Электрический парус

[KBOB]

Есть такая разновидность двигателя космического аппарата - Электрический парус
Хотя такой двигатель и имеет существенный минус - сила разгона корабля электрическим парусом в 200 раз меньше, чем у аналогичного по размерам солнечного паруса. Электрический парус большего размера создать значительно проще, чем и занимаются в настоящий момент горячие финские парни.
http://www.electric-sailing.fi/

Пробный запуск прототипа будет осуществлен в апреле 2013г индийской ракетой PSLV.
http://novosti-kosmonavtiki.ru/forum/messages/forum12/topic11408/message1022471/#message1022471

[instml]

http://www.unmannedspaceflight.com/index.php?showtopic=7576&view=findpost&p=196578

http://phys.org/news/2013-01-space-one-kilometer-long-electric-tether.html

Space sailing soon: A one-kilometer-long electric sail tether produced

                   The electric sail (ESAIL), invented by Dr. Pekka Janhunen at the Finnish Kumpula Space Centre in 2006, produces propulsion power for a spacecraft by utilizing the solar wind. The sail features electrically charged long and thin metal tethers that interact with the solar wind. Using ultrasonic welding, the Electronics Research Laboratory at the University of Helsinki successfully produced a 1 km long ESAIL tether. Four years ago, global experts in ultrasonic welding considered it impossible to weld together such thin wires. The produced tether proves that manufacturing full size ESAIL tethers is possible. The theoretically predicted electric sail force will be measured in space during 2013.                
An electric solar wind sail, a.k.a electric sail, consists of long, thin (25–50 micron) electrically conductive tethers manufactured from aluminium wires. A full-scale sail can include up to 100 tethers, each 20 kilometres long. In addition, the craft will contain a high-voltage source and an electron gun that creates a positive charge in the tethers. The electric field of the charged tethers will extend approximately 100 metres into the surrounding solar wind plasma. Charged particles from the solar wind crash into this field, creating an interaction that transfers momentum from the solar wind to the spacecraft. Compared with other methods, such as ion engines, the electric sail produces a large amount of propulsion considering its mass and power requirement. Since the sail consumes no propellant, it has in principle an unlimited operating time.
The electric sail is raising a lot of interest in space circles, but until now it has been unclear whether its most important parts, i.e. the long, thin metal tethers, can be produced.
The team at the University of Helsinki is apparently the first one in the world to use ultrasonic welding to join wires together into a tether, says the team leader, Professor Edward Hæggström from the Department of Physics.
A single metal wire is not suitable as an ESAIL tether, as micrometeoroids present everywhere in space would soon cut it. Therefore the tether must be manufactured from several wires joined together every centimetre [Image 1]. In this way, micrometeoroids can cut individual wires without breaking the entire tether.
The tether factory has so far produced ultrasonic welds for one kilometre of aluminium tether
The Electronics Research Laboratory team started studying the production problem four years ago. At the time, the view of international experts in ultrasonic welding was that joining thin wires together was not possible. However, the one-kilometre-long tether produced now, featuring 90,000 ultrasonic welds, shows that the method works and that producing long electric sail tethers is possible.
             
The wire is produced with a fully automated tether factory, a fine mechanical device under computer control, developed and constructed by the team itself. [Image 2]. The tether factory at the Kumpula Science Campus in Helsinki, Finland, was integrated into a modified commercial ultrasonic welding device. Ultrasonic welding is widely in the electronics industry, but normally it is used for joining a wire to a base.
We have a challenging task, as keeping thin wires repeatedly in the precisely correct position is hard, says Timo Rauhala who works in the laboratory.
Approximately three metres of tether is currently produced per hour. Its quality is verified optically with a real-time measurement that inspects the connection of every individual joint. In the future, the production speed is to be raised and the weld quality will be assured during the production process.
The products of the tether factory will soon see action in space. The first opportunity will be the ESTCube-1 satellite, an Estonian small satellite to be launched in March 2013. ESTCube-1 will deploy a 15-metre long tether in space and measure the ESAIL force it is subjected to. This is ground-breaking as, so far, the theoretically predicted electric sail force has not yet been experimentally measured.
Next in turn will be the Aalto-1 small satellite from the Aalto University, to be launched in 2014, which will deploy a 100-metre long tether.
 The deployed tethers are kept straight in space by the centrifugal force, the magnitude of which is five grams in a full-scale electric sail. The wire-to-wire welds of the ESAIL tether produced at the University of Helsinki will tolerate a pull of 10 grams.

[KBOB]

АГА!
Electronics Research Laboratory at the University of Helsinki successfully produced a 1 km long ESAIL tether
меня тоже впечатлило

[X-Rocket]

В принципе, идея интересная. Для того, чтобы разогнать аппарат массой в 1 тонну до 12 км/с за 30 дней нуна электростатическая микронная паутина площадью 10 000 кв км весом 10 кг. Мощность разряда в солнечном ветре для поддержания запирающего потенциала составит около 60 кВт,  однако. Тем не менее, энергию берем от Солнца, топлива нет. Может быть, эта идея была бы более интересной если такой ветер создать искусственно, скажем от ионной пушки на Луне. Тогда и парус был бы компактней, и разгонная траектория была бы минимальна. В принципе идея для межпланетных перелетов. Тормозить аппарат можно таким же способом. Получается что то из "Звездных войн",  где Дуку спасается на паруснике.

http://www.mirf.ru/Articles/3/752/duku.jpg

[jre]

10 тыс кв км? и 10 кг, вы не путаете??? Она площадью с малую планету! Давление солнечного света и то больше! Силы растяжения паутины ее разорвут, плюс утечки тока на электроны

[Cepёгa]

Теоретически, если тросики делать из нанотрубок, плюс к этому между ними добавить максимально возможный тонкопленочный парус с интергированной СБ - может чего и получится дельного. Вот только как потом управлять такой дурой...

[X-Rocket]

jre пишет:
10 тыс кв км? и 10 кг, вы не путаете??? Она площадью с малую планету! Давление солнечного света и то больше! Силы растяжения паутины ее разорвут, плюс утечки тока на электроны

10 тыс кв км это не малая планета, это паутина размером 100*100 км, всего то! Да, давление больше, но и вес тоже. Фишка в том, что паутина может состоять вообще из нескольких проволочек, не более. Давление, которое на нее оказывает солнечный ветер, уравновешивается разностью потенциалов между КА и парусом. Оценим заряд. Потенциал в среднем получается 800 В. Если парус условно принять как конденсатор с габаритами 100*100*100 км, то емкость и заряд получаются очень небольшими, порядка 1 мкф и 1 микрокулон. Силы небольшие. Скорее всего подвох будет в тонких проволочках.

Кажется,  ионный ветер лучше создавать радиоизотопным парусом по похожей схеме. Возьмем скажем источник α-излучения Ро210— 5,30 Мэв, полураспад дней 100. Самый настоящий ядерный электростатический двигатель, простой и удобный, где ядерная энергия напрямую превращается в кинетическую.  Для получения 10 км/с за 3 месяца нужно 50 кг такого топлива. Проникающая способность а-частиц порядка 10-100мкм, отсюда провод (пленка) толщиной таких порядков. Чтобы получить максимум энергии при минимуме разрушения материала. Отсюда площадь паруса порядка 100 000 м кв, что более компактно. О стоимости говорит не будем, вопрос дискуссионный. Изотоп можно получать в космосе, облучая материал паруса в реакторе на орбите. Такова общая идея.

[X-Rocket]

Пожалуй два замечания по поводу радиоизотопного зонтика. В электростатической схеме с запирающей сетке появляется увеличить тягу путем введения рабочего тела например газа. То есть, альфа-частицы передают свой импульс молекулам газа, ионизируя его. Но вот проблема, потенциал запирания будет порядка 6 млн вольт. И оценочная мощность пробоя в межпланетной плазме будет тоже порядка 6 МВт.  Самая простая схема это конечно простой парус, где альфа-частицы поглощаются материалом с одной его стороны, а сдругой свободно покидают. Но тут не ясен вопрос радиационной деградации материала. По поводу цены. Здесь:

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BE%D0%B8%D0%B7%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BF%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%87%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B8_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D0%B8

приводится стоимость полония-210 1 млн долларов за килограмм. Такой зонтик для аппарата весом в 1 тонну оценочно может стоить 50 млн. долларов, что в принципе не фантастика. Экспедиция на Марс весом в 100 тон может обойтись по этой части 5 млрд, что немного. Возможно, что полет "за 100 дней" может быть и реален. Смущает правда короткий период полураспада полония.

[X-Rocket]

Пожалуй два замечания по поводу радиоизотопного зонтика. В электростатической схеме с запирающей сетке появляется увеличить тягу путем введения рабочего тела например газа. То есть, альфа-частицы передают свой импульс молекулам газа, ионизируя его. Но вот проблема, потенциал запирания будет порядка 6 млн вольт. И оценочная мощность пробоя в межпланетной плазме будет тоже порядка 6 МВт.  Самая простая схема это конечно простой парус, где альфа-частицы поглощаются материалом с одной его стороны, а сдругой свободно покидают. Но тут не ясен вопрос радиационной деградации материала. По поводу цены. Здесь:

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BE%D0%B8%D0%B7%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BF%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%87%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B8_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D0%B8

приводится стоимость полония-210 1 млн долларов за килограмм. Такой зонтик для аппарата весом в 1 тонну оценочно может стоить 50 млн. долларов, что в принципе не фантастика. Экспедиция на Марс весом в 100 тон может обойтись по этой части 5 млрд, что немного. Возможно, что полет "за 100 дней" может быть и реален. Смущает правда короткий период полураспада полония.

[X-Rocket]

Пожалуй два замечания по поводу радиоизотопного зонтика. В электростатической схеме с запирающей сеткой появляется увеличить тягу путем введения рабочего тела например газа. То есть, альфа-частицы передают свой импульс молекулам газа, ионизируя его. Но вот проблема, потенциал запирания будет порядка 6 млн вольт. И оценочная мощность пробоя в межпланетной плазме будет тоже порядка 6 МВт.  Самая простая схема это конечно простой парус, где альфа-частицы поглощаются материалом с одной его стороны, а сдругой свободно покидают. Но тут не ясен вопрос радиационной деградации материала. По поводу цены в Вики приводится стоимость полония-210 1 млн долларов за килограмм. Такой зонтик для аппарата весом в 1 тонну оценочно может стоить 50 млн. долларов, что в принципе не фантастика. Экспедиция на Марс весом в 100 тон может обойтись по этой части 5 млрд, что немного. Возможно, что полет "за 100 дней" может быть и реален. Смущает правда короткий период полураспада полония.

[pkl]

На электропарусе к Урану?

Александр Березин — 10 января 2014 года, 14:38
 Разработчики нового двигателя для перемещения в космосе предлагают использовать его для полёта именно к этой планете — причём за время, которое сейчас тратится для достижения впятеро более близкого Юпитера! 


 Вы ведь знаете, почему мы так мало отправляем аппаратов дальше марсианской орбиты? Лететь туда и долго, и дорого. «Галилео» добрался до Юпитера за шесть лет и $1,6 млрд; «Кассини-Гюйгенс» потратил 7 лет на полёт к системе Сатурна.


Даже большой аппарат с электрическим парусом, которому для раскрытия потребуется придание приличного вращательного движения, может быть несложным: его надо лишь изначально разделить на две части. (Илл. Kumpula Space Centre.)

 В общем, мотивы группы учёных во главе с Пеккой Янхуненом (Pekka Janhunen) вполне понятны, ну а предлагают финны взять на вооружение новый метод для отправки автоматического зонда к интереснейшей с научной точки зрения системе Урана. Впрочем, так ли уж он нов? Скажем, мы уже писали о его применении на земной орбите. И всё-таки для действительно дальних путешествий недавно разработанный электрический солнечный парус пока не использовался. И, по мнению авторов исследования, зря.

 В схеме E-sail вокруг ускоряемого космического аппарата (КА) развертывается не плёнка солнечного паруса, а группа длинных лёгких тросиков. Электронная пушка, питаемая парой размещённых на зонде солнечных батарей, должна выбрасывать пучок электронов от КА, что придаст тросам положительный заряд. Положительно заряженные тросики отталкивают ионы солнечного ветра, и это ведёт к получению аппаратом слабого импульса в противоположном направлении, значение которого напрямую зависит от силы солнечного ветра.

 При питании в 540 Вт такой парус должен придать примерно 0,5 Н ускоряемому аппарату, находящемуся в 150 млн км от Солнца. По любым меркам это не очень много, а разгоняться КА, по расчётам, будет на ~0,9 мм/с². Несмотря на прогрессирующее убывание тяги электропаруса по мере его удаления от светила, набранной скорости всё равно хватит для сравнительно быстрого путешествия. Схема же развёртывания самого паруса описывается разработчиками как простая и почти не подверженная случайным накладкам:
http://www.youtube.com/watch?v=CiHWEYqF8fE&feature=player_embedded

Сколь бы малой ни выглядела тяга, но и с ней зонд прибудет к Урану через 6 лет, разогнавшись в конце пути до 20 км/с, то есть выше третьей космической и больше, чем у самых дальних космических аппаратов, когда-либо сделанных землянами.

 Помимо тягового модуля с фотоэлементами и электропарусом (150 кг), аппарат имеет модуль с небольшими химическими двигателями для корректировки орбиты и торможения рядом с Ураном (150 кг), а также атмосферный блок, который должен войти в атмосферу планеты-гиганта и провести там интересующие исследователей измерения (256 кг, всего — 556 кг). Вторая часть КА будет использоваться для усиления сигнала от атмосферного модуля, который в силу необходимости должен быть компактным, то есть не сможет нести мощные передатчики.

 Преимущества электропаруса перед используемыми схемами просто режут глаза: сейчас к планетам-гигантам добираются с помощью гравиманёвров, используя тяготение внутренних планет. Эту схему ещё можно назвать «Три шага в сторону и назад и полшага вперёд», и именно поэтому на жалкие сотни миллионов километров тот же «Галилео» потратил 190 млн секунд, то есть в среднем не показал даже первой космической. Электропарус же позволит путешествовать к гигантам напрямую, со средней скоростью, превышающей вторую космическую, — при чуть ли не меньших энергозатратах, чем в сценарии с гравитационными манёврами.

 Пока не очень ясно, почему финны ограничили круг задач и время работы своего аппарата и не наделили орбитальный модуль камерой наблюдения, а также не предусмотрели длительной эксплуатации зонда близ Урана. Вероятно, это связано с низкой солнечной постоянной в столь далёких от Солнца уголках системы и отсутствием у европейских стран плутония-238 (как и мощностей по его наработке), что делает длительное энергоснабжение автоматических межпланетных станций в тех местах несколько затруднительным.

 Тем не менее успех такого начинания нам кажется в значительной степени предопределённым: на такой же схеме мы сможем посылать аппараты к любой планете-гиганту. Причём для объектов дальше Сатурна электропарус явно будет быстрее любого сегодняшнего метода космических путешествий, позволяя преодолеть миллиарды километров за то же время, что нынешние аппараты требуют для сотен миллионов.

 Отчёт об исследовании можно полистать на сайте arXiv.

 Подготовлено по материалам Technology Review.

 http://compulenta.computerra.ru/universe/explore/10010812/

Вот такие вот идеи от наших северных соседей! Правда, непонятной скорость передачи информации. Если только лазерную связь замутить...

[ZOOR]

ЭстКубик уже 250 дней в космосе - http://www.estcube.eu/en/home

Как там успехи с парусом, они в ФБ вроде тему ведут, а я там не зарегистрирован

 Latest information can be found on ESTCube-1 Facebook page.

[ZOOR]

http://ria.ru/science/20150217/1048198994.html

Первый эстонский спутник завершил космическую миссию

ТАЛЛИН, 17 фев — РИА Новости, Николай Адашкевич. Первый эстонский искусственный спутник ESTCube-1, который более полутора лет находился на околоземной орбите, во вторник официально завершил свою миссию, сообщил журналистам руководитель проекта Март Ноорма.

Эстонский мини-спутник весом 1,3 килограмма был разработан и изготовлен эстонскими студентами и преподавателями Тартуского университета. Он был запущен на орбиту 7 мая 2013 года. Все это время ESTCube-1 летал на высоте 660 километров от поверхности Земли со скоростью 7,46 километра в секунду.

По словам Ноорма, причиной завершения работы спутника стал износ аккумуляторов. "После отключения электросистем спутник останется в космосе еще примерно на 23 года, пока не опустится в атмосферу Земли, где и сгорит", — сообщил руководитель проекта.

На тему эстонского спутника было защищено 19 магистерских работ, 29 бакалаврских работ, пять докторских диссертаций, созданы четыре стартапа, опубликовано 12 научных статей, в стадии публикации находятся еще пять научных статей, было представлено 53 научных доклада.

Главной задачей спутника было тестирование в космосе изобретенной в Финляндии технологии электрического солнечного паруса для разработки современного космического двигателя. Согласно проекту финского ученого Пекки Яанхунена, с помощью нанопроводов, толщина которых в два-три раза тоньше человеческого волоса, можно заставить космический аппарат передвигаться, используя для этого поток заряженных частиц, исходящих от Солнца. Эстония стала 41 государством в мире, запустившим на околоземную орбиту свой спутник.

Ну а результаты тестирования какие?

[mihalchuk]

А какие могут быть результаты? Такой аппарат надо тестировать за пределами радиационных поясов, а тут ещё верхняя атмосфера...

[Кубик]

X-Rocket пишет: Такой зонтик для аппарата весом в 1 тонну оценочно может стоить 50 млн.
долларов, что в принципе не фантастика. Экспедиция на Марс весом в 100 тон может
обойтись по этой части 5 млрд, что немного. Возможно, что полет "за 100 дней"
может быть и реален. Смущает правда короткий период полураспада полония.

Смущают тонны полония -210... :|

[ZOOR]

mihalchuk пишет:
А какие могут быть результаты? Такой аппарат надо тестировать за пределами радиационных поясов, а тут ещё верхняя атмосфера...

Отрицательный результат - тоже результат. Хоть развернуть и оценить, что развернулся - смогли?

[Имxотеп]

ZOOR пишет:

mihalchuk пишет:
А какие могут быть результаты? Такой аппарат надо тестировать за пределами радиационных поясов, а тут ещё верхняя атмосфера...

Отрицательный результат - тоже результат. Хоть развернуть и оценить, что развернулся - смогли?

Пекка Янхунен говорит, что "launch lock of tether reel probably has failed".
Короче - не смогли.

[ZOOR]

Искренне жалко.
Вроде физический принцип был не сродни нашей "гравицапе". Может, что и не учли (это 2 mihalchuk ) , что не отменяет ценность идеи ИМХО.

[Дмитрий Новосельцев]

Полагаю, лучше было бы объединить E-sail с "классикой" - вот так примерно:
http://ru.spacecolonization.info/volumes/vol20/
Детали - это детали.
И потом, какие солнечные батареи за Ураном?

[Владимир Лесков]

KBOB пишет:
сила разгона корабля электрическим парусом в 200 раз меньше, чем у аналогичного по размерам солнечного паруса. Электрический парус большего размера создать значительно проще, чем и занимаются в настоящий момент горячие финские парни.

это только для полёта от солнца, а если нужно лететь против солнца?
А солнечный ветер не электронейтрален?
Проще иметь панели с одной стороны зеркала с другой стороны солнечные батареи.
Во-первых так аппарат может лететь и против солнца, может накапливать энергию в батерях для управления панелями(разворот).
А электрический парус для чего для полёта на Марс или на Юпитер? так туда никому не надо, сейчас нужно только безводородное довыведение на ГСО и безводородный полёт к Луне.

Дмитрий Новосельцев пишет:
И потом, какие солнечные батареи за Ураном?

А какой солнечный ветер за Ураном ?