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试对光帆作为太阳系内的一种交通方式的可行性和经济行进行研判

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本人的理科知识水平不太好,可能会有一些错误,但我尽量避免对不了解的东西乱讲。这个帖子主要目的是为光帆再争取一点地位,毕竟吧内对这种推进方式可谓不屑一顾,而我个人觉得其实光帆也没那么不堪。
(以前盾牌大佬发过一个石墨烯光驱动的帖子,据说效率比光帆好得多,但那个东西我自己确实搞不太明白)
先说核心公式,爱因斯坦给出的是这样的:
F=2P/c
其中F是推力,P是功率,c是光速。(这当然是理想公式)
这个公式跟我们常见的齐奥尔科夫系统的公式不太一样,不去考虑比冲等因素,只要考虑功率就足够了。而这个功率不论是太阳提供还是其他什么东西提供,对飞行器本身来说,只与帆的面积有关,但是帆的面积越大,飞行器总的质量也就越大。所以最终公式约下来,帆所能提供的推力效率相关的核心参数是帆的密度和厚度。
简而言之,帆的密度和厚度越小,帆所能提供的推力效率越高。(不考虑帆材料的反射率和散热效率之类的长效问题)


IP属地:广东1楼2019-02-08 14:44回复
    我知道的也少,发表一下观点,我感觉这么干经济是经济了,但是会很慢吧


    IP属地:天津2楼2019-02-08 15:04
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      从伊卡洛斯的案例我们可以看出,假如采用太阳作为光源,以聚酰亚胺为材料,光帆要想在太阳系内自由机动,一微米厚度是一个门槛,低于1微米可以出外太阳系,大于1微米则只能走向心轨道。
      但这只是以太阳为光源,而且聚酰亚胺还并不是我们能造出的最好材料,1微米对于当代技术来说,难度是有,但应该并不大。
      因此直觉上来说,如果我们能采用密度比聚酰亚胺更低的材料,厚度比1微米更薄的帆面材料,哪怕只是用太阳光作为能源,我们也能在太阳系内自由航行,甚至有可能实现大宗货物运载。


      IP属地:广东4楼2019-02-08 15:20
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        推力太小,体积太大,完。


        IP属地:江苏来自Android客户端5楼2019-02-08 15:36
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          我们继续计算,在地球轨道附近,1平米太阳帆所能提供的最大推力为:
          f=(p*s)/(2πr^2*c)
          我们知道太阳总功率约为3.8*10^26瓦,地球距离太阳的平均距离为1.49×10^11m,所以算出来大约是9*10^-6牛。
          假如我们的材料能把密度压到1g/cm3(当今单壁碳纳米管的密度可以到1.2),厚度压到10^-6米(1微米),那么每平方米的帆质量就约为1g。
          (这平米光帆对自身提供的加速度为:a=9*10^-6N/1*10^-3= 9*10^-3m/s2。)
          我们知道地月转移轨道只要能达到10km/s左右就足够了,如果不考虑载货和光照角度偏差,光帆自身达到这个速度大约需要1.1*10^6秒,也就是300多个小时,12天。
          大家一定觉得这也太慢了,根本没有卵用,但是请一定注意,这种推进方式是不需工质和推进器的!
          除了微不足道的光帆质量外,全部运载能力都可以用于有效荷载!


          IP属地:广东6楼2019-02-08 16:04
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            下面我来一一计算光帆飞向各个行星的加速时间周期:
            飞行器从地球进入最佳椭圆航线所需的轨道转移速度和加速耗时:
            水星7.5km/s,9.6天;
            金星2.5km/s,3.2天;
            火星3.0km/s,3.8天;
            木星8.8km/s,11.3天;
            土星10.3km/s,13.2天;
            天王星11.3km/s,14.5天;
            海王星11.7km/s,15天;
            这些仅仅是达到轨道转移速度的加速阶段的耗时,进入转移轨道之后,由于不需要外工质,太阳帆还可以继续加速或减速,全程并不需要匀速飞行阶段。
            整个航程上的飞行时间根据具体航线和位置关系不同,我能力有限就不去算了,但是这几个时间对于建立感性认知足够了。


            IP属地:广东7楼2019-02-08 16:16
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              以上是光帆当作太阳帆用的参数,稍微有个概念就可以了。
              接下来我想要探讨的是,光帆使用人工光源作为加速工具的情况。具体来说,就是采用大功率激光器为光帆提供加速的方案。(先别急着说为啥不直接用光推,因为我觉得现在的原动机都不怎么给力,而且未来很长一段时间都很难有太大突破)。
              (今天先到这,待续)


              IP属地:广东9楼2019-02-08 16:40
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                这还叫懂的不多,自觉滚了


                来自iPhone客户端11楼2019-02-08 18:11
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                  IP属地:湖南来自Android客户端12楼2019-02-08 18:16
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                    等你更完了再说


                    IP属地:重庆来自Android客户端13楼2019-02-08 18:33
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                      泼个冷水:
                      JAXA scientists stated that the measured thrust force by the solar radiation pressure on IKAROS' 196 m2 sail is 1.12 millinewtons.
                      196平方米只有1.12豪牛hummmm
                      其实ikaros飞掠金星主要都是靠火箭的速度啦,按照wiki介绍它的光帆在三年内只提供了400m/s的dv,虽然已经不少了,但是用在短途旅行这样的加速速度不适合很多任务了……


                      IP属地:广东来自iPhone客户端16楼2019-02-09 06:33
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                        如果有戴森云聚焦效果或许会好得多


                        IP属地:江苏17楼2019-02-09 19:13
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                          骨架,折叠方面和减速机制呢


                          IP属地:湖北来自Android客户端18楼2019-06-13 17:50
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                            感觉近未来应用还是需要懂材料力学的人来讲一讲


                            IP属地:湖北来自Android客户端19楼2019-06-13 17:51
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