Можно ли добавить к ионному двигателю солнечный парус, чтобы он работал лучше?

вступление

Это сложный вопрос, прежде всего потому, что солнечные паруса выигрывают от малой массы космического корабля, а с добавлением электрической двигательной установки вы увеличиваете массу, уменьшая эффективное ускорение и общие возможности дельта-V.

Системная архитектура и вспомогательные системы

Солнечные паруса . Солнечные паруса требуют, чтобы фотоны получали ускорение, и по мере того, как космический корабль с солнечным парусом движется дальше от Солнца, эффективность парусов при движении космического корабля вперед значительно возрастает. Вспомогательные системы, необходимые для развертывания паруса, имеют относительно малую массу по сравнению с химическими или электрическими силовыми установками. Для силовой установки солнечного паруса у вас есть масса развертываемых стрел, майларового паруса, механизма развертывания и системы управления парусом.

Метрика интернет-провайдера Solar Sail:

Где:

• a0 = характеристическое ускорение паруса
• T = продолжительность миссии (обычно продолжительность ускорения миссии)
• R = массовая доля полезной нагрузки ($mass_1/mass_2$), куда$mass_1$масса паруса и$mass_2$- масса полезной нагрузки или космического корабля.
• G = гравитация (-9,80665$m/s^2$)

Это быстро показывает, что по мере увеличения массы космического корабля (сочетание солнечного паруса и электрической двигательной установки вместе) снижается общая метрика ISP системы.

Электрическая двигательная установка — это чрезвычайно сложные и продуманные системы, поскольку их производительность зависит от нескольких переменных, включая мощность, массу космического корабля, IPS двигателя и т. д. Хотя я ни в коем случае не являюсь экспертом в системах EP, им требуется множество вспомогательных систем. по сравнению с химической или солнечной двигательной установкой.

• Требования к большой мощности – В среднем (в зависимости от выбранной системы EP) мощность 150 Вт – 2 кВт – Каталог электрических двигателей Aerojet . Существует два основных варианта подачи питания. Первый вариант — использование солнечных батарей, однако их выработка электроэнергии падает при$r^2$. Например, на Юпитере вы генерируете 1/27 энергии, чем на Земле. Второй вариант заключается в использовании радиоизотопного теплового генератора (РТГ), который является тяжелым, чрезвычайно дорогим и производит только около 80-120 Вт , а с учетом того, что РИТЭГ НАСА следующего поколения ( MMRTG ) способен производить только около 110 Вт, маловероятно, что ION RTG питается появится космический корабль.
• Требуется добавление топливных баков и систем управления топливом (включая нагреватели, поскольку топливо должно оставаться при рабочих температурах).
• Дополнительные аппаратные средства и электроника для управления комплексом электродвигателя.

Заключение

Это подводит меня к моему последнему замечанию: объединение этих двух систем вместе порождает новые проблемы, связанные с тем, как управлять ими независимо друг от друга. Когда вы комбинируете солнечный парус и космический корабль с электрической силовой установкой, вместе вам нужен способ поддержки систем солнечных парусов, а также систем электрической силовой установки (структурно, аппаратно, электрически), и это значительно увеличивает общую массу и сложность космического корабля. В конечном итоге все сводится к сложности конструкции и увеличению или уменьшению добавленной массы каждой системы общих возможностей космического корабля Detla V.

Код Python для отношений с интернет-провайдерами :

Вы можете поиграть с представлением о взаимосвязях между двумя системами.

'''
Requirements: 
- Python: 2.7 or 3.6
- Python Numpy
'''


def solarSailISP(characteristic_acceleration, mission_duration_days, mass_ratio):
    import numpy as np
    gravity = -9.80665
    delta_v = characteristic_acceleration*mission_duration_days*86400.0
    isp = (delta_v/gravity)/(np.log(mass_ratio))
    return isp

def engineISP(delta_V, mass_ratio):
    import numpy as np
    gravity = -9.80665
    isp = (delta_V/gravity)/(np.log(mass_ratio))
    return isp


solarsail_isp = solarSailISP(0.001, 500, 0.1)
electric_isp = engineISP(3200, 0.3)

print("Solar Sail Propulsion System ISP: {} sec").format(solarsail_isp)
print("Electric Propulsion System ISP: {} sec").format(electric_isp)

У Ikaros были солнечные батареи, встроенные в солнечный парус.

В парус, напоминающий воздушного змея, также встроены солнечные батареи для выработки электроэнергии. Ожидалось, что во время этого полета он не выработает большой мощности, а скорее послужит испытательным стендом для будущих ионных двигателей, которые не только используют солнечные элементы для производства электроэнергии, но и перемещаются под парусами.

Предпринимаются некоторые усилия по созданию тонкопленочных фотогальванических элементов, обладающих большой площадью поверхности при малой массе, что улучшит альфа -канал . И для солнечных парусов вы также хотите максимизировать площадь поверхности при минимизации массы.

Таким образом, две технологии имеют общие цели. Японский Икарос был захватывающей миссией.

Я не знаю ни одного проекта, сочетающего эти две концепции. Как отмечалось в различных комментариях, есть некоторое совпадение в том, что обе конструкции представляют собой конструкции с малой тягой/непрерывной работой, но они имеют разные оптимальные траектории, поэтому для данного летательного аппарата, как правило, было бы лучше, если бы он был легче и мог оптимизироваться для одного типа тяги.

Системы управления ионным двигателем на массивном солнечном парусе могут иметь смысл, или если есть какая-то волшебная ткань, которая может быть как солнечным парусом, так и солнечной панелью. И то, и другое будет зависеть от крупномасштабной добычи ресурсов в космосе и выходит далеко за рамки текущих планов.

Что касается второй половины вашего вопроса, большинство конструкций солнечных парусов получают большую часть тяги от света, хотя солнечный ветер может сыграть свою роль, в любом случае тяга уменьшилась бы только на некоторую измеримую долю скорости света, и сама функция солнечный парус означает, что он не может намного превысить скорость убегания Солнечной системы (0,001% c), потому что он покидает звезду, обеспечивающую тягу.

Судно со смешанной тягой очень плохой конструкции может разрушить поддерживающую конструкцию паруса из-за чрезмерных усилий, но парус все равно будет создавать тягу во время этого процесса.

OKEANOS был проектом JAXA примерно в 2010 году, сочетающим в себе солнечный парус и ионный двигатель. Авторы собирались отправить его к троянским астероидам Юпитера с возможным возвращением образцов на Землю.

Парус должен был быть изготовлен из полиимидной пленки толщиной 10 мкм и размером 40 х 40 м (1600 м).$m^2$) покрыты 30 000 солнечными панелями толщиной 25 мкм, способными генерировать до 5 кВт на расстоянии Юпитера...

Есть статья , раскрывающая конструкцию и траекторию космического корабля.

Космический корабль разгоняется ионными двигателями вокруг афелии...

Планировалось 3 пары ксеноновых двигателей с удельным импульсом 7000 сек, каждый двигатель давал тягу 26,1 мн при потребляемой мощности 1600 Вт. Кроме ионных двигателей и солнечного паруса планировалась двухкомпонентная химическая РКС.

К сожалению, проект ОКЕАНОС не был выбран JAXA для запуска, хотя он был вторым финалистом для запуска японской миссии в 2026 году. Так что нужно подождать.