Aufrechterhaltung der idealen Krümmung (Ebenheit) eines Sonnensegels

Wenn ein Sonnensegel von Nutzen sein soll, muss es eine starre Struktur sein und seine ideale Krümmung und Ausrichtung beibehalten, da es sich sonst aufgrund des zunehmenden Drehmoments wie ein Regenschirm bei starkem Wind über seinen Schwerpunkt falten würde radial mit Abstand zu seinem geometrischen Mittelpunkt. Damit ein Sonnensegel die schwache Impulskraft des Strahlungsdrucks effektiv auf seine starre Struktur übertragen kann, muss es außerdem absolut riesig sein, seinen Radius weiter vergrößern, und idealerweise würde der Schwerpunkt seiner Masse entlang der Bewegungsachse in seiner Geometrie liegen Zentrum auf einer 2-dimensionalen Ebene senkrecht zur Strahlungsquelle, andernfalls übersetzt sich sein Gesamtdrehmoment in einen Spin.

Das bedeutet also, dass, obwohl wir von einer relativ kleinen Kraft sprechen, die pro quadratischer Fläche aufgebracht wird, je größer sie ist (um die Nettokraft auf sie zu erhöhen), desto größer ihr radialer Abstand zu ihrer Mittelachse und damit auch die Drehmomentdifferenz ist . Je größer es also wird, desto stärker müsste sein Rahmen sein, der es zusammenhält, was bei einer großen Fläche, die für alle Missionen von angemessener Dauer nützlich ist, bedeutet, dass wir uns schnell den Grenzen der maximalen Belastung aller dem Menschen bekannten Materialien nähern . Entweder das, oder wir erhöhen seine Fähigkeit, mit strukturellen Belastungen fertig zu werden, indem wir ihm mehr Masse hinzufügen (Verstärkung der Struktur), wodurch der Punkt zunichte gemacht wird, überhaupt ein riesiges Sonnensegel zu haben. Daher meine Frage.

Wie behält man die Ebenheit eines großen Sonnensegels bei, damit es sich nicht zu einer weniger als idealen konkaven / konvexen Schale verbiegt oder auf sich selbst faltet? Welche Art von Stützstrukturen werden vorgeschlagen, um diese Flachheit aufrechtzuerhalten, was sind die Beschränkungen (maximale Größe) solcher Materialien, die vorgeschlagen werden, und könnten diese Beschränkungen durch die Verwendung von beispielsweise elektroaktiven Polymeren (EAP) etwas erweitert werden, z. B. können Kohlenstoffnanoröhren verwendet werden für ionische EAP, die auch einige der stärksten Materialien sind, die der Wissenschaft bekannt sind, um ihre Ebenheit / ideale Krümmung durch Anlegen einer Spannung an den Rahmen aufrechtzuerhalten?

Die ideale Krümmung ist für alle praktischen Anwendungen Null (ansonsten gilt das Gesetz von cos ⁡ ( a ) erhebt seinen hässlichen Kopf, was zu Schubverlusten führt).
@DeerHunter Nun ja, aber das ändert nichts an der Frage, wie man es pflegt, wenn das Segel größer wird. Es bedeutet nur, dass die ideale Krümmung = 0 ist. Weder Plus noch Minus. Wie stellen Sie das sicher?
Drähte, meistens. Abgesehen von der Entfaltung besteht das entscheidende Problem darin, das Drehmoment während der Periapsen sicherzustellen (und damit umzugehen) - um das Beste herauszuholen Δ v vom Oberth-Effekt. Wir waren nicht in der Lage, Seile zu handhaben, geschweige denn flexible Segel, die so groß sind.
Ich denke, der Schlüssel ist, die Rahmengröße auf die Leitungsanschlüsse auszugleichen. Wenn Sie einen Rahmen und ein Segel haben, das seine Form bei einer Größeneinheit beibehält, und Sie neun Größeneinheiten benötigen, um Schub zu liefern, dann haben Sie 18 Verbindungslinien zu den 18 Ecken eines Gitters mit 9 Einheiten (gemeinsame Ecken in quadratischem Muster). . Jede Leine müsste mit einer separaten "Winde" verbunden werden, die eine Anpassung ermöglichen würde.
@james jenkins Du beschreibst eine Science-Fiction-Kurzgeschichte aus irgendwo wie Boys Life in den 1960er Jahren, die Dutzende von Zeilen und so weiter kontrolliert. Als Lösung ein Umfang, der nach innen oder hinten abgewinkelt ist, um eine Kraft bereitzustellen, die sich aus der Mitte herauszieht. Oder bedenken Sie, dass, wenn sich ein Segel von flach zu schirmförmig bewegt, die Reflexionswinkel nach außen gerichtete Kräfte erzeugen. Hat Tethers Unlimited daran gearbeitet?

Antworten (1)

Drehen Sie das Segel. Die Zentrifugalkraft trägt dazu bei, die Ebenheit aufrechtzuerhalten. Sofern es keine technischen Anforderungen gibt, die etwas anderes vorschreiben, würde es wahrscheinlich besser funktionieren, sowohl das Fahrzeug als auch das Segel zu drehen. Es sollte ausreichen, die Drehung des Fahrzeugs auf Hochtouren zu bringen, bevor das Segel eingesetzt wird. Der Sonnensegel-Demonstrator IKAROS von JAXA wurde im Rotationsbetrieb eingesetzt.

Es gibt jedoch eine große Diskrepanz zwischen der populären Konzeption von Sonnensegeln und den Entwürfen von geflogenen oder in Betracht gezogenen Missionen. Wie C. Town Springer in seinem obigen Kommentar erwähnte, denken viele Leute an Sonnensegel, die an Leinen vor dem Schiff angebracht werden, wie in Arthur C. Clarkes The Sunjammer .

Boys'Life-Cover
Robert Forwards Design von interstellaren strahlgetriebenen Sonnensegeln enthielt auch Schleppleinen. In der Praxis sahen Sonnensegel-Projekte jedoch eher so aus:

NanoSail-D-Segel

IKAROS, NanoSail-D und das LightSail-1 der Planetary Society weisen alle dieses Design auf, ein Segel mit Rahsegel, das durch ausklappende Ausleger aus dem Rumpf des Fahrzeugs entfaltet wird.

Wenn man darüber nachdenkt, wie sich ein atmosphärischer Fallschirm entfaltet, wird die Unpraktikabilität der Nachahmung dieses Designs für ein Proof-of-Concept-Solarsegel offensichtlich. Typischerweise fängt ein Bremsschirm die Luft auf und zieht den Hauptschirm heraus, der sich (hoffentlich) in seine gewünschte Form ausdehnt und die Leinen straff zieht. Für ein Sonnensegelfahrzeug steht kein derartiger Mechanismus einer äquivalenten Größenordnung zur Verfügung.

Das Design mit flacher Oberfläche und senkrecht zur Achse ist bei dieser Leuchte mechanisch einfacher einzusetzen. Anspruchsvollere Segelboote können durchaus andere Kräfte einsetzen, um ihre Verkäufe zu entfalten, wie z. B. elektrostatische oder Zentrifugalkraft, wie in dieser Antwort , aber erwarten Sie in naher Zukunft Designs, die mehr dem Regenschirm als dem traditionellen Fallschirm zu verdanken sind.

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