмотреть детали на поверхности астероида размером до 100 метров в поперечнике. У них также будет инфракрасный спектрометр, чтобы определить, из каких минералов состоит каждый астероид.

На этом изображении показаны две области, где находится большинство астероидов в Солнечной системе: пояс астероидов между Марсом и Юпитером и трояны, две группы астероидов, движущихся впереди и вслед за Юпитером по его орбите вокруг Солнца.

Отличный способ найти астероид стоимостью 10 триллионов долларов, сделанный из цельной платины.

Поскольку космический корабль слишком мал для связи на всем пути до Земли, им нужно будет хранить данные на борту, а затем передавать все, как только они пролетят мимо нашей планеты 3 года спустя.

Ученые-планетологи, с которыми я разговаривал, в восторге от идеи одновременного наблюдения такого множества разных объектов, и идея электрического паруса — один из самых эффективных способов сделать это.

По словам исследователей, они могут выполнить миссию примерно за 70 миллионов долларов, в результате чего стоимость анализа каждого астероида снизится примерно до 240 000 долларов. Это было бы дешево по сравнению с любым другим методом изучения астероидов.

В космических исследованиях используются традиционные химические ракеты, потому что они известны и надежны. Конечно, у них есть свои недостатки, но они перенесли нас через Солнечную систему, за миллиарды километров от Земли.