Berechnung der Sonnensegelkraft: Winkelvektor

Dies ist eine Teilantwort.

Bei einem flachen Reflektor, wie unten gezeigt, ist die aus den einfallenden Photonen resultierende Kraft immer senkrecht (90°) zur Reflektorebene. Denn der Reflexionswinkel ist immer gleich dem Einfallswinkel.

Der Winkel zwischen den einfallenden Photonen und dem Kraftvektor wird mit θ bezeichnet. Die Größe der Kraft wird gemäß cos θ variieren. Wenn das Segel im rechten Winkel zu den einfallenden Photonen steht, wie beim Beschleunigen von der Sonne weg, ist θ null und das Segel liefert die maximale Kraft (cos 0 ist 1).

θ nimmt zu, wenn das Segel von der Sonne weg ausgerichtet ist, und der von jedem Photon erhaltene Schub wird verringert. Zum Beispiel, wenn das Segel auf 45° ausgerichtet ist: cos 45° ist$\sqrt{2}$, etwa 0,71. Aber auch die zum Sammeln von Photonen verfügbare Fläche des Segels wird reduziert; er variiert auch je nach cos θ. Daher die$\cos^2 {\theta}$Term in der Idealformel.

Der von Ihnen erwähnte Wikipedia -Artikel zum Sonnensegel erklärt nicht eindeutig, wie das tatsächliche quadratische Segelmodell abgeleitet wird, ebenso wenig wie der zugehörige Artikel zum Strahlungsdruck .

Alles, was ich an dieser Stelle hinzufügen kann, ist, dass die Leistung eines echten Sonnensegels dadurch beeinträchtigt wird

• das Reflexionsvermögen des Segels; Die verlinkten Artikel gehen davon aus, dass 90% machbar sind.
• das Segel Rückstrahlung der absorbierten Energie.
• die Segelmasse pro Flächeneinheit; sagen die verlinkten Artikel

  Bei einer Dicke von 20 nm hat Lithium eine Flächendichte von 0,011 g/m2.

• die Oberflächengenauigkeit des Segels (wie flach es ist).
• die Effizienz, mit der die Kraft auf das Segel auf das Raumfahrzeug übertragen wird (z. B. gibt es ein Drehmoment, das ausgeglichen werden muss).

1. "Winkel zwischen dem Segelkraftvektor und dem Radial von der Sonne": Das Segel wird durch die einfallenden Photonen von der Sonne und durch die reflektierten Photonen (Reaktion) bewegt.

(Quelle: spaceplan2020.com )

Unabhängig vom Winkel der Sonne liegt die resultierende Kraft nahe an der Normalen zur Segeloberfläche (normal nur, wenn 100 % der einfallenden Photonen reflektiert werden). Das bedeutet, dass zwischen dem Radial von der Sonne und der Segelkraft (Schubrichtung) ein Winkel besteht, der von der Reflektivität und vor allem auch von der Ausrichtung des Segels abhängt.

2. Die Koeffizienten 0,349, 0,662 und 0,011 gelten für ein Rahsegel . Mehr dazu .

3. Einige Hinweise:

   • $\frac{1}{r^2}$ist der Effekt des umgekehrten Quadratgesetzes (weil das Licht der Sonne auf eine Kugel emittiert wird, deren Gesamtoberfläche proportional zum Quadrat der Entfernung ist.
   • $\cos \theta$spiegelt das Verhältnis zwischen der tatsächlichen Oberfläche des Segels und seiner scheinbaren Oberfläche wider, wie von der Sonne aus gesehen (1, wenn der Winkel null ist, dann auf 0 abnehmen, wenn der Winkel 90° beträgt).

4. Variablen sind der auf das Segel ausgeübte Sonnendruck, wenn das Segel in Sonnenrichtung ausgerichtet ist ($F_0$), der Winkel zwischen der Sonne und der Normalen zum Segel ($\theta$) und die Entfernung zur Sonne ($R$).