Amatérská sluneční plachetnice?
Sluneční plachetnice je umělé kosmické těleso s velkou a lehkou zrcadlovou
plochou (plachtou), využívající ke svému pohonu tlaku slunečního záření (odrazem
od zrcadlové plochy).
Proč se zabývat slunečním plachtěním ?
Klasické
chemické raketové motory pro kosmonautiku jsou technologicky náročné a spolu
s palivem i těžké. Velkou část hmotnosti družic a sond tak tvoří pohonný systém.
Přesto je zásoba dodatečné rychlosti umělých kosmických těles relativně malá
(obvykle v řádu stovek metrů za sekundu) a značně omezuje možnosti manévrování
a přeletů v kosmu.
Rádi bychom dosáhli vyšších přeletových rychlostí, nebo bychom chtěli do cílové
oblasti dopravit těžší užitečný náklad. Ve volném kosmu ale nejsou žádné přímo
využitelné suroviny. Je tam jen vakuum a záření. Nejsilnější je záření přicházející
ze Slunce - světlo ve formě fotonů a proud částic nazývaný sluneční vítr.
Myšlenka sluneční plachetnice vychází ze snahy využít k pohonu přímo slunečního
záření bez potřeby dodatečné pohonné látky.
Teorie slunečního plachtění
Pokud
do proudu slunečního záření umístíme zrcadlovou překážku, bude se od ní záření
odrážet a část své energie přímo přenése na překážku ve formě slabého, ale stáleho
tlaku. Sluneční plachetnice tedy může být zkonstruována jako velká, rovná, lehká
a dobře odrazivá plocha (plachta).
Z fyzikálních zákonů plyne, že maximální tlak slunečního (fotonového) záření
p na 1 m2 dokonale odrazivé plochy je dán vztahem p
= 2.N/c, kde c je rychlost světla a N je tzv. sluneční
konstanta, což je okamžitá hodnota dopadající světelné energie. Velikost N
závisí na vzdálenosti od Slunce a na úrovni Země má hodnotu NZ
= W = 1328 W/m2. Její hodnota klesá se čtvercem vzdálenosti od Slunce
(NR = W/R2, kde R je vzdálenost od Slunce
v Astronomických jednotkách [AU]). Hodnota tlaku slunečního záření v oblasti
Země je tedy p = 2 . 1328 W/m2/(300 000 000 m/s) = 8,85x10-6
Pa. Řádově je to tedy jen cca 0,00001 Pa (stotisícina Pascalu).
Působení slunečního větru, tj. nabitých částic, vyletujících ze Slunce rychlostí
řádově v = 450 km/s je slabší. Při počtu asi 6 částic slunečního větru
v 1cm3 v okolí Země je dynamický tlak, způsobený těmito částicemi
asi 2 nPa, což je téměř desettisíckrát méně, než tlak slunečního záření. U klasických
slunečních plachetnic lze tedy tlak slunečního větru zanedbat a počítat jen
s tlakem fotonů (světla).
Velikost
síly F, působící kolmo na plachtu s dokonale odrazivým povrchem je dána
vztahem F = 2.(W/c).S.cos2Ø/R2, kde S
je celková plocha plachty a Ø je úhel dopadu světla na plachtu,
měřený od kolmice k plachtě. Vhodným natočením plachty je tedy možno řídit jak
velikost, tak i směr působení tahu a tím manévrovat. Lze dokázat, že s plachetnicí
je možno letět jak směrem od Slunce (zvyšovat heliocentrickou dráhu směrem k
vnějším planetám), tak i směrem ke Slunci (snižovat heliocentrickou dráhu směrem
k vnitřním planetám). Manévrující plachetnici je možno využít i ke změnám oběžné
dráhy kolem Země s perigeem nad 1000 km (níže už je odpor zbytkové atmosféry
vyšší, než tlak slunečního záření).
Z dřívějších analýz efektivnosti sluneční plachetnice však plyne, že je třeba,
aby bylo dosaženo zrychlení alespoň 1 mm/s2. Pro zrychlení 1 mm/s2
je doba letu plachetnice z oběžné dráhy Země na oběžnou dráhu Marsu srovnatelná
s dobou letu klasické sondy po Hohmanově elipse. Pro zrychlení nad 1 mm/s2
efektivnost sluneční plachetnice rychle roste. Např. při dosažení zrychlení
5,92 mm/s2 se může plachetnice pohybovat již po přímkové dráze.
Dosáhnout dostatečně velkých hodnot zrychlení není ovšem jednoduché. Protože
tlak slunečního záření je velmi malý, musí být sluneční plachetnice značně velká
a přitom mimořádně lehká. Nezáleží vlastně na absolutní velikosti plachetnice,
ale na poměru celkové plochy S a celkové hmotnosti m plachetnice
(včetně užitečného nákladu). Tento poměr můžeme nazývat konstrukční číslo k
= S/m [m2/kg], protože vyjadřuje kvalitu konstrukce plachetnice.
Abychom dosáhli zrychlení 1 mm/s2, musí být hodnota konstrukčního
čísla k zhruba na úrovni 100 m2/kg. Plyne to ze vztahu pro
maximální tah F = 2.(N/c).S a zrychlení a = F/m (k = S/m =
a/(2.N/c), tedy zhruba 0,001/0,00001 = 100 m2/kg).
Pro těžší náklady v řádu desítek tun pak ovšem vychází potřebná velikost plachty
v řádu km2, což je už opravdu těžko představitelná rozměrná konstrukce.
Na závěr teoretického rozboru je třeba konstatovat, že sluneční plachetnice
jsou při splnění základních parametrů vhodné jen pro určité typy kosmických
misí. Jejich použitelnost je omezena na vysoké oběžné dráhy kolem Země a na
meziplanetární dráhy. Hodí se spíš pro nesení menších (lehčích) nákladů tam,
kde potřebujeme dosáhnout relativně velkých hodnot delta v za nízkou
cenu a nevadí nám dlouhá doba zrychlování.
Jako příklad vhodných misí lze uvést dopravu mezi geostacionární drahou a středně
vysokými drahami, nebo naopak k Měsíci. Další možností jsou lehké a levné sondy
k planetám nebo meším tělesům Sluneční soustavy. Teoreticky je v silách sluneční
plachetnice dosáhnout při cestě ze Sluneční soustavy konečnou rychlost v řádu
stovek km/s a uskutečnit tedy i průzkum vzdálených oblastí Sluneční soustavy
a snad i mezihvězný let.
Konstrukce sluneční plachetnice
Z
výše uvedených skutečností plynou tři hlavní problémy praktické konstrukce sluneční
plachetnice:
- nejprve je třeba původně složenou plachtu po vypuštění rozvinout, napnout
a udržovat ji v napnutém stavu;
- dále je třeba s plachetnicí vhodně a účinně manévrovat, aby se pohybovala
ve zvoleném směru;
- to vše je třeba zajistit s co nejmenší hmotností (nejlepším poměrem plocha
plachty / hmotnost plachetnice)
Jako základní materiál pro plachtu lze použít tenkou pokovenou fólii, která
dobře odráží světlo, dá se složit do malého objemu a je lehká. Například komerčně
běžně dostupná pokovená fólie s obchodním názvem Mylar odráží cca 98% světla
a má hmotnost cca 6 g/m2 (její čisté konstrukční číslo k je
tedy cca 166). Používá se jako lehká zrcadlová plocha v hydroponii, nebo jako
potahový materiál pro ultralehké pokojové modely letadel.
Lze předpokládat, že časem by mohla být vyvinuta ještě lehčí fólie (při zachování
dostatečné pevnosti), takže problémem zůstává, jak udržet rozměrnou plochu plachty
v napnutém stavu a jak s ní manévrovat, aniž by to příliš zvýšilo hmotnost konstrukce.
Na řešení těchto problémů byly navrženy dvě základní konstrukční koncepce slunečních
plachetnic.
- Nerotující tříose stabilizované plachetnice s lehkými "stěžni"
nesoucími plnou plachtu (například čtvercovou)
Stěžně
musí v tomto případě udržovat plachtu v napnutém (mírně předpjatém) stavu
a navíc musí tah plachty přenést na užitečné zatížení plachetnice. Zatímco
napínání plachty namáhá stěžně v podélném směru (tlaku), tak tah plachty namáhá
stěžně v příčném směru a snaží se je zlomit. Proto se do konstrukce nerotujících
plachetnic přidávájí další nosníky a tenká lanka, která slouží pro zpevnění
v příčném směru.
Nerotující plachetnice se obvykle navrhují jako čtvercové (se čtyřmi hlavními
stěžni), ale je možné je stavět i trojúhelníkové (se třemi stěžni), nebo víceúhelníkové
(s více stěžni).
Výhodou nerotující koncepce plachetnice je relativně snadné a hlavně neomezené
manévrování. Celou plochu plachetnice je možno v prostoru libovolně natáčet
(například reaktivními motorky a gyroskopy), je možno měnit těžiště plachetnice
a nebo lze podle potřeby sklápět a otáčet stěžně i s částí plachty.
Nevýhodou vyztužených plachetnic je především vyšší hmotnost výztuhy (stěžňů
a lanoví) a také poněkud obtížnější prvotní rozložení plachty po startu (i
stěžně musí při startu zabírat minimální prostor a lanoví se nesmí zamotat).
- Rotující plachetnice ve tvaru tenkých dlouhých pásů, nebo plného disku
V
tomto případě je materiál plachty napínán vlastní hmotností díky odstředivé
síle, vznikající při rotaci celé plachetnice.
Protože materiál plachty (fólie) je velmi jemný, vyztužuje se obvykle tenkými
pásky pevnějšího materiálu, aby se tah přenášel na užitečné zatížení bez poškození
plachty.
Rotující plachetnice se navrhují buď ve tvaru několika (nejméně dvou) dlouhých
tenkých pásů fólie (tzv. heliogyro), nebo ve tvaru rotujícího plného disku
(např. ruský experiment Znamja).
Výhodou rotujících verzí plachetnic je velmi nízká hmotnost konstrukce, takže
by měly mít vyšší výkon (zrychlení). Další výhodou je i poměrně jednoduché
a spolehlivé rozvinutí po startu. Je třeba jen uvést plachetnici do rotace
a uvolnit plachty.
Nevýhodou rotujících plachetnic je obecně obtížnější manévrování, protože
rotační osu lze měnit jen těžko (je to energeticky náročné) a natáčení jednotlivých
listů plachty zase naráží na absenci výztuže (listy mají tendenci se zkroutit).
Pro pořádek je třeba dodat že existuje ještě řada dalších koncepcí. Teoreticky
je možno plachtu udržovat v rozvinutém a napnutém stavu elektrostaticky (po
nabití vysokým elektrickým nábojem), nebo přímo nadouváním tlakem slunečního
záření (obdoba padáku). Tyto a další koncepce jsou zatím málo prozkoumány a
není jisté zda teoretické principy půjde převést do použitelných konstrukcí.
Musíme počkat, co přinese další vývoj.
Výběr vhodné koncepce pro praktickou realizaci vůbec není jednoduchý, protože
letové vlastnosti plachetnice jsou dány jak jejím konstrukčním číslem (a odpovídajícím
maximálním zrychlením), tak i manévrovatelností a celkovou spolehlivostí. Rozhodně
by bylo vhodné jednotlivé koncepce a konstrukční přístupy porovnat při praktických
experimentech v kosmu. To se však zatím nestalo.
Proč je sluneční plachetnice zajímavá i pro amatéry ?
Konstrukce
sluneční plachetnice je v principu jednoduchá, levná a bezpečná (nevybuchující,
netoxická). Proto se dobře hodí jako pohonný systém amatérsky konstruovaných
družic a kosmických sond. Budoucí pokračující miniaturizace a nanotechnologie
umožní stavbu velmi malých, lehkých, ale přitom výkonných a užitečných umělých
kosmických těles, pro které budou stačit i relativně malé plochy plachet. Praktická
kosmonautika by se tak mohla stát finančně a technologicky zvládnutelná i pro
malé amatérské skupiny nebo i jednotlivce.
V současné době vidím ale příležitost pro amatéry ještě někde jinde. O sluneční
plachetnici se teoreticky mluví už desetiletí. Několikrát už byla i docela blízko
k praktické realizaci, ale zatím z toho vždy sešlo. Myslím, že by bylo vhodné
ověřit v praxi teoretické předpoklady o vlastnostech sluneční plachetnice a
vyzkoušet co nejvíce možných koncepcí a konstrukčních řešení. K tomu jsou nejvhodnější
co nejmenší, nejjednodušší a nejlevnější zařízení. Profesionální firmy nemají
žádný zájem taková zařízení konstruovat a stavět, protože se na tom prostě nedá
vydělat. Proto je to vhodná akce pro amatéry. Protože to je navíc i technologicky
a finančně přijatelné, tak je to vhodné i pro amatéry v ČR.
Primárně by šlo o ověření samotného principu a reálných dynamických vlastností
plachetnice. Není třeba mít na plachetnici nějaké vědecké přístroje, ale samozřejmě,
že tam mohou být, protože při troše štěstí se i s malou plachetnicí dá doletět
až k Měsíci, nebo dokonce k Marsu.
Je ale asi třeba, aby se k tomu vyskytla vhodná příležitost. Takovou příležitostí
by byla možnost nechat vynést plachetnici do kosmu (nejlépe na dráhu přechodovou
ke geostacionární - GTO) zdarma, jako neplacený přívažek u nějaké větší komerční
družice. Pak už by ke stavbě mělo stačit méně než 50000,- Kč (max. 100000,-
Kč) a méně než 3 měsíce času (max. 6 měsíců).
Konstrukce by musela být co nejjednodušší a nejlevnější:
- plachta z komerčně dostupné tenké pokovená fólie (Mylar) max. 100 m2
(cena do 10000,- Kč)
- pro komunikaci standardní malý radioamatérský transceiver (cena do 10000,-
Kč)
- pro napájení komerční fotovoltaické články (10 W) a akumulátory (cena do 5000,-
Kč)
- podle potřeby řídicí elektronika na základě jednočipového PC (cena do 10000,-
Kč)
- pro manévrování ostatní mechanické a elektrické části konstrukce (cena do
10000,- Kč)
- speciálním experimentálním vybavením by mohl být miniaturní komerční digitální
fotoaparát (cena do 5000,- Kč)
- cenu za práci amatérů do nákladů nezahrnuji
Parametry plachetnice by přitom nemusely být špatné. Plocha až 100 m2
a hmotnost přitom možná jen 2 kg, což by byl docela solidní poměr 50/1 (plocha/hmotnost).
S plachetnicí s tímto poměrem by bylo možno poletovat po Sluneční soustavě docela
dobře (nejen k Měsíci, ale třeba i k Marsu).
Kromě samotného principu slunečního plachtění by tímto přístupem mohla být
ověřena i možnost využití komerčně dostupných a levných zařízení v praktické
kosmonautice. Mohl by se tím otevřít prostor pro širší využití a rozvoj kosmonautiky
(za stejné peníze více "muziky").
Je to jedna z mála šancí, jak mohou amatéři přispět k celosvětovému poznání.
Informační zdroje (odkazy do Internetu):
Solar Sail Technology
Development (JPL) - základy slunečního plachtění i konstrukce plachetnic
Space Sailing
- vše o slunečním plachtění od Jerome L. Wrighta (General Astronautics)
Solar Sails (U3P) - stránky
francouzských propagátorů slunečního plachtění
Solar
Sails (CALTECH) - základy slunečního plachtění od Benjamina Diedricha
DLR - Solar
Sail Homepage - německé stránky o slunečních plachetnicích
Cosmos
1: The first Solar Sail - stránky projektu
Planetary
Society a
Cosmos Studios
Commercial Solar
Sailing (Interworld Transport) - pokus o komerční využití slunečních plachetnic
The Microlight Solar Sail
(UK SEDS) - starší projekt sluneční mikroplachetnice
Aktualizováno: 05.06.2003
[ Obsah | Novinky
v kosmonautice | Články | KOSMOS-NEWS
PARTY 2003 | Doprovodná PPT prezentace (620
KB) ]
Pokud není uvedeno jinak, jsou použité fotografie z NASA (viz. Using NASA Imagery) a dalších volně přístupných zdrojů.
(originál je na https://mek.kosmo.cz/novinky/clanky/knp2003/ah-sail.htm)