الشراع الشمسى

الأشرعة الشمسية (وتسمى أيضاأشرعة الضوء أوالأشرعةالفوتونية) هي شكل من أشكال الدفع للمركبة الفضائية باستخدام ضغط الإشعاع (وتسمى أيضا الضغط الشمسي) هى هى مزيج من غازات خفيفة منضغطة عالية السرعة أفلتت من النجم كى تضغط وتدفع مرايا رقيقة جدا كبيرة إلى سرعات عالية. ويمكن أيضا أن يكون الدافع وراء أشرعة الضوء من قبل عوارض الطاقة لتوسيع نطاق عملياتها، والتي هي بدقة إبحار شعاع بدلا من الإبحار الشمسي.

المسبار الفضائى إيكاروس مع الشراع الشمسي في الرحلة (تصوير الفنان) تظهر تكوين نموذجى لشراع مربع

حرفة الشراع الشمسي توفر إمكانية العمليات منخفضة التكلفة جنبا إلى جنب مع أعمار التشغيل طويل الأمد. لأن لديهم عدد قليل من أجزاء متحركة ولاتستخدم غازات دافعة، يمكن أن يحتمل الإستخدام مرات عديدة لتسليم الحمولات. استخدام الأشرعة الشمسية وهي الظاهرة التي لديها مؤكدة، وتأثير يقاس على المركبات الفضائية. يؤثر الضغط الشمسية كل المركبات الفضائية، سواء في الفضاء بين الكواكب أو في مدار حول كوكب أو جسم صغير. المركبة الفضائية نموذجي الذهاب إلى المريخ، على سبيل المثال، سيتم تشريد أكثر من 1،000 كم بواسطة الضغط الشمسية، لذلك يجب أخذ آثار تخطيط المسار في الاعتبار ،الذي تم القيام به منذ وقت أقرب المركبة الفضائية بين الكواكب من 1960s. الضغط الشمسية يؤثر أيضا على الموقف من المركبة، أحد العوامل التي يجب تضمينها في تصميم المركبات الفضائية.

القوة المشاركات التي مورست على الشراع الشمسي قد يكون حوالي 1 نيوتن أو أقل, مما يجعل من المركبة الفضائية، وفحوى منخفض، جنبا إلى جنب مع المركبة الفضائية مدفوعا المحركات الكهربائية.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 تاريخ المفهوم

لاحظ يوهانس كبلر أن ذيول المذنبات تشير بعيدا عن الشمس ، واقترح أن الشمس تتسبب في التأثير. في رسالة الى غاليليو في عام 1610، وقال انه كتب، "توفير السفن أو الأشرعة تتكيف مع النسائم السماوية، وسوف يكون هناك بعض الذين سوف الشجعان حتى هذا الفراغ." ربما كان لديه ظاهرة ذيل المذنب في الاعتبار عندما كتب هذه الكلمات، على الرغم من أن منشوراته حول ذيول المذنبات جاءت بعد عدة سنوات.

جيمس كلارك ماكسويل، في 1861-1864، نشر نظريته عن المجالات الكهرومغناطيسية والإشعاعات، مما يدل على ان الضوء لديه الزخم، وبالتالي يمكنه ممارسة الضغط على الكائنات. معادلات ماكسويل توفر الأساس النظري للإبحار مع الضغط الخفيف. لذلك من قبل عام 1864، عرف مجتمع الفيزياء وخارجه أن أشعة الشمس تملك الزخم (momentum) الذى من شأنه أن يمارس الضغط على الكائنات.

جول فيرن ، في من الأرض إلى القمر، رواية خيال علمى نشرت في عام 1865 ، كتب "هناك سوف تظهر في يوم ما بعض سرعات أكبر بكثير من هذه السرعات [من الكواكب أوالقذائف]،التى سوف يكون فيها الضوء أو الكهرباء سيكون على الأرجح عاملا ميكانيكيا ... أننا يجب "السفر في يوم واحد إلى القمر، الكواكب، والنجوم. هذا هو ربما أول اعتراف نشر على ضوء ذلك يمكن أن تتحرك بواسطته السفن عبر الفضاء. ونظرا لتاريخ نشره له على نطاق واسع، والتوزيع الدائم لعمله، يبدو أنه ينبغي اعتبار المنشئ لمفهوم الإبحار في الفضاء بواسطة الضغط الخفيف، على الرغم من ان فيرن أتم تطوير مفهوم آخر. ربما حصل على فكرة مباشرة وفورا من 1864 نظرية ماكسويل (على الرغم من أنه لا يمكن استبعاد أن ماكسويل أو وسيط معترف بها لإمكانات الإبحار قد أصبحت مصدرا لفيرن). بيوتر ليبيديف وكان أول من شرح بنجاح الضغط الخفيف، وهو ما فعله في عام 1899 مع التوازن الإلتوائي؛ أجريت إرنست نيكولز وهال جوردون تجربة مماثلة مستقلة في عام 1901 باستخدام نيكولز الاشعاع. ألبرت أينشتاين المقدمة شكلية مختلفة من قبل صاحب الاعتراف معادلة الكتلة والطاقة. يمكننا الآن كتابة ببساطة P = E / C كما على العلاقة بين الزخم، الطاقة، و سرعة الضوء.

سفانتي أرينيوس في عام 1908 وتوقع إمكانية ضغط الإشعاع الشمسي توزيع جراثيم الحياة عبر المسافات بين النجوم، ومفهوم التبزر الشامل. وقال انه كان على ما يبدو أول عالم لنقول أن الضوء يمكن نقل الكائنات بين النجوم. فريدريش زاندر (Tsander) نشرت ورقة التقنية التي شملت التحليل الفني من الإبحار الشمسية. زاندر كتب من "باستخدام مرايا هائلة من صفائح رقيقة جدا" و "استخدام الضغط من أشعة الشمس لبلوغ السرعات الكونية".

جيه دي برنال كتب في عام 1929، "قد تكون وضعت على شكل الإبحار الفضاء التي تستخدم تأثير متنافر من أشعة الشمس بدلا من الرياح. سفينة الفضاء ذات اجنحته معدنية كبيرة الانتشار، ، فدان في مداها، على نحو كامل، قد يكون في مهب إلى الحد من مدار كوكب نبتون. ثم، إلى زيادة سرعته، فإنه تك، مقرب استحوذ، بانخفاض مجال الجاذبية، ونشر الشراع الكامل مرة أخرى كما هرع الماضية الشمس." بدأت أول تكنولوجيا الرسمي والجهد لتصميم الشراع الشمسي في عام 1976 في مختبر الدفع النفاث للاطلاع على البعثة المقترحة إلى موعد مع المذنب هالي.

 المبادئ الفيزيائية

 ضغط الإشعاع الشمسي

•  مقالة مفصلة: ضغط الإشعاع

الإشعاع الشمسي يمارس الضغط على الشراع بسبب انعكاس وجزء صغير الذي يتم امتصاصه. تسخن الطاقة الممتصة الشراع الذي يشع إعادة تلك الطاقة من السطوح الأمامية والخلفية.

يتم إعطاء زخم الفوتون أو الجريان كامل بواسطة P = E / C, حيث E هي طاقة الفوتون أو الجريان، p هو الزخم، وc هي سرعة الضوء. في 1 الاتحاد الافريقي في كثافة تدفق الطاقة الشمسية حوالي 1370 واط / م², مما أدى إلى الضغط تحت:

الامتصاصية الكمال: F = 4.57 μN للمتر المربع الواحد (4.57 μ PA)

الانعكاس الكمال: F = 9.13 μN للمتر المربع الواحد (9.13 μPa)

حيث الشراع الكامل هو مسطح ولها انعكاس براق 100٪. ومن شأن الشراع الفعلي لها الكفاءة العامة من حوالي 90٪، وحوالي 8.22 μN / م², ونظرا لانحناء (موجة)، والتجاعيد، الامتصاصية، وإعادة الإشعاع من الأمام والخلف، والآثار غير براق، وغيرها من العوامل.

القوة على الشراع والتسارع الفعلي لهذه الحرفة تختلف حسب التربيع العكسي للمسافة من الشمس (إلا على مقربة من الشمس ), and by the square of the cosine of the angle between the sail force vector and the radial from the sun, so

F = F₀ cos² θ / R² (ideal sail)

where R is distance from the sun in AU. An actual square sail can be modelled as:

F = F₀ (0.349 + 0.662 cos 2θ - 0.011 cos 4θ) / R²

Note that the force and acceleration approach zero generally around θ = 60° rather than 90° as one might expect with an ideal sail.

Solar wind, the flux of charged particles blown out from the sun, exerts a nominal dynamic pressure of about 3 to 4 nPa, three orders of magnitude less than solar radiation pressure on a reflective sail.

 Sail parameters

Sail loading (areal density) is an important parameter, which is the total mass divided by the sail area, expressed in g/m². It is represented by the Greek letter σ.

A sail craft has a characteristic acceleration, a_c, which it would experience at 1 AU when facing the sun. It is related to areal density by:

a_c = 8.22 / σ, in mm/s²

The lightness number, λ, is the dimensionless ratio of maximum vehicle acceleration divided by the sun's local gravity; using the values at 1 AU:

λ = a_c / 5.93

The table presents some example values. Payloads are not included. The first two are from the detailed design effort at JPL in the 1970s. The third, the lattice sailer, might represent about the best possible performance level.

Type	σ	ac	λ	Size
Square sail	5.27	1.56	0.26	820 m
Heliogyro	6.39	1.29	0.22	15 km
Lattice sailer	0.07	117	20	1 km

 تقنيات الإبحار

عمليات الإبحار في مدارات الكواكب أبسط، حيث تتم التغييرات في موقف بمعدلات منخفضة. لمسارات متجهة نحو الخارج، متجه القوة الشراع هو التوجه إلى الأمام من خط الشمس، مما يزيد الطاقة والزخم الزاوي المداري، مما يؤدى بالطائرة أن تتحرك أبعد من الشمس. لمسارات الداخل، متجه قوة الشراع هو المنحى وراء خط الشمس ، مما يقلل الطاقة المدارية والزخم الزاوي، مما يؤدى بالطائرة أن تتحرك في اتجاه الشمس. لتغيير الميل المداري، يتم تشغيل ناقلات القوة للخروج بالطائرة من ناقل السرعة. في مدارات حول الكواكب أو غيرها من الهيئات، يتمثل التوجه الشراع بحيث ناقلات قوتها لديها عنصر على طول ناقل السرعة، إما في اتجاه الحركة لولبية نحو الخارج، أو ضد اتجاه الحركة لولبية نحو الداخل.

 مراقبة الإرتفاع

نظام لمراقبة الموقف النشط (ACS) أمر ضروري لطائرة الشراع لتحقيق والمحافظة على الاتجاه المطلوب. التغييرات التوجه الشراع المطلوبة ببطء، وغالبا أقل من 1 درجة في اليوم الواحد، في الفضاء بين الكواكب، ولكن بسرعة أكبر بكثير في مدار الكواكب. يجب أن يكون ACS قادرة على تلبية هذه المتطلبات التوجه. تتحقق السيطرة من خلال تحول نسبي بين الحرفية في مركز من الضغط ولها مركز الكتلة. ويمكن تحقيق ذلك مع دوارات التحكم، حركة أشرعة الفردية، وحركة كتلة التحكم، أو تغيير انعكاسي.عقد هو موقف ثابت يتطلب أن ACS الحفاظ على عزم الدوران الصافي من الصفر على الحرفية. القوة وعزم الدوران الكلي على الشراع، أو مجموعة من الأشرعة، ليست ثابتة على طول مسار. التغييرات القوة مع المسافة الشمسية وزاوية الشراع، والذي يتغير انتفخ في الشراع وينحرف بعض عناصر البنية الداعمة، مما يؤدي إلى تغيرات في القوة وعزم الدوران الشراع. درجة حرارة الإبحار أيضا تغييرات مع مسافة الشمسية وزاوية الشراع، والذي يتغير أبعاد الشراع. الحرارة اشعاعا من الشراع يغير درجة حرارة هيكل دعم. كل العوامل التي تؤثر على قوة وعزم دوران إجمالي.

يجب على ACS تعويض عن كل من هذه التغييرات من أجل أن يعقد الموقف المطلوب.

 القيود

في مدار حول الأرض، الضغط الشمسية وضغط السحب وعادة ما تكون متساوية على ارتفاع حوالي 800 كم، وهو ما يعني أن طائرة الشراع يجب أن تعمل فوق ذلك الارتفاع. حرفة الشراع يجب أن تعمل في مدارات حيث معدلات دورهم متوافقة مع المدارات، وهو عموما مصدر قلق فقط للغزل تكوينات القرص.

تبحر درجات حرارة التشغيل هي وظيفة من المسافة الشمسية، زاوية الشراع، انعكاسية، والجبهة والظهر الابتعاثية. شراع يمكن استخدامها فقط حيث تحفظ درجة حرارته في حدود موادها. عموما، شراع يمكن استخدامها بدلا مقربة من الشمس، ونحو 0.25 الاتحاد الافريقي،or even closer if carefully designed لتلك الظروف.

 Applications

 Sail configurations

NASA illustration of the unlit side of a half-kilometre solar sail, showing the struts stretching the sail.

An artist's depiction of a Cosmos 1 type spaceship in orbit

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 Sail testing in space

 IKAROS

The model of IKAROS at the 61st International Astronautical Congress in 2010

 =Future approaches

 In science fiction

The earliest reference to solar sailing was in Jules Verne's 1865 novel From the Earth to the Moon, coming only a year after Maxwell's equations were published. The next known publication came more than 20 years later when Georges Le Faure and Henri De Graffigny published a four-volume science fiction novel in 1889, The Extraordinary Adventures of a Russian Scientist, which included a spacecraft propelled by solar pressure. B. Krasnogorskii published On the Waves of the Ether in 1913. In his story backed by technical calculations, a small, bullet-shaped capsule is surrounded by a circular mirror 35 meters in diameter. It travels through space by means of solar pressure on the mirror.

 انظر أيضاً

• Yarkovsky effect
• Poynting–Robertson effect
• Nichols radiometer
• IKAROS
• Cosmos 1
• Spacecraft propulsion
• Beam-powered propulsion
• Magnetic sail
• Electric sail
• Optical lift
• Optical tweezers

 Bibliography

• G. Vulpetti, Fast Solar Sailing: Astrodynamics of Special Sailcraft Trajectories, Space Technology Library Vol. 30, Springer, August 2012, (Hardcover) http://www.springer.com/engineering/mechanical+engineering/book/978-94-007-4776-0, (Kindle-edition), ASIN: B00A9YGY4I
• G. Vulpetti, L. Johnson, G. L. Matloff, Solar Sails: A Novel Approach to Interplanetary Flight, Springer, August 2008, ISBN 978-0-387-34404-1
• J. L. Wright, Space Sailing, Gordon and Breach Science Publishers, London, 1992; Wright was involved with JPL's effort to use a solar sail for a rendezvous with Halley's comet.
• NASA/CR 2002-211730, the chapter IV - presents the theory and the optimal NASA-ISP trajectory via the H-reversal sailing mode
• G. Vulpetti, The Sailcraft Splitting Concept, JBIS, Vol.59, pp. 48–53, February 2006
• G. L. Matloff, Deep-Space Probes: To the Outer Solar System and Beyond, 2nd ed., Springer-Praxis, UK, 2005, ISBN 978-3-540-24772-2
• T. Taylor, D. Robinson, T. Moton, T. C. Powell, G. Matloff, and J. Hall, Solar Sail Propulsion Systems Integration and Analysis (for Option Period), Final Report for NASA/MSFC, Contract No. H-35191D Option Period, Teledyne Brown Engineering Inc., Huntsville, AL, May 11, 2004
• G. Vulpetti, Sailcraft Trajectory Options for the Interstellar Probe: Mathematical Theory and Numerical Results, the Chapter IV of NASA/CR-2002-211730, “The Interstellar Probe (ISP): Pre-Perihelion Trajectories and Application of Holography”, June 2002
• G. Vulpetti, Sailcraft-Based Mission to The Solar Gravitational Lens, STAIF-2000, Albuquerque (New Mexico, USA), 30 January - 3 February 2000
• G. Vulpetti, General 3D H-Reversal Trajectories for High-Speed Sailcraft, Acta Astronautica, Vol. 44, No. 1, pp. 67–73, 1999
• C. R. McInnes, Solar Sailing: Technology, Dynamics, and Mission Applications, Springer-Praxis Publishing Ltd, Chichester, UK, 1999, ISBN 978-3-540-21062-7
• Genta, G., and Brusa, E., The AURORA Project: a New Sail Layout, Acta Astronautica, 44, No. 2-4, pp. 141–146 (1999)
• S. Scaglione and G. Vulpetti, The Aurora Project: Removal of Plastic Substrate to Obtain an All-Metal Solar Sail, special issue of Acta Astronautica, vol. 44, No. 2-4, pp. 147–150, 1999

 وصلات خارجية

• "Deflecting Asteroids," by Gregory L. Matloff, IEEE Spectrum, April 2012
• Planetary Society site for solar sailing projects
• The Solar Photon Sail Comes of Age by Gregory L. Matloff
• NASA Mission Site for NanoSail-D
• NanoSail-D mission: Dana Coulter, "NASA to Attempt Historic Solar Sail Deployment", NASA, June 28, 2008
• Far-out Pathways to Space: Solar Sails from NASA
• Solar Sails Comprehensive collection of solar sail information and references, maintained by Benjamin Diedrich. Good diagrams showing how light sailors must tack.
• U3P Multilingual site with news and flight simulators
• ISAS Deployed Solar Sail Film in Space
• Suggestion of a solar sail with roller reefing, hybrid propulsion and a central docking and payload station.
• Interview with NASA's JPL about solar sail technology and missions
• Website with technical pdf-files about solar-sailing, including NASA report and lectures at Aerospace Engineering School of Rome University
• Advanced Solar- and Laser-pushed Lightsail Concepts
• Andrews, D.G. (2003). "Interstellar Transportation using Today's Physics" (PDF). AIAA Paper 2003-4691. American Institute of Aeronautics and Astronautics.
• www.aibep.org: Official site of American Institute of Beamed Energy Propulsion
• Space Sailing Sailing ship concepts, operations, and history of concept