|
Rozhodl jsem se založit nové téma pro zájemce o konstrukci sluneční plachetnice. Je to jeden z možných "experimentů" pro nanodružici a domnívám se, že je pro amatéry docela dostupný a zajímavý.
Základní návrh konstrukce sluneční plachty definoval xChaos zhruba takto (pod názvem "dvojstěžník"):
- 2 zcela nezávislé solární "plácačky"
- každá plácačka se skláda z kruhového reflektoru a ze "stopky"
- reflektor bude mít průměr cca 6m
- "stopka" bude mít délu minimálně alespoň dalších 6m
- stopka i výztuž reflektoru bude tvořena nafukovacími "žebry" ze stejné reflektivní fólie jako reflektor
Mě se zatím zdá tato konstrukce docela rozumná.
Já osobně si chci prakticky vyzkoušet vlastnosti a chování vhodné fólie, a proto jsem už zakoupil cca 4m2 pokovené fólie Mylar (určené pro fotografické účely, pod názvem Mylar Photopack).
O výsledcích svých experimentů budu informovat tady, případně na KNP 2004.
Později se zde ještě pokusím prozkoumat rotující varianty sluneční plachty, které se obejdou bez pevné výztuže a jsou tedy velmi lehké (mají ale samozřejmě jiné "mouchy").
Domnívám se, že sluneční plachta je natolik nezávislé zařízení, že ji lze vyvíjet téměř nezávisle na konkrétních parametrech systémů "mateřské" (nano)družice, takže i když se jí hodlám zabývat primárně pro náš CubeSail, věřím, že výsledky by bylo možno případně nabídnout i zahraničním týmům, stavějícím nanodružice.
Pokud tedy někdo máte zájem o sluneční plachetnice, zapojte se do diskuse a třeba i do konstrukce a (pozemních) experimentů :-) |
|
Kde se ta fólie dá zakoupit a za kolik ? Mě zajímá technologie jejího svařování, protože jedině tak se asi dají rozumě udělat nějaká ta nafukovací žebra... zajimavé bude experimentovat třeba s průměrem - podle mě se to nafoukne zbytkovým obsahem vzduchu ve vakuu při skoro libovlném průměru - čím masivnější ta žebra budou, tím méně bude materiál vystavován mechanickému namáhání - ale tím menší pevnost také získáme.
Finální produkt si představuji jako "tubu" s např. pyrotechnickým nebo elektromechanickým uzávěrem. Když tubu s plachtou odjistíme, zajistí zbytkový obsah vzduchu ve vakuu nafouknutí konstrukce plachty. To samo o sobě není vůbec nic nového - nafukovací družice Echo se zkoušely již v 60. letech... netuším, co přesně Rusové zpackali na projektu Znamja....
Rekapitulace (psal jsem o tom již dříve):
Chce to především představivost - ale přitom s vakuem má málokdo přímou zkušenost. Tipnul bych si, že žebro nahuštěné ve vakuu tlakem třeba 0.2 atmosféry by se mělo chovat "nějak" podobně, jako pneumatika nahuštěná na povrchu Země na 1.2 atmosféry - tzn. zajímá nás v podstatě chování 6m trubice z našeho materiálu, nahuštěné v atmosféře na tlak 1.2 atmosfér (omlouvám se za archaickou intuitivní jednotku :-) Z maximálního "náklonu" který tahle trubice ustojí, aniž by se "zlomila", pak můžeme vydedukovat, jestli odolá tlaku slunečního záření nebo (daleko spíše) otáčivému momentu, kterým budou na "stěžeň" (resp. nosnou tubu ze které se rozvine) působit naše krokové motorky...
|
|
Mylar Photopack u nás prodává DTP Studio viz. http://www.dtpstudio.cz/obchod/dtpprod/Mylar/mylar2.html . Cena cca 200,- nebo 400,- Kč bez DPH (podle rozměrů).
Upozornil mě na to Tomáš Krejča, který má s Mylarem i praktické zkušenosti (stavěl z nich modely horkovzdušných balónů), takže máme i vhodného konzultanta.
P.S.: Nové kontakty a náměty dám na PHProjekt o víkendu. |
|
Ad tlak: Pretlak 0.2 atmosfery (pozor na tu 1.2 atm, vetsina jednoduchych tlakomeru meri jen rozdil tlaku) je docela dost, odpovida to 0.2kg na cm^2 plochy. Cili svary v zebru o prumeru 1 cm budou napinany silou cca 100g na centimetr delky, coz je na nekolikamikronovou folii hodne
Napr. v Echu 2 byl nejvyssi tlak pod 800 Pa (0.008 atm).
Znamja byla myslim roztahovana odstredivou silou a v pulce roztahovani se "sprajcla" 
Jinak myslim, ze pro nafukovaci konstrukce ve vesmiru se bude hodit toto:
http://www.lgarde.com/
Vcetne videi  |
|
| Az si skoro rikam, jestli by se nestalo za to se s nimi spojit a vynest jejich plachtu na nasi druzici - oboustranne vyhodny obchod |
|
Jejich (tedy nejen jejich) "finalni" konstrukce plachty je na
http://www.lgarde.com/people/papers/2003-4659/index.html
Vytvrzeni "rahen" je zajisteno pomoci "Sub-Tg rigidization" coz znamena znamena, ze je vyuzito tzv. "skelneho prechodu" polymeru naneseneho uvnitr rahna. Polymery jsou pod urcitou teplotou (pro kazdy polymer typickou) tvrdsi a krehke (krystalicke), nad ni mekci a plasticke (amorfni). Takze pokud se vybere vhodny polymer, je mozne zaridit ciste pasivni tepelnou bilanci plachty, aby se po nafouknuti zebra samy od sebe "zmrznutim" vytvrdily. Krasne - ale chce to know-how |
|
Nechat si plachtu udělat nějakou zkušenější zahraniční skupinou není vůbec špatný nápad. Pokusů o realizaci už bylo mnoho a některé i ve velmi pokročilém stádiu. Zkusím to prověřit. Díky, Archimede!
Znamja byla napínána odstředivou silou, experimentovalo se na Progressech u Miru (po odpojení). Jednou se to povedlo (v roce 1993, průměr cca 20 m), podruhé (v roce 1999, průměr měl být cca 25m) se to "šprajclo" hned na začátku (o anténu Kurs).
P.S.: Nedávno jsem zjistil, že plachetnice Cosmos 1 byla prakticky kompletně hotova už v roce 2001. Od té doby se jen "vylepšuje" :-) |
|
Mala pripominka znameho problemu - pro pouziti plachty je potreba dostat se vys, nez je standardni orbita CubeSATu.
Nepredpokladal bych, ze i v pripade kombince tether-plachta to bude fungovat napoprve tak dokonale, aby mela plachta vetsi zisk nez ztraty Ale docela dobre by se mozna dalo uvazovat o tom, ze by se v pripade uspechu zakladnich komponent mohla ke konci mise zkusit vytahnout (nafouknout, odrotovat) mensi cast plachty, ktera by druzici ovsem spis stahla rychleji "dolu" diky zvysenemu odporu. Jako test proveditelnosti by to ovsem mohlobyt uzitecne.
Samozrejme, zcela jinak by to mohlo vypadat na GTO (to byly tusim testy nejakeho ruskeho nosice), ale tam netusim, jak moc je to financne a organizacne narocne. To by mozna stalo za to alespon zhruba zjistit - pokud by vyneseni na GTO stalo ne desitky ale treba stovky tisic $, muzeme si na "plny" test nechat zajit chut. |
|
citace:
Az si skoro rikam, jestli by se nestalo za to se s nimi spojit a vynest jejich plachtu na nasi druzici - oboustranne vyhodny obchod
No, to co plánují - to je trošku jiná liga, než my... bohužel...
Nicméně ty jejich dvě plachty nebudou schopná manévrování na oběžné dráze - jde o meziplanetární sondy, pouze s alternativním druhem meziplanetárního pohonu. Tzn. nejdřív musíš mít schopnost vypustit velkou meziplanetární soundu - a ta pak teprve použije plachtu. Panuje poměrně velká shoda v tom, že něco takového je možné - jen se to zatím nezkusilo, protože na rozdíl od různých jednoznačných vědeckých misí probíhajících s pomocí letitých prověřených technologií (pouze do nových míst) jde o velký technologický experiment.
Moje vize manévrování na oběžné dráze má blíže ke Cosmos Solar Sail. Jde o pokus o "bezplatné" přechody mezi oběžnými drahami, včetně přechodu na meziplanetární dráhu.
|
|
citace:
Mala pripominka znameho problemu - pro pouziti plachty je potreba dostat se vys, nez je standardni orbita CubeSATu.
Nepredpokladal bych, ze i v pripade kombince tether-plachta to bude fungovat napoprve tak dokonale, aby mela plachta vetsi zisk nez ztraty Ale docela dobre by se mozna dalo uvazovat o tom, ze by se v pripade uspechu zakladnich komponent mohla ke konci mise zkusit vytahnout (nafouknout, odrotovat) mensi cast plachty, ktera by druzici ovsem spis stahla rychleji "dolu" diky zvysenemu odporu. Jako test proveditelnosti by to ovsem mohlobyt uzitecne.
Z 600 km dráhy tě nic jen tak rychle nestáhne... to není 300 km... a co se týče nezbytné dráhy pro solární plachtění, tak všechno jsou jen odhady. 600 km je dolní hranice, 1000 km horní, přesně to neví nikdo... možná můžou hrát roli i sezóní změny v horních vrstvách např. vlivem solární aktivity...
Tether by byl jistě fajn, takže se těším, až někdo přijde s konkrétním návrhem - jak musí být dlouhý a pevný, jak ho napnout, jaké do něj pouštět napětí... ja nic z toho netuším...
|
|
citace:
Mala pripominka znameho problemu - pro pouziti plachty je potreba dostat se vys, nez je standardni orbita CubeSATu.
Já myslím že když by plachta měla jednoduchý tvar, třeba obdélníkový, a pohybovala by se po polární dráze tak že by sluneční záření směřovalo na její reflexní plochu pod úhlem 45° a rovina plachty by byla k Zemskému povrchu taktéž pod úhlem 45°a zároveň rovnoběžná se směrem svého pohybu okolo Země, tak by aerodynamický odpor plachty byl zanedbatelný při tloušťce plachty několik um i ve výšce výrazně nižší než 600km. Pak by se měl projevit tlak slunečního záření na postupné zvyšování oběžné dráhy ale i na postupné stáčení roviny oběžné dráhy takže tato rovina by byla stále kolmá ke spojnici Slunce-Země.
|
|
Stejně jako Marian si myslím, že i u nízkých drah lze testovat sluneční plachtu tak, že letí hranou ve směru letu a nechá se volně působit Sluneční záření, které bude téměř jistě přicházet z nenulového úhlu a tak "tlačit" na plachtu.
U hodně nízkých drah si to lze představit i tak, že mírně vytužený díl plachty (trojúhelníkový list nebo pás) "vlaje" ve zbytcích atmosféry za hlavním tělesem (umístěným v rohu plachty) a sledují se změny, vyvolané Slunečním zářením (vychýlení plachty, změny dráhy). V takovém případě bychom na družici vůbec nemuseli mít aktivní systém stabilizace a celá konstrukce by byla mimořádně jednoduchá. |
|
Jak chceš testovat plachtu na nizké dráze? Když při výšce
dráhy a velikosti družice nebudeš schopen rozumně vyřešit
stabilizaci družice jiným spusobem než pasivní stabilizací
pernamentním magnetem, což znamena:
družice asi po třech až čtyřech dnech se ustalí a to tak,
že se bude pozvolna otáčet okolo své osy a osa družice
(na jejimž konci je magnet) se vždy nad polarníma oblastma
překlopí. |
|
Na nízké dráze (pod 500 km) by to byl spíš jen "nouzový test". Stabilizace by nebyla magnetem (ten by tam vůbec nebyl), ale mohla by být aerodynamická. Stačilo by nechat "plachtu" volně vlát a mělo by se to ve zbytcích atmosféry srovnat jako "větrný kohout" :-)
Ta "plachta" by samozřejmě nemohla být symetricky kolem centrálního tělesa, ale zcela asymetricky (centrální těleso [družice] by bylo na "začátku" obdélníkového pruhu, nebo v rohu trojúhelníku).
Taková věc by ale měla smysl jen pro test a nebyla by asi příliš praktická. |
|
nechci tě sklamat, ale to mi připada nerealizovatelné,
protože družice se ti bude stale otačet okolo osy, takže
volně vlající plachta se ti nerozvine,ale zamotá |
|
citace:
nechci tě sklamat, ale to mi připada nerealizovatelné,
protože družice se ti bude stale otačet okolo osy, takže
volně vlající plachta se ti nerozvine,ale zamotá
vlajicí plachta se možná zamotá, pokud bude vyztužená alespoň jedním žebrem tak se nezamotá |
|
Chtěl bych napsat pár poznámek k letovým vlastnostem slunečnice. Plachta vystavená slunečnímu záření bude mít určitý vztlak (tah), který má směr (daný úhlem dopadu světla) a těžiště. Kromě tohoto těžiště vztlaku má celá družice hmotnostní těžiště. Slunečnice poletí stabilně tehdy když vektor vztlaku bude protínat hmotnostní těžiště, je přitom jedno zda toto bude před či za těžištěm vztlaku a v jaké vzdálenosti. Je jasné že tato podmínka není v praxi splnitelná a při každé nesrovnalosti se začne plachta stáčet. Tento problém se dá řešit buďto gyroskopickou stabilizací (celá slunečnice se prostě roztočí), což není dobré řešení protože se s tím pak nedá manévrovat, nebo tak že plachetnici budeme neustále řídit. To nakonec asi bude nutné protože let po spirální dráze předpokládá působení tahu v ose letu a toho se dá u solární plachetnice dosáhnout jen neustálím manévrováním.
Všechny návrhy slunečních plachetnic se kterými jsem se zatím setkal spadali do kategorie "aerodynamicky" řízených tedy byli vybaveny natáčecími plachtami nebo měli klapky po okrajích plachet. Přitom z výše uvedeného je zřejmé že sluneční plachetnici je možné spolehlivě a jednoduše řídit změnou polohy těžiště. Výhodou takového řízení je podstatné zjednodušení konstrukce plachetnice, nemusí nést po obvodě žádné otočné klapky ani být opatřena zařízením k natáčení celých plachet které na to musejí být dostatečně dimenzovány. Tím se dostáváme k další výhodě a to k potencionálně nižším silám v řízení. To není bezvýznamné ,na první pohled se zdá že konstrukce musí vydržet hlavně tlak světla ale ve skutečnosti je tato síla velmi malá. Na uvažovaných 60m^2 bude působit maximálně 0,53 mN jen pro představu je to jako by jste si dali na prst 1/20 gramu. Myslím že síly řízení (a to jakéhokoliv typu) budou konstrukci namáhat více a pokud jim odolá, namáhání tlakem záření vydrží automaticky.
Takže má představa slunečnice řízené změnou těžiště. Nejefektivnější se zdá jednoduchá kruhová plachta vyztužená nafukovací obručí, má asi nejlepší poměr pevnost/hmotnost, není namáhána na ohyb a vyztužený obvod by si při rozvíjení nejlépe poradil se slepenou plachtou. Ve středu plachty je kloubově upevněn nosník na jehož druhém konci je zátěž, tou může být samotná družice nebo nějaká její těžká součást, například blok akumulátorů. Na zátěži budou tři navijáky od kterých povedou lanka k obvodu plachty. Ke změně těžiště pak stačí jen správně manipulovat s lanky. Možná jednodušší by bylo ovládat závaží přímo kloubem za který je nosník upevněn ke středu plachty pomocí dvou motorů, pak by se musel střed zřejmě důkladněji vyztužit.
|
|
>Z 600 km dráhy tě nic jen tak rychle nestáhne... to není 300 km... a co se týče nezbytné dráhy pro solární plachtění, tak všechno jsou jen odhady. 600 km je dolní hranice, 1000 km horní, přesně to neví nikdo...<
Pozor uváděné výšky nejsou minimální nezbytné dráhy pro solární plachtění ale hranice kde se vyrovnává vliv odporu atmosféry a slunečního záření, tedy tyto síly jsou v poměru 1:1. Vzhledem k tomu že průměrný tah plachetnice bude vždy menší (v praxi výrazně menší) než 50% maxima a průměrný aerodynamický odpor pravděpodobně vždy větší než 50% svého maxima, bude mít slunečnice která rozvine plachtu v této výšce opadání střelené kachny. Myslím že absolutním minimem je taková dráha kde síly budou v poměru 1:4 a přijatelným 1:10.
|
|
Ano, řízení sluneční plachetnice změnou těžiště, se také dost často uvádí a zkoumá. Myslím, že to je dobrý i relativně jednoduchý způsob manévrování, při kterém není třeba "hýbat" s jednotlivými segmenty plachty.
Chtěl bych ale připomenout jeden problém, který mají všechny čistě "aerodynamicky" řízené varianty sluneční plachetnice na relativně nízké oběžné dráze (ve výši cca 1000 km). Jde o to, že na této dráze docela často zaletí do stínu Země a tam ztratí "sílu" pro změny a udržování orientace. V dostatečné vzdálenosti od Země to už není problém, ale níže?
Proto stále uvažuji i o možnostech manévrování u rotujících verzí plachetnice. Základní orientace je u nic zajištěna i ve stínu (rotací). Nešlo by měnit polohu osy rotace nějakým jednoduchým způsobem? Zatím mě napadá jen dost složitý setrvačník, případně opačně rotující řídicí "aerodynamická" plocha, což není nic moc, ale třeba existuje i něco výhodnějšího.
Jinak samozřejmě souhlasím s Mašou, že síly řízení budou zřejmě vždy výrazně větší, než síly, vyvolané tlakem záření, takže je třeba, aby plachetnice vydržela především své vlastní řízení.
Souhlasím také s tím, že rozumně "plachtit" se dá (teoreticky) až ve výškách, kde tlak záření několikanásobně převyšuje aerodynamický odpor (to by ovšem mělo být už někde kolem 800 km). Naše úvahy o experimentech v nižších výškách jsou jen "nouzové" a "testovací". Proto by možná bylo vhodné sluneční plachetnici na LEO kombinovat s jiným fyzikálním pohonem (např. elektrodynamickýcm tetherem), který by zajistil zvyšování dráhy (ještě před rozvinutím plachty). Tether můžeme zkusit prozkoumat v jiném tématu. |
|
Nestabilizovaný let ve stínu nemusí být problémem, záleží na důvodech pro které potřebujeme slunečnici stabilizovat:
1. spojení - zde záleží na směrovosti antény, stabilizace rotací v tomto případě nejspíš moc nepomůže, problém bude nutné řešit vhodně navrženým vysílačem/přijímačem nebo družici stabilizovat jinak.
2. orientace ke slunci - bez předmětné, letíme ve stínu tak je tu tma a žádný tah nemůžeme získat.
3. ztráty - slunečnice se po vylétnutí ze stínu musí pokaždé znovu stabilizovat. To bude trvat určitý čas po který nebude dávat plný tah. Myslím že tyto ztráty budou pod 1%( jen odhad), záleží na manévrovatelnosti.
4. minimalizace odporu atmosféry - možná že by slunečnice mohla použít svou plachtu, jen místo tlaku světla by tu byl aerodynamický odpor. Pokud k tomu nebude dostatečný nemá cenu si s tímto bodem lámat hlavu, není co minimalizovat.
Ještě k té výšce:"...V blízkosti Země je síla působící na 1m^2 přibližně rovna 4,5.10^-8 N/m 2. Je to síla nepatrná, a proto zřetelněji působí pouze na velice rozměrné a přitom lehké družice (jako byly např. balónové družice typu Echo nebo Pageos). Pro srovnání: odpor atmosféry až do výšky zhruba 800 km nad povrchem Země má větší vliv nežli tlak slunečního záření. ..." Petr Lála / Antonín Vítek Malá encyklopedie kosmonautiky str. 46. (opisuji to včetně chyby tisku, v exponentu má být -6) Chápu to tak že v těch asi 800 km má atmosféra stejný odpor jako je tlak slunečního záření tedy těch zhruba 4,5.10^-6 N/m 2.
Musím se ještě omluvit za chybu v předchozím příspěvku, poměr odporu atmosféry a slunečního záření počítá s prostým tlakem světla (p=N/c) ,ale tah plachty by měl být dvojnásobný (F=2(N/c)S cos^2 ). Navržené poměry tedy budou stačit poloviční, místo 1:4 by pro vyrovnanou bilanci zisku a ztrát měla stačit dráha s poměrem 1:2(čistě teoreticky) a prakticky použitelná 1:5. V takové výšce snad nevadí ani občasné výpadky a zaváhání a odpor atmosféry nebude mít už velký vliv na vlastní manévrování.
|
|
Při uvažování o stabilizací ve stínu jsem měl na mysli jen (případné) problémy s obnovením stabilizace (vhodné polohy) po vylétnutí ze stínu (tedy "bod 3"). Obávám se, že doba přetočení do vhodné polohy může být srovnatelná s dobou letu "na Slunci", takže než se stihneme srovnat, už jsme zase ve stínu. Tohle stabilizace rotací (nebo jiná aktivní "neaerodynamická" stabilizace) řeší (usnadňuje).
Ty reakční doby stabilizace se nám snad podaří nějak spočítat (nasimulovat).
Ohledně poměru tlaku slunečního záření a odporu atmosféry jsem svého času dostal od Aleše Bezděka (jednoho z účastníků projektu Mimosa) graf s výsledky měření francouzského akcelerometru Cactus, který letěl na palubě družice Castor (start v roce 1975, objekt 1975-039B). Graf mám přístupný na adrese http://mek.kosmo.cz/cz/mimosa/cactus.gif (14 kB). Podle tohoto grafu se v červnu 1976 tlak záření vyrovnával odporu atmosféry někde kolem výšky 500 km a ve výšce 750 km byl už řádově větší. Přesné určení dostatečné výšky tedy zřejmě nebude jednoduché a je možno to zkusit vyexperimentovat (v kosmu). |
|
Ten francouzský graf vypadá nesmírně nadějně !
Přiznám se, že o manévrování pomocí změny těžiště jsem neuvažoval... vypadá to jednoduše, ale napadá mi jedna výhrada: neřeší situaci, kdy se plachta dostane do "slunečního závětří" - tzn. hranou přímo ve směru slunečního osvitu.
Pokud budeme mít alespoň dva nezávisle stavitelné reflektory - tedy, přesněji řečeno, alepoň jeden ze dvou reflektorů když bude stavitelný relativně k tomu prvnímu - tak je tu šance na náročné manévry typu zmiňované neustále natáčení plachty hranou ve směru letu, kvůli snížení aerodynamického brždění (a pozoror ! i pro využití zbytkových aerodynamických sil pro "naklopení" polární dráhy !) a současná akcelerace vlivem slunečního záření.
Podle mě by nám nakonec ještě mohlo vyjít, že polární dráha (a hlavně pak asi slunce-synchroní dráha" ) je vlastně nejnižší dráha, ze které je ještě solární plachta schopna efejtivně odletět... ale trochu mi už dochází představivost... :-)
|
|
Po vylétnutí ze stínu zřejmě nelze očekávat že by plachetnice byla úplně "naruby". Přestože je stabilizována sluncem je samo sluneční záření hlavní příčinou nestability(vektor tahu mimo těžiště ). Ve stínu tato příčina padá a další vnější vlivy jsou hodně slabé. Proto si myslím že by měla být,jen s malou odchylkou, přibližně stejně orientovaná jako byla před vlétnutím do stínu. Na té odchylce bude mít asi největší podíl nějaký zbytkoví moment řízení, v praxi se totiž družici nikdy nepodaří úplně srovnat a ta se bude neřízena pomalounku otáčet. Kromě toho je tu druhý problém, protože vektor tahu má být v ose letu a ta se během letu ve stínu podstatně stočí, musí plachetnice provést manévr o velikosti řádově desítek stupňů. Tento manévr je možné provést až po vylétnutí slunečnice ze stínu, nebo se mu vyhnout tím že před vstupem do stínu dáme plachetnici určitý impuls který sní bude za letu tmou pomalu otáčet tak aby až se dostane na světlo stačilo provést jen malou opravu.
Dostali jsme se k otázce manévrovatelnosti, něco se dá odhadnout už ze samotné akcelerace. Slunečnice o váze 1kg a ploše 60m^2 zvládne dráhu 10m s pevným startem za 194s (3min 14s) a na konci dráhy bude mít rychlost 0,103m/s. Pokusil jsem se spočítat i časy vlastních manévrů ,platí pro tyto parametry: celková váha 1kg, plocha 60m^2, váha plachty 0,5kg, váha zátěže 0,5kg(plachetnice řízená změnou polohy těžiště), vzdálenost zátěže od těžiště plachty 4,4m, hmotnostní těžiště je v polovině této vzdálenosti tedy 2,2m a to je i délka ramene síly. Manévry začínají a končí v klidu, časy jsou průměrné (tah plachty se mění podle nastaveni od maxima po nulu tak jsem použil maximální tah lomeno dvěmi), do manévrů nejsou započítány časy na manipulaci se zátěží jsou to součty dvou polovičních manévrů s těžišti v krajních polohách.
90 stupňů 228s (3min 48s)
10 stupňů 76s (1min 16s)
1 stupeň 24s
Slunečnice klasické konstrukce s klapkami na okrajích mají podstatně nižší moment setrvačnosti a asi dvakrát delší rameno síly ale k manévrování využívají jen asi 1-2% tahu plachty, takže manévrovatelnost by měla být alespoň řádově srovnatelná.
Když jsem to tak počítal tak jsem si uvědomil že neznám gramáž té fólie nemáte k tomu nějaké podklady?
Poměr hmotností plachty a zátěže je takový že se plachta naklopý už pouhým přitažením či oddálením zátěže takže žádné mrtvé úhly nehrozí.
Ten graf z Castoru vypadá optimisticky.
|
|
Souhlasím s tím, že po vylétnutí ze stínu plachetnice nemusí být vždy v nevhodné poloze. Nelze to ale ani vyloučit, takže má smysl se tím zabývat (i minimální zbytková chyba v řízení za 40 minut udělá své).
Předběžné (Mišovi) výpočty a odhady podle mne vypadají správně a nadějně. Některé předpoklady budou ale dost obtížně splnitelné. Přesun zátěže do vzdálenosti 4,4 m od těžiště je dost. Já počítám spíš s pár decimetry (max. 1 m). Také 60m2 plachty bude těžké dostat do 1 kg. Teoreticky je to bez problémů (gramáž fólie Mylar je od cca 2g/m2 do vice nez 6g/m2, bez problemu snad lze sehnat gramaz 4g/m2), ale výztuž a ovládací prvky bude obtížné udělat tak lehké. Absence potřeby pevné výztuže je jedním z dalších argumentů pro rotující verze plachetnice.
Jinak souhlasím také s tím, že samotný pohyb zátěže otáčí plachetnici "správným" směrem, takže vždy by se to mělo dát otočit (z jakékoliv polohy). To je solidní výhoda manévrování změnou těžiště. Ovšem vhodný řídicí systém bude muset být dost dokonalý, protože bude muset mít stále dost přesné informace o okamžité orientaci a těžiště měnit "s předstihem", aby se to nerozkmitalo.
Zdá se ale zatím, že rychlost manévrování by měla být vyhovující (do 10 minut) a problémy regulace řešitelné, takže manévrování změnou těžiště si určitě poznamenávám jako vážného kandidáta pro letový test :-) |
|
Přesun zátěže do vzdálenosti 4,4m je opravdu hodně a i já počítám že při běžných manévrech to bude maximálně do metru. Navíc ta samotná délka nosníku na kterém je zátěž upevněna je zbytečně dlouhá (4,4m je poloměr kruhu o obsahu 60m^2), s narůstající délkou se sice zvětšuje manévrovatelnost ale tento nárůst není lineární. Přesto úplné přehození takovéto zátěže o 52stupňů ( zbylých 128 do 180 vykoná plachta protože poměr momentů setrvačnosti je 1:2,5) nebude trvat moc dlouho, pokud na ni budeme působit stejnou silou jako je síla tahu pak stačí 244s(4m 4s) a když to bude desetinásobek tak 77s(1m 17s). Aby byl poměr momentů setrvačnosti 1:1 stačí délka 2,8m, ale je otázkou jestli ten poměr má být právě takový. Konstrukci toho nosníku si představuji ve stejném duchu jako u výztuh plachty, v podstatě by to měl být kus nafouknuté Mylarové hadice. Mimochodem, to že můžeme plachtu naklápět i bez vlivu slunce znamená že po určitou dobu může být plachta orientována správně i když manévr ještě probíhá.
Vhodný řídící systém, celý ten soubor čidel orientace, výkonových prvků a software který to propojí, bude asi tím nejsložitějším kusem zařízení na družici. To ale platí obecně ,ať už jí budeme řídit jakkoliv a plachtu se podaří či nepodaří prosadit na palubu.
|
|
Systém, který by zvládnul řízení plachetnice změnou těžiště by musel být opravdu dost dokonalý.
Já si ale pořád ještě dovedu představit i řádově jednodušší systémy. Například rotující variantu pouze se stavy "plachty napnuty" a "plachty svěšeny". Manévrování by sice nebylo optimální, ale snad stále ještě použitelné (přinejmenším pro testování).
Výztuha nafouknutou "hadicí" z Mylaru také není bez problémů. I při mých domácích pokusech jsem si ověřil, že je dost těžké zajistit dobrou vzduchotěsnost "hadice", aby měla přijatelnou pevnost (ale ani pak ta pevnost není nic moc). Dlouhodobější udržení vzduchotěsnosti považuji za velmi nepravděpodobné a muselo by se to vyztužit ještě nějak jinak (např. už dříve zmiňovaným tuhnutím nějakého polymeru). No, uvidíme :-) |
|
Spojování pokovených fólií má svá úskalí, svařovat se dají jen nepokovenou stranou k sobě, to vylučuje přeplátovaný spoj, přitom se ale vyrábějí i oboustranné které se svařovat nedají vůbec. K lepení se doporučuje na nepokovené plochy Purocel(moc to nedrží a nevím jestli se to píše právě takhle) a na pokovené epoxidové lepidlo, spoj pak ale není pružný, lepení kombinovaných ploch asi není možné. Je tu ale možnost použít na výztuhy nepokovenou fólií a nebo ještě lépe bezešvou hadici. Bezešvá hadice je výchozí polotovar při výrobě všech plastových fólií, myslím že ale právě z Mylaru se potřebný průměr asi sehnat nepodaří, ale snad by šel něčím nahradit( jen u těch výztuh). Dlouhodobé udržení těsnosti ale určitě nebude možné, Echo 1 začala ztrácet tvar už po několika měsících a Explorer 13 používal k registraci mikrometeoritů mimo jiné soustavy přetlakových komůrek které reagovali na průraz ztrátou tlaku. Pro první testy by to nemuselo vadit, rozdíl charakteristické rychlosti kruhových drah v 1000 a 2000 km je jen 450m/s a u slunečnice s poměrem 60m2/1kg bude průměrný přírůstek rychlosti asi 1m/s za 1hodinu, takže dvou měsíční životnost, která se zdá docela realistická, by měla stačit i kdyby vážila třikrát tolik. Pro dlouhodobé lety jsem chtěl místo plynu k nafouknutí použít tuhnoucí pěnu. Kromě toho že je těžší, to má ještě pár háčků. Pěna musí být dvousložková, to komplikuje plnící zařízení a tuhnoucí reakce je exotermická, na zemi to nemusí vadit ale co to teplo udělá s tenkou fólií izolovanou vakuem těžko říct.
K manévrům s dlouhodobým zrychlením potřebujeme vyřešit dva problémy. Prvním je nestabilita spojená s působením samotného tahu a případných vnějších sil a druhým to že dráha není přímkou. Potřebujeme tedy vykonat v průběhu obletu jednu otáčku kolem osy kolmé k ose letu u které se s měnící výškou letu mění její úhlová rychlost. U solární plachetnice toto platí jen na polární dráze, čím více se bude blížit rovníkové tím méně symetrický manévr bude. Jestliže stabilizaci vyřešíme roztočením družice znemožníme tím jakékoliv další manévrování protože rotace zafixuje orientaci v prostoru, pokud je tedy v určitém bodě dráhy orientace správná, tak na protilehlé straně bude přesně opačná. Zapínání tahu jen na úseku se správnou orientací by mohlo být řešením, ale každopádně velmi neefektivním. Mimo to když na dráze kolem země zorientujeme slunečnici ke slunci například čelně, tak díky pohybu planety bude za tři měsíce ke slunci postavena bokem, to je každý den změna o jeden stupeň. Je také otázkou nakolik takováto stabilizace zjednodušuje konstrukci, nemůžeme totiž očekávat podporu od nosné rakety takže družice se musí sama umět ustavit do správné polohy a poté roztočit. Bude-li potřeba nějaká změna pak musí rotaci zrušit natočit se do nové polohy a znovu se roztočit. Nenapadá mě jak vypnout tah u nevyztužené plachetnice bez zastavení rotace, vyztužené plachty je možné dát do praporu jako vrtuli letadla, ale to zase komplikuje konstrukci o výztuhy a natáčecí mechanizmus.
Než toto bylo by určitě lépe snažit se o aktivně řízený let. Myslím si totiž že pokusem by neměla být plachta která bude dokazovat že to tam nahoře fouká a jak moc, protože to už zatím někdo udělá, ale plachetnice která dokáže doletět tam kam jí přikážeme.
|
|
Jsem rád, že se objevil Maša, který si dal taky tu práci v hlavě sestavit celý manévr odletu plachetnice z oběžné dráhy.
Já jsem v první fázi dospěl ke koncepci, kdy jsou jednotlivé proužky fólie napínané odstředivou silou - a zároveň se ještě v průběhu jednoho obletu kolem Země právě jednou otočí kolem vlastní osy, takže v krické fázi oběžné dráhy bude reflektivita celého komplexu minimální.
Od sluneční plachty napínané rotací jsem ustoupil ve chvíli, kdy jsem si uvědomil (resp. bylo mi napovězeno :-), že vrtulovité relativní "zešikmení" plachty vůči tlaku slunečního záření vůbec nemusí být dostatečné pro regulaci rotace - proužky fólie se prostě zkroutí nebo ohnou... proto jsem přešel ke koncepci dvou od sebe vzdálených stavitelných reflektorů, které usnadňují manévrování... jenže že ve vakuu nafukovací žebra ztratí tvar, to mě také mohlo napadnout.
Napadá mi ještě jedna dosti šílená možnost - zato konstrukčně velice jednoduchá - a tou je "sluneční padák". Není to zcela efektivní - ale vzhledem ke zcela minimálnímu tlaku slunečního záření a případným elektrostatickým silám je snad možné počítat s tím, že by výsledný tvar dopadl nějak použitelně. Těžko říct - představit si co všechno je ve hře je už u "padáku" nad moje síly..
"Dejte mi pevný bod a pohnu sluneční plachtou"... vážně to není tak docela jednoduché, každopádně zpět do historie lodního plachtění: všichni víme, že nejjednoduší lodní oplachtění se skláda ze stěžně a plachty - a to prostě proto, že je to mimořádně jednoduchý stroj.
Problémem případných "vysunovacích tykadel" bude jistě hmotnost - na druhou stranu, je možné přijít s něčím tak křehkým, že se to v pozemních podmínkách bude na hranici konstrukční pevnosti. Co třeba velmi tenká stočená kovová pružina ? Plachta by při startu byla "zmuchlaná" mezi dvěma takovými pružinkami, k rozevření plachty by stačilo uvolnění pružinek. Potřebujeme dvě pružinky dlouhé řádově metry. Napadá mi použít např. něco s konzistencí podobnou nejtenčí kytarové struně. Uchycení fólie pak stačí řešit v několika bodech....
Myslím, že na srazu v Bohdanči budu raději demonstrovat tuhle koncepci, než tu předhozí nafukovací. Online dodavatelé Mylaru mi už posílají upomínky že jsem ještě nezaplatil - začíná se to podobat jakékliv mojí jiné práci... :-)
|
|
Uvědomuju si, že "konstrukční pevnost" a "křehkost kytarové struny" jsou dost nesmyslné pojmy, prosím nebijte mě
Co je to stožár ? Prostě nosník, spíš pružný než křehký. Ve vesmíru se mění jen parametry, ne princip.
Co si můžeme dovolit, je jedno "napínací ráhno" pro každou plachtu. Samotné tenké struny budou sice dost pružné, aby plachu napjaly, ale tlakem slunečního záření by se ohly. Proto navrhuju táhnout struny z bodu vzdáleného zhruba 10cm od zpevněného "rohu" trojúhelníkové plachty, ve kterém bude plachta připevněná k satelitu.
Nákresy dodám.
P.S. Do jakékoliv koncepce s životností menší než cca pět let nehodlám investovat jakékoliv úsilí.
|
|
Souhlasím se dvěma základními body pro další diskusi. Uvažujme dále jen konstrukce:
1) schopné plného manévrování na dráze
2) schopné v principu vydržet několik let v kosmu
Z tohoto pohledu je nafouknutí vhodné jen pro počáteční rozvinutí, ale pak je třeba vyztužit konstrukci dodatečně (dlouhodobě) ještě jinak (např. tuhnoucím polymerem).
Nosníky z "kytarových strun" jsou také docela dobrou možností a měli bychom to prověřit (teoreticky i experimentálně).
U čistě padákové plachty by mohl být problém se "splasknutím", ale v tomto případě by možná pomohlo i jen krátkodobé počáteční "rozevření" nafukovacími nosníky. Rozhodně to musíme také prověřit.
Tahání za "šňury" u "padáku" i u klasických lodních plachet je v principu také jen "změna polohy těžiště", takže paralela k pozemským vzorům je podle mne solidní (v tom smyslu, že by to mělo fungovat, alespoň teoreticky).
I u rotujícího tělesa lze ale různými způsoby měnit osu rotace (precese funguje i v kosmu), takže i rotující plachetnice (bez nutnosti pevných nosníků) může na dráze plnohodnotně manévrovat (právě změnou polohy osy rotace celého tělesa, tedy nejen natáčením "listů"). Zkusím nějak spočítat a odhadnout, zda by ke změně polohy osy rotace mohl stačit i jen tlak slunečního záření.
I u nerotujících verzí plachetnice se nějak budeme muset vypořádat se zastavením počáteční zbytkové rotace (v ploše plachty) a s jejím udržováním v rozumných mezích. To samotnou změnou těžiště asi nepůjde.
Vidím teď tedy tyto problémy k diskusi:
- jak udělat pevnou výztuhu dostatečně lehkou? (a přitom skladnou, pevnou a trvanlivou)[její hmotnost by něměla převýšit hmotnost samotné plachty]
- jak ovládat zbytkovou plošnou rotaci u nerotujících verzí plachetnic?
- jak měnit polohu osy rotace celé rotující verze plachetnice? |
|
