Күн желкені – жұлдыз шығаратын жеңіл және жоғары жылдамдықты газдардың (сонымен қатар күн сәулесінің қысымы деп те аталады) қысымын пайдаланып ғарыш кемесін қозғалту тәсілі. Оның құрылғысын толығырақ қарастырайық.
Желкенді пайдалану ұзартылған қызмет мерзімімен бірге арзан ғарыш саяхатын білдіреді. Көптеген қозғалатын бөліктердің болмауына байланысты, сондай-ақ отынды пайдалану қажеттілігіне байланысты мұндай кеме пайдалы жүктерді жеткізу үшін қайта пайдалануға жарамды. Жарық немесе фотон желкені деген атаулар да кейде қолданылады.
Тұжырымдама
Иоганн Кеплер бірде құйрықты жұлдыздың құйрығы Күннен алыс қарайтынын байқап, бұл әсерді жұлдыз деп болжады. 1610 жылы Галилейге жазған хатында ол былай деп жазды: «Кемеге күн самалына бейімделген желкенді беріңіз, сонда бұл бос орынды зерттеуге батылы баратындар болады». Бәлкім, бұл сөздерімен ол дәл «комета құйрығы» құбылысына сілтеме жасаған шығар, дегенмен бұл тақырыптағы жарияланымдар бірнеше жылдан кейін пайда болды.
Джеймс К. Максвелл ХІХ ғасырдың 60-жылдары электромагниттік өріс теориясын жәнесәулелену, онда ол жарықтың импульсі бар екенін және осылайша объектілерге қысым жасай алатынын көрсетті. Максвелл теңдеулері жеңіл қысымды қозғалыстың теориялық негізін береді. Сондықтан, 1864 жылдың өзінде-ақ физика қауымдастығы ішінде және сыртында күн сәулесінің заттарға қысым жасайтын импульс беретіні белгілі болды.
Алдымен Петр Лебедев 1899 жылы жарық қысымын тәжірибе жүзінде көрсетті, содан кейін Эрнест Николс пен Гордон Халл 1901 жылы Николс радиометрін пайдаланып осындай тәуелсіз эксперимент жүргізді.
Альберт Эйнштейн масса мен энергияның эквиваленттігін мойындай отырып, басқа тұжырымды енгізді. Енді біз жай ғана p=E/c мәнін импульс, энергия және жарық жылдамдығы арасындағы қатынас ретінде жаза аламыз.
Сванте Аррениус 1908 жылы жұлдыз аралық қашықтықта тірі спораларды тасымалдайтын күн радиациясының қысымының мүмкіндігін және соның нәтижесінде панспермия тұжырымдамасын болжады. Ол жарық жұлдыздар арасында заттарды жылжыта алатынын айтқан алғашқы ғалым.
Фридрих Зандер күн желкенінің техникалық талдауын қамтитын мақаланы жариялады. Ол "үлкен және өте жұқа айна парақтарын пайдалану" және "ғарыштық жылдамдыққа жету үшін күн сәулесінің қысымы" туралы жазды.
Бұл технологияны әзірлеуге арналған алғашқы ресми жобалар 1976 жылы Реактивті қозғалыс зертханасында Галли кометасымен ұсынылған кездесу миссиясы үшін басталды.
Күн желкені қалай жұмыс істейді
Жарық планетаның орбитасында немесе ондағы барлық көліктерге әсер етедіпланетааралық кеңістік. Мысалы, Марсқа баратын кәдімгі ғарыш кемесі Күннен 1000 км-ден астам қашықтықта болады. Бұл әсерлер 1960 жылдардағы ең бірінші планетааралық ғарыш аппаратынан бастап ғарыштық саяхат траекториясын жоспарлауға қосылды. Радиация көліктің жағдайына да әсер етеді және бұл факторды кемені жобалау кезінде ескеру қажет. Күн желкеніндегі күш 1 Ньютон немесе одан аз.
Бұл технологияны қолдану кез келген әрекет төмен қарқынмен орындалатын жұлдызаралық орбиталарда ыңғайлы. Жеңіл желкеннің күш векторы күн сызығының бойымен бағытталған, бұл орбитаның энергиясы мен бұрыштық импульсін арттырады, бұл кеменің күннен алысырақ жылжуына әкеледі. Орбитаның көлбеуін өзгерту үшін күш векторы жылдамдық векторының жазықтығынан тыс болады.
Орынды басқару
Ғарыш кемесінің Аттракционды басқару жүйесі (ACS) Ғалам арқылы саяхаттау кезінде қажетті орынға жету және өзгерту үшін қажет. Аппараттың белгіленген орны өте баяу өзгереді, көбінесе планетааралық кеңістікте күніне бір градустан аз. Бұл процесс планеталардың орбиталарында әлдеқайда жылдам жүреді. Күн желкенін пайдаланатын көлікті басқару жүйесі барлық бағдарлау талаптарына сай болуы керек.
Бақылау ыдыстың қысым орталығы мен оның масса центрі арасындағы салыстырмалы ығысу арқылы қол жеткізіледі. Бұған басқару қалақшалары, жеке желкендерді жылжыту, басқару массасын жылжыту немесе шағылыстырғышты өзгерту арқылы қол жеткізуге болады.қабілеттер.
Тұрып тұрған күй нөлдік моментті ұстап тұру үшін ACS-ті қажет етеді. Желкеннің күш моменті траектория бойынша тұрақты емес. Күннен қашықтыққа және бұрышқа байланысты өзгерістер, бұл желкеннің білігін түзетеді және тірек құрылымының кейбір элементтерін бұрады, нәтижесінде күш пен момент өзгереді.
Шектеулер
Күн желкені Жерден 800 км-ден төмен биіктікте жұмыс істей алмайды, өйткені осы қашықтыққа дейін ауа қарсылық күші жеңіл қысым күшінен асып түседі. Яғни, күн қысымының әсері әлсіз байқалады және ол жай жұмыс істемейді. Желкенді кеменің айналу жылдамдығы орбитаға сәйкес болуы керек, бұл әдетте айналдыру дискінің конфигурацияларында ғана мәселе болып табылады.
Жұмыс температурасы күн қашықтығына, бұрышқа, шағылысу қабілетіне және алдыңғы және артқы радиаторларға байланысты. Желкенді температура оның материалдық шегінде сақталған жерде ғана пайдалануға болады. Кеме осы жағдайларға мұқият жасалған болса, оны әдетте күнге жақын жерде, шамамен 0,25 AU шамасында пайдалануға болады.
Конфигурация
Эрик Дрекслер арнайы материалдан күн желкенінің прототипін жасады. Бұл қалыңдығы 30-дан 100 нанометрге дейінгі жұқа алюминий пленкасының панелі бар жақтау. Желкен айналады және үнемі қысым астында болуы керек. Құрылымның бұл түрі бірлік массаға жоғары ауданға ие және сондықтанжеделдету орналастырылатын пластикалық пленкаларға негізделгеннен «елу есе жылдам». Бұл желкеннің қараңғы жағында діңгектері мен егіз сызықтары бар төртбұрышты желкен. Төрт қиылысатын діңгек және сымдарды ұстау үшін орталыққа бір перпендикуляр.
Электрондық дизайн
Пекка Янхунен электр желкенін ойлап тапты. Механикалық түрде оның дәстүрлі жарық дизайнымен ортақтығы шамалы. Желкендер кеменің айналасында радиалды орналасқан түзетілген өткізгіш кабельдермен (сымдармен) ауыстырылады. Олар электр өрісін жасайды. Ол айналадағы күн желінің плазмасына бірнеше ондаған метрге дейін созылады. Күн электрондары электр өрісімен шағылысады (дәстүрлі күн желкеніндегі фотондар сияқты). Сымдардың электр зарядын реттеу арқылы кемені басқаруға болады. Электр желкенінде ұзындығы шамамен 20 км болатын 50-100 түзетілген сым бар.
Ол неден жасалған?
Дрекслердің күн желкені үшін әзірленген материал - қалыңдығы 0,1 микрометрлік жұқа алюминий қабық. Күтілгендей, ол ғарышта пайдалану үшін жеткілікті беріктік пен сенімділікті көрсетті, бірақ бүктеу, ұшыру және орналастыру үшін емес.
Заманауи дизайндағы ең көп таралған материал - өлшемі 2 мкм «Каптон» алюминий пленкасы. Ол Күн маңындағы жоғары температураға төзімді және жеткілікті күшті.
Біраз теориялық болдытоқылған «саңылаулар» жарық толқын ұзындығының жартысынан аз болатын нанотүтік мата торларына негізделген жетілдірілген, күшті, ультра жеңіл желкен жасау үшін молекулалық өндіріс әдістерін қолдану туралы болжамдар. Мұндай материал тек зертханада жасалған және өнеркәсіптік ауқымда өндіруге арналған құралдар әлі қол жетімді емес.
Жеңіл желкен жұлдыз аралық саяхатқа үлкен мүмкіндіктер ашады. Әрине, мұндай ғарыш кемесінің дизайны адамзат үшін үйреншікті нәрсеге айналатын ғаламды аралау алдында әлі де көптеген сұрақтар мен қиындықтарға тап болады.
