솔라 돛

Solar sail
이 기사는 태양으로부터 나오는 방사선 압력에 의한 우주선 추진에 관한 것이다.태양풍의 입자 및 전자기장 압력에 의해 전기 돛과 자기 돛을 보십시오.행성 협회 우주선에 대한 내용은 라이트세일을 참조하십시오.
"항행 돛"이 여기로 방향을 바꾼다.레이저(딩하이)와 혼동하지 마십시오.
IKAROS 스페이스프로브-비행 중인 태양 돛(예술가의 묘사)이 전형적인 사각형 돛 구성을 보여준다.

태양 돛(빛 돛 또는 광자 돛이라고도 함)은 큰 거울에 햇빛에 의해 발휘되는 방사선 압력을 이용한 우주선 추진 방법이다.태양 추진과 항해를 시험하기 위한 많은 우주 비행 임무가 1980년대 이후로 제안되어 왔다.이 기술을 처음으로 사용한 우주선은 2010년에 발사된 IKAROS이다.

태양열 항해에 유용한 비유는 돛단배일 수 있다. 거울에 힘을 주는 빛은 바람에 날리는 돛과 비슷하다.고에너지 레이저 빔은 빔 항해라고 알려진 개념인 햇빛을 사용하여 가능한 것보다 훨씬 더 큰 힘을 발휘하기 위한 대체 광원으로 사용될 수 있다.태양열 범선은 긴 운항 수명과 함께 저비용 운항의 가능성을 제공한다.움직이는 부품이 적고 추진체를 사용하지 않기 때문에 탑재물 전달에 여러 번 사용할 수 있다.

태양열 돛은 우주역학에서 입증된 측정된 효과를 가진 현상을 이용한다.태양 압력은 행성간 공간이나 행성이나 작은 몸 주위의 궤도에 있든지 간에 모든 우주선에 영향을 미친다.예를 들어 화성으로 가는 전형적인 우주선은 태양 압력에 의해 수천 킬로미터의 궤도를 이탈하게 될 것이므로, 그 영향은 1960년대 최초의 행성간 우주선 때부터 행해진 궤적 계획에서 설명되어야 한다.태양 압력은 우주선 설계에 반드시 포함되어야 하는 요소인 우주선의 방향에도 영향을 미친다.[1]

작용하는 총힘은 800에 800m태양 돛에 의해, 예를 들어 Sun,[2]에서 지구의 거리에서, 5N(1.1lbf)그것은low-thrust 기관 추진 시스템은 전기 엔진 작용만으로도와 유사하게 만들는, 그러나가 없는 관계로 추진제를 사용하여 그 힘해서 거의 끊임없이 시간이 지나면서 공통적인 효과 충분하기 위해서는 대단하다 작용하도록 노력하였다b입니다e는 우주선을 추진하기 위한 잠재적인 방법으로 간주된다.

개념의 역사

요하네스 케플러는 혜성 꼬리가 태양을 가리킨다는 것을 관찰하고 태양이 그 영향을 끼쳤음을 시사했다.1610년 갈릴레오에게 보낸 편지에서 그는 "천상의 바람에 적응한 배나 돛을 제공하라, 그러면 그 공허함조차도 용감하게 나설 사람이 있을 것이다"라고 썼다.혜성 꼬리에 관한 그의 출판물은 몇 년 후에 나왔지만, 그는 그 단어들을 쓸 때 혜성 꼬리 현상을 염두에 두었을지도 모른다.[3]

제임스 서점 맥스웰은 1861–1864년에 전자기장과 방사선에 대한 이론을 발표했는데, 이 이론은 빛이 운동력을 가지고 있기 때문에 물체에 압력을 행사할 수 있다는 것을 보여준다.맥스웰의 방정식은 가벼운 압력으로 항해할 수 있는 이론적 기초를 제공한다.그래서 1864년까지 물리학계와 그 너머의 햇빛은 물체에 압력을 가할 수 있는 추진력을 가져왔다.

1865년에 [4]출판된 "지구에서 달로"에서 쥘 베른은 "언젠가는 이 행성들과 발사체들 보다 훨씬 더 빠른 속도로 나타날 것"이라고 썼다. 그 중 빛이나 전기가 아마도 기계적인 요인이 될 것이다.우리는 언젠가 달, 행성, 별을 여행할 것이다."[5]이것은 아마도 빛이 우주 공간을 통해 배를 움직일 수 있다는 최초의 공표된 인식일 것이다.

표트르 레베데프는 1899년 비틀림 균형으로 했던 광압을 처음으로 성공적으로 입증했다;[6] 어니스트 니콜스와 고든 헐은 1901년에 니콜스 방사선계를 사용하여 비슷한 독립적인 실험을 했다.[7]

스반테 아르헤니우스는 1908년 태양 복사 압력이 성간 거리를 가로질러 생명 포자를 분배할 가능성을 예측하여 팬스퍼미아의 개념을 설명하는 하나의 수단을 제공했다.그는 분명히 빛이 별들 사이에서 물체를 움직일 수 있다고 진술한 최초의 과학자였다.[8]

콘스탄틴 츠올코프스키는 먼저 우주선을 우주공간으로 밀어내기 위해 태양의 압력을 사용할 것을 제안했고 "매우 얇은 시트의 거대한 거울을 사용하여 태양의 압력을 우주속도에 도달할 수 있다"[9]고 제안했다.

프리드리히 잰더(샌더)는 1925년 태양열 항해에 대한 기술적 분석을 담은 기술 논문을 발표했다.Zander는 "아주 얇은 거울을 통해 빛 에너지를 거리로 전달하거나 가벼운 압력을 사용하는" "작은 힘을 가하는 것"에 대해 썼다.[10]

JBS Haldane은 1927년 인류를 우주로 데려갈 관 모양의 우주선의 발명과 "평방 킬로미터 혹은 그 이상의 면적에 있는 금속 호일 덩어리가 태양의 방사능 압력을 잡기 위해 어떻게 펼쳐지는가"에 대해 추측했다.[11]

J. D. Bernal은 1929년에 "바람 대신 태양 광선의 역효과를 이용한 우주 항해 형태가 개발될 수 있을 것이다.넓이, 에이커에 이르는 크고 금속성 날개를 활짝 펴고 있는 우주선이 해왕성의 궤도의 한계까지 날아가 버릴지도 모른다.그런 다음 속도를 높이기 위해 중력장을 따라 밀폐하고 밀접하게 내려가서 태양을 지나쳐 돌진하면서 다시 돛을 활짝 펴는 것이었다.[12]

1970년대 칼 세이건은 광자를 한 방향으로 반사시키는 거대한 구조물을 사용하여 빛을 타고 항해하는 아이디어를 대중화하여 추진력을 만들어냈다.그는 대학 강의, 책, 텔레비전 쇼에서 자신의 생각을 꺼냈다.그는 핼리 혜성과 랑데뷰를 하기 위해 이 우주선을 제시간에 빨리 발사하는 데 몰두했다.불행히도, 그 임무는 제때에 이루어지지 않았고 그는 결코 그것을 끝까지 해낼 수 없을 것이다.[13]

태양열 항해를 위한 최초의 공식적인 기술과 설계 노력은 1976년 핼리 혜성과 만나는 제안된 임무를 위해 제트 추진 연구소에서 시작되었다.[2]

물리적 원리

태양 복사 압력

주요기사 : 방사선압력

많은 사람들은 태양열 돛을 사용하는 우주선이 태양열 바람에 의해 밀리고 있다고 믿는다. 마치 돛단배와 돛단배들이 지구 바다를 가로질러 바람에 밀리는 것처럼 말이다.[14]그러나 태양 복사는 반사작용과 흡수되는 소분수로 인해 돛에 압력을 가한다.

광자 또는 전체 플럭스의 운동량은 아인슈타인의 관계에 의해 주어진다.[15][16]

p = E/c

여기서 p는 운동량이고, E는 (광자 또는 플럭스의 에너지), c는 빛의 속도다.특히 광자의 운동량은 그것의 파장에 따라 달라진다 p = h/h

태양 복사 압력은 2011년 개정된 1AU(지구-일광 거리)에서 1361 W/m의2 일조 강도(태양 상수) 값과 관련될 수 있다.[17]

이상적인 돛은 평평하고 100% 정반사를 가지고 있다.실제 돛은 곡률(벽돌), 주름, 흡광도, 전후방 재방사, 비규격 효과, 기타 요인에 의해 [16]전체 효율이 약 90% 8.17μN/m이다2.

광자 플럭스를 반사하여 돛에 힘을 가함

돛에 가해지는 힘과 실제 비행기의 가속도는 태양으로부터 거리의 역제곱(태양에[18] 극히 가까운 경우는 제외), 그리고 돛의 힘 벡터와 태양으로부터 방사형 사이의 각도의 코사인 제곱에 의해 달라지기 때문에.

F = F0 cos2 θ / R2(이상 돛)

여기서 R은 AU에서 태양으로부터 거리. 실제 사각 돛은 다음과 같이 모델링할 수 있다.

F2 = F0(0.349 + 0.662 cos 2θ - 0.011 cos 4θ) / R

이상적인 돛으로 예상할 수 있는 90°가 아니라 일반적으로 = = 60° 전후로 힘과 가속도가 0에 접근한다는 점에 유의하십시오.[19]

만약 에너지의 일부가 흡수된다면, 흡수된 에너지는 돛을 가열할 것이다. 돛은 그 두 표면의 복사성에 따라 앞뒤 표면에서 에너지를 재방사한다.

태양풍은 태양으로부터 분출된 전하 입자의 유동인 약 3~4nPa의 명목상의 동적 압력을 발휘하는데, 이는 반사 돛에서 태양 복사 압력보다 3배 적은 규모다.[20]

돛 매개변수

돛 하중(면적 밀도)은 중요한 매개변수로, 총 질량을 돛 영역으로 나눈 값이며, g/m으로2 표현된다.그리스 문자 σ(시그마)로 표현된다.

돛단배는 태양을 마주 볼 때 1AU에서 경험할 수 있는 독특한 가속도인 a를c 가지고 있다.이 값은 인시던트와 반사된 모멘텀을 모두 설명한다는 점에 유의하십시오.1AU에서 1제곱미터당 9.08μN 이상의 방사선 압력 값을 사용하여 a는c 다음과 같이 면적 밀도와 관련이 있다.

ac = 9.08(효율) / σ mm/s2

90c% 효율성 가정, a = 8.17 / / mm/s2

경도수 λ은 최대 차량 가속도의 무차원 비로서 태양의 국부 중력으로 나눈 값이다.1AU의 값 사용:

λ = ac / 5.93

가벼움 숫자는 또한 태양으로부터 거리의 역제곱으로서 중력과 광압이 모두 떨어지기 때문에 태양으로부터의 거리로부터 독립적이다.따라서 이 숫자는 주어진 선박에 대해 가능한 궤도 기동 유형을 정의한다.

표에는 몇 가지 예제 값이 나와 있다.페이로드는 포함되지 않는다.첫 번째 두 가지는 1970년대 JPL의 상세 설계 노력에서 나온 것이다.세 번째 격자 돛대는 가능한 최고의 성능 수준을 나타낼 수 있다.[2]사각 돛과 격자 돛의 치수는 가장자리 입니다.헬리오이로의 치수는 블레이드 끝에서 블레이드 끝까지입니다.

유형 σ (g/m2) ac(mm/s2) λ 크기(km2)
스퀘어 돛 5.27 1.56 0.26 0.820
헬리오이로 6.39 1.29 0.22 15
격자 돛대 0.07 117 20 0.840

자세제어

돛 비행선이 원하는 방향을 달성하고 유지하기 위해서는 적극적인 자세 제어 시스템(ACS)이 필수적이다.필요한 돛 방향은 행성간 공간에서 천천히(흔히 하루에 1도 미만) 변화하지만, 행성 궤도에서는 훨씬 더 빠르게 변화한다.ACS는 이러한 방향 요건을 충족할 수 있어야 한다.자세 제어는 기계의 압력 중심과 질량 중심 사이의 상대적인 변화에 의해 달성된다.이는 제어 베인, 개별 돛의 이동, 제어 질량의 이동 또는 반사율 변화를 통해 달성될 수 있다.

일정한 자세를 유지하려면 ACS가 순 토크를 비행선에서 0으로 유지해야 한다.돛의 총 힘과 토크는 궤적을 따라 일정하지 않다.힘은 태양 거리 및 돛 각도에 따라 변화하며, 이것은 돛의 부리를 변화시키고 지지 구조물의 일부 요소를 꺾어 돛의 힘과 토크의 변화를 초래한다.

돛의 온도는 또한 태양거리와 돛의 각도에 따라 변화하는데, 이것은 돛의 치수를 변화시킨다.돛에서 나오는 복사열은 지지 구조물의 온도를 변화시킨다.두 요소 모두 총 힘과 토오크에 영향을 미친다.

원하는 태도를 유지하기 위해 ACS는 이러한 모든 변화를 보상해야 한다.[21]

제약

지구 궤도에서 태양압과 항력압은 일반적으로 약 800km의 고도에서 동일하며, 이는 돛 비행선이 그 고도에서 운항해야 함을 의미한다.범선은 회전 속도가 궤도와 호환되는 궤도로 운항해야 하며, 일반적으로 회전 디스크 구성에만 관련된 사항이다.

돛 작동 온도는 태양 거리, 돛 각도, 반사율, 앞과 뒷면 복사성의 함수다.돛은 온도가 물질적 한계 이내인 곳에서만 사용할 수 있다.일반적으로, 돛은 태양 가까이, 0.25AU 정도 또는 그러한 조건에 맞게 주의 깊게 설계된 경우 더 가까이 사용될 수 있다.[2]

적용들

항해용 선박의 잠재적 적용 범위는 태양 가까이에서 해왕성 너머의 혜성 구름에 이르기까지 태양계 전체에 걸쳐 있다.이 우주선은 짐을 배달하거나 목적지에서 정거장을 유지하기 위해 출항할 수 있다.그들은 화물을 운반하는 데 사용될 수 있고, 인간 여행에도 사용될 수 있다.[2]

내행성

내부 태양계 내 여행의 경우, 그들은 화물을 운반한 후 행성간 셔틀로 작동하면서 후속 항해를 위해 지구로 돌아올 수 있다.제롬 라이트에 따르면 화성의 경우 화성에서 일상적으로 운항할 수 있는 경제적인 수단을 제공할 수 있을 것으로 보인다. "인공 임무에 필요한 재래식 추진체를 지구에서 발사하는 비용은 어마어마하다.요트선을 이용하면 잠재적으로 100억 달러 이상의 임무 비용을 절감할 수 있을 것이다."[2]

태양열 범선은 관측 탑재물을 전달하거나 궤도를 유지하기 위해 태양에 접근할 수 있다.0.25AU 또는 그 가까이에서 작동할 수 있다.그들은 극지를 포함한 높은 궤도경사에 도달할 수 있다.

태양열 돛은 모든 내행성을 왕복할 수 있다.수성과 금성으로의 여행은 랑데부 및 유상탑재 궤도 진입을 위한 것이다.화성으로 가는 여행은 랑데부 또는 공기역학적 제동을 위한 페이로드의 해제와 함께 스윙바이 둘 중 하나가 될 수 있다.[2]

돛사이즈
m		 머큐리 랑데부스 비너스 랑데부스 마르스 랑데부스 마스 에어로브레이크
날들 수 톤의 날들 수 톤의 날들 수 톤의 날들 수 톤의
800
σ = 5 g/m2
화물 미포함		 600 9 200 1 400 2 131 2
900 19 270 5 500 5 200 5
1200 28 700 9 338 10
2000
σ = 3 g/m2
화물 미포함		 600 66 200 17 400 23 131 20
900 124 270 36 500 40 200 40
1200 184 700 66 338 70

외행성

외부 행성에 대한 최소 전송 시간은 간접 전송(솔라 스윙바이)을 사용함으로써 이익을 얻는다.그러나 이 방법은 높은 도착 속도를 초래한다.전송 속도가 느릴수록 도착 속도가 낮아진다.

지구와 관련된 출발 속도가 없는c 1 mm/s의2 최소 목성 전달 시간은 간접 전달을 사용할 때 2년이다(솔라 스윙 바이).도착 속도(V∞)는 17km/s에 가깝다.토성의 경우, 최소 주행 시간은 3.3년으로 도착 속도는 거의 19km/s이다.[2]

외부 행성에 대한 최소 시간(ac = 1 mm/s2)
목성 토성 천왕성 해왕성
시간, yr 2.0 3.3 5.8 8.5
속도, km/s 17 19 20 20

오트 구름/태양의 내중력 초점

태양의 내부 중력 초점점은 태양으로부터 최소 550AU의 거리에 놓여 있으며, 태양을 지나게 되어 먼 물체로부터의 빛이 중력에 의해 집중되는 지점이다.따라서 이것은 태양 중력이 태양 반대편의 깊은 우주의 영역을 집중하게 하는 먼 지점이며, 따라서 매우 큰 망원경 목표 렌즈 역할을 효과적으로 수행할 수 있다.[22][23]

태양으로부터 0.05AU에서 출발하는 베릴륨으로 만들어진 팽창된 돛은 36.4m/s의2 초기 가속도를 얻고, 하루도 안되어 0.00264c(약 950km/s)의 속도에 도달하는 것이 제안되었다.태양에 대한 이러한 근접성은 고온에서 베릴륨의 구조적 저하, 고온에서 수소의 확산, 태양풍에서 베릴륨의 이온화에 의해 발생하는 정전기적 경사로 인해 단기적으로 비현실적인 것으로 판명될 수 있다.0.1AU의 개정된 심연으로 인해 앞서 언급한 온도 및 태양속 노출이 감소할 것이다.[24]그러한 돛 2년 반, 내부 오르트 구름 이상 30년 후에 도착과 함께 태양의 내부 중력 초점에 도달할 heliopause, 6년 반이 도달할 수 있다.임무를 도중에 중력 중심 기술을 탐구하며, 이미지 오르트 구름 개체 유용한 천체 물리학의 관찰을 수행할 수 있"[23]"Such.s 태양 기원이 아닌 은하계의 입자와 필드를 탐사하는 동안."

위성

로버트 L. 포워드는 태양 돛이 지구 위성의 궤도를 바꾸는 데 사용될 수 있다고 언급했다.그 한계에서, 돛은 지구의 한 극 위에 있는 위성을 "호버"하는 데 사용될 수 있다.태양 돛을 장착한 우주선도 태양이나 지구와 관련하여 정지해 있도록 가까운 궤도에 배치할 수 있는데, 이는 포워드 a "statite"라는 이름의 인공위성의 일종이다.이는 돛이 제공하는 추진력이 태양의 중력 흡인력을 상쇄하기 때문에 가능한 일이다.그러한 궤도는 오랜 시간 동안 태양의 성질을 연구하는 데 유용할 수 있다.[25]마찬가지로 태양열 돛이 장착된 우주선도 행성의 중력을 상쇄하는 데 필요한 각도로 돛을 기울임으로써 지구와 같은 행성의 극성 태양 종단기 위 거의 정거장에 머물 수 있었다.[25]

로버트 주브린은 저서 '화성을 위한 사례'에서 화성의 극지 종단기 근처에 위치한 커다란 스타타이트에서 반사된 햇빛은 화성의 대기를 상당히 따뜻하게 하기 위해 화성 극지방 만년설 중 하나에 집중될 수 있다고 지적한다.그러한 스타타이트는 소행성 물질로 만들어질 수 있다.

궤적 수정

수성 궤도를 선회하는 메신저 탐사선은 수성으로 가는 길에 미세한 궤도 수정을 수행하기 위해 태양 전지판에 광압을 이용했다.[26]태양에 상대적인 태양전지 판넬의 각도를 변화시킴으로써, 추진기로 우주선 궤적을 가능한 한 섬세하게 조정하기 위해 태양 복사 압력의 양을 변화시켰다.경미한 오류는 중력 보조 기동을 통해 크게 증폭되므로 방사선 압력을 사용하여 매우 작은 보정을 통해 많은 양의 추진제를 절약할 수 있다.

성간 비행

1970년대에 로버트 포워드는 거대한 돛을 빛의 속도의 상당 부분까지 밀어내기 위해 레이저나 마저 둘 중 하나를 사용하는 두 개의 빔 동력 추진 계획을 제안했다.[27]

공상 과학 소설 로체월드에서 포워드는 슈퍼 레이저에 의해 추진되는 가벼운 돛을 묘사했다.우주선이 목적지에 가까워지면, 돛의 바깥 부분이 분리될 것이다.그리고 나서 바깥 돛은 다시 초점을 맞추고 레이저를 더 작고 안쪽 돛에 반사시킨다.이것은 목적지 항성계에서 배를 멈추게 하기 위한 제동 추력을 제공할 것이다.

두 방법 모두 엄청난 공학적인 난제를 안고 있다.레이저들은 몇 년 동안 기가와트 강도로 계속 작동해야 할 것이다.이에 대한 포워드의 해결책은 수성이나 그 근처에 거대한 태양 전지판을 건설해야 한다.행성 크기의 거울이나 프레스넬 렌즈는 레이저가 돛에 집중되도록 하기 위해 태양으로부터 수십 천문단위 떨어진 곳에 위치해야 할 것이다.거대한 제동 돛은 브레이크 빔을 내부 "감속" 돛에 집중시키기 위해 정밀 거울 역할을 해야 할 것이다.

전자파 방사선의 조작이 가시광선의 조작보다 다소 용이하기 때문에 잠재적으로 쉬운 접근방식은 마서를 사용하여 돛을 향하게 하는 전자파의 파장과 동일한 간격을 가진 전선의 망사로 구성된 "솔라 돛"을 구동하는 것이다.가상의 "별그대" 항성간 프로브 디자인은[28][29] 그것을 밀어내기 위해 가시광선이 아닌 전자파를 사용할 것이다.마저는 긴 파장 때문에 광학 레이저보다 더 빠르게 퍼져나가고, 따라서 유효 범위가 그리 크지 않을 것이다.

마저는 또한 도색된 태양 돛에 동력을 공급하는데 사용될 수 있는데, 이것은 마이크로파 방사선에 부딪힐 때 증발하도록 설계된 화학 물질 층으로 코팅된 전통적인 돛이다.[30]이 증발에 의해 생성되는 운동량은 경량 보조 레이저 추진의 한 형태로서 태양 돛에 의해 생성되는 추력을 상당히 증가시킬 수 있다.

에너지를 먼 태양 돛에 더욱 집중시키기 위해, 포워드는 큰 구역 판으로 디자인된 렌즈를 제안했다.이것은 레이저나 마저와 우주선 사이의 위치에 놓일 것이다.[27]

또 다른 물리적으로 더 현실적인 접근법은 우주선을 가속시키기 위해 태양으로부터 오는 빛을 이용하는 것일 것이다.[31]그 배는 먼저 궤도에 떨어져서 태양에너지를 태양에 가깝게 통과시켰고, 돛에 입력된 태양에너지를 최대화시켰고, 그리고 나서 태양으로부터 오는 빛을 이용하여 시스템으로부터 멀어지기 시작했다.가속도는 대략 태양으로부터 거리의 역제곱만큼 떨어질 것이고, 어느 정도 거리를 벗어나면 배는 더 이상 그것을 현저하게 가속할 충분한 빛을 받지 못하지만, 최종 도달 속도를 유지할 것이다.목표 항성에 가까워지면 배는 돛을 자신 쪽으로 돌려 목적지 별의 외압을 이용하여 감속하기 시작할 수 있다.로켓은 태양 추진력을 증가시킬 수 있다.

다른 태양계의 생명체를 확장하기 위해 지시된 팬퍼미아에도 유사한 태양열 항해 발사 및 포획이 제안되었다.빛의 속도 0.05%는 10 kg의 페이로드(payload)를 운반하는 태양 돛을 통해 얻을 수 있으며, 0.1 µm 두께의 얇은 돛과 1평방 킬로미터의 크기의 유효 면적 밀도를 가진 얇은 태양 돛 차량을2 사용할 수 있다.대신, 1mm 캡슐 무리는 다양한 목표 환경에서 생명을 씨앗으로 만들기 위해 각각 1억 개의 극소성 미생물 1만 캡슐을 운반하는 42cm의 방사선으로 태양 돛에 발사될 수 있다.[32][33]

이론 연구는 태양 돛이 초신성을 이용한다면 상대론적 속도를 제안한다.[34]

인공위성 탈선

지구 궤도에서 나오는 작은 인공위성의 탈선 속도를 높이기 위해 소형 태양열 돛이 제안되었다.낮은 지구 궤도에 있는 위성은 돛의 태양 압력과 증가된 대기 항력을 결합하여 위성 재진입을 가속화할 수 있다.[35]크랜필드대에서 개발된 디오비트 돛은 2014년 발사된 영국 인공위성 테크데모사트-1의 일부분으로, 위성의 5년 내용연수가 끝나는 시점에 전개될 것으로 보인다.이 돛의 목적은 약 25년의 기간에 걸쳐 위성을 궤도에서 벗어나게 하는 것이다.[36]2015년 7월 영국 3U 큐브샛(DeorbitSail)이라는 이름의 디오빗사일(DeorbitSail)이 16m의2 데오비트 구조를 테스트할 목적으로 우주로 발사됐으나 결국 실전배치는 실패했다.[37][38]또한 PW-Sat2라고 불리는 학생 2U CubeSat 미션도 2017년에 출시될 예정인데, 이 미션은 4m의2 더비트 돛을 테스트할 것이다.[39]2017년 6월, 두 번째 영국 3U 큐브사일이라는 이름의 영국 3U 큐브사트가 고도 500km(310mi)에 10m의2 데어비트 돛을 전개했다.[40]2017년 6월 스페이스마인드가 개발한 디오브팅 시스템 아르티카를 테스트하기 위해 3U 큐브캣 URSAMAIOR가 지구 저궤도로 발사됐다.[41]정육면체의 0.4 U만 차지하는 장치는 2.1 m의2 돛을 전개하여 운용 수명이 끝날 때 위성을 디버팅해야 한다.[42]

돛 구성

나사는 반 킬로 미터 길이의 태양 돛에 불이 켜지지 않은 면을 묘사하고 있는데, 돛을 뻗고 있는 줄타기를 보여준다.
코스모스 1형 우주선을 궤도에서 그린 예술가의 묘사

2010년에 출시된 IKAROS는 최초의 실용형 태양열 범선이었다.2015년 현재도 추진 중이어서 장기간 임무를 위한 태양열 돛의 실용성을 입증했다.[43]그것은 네모난 돛의 모서리에 팁 매스를 가지고 회전 배치된다.돛은 얇은 폴리이미드 필름으로 만들어졌고, 증발된 알루미늄으로 코팅되었다.그것은 전기 제어 액정 패널로 조향한다.돛이 천천히 회전하고, 이 패널들은 차량의 자세를 조절하기 위해 켜졌다 꺼졌다 한다.켜지면 빛을 분산시켜 돛의 그 부분으로 모멘텀 전달을 감소시킨다.출항하면 돛이 더 빛을 반사해 더 많은 추진력을 전달한다.그런 식으로 그들은 돛을 돌린다.[44]얇은 필름 태양 전지 또한 돛에 통합되어 우주선에 동력을 공급한다.대형 돛에 선호되는 스핀 전개는 돛을 펼 수 있는 메커니즘을 단순화시켰고 LCD 패널에는 움직이는 부품이 없기 때문에 설계는 매우 신뢰할 수 있다.

낙하산은 질량이 매우 낮지만, 낙하산은 태양열 항해에 사용할 수 있는 구성이 아니다.분석 결과 방사선 압력은 공기역학적 압력처럼 작용하지 않고 낙하산을 열어두는 작용도 하지 않기 때문에 낙하산 구성이 쉬라우드 라인에 의해 가해지는 힘에서 붕괴될 수 있다는 것을 알 수 있다.[45]

지상으로 조립되는 전개 가능한 구조물에 대한 가장 높은 추력 대 질량 설계는 돛대의 어두운 면에 돛대와 가이 라인이 있는 사각 돛이다.보통 돛대의 모서리를 넓게 펴는 네 개의 돛대가 있고, 중앙에 마스트가 있어 가이웨어를 잡아준다.가장 큰 장점 중 하나는 고정에 주름이나 백킹으로 인한 핫스팟이 없고 돛이 태양으로부터 구조물을 보호한다는 점이다.따라서 이 형태는 최대 추력을 얻기 위해 태양에 가까이 갈 수 있다.대부분의 디자인은 작은 움직이는 돛으로 첨탑의 끝부분을 조종한다.[46]

Sail-design-types.gif

1970년대에 JPL은 핼리혜성과 랑데부하는 임무를 위해 많은 회전날개와 링 돛을 연구했다.각운동량을 이용해 구조물을 뻣뻣하게 보강해 줄 필요를 없애고 질량을 절약하자는 취지였다.모든 경우에서 동적 하중을 처리하기 위해 놀랄 만큼 많은 양의 인장 강도가 필요했다.돛이 약하면 돛의 자세가 바뀌면 물결이 일거나 흔들릴 수 있고, 진동으로 인해 구조적인 고장이 발생할 수 있다.실용 설계 간의 추력 대 질량 비율의 차이는 거의 0에 가까웠고, 정적 설계는 제어하기가 더 쉬웠다.[46]

JPL의 기준 설계는 "헬리오지아로"라고 불렸다.롤러에서 플라스틱 필름 날이 전개되었고 회전하면서 원심력으로 지탱되었다.우주선의 태도와 방향은 헬리콥터의 주기적·집단적 피치와 유사하게 다양한 방법으로 날개의 각도를 바꾸어 완전히 제어하도록 되어 있었다.사각형 돛에 비해 질량적 이점은 없었지만, 스트럿 기반의 디자인보다 돛을 전개하는 방식이 단순해 매력적으로 남았다.[46]큐브세일(UltraSail)은 헬리오이로 돛을 전개하는 것을 목표로 하는 활발한 프로젝트다.

헬리오이로 디자인은 헬리콥터의 날개와 비슷하다.경량 원심 뻣뻣한 돛 때문에 제작이 더 빠르다.또한, 칼날이 가볍고 길기 때문에 비용과 속도 면에서 매우 효율적이다.사각형이나 회전식 디스크 설계와 달리 헬리오이로가 날개가 릴에 압축돼 있어 배치가 용이하다.우주선에서 발사된 후 전개할 때 날개가 굴러 나온다.헬리오이로가 우주를 여행할 때 원심 가속도 때문에 시스템이 회전한다.마지막으로, 우주 비행을 위한 탑재물을 무게중심에 배치하여 무게의 분포를 균등하게 하여 안정적인 비행을 보장한다.[46]

JPL은 또한 회전하는 우주선의 가장자리에 부착된 패널인 "링 돛"(위 다이어그램에서 회전하는 디스크 돛)을 조사했다.그 패널들은 전체 면적의 약 1에서 5퍼센트에 해당하는 약간의 간격을 둘 것이다.선들은 한 돛의 가장자리를 다른 돛에 연결시킬 것이다.이들 선의 중간 중량의 질량은 방사선 압력에 의해 야기된 원추에 대해 돛을 팽팽하게 당길 수 있다.JPL 연구원들은 이것이 대형 승무원 구조물에 매력적인 돛 디자인이 될 수 있다고 말했다.특히 내부 고리는 화성 표면의 중력과 거의 동일한 인공 중력을 갖도록 만들어질 수 있다.[46]

태양열 돛은 고게인 안테나로서 이중 기능을 할 수 있다.[47]디자인은 다르지만 대부분은 금속화 패턴을 수정하여 가시광선을 포함한 관심 무선 주파수에서 홀로그램 단색 렌즈나 거울을 만든다.[47]

전기태양풍 돛

주요 기사:전기 돛

FMI의 Peka Janhunen은 전기 태양풍 돛이라고 불리는 태양 돛의 유형을 제안했다.[48]기계적으로 그것은 전통적인 태양열 돛 디자인과 거의 공통점이 없다.돛은 주선 주위에 방사형으로 배치된 직선 전도 테더(와이어)로 대체된다.전선은 전기로 충전되어 전선에 전기장을 형성한다.전기장은 주변의 태양풍 플라즈마 속으로 수십 미터 뻗어 있다.태양 전자는 전기장(전통적인 태양 돛의 광자처럼)에 의해 반사된다.돛의 반지름은 실제 전선 자체보다는 전기장에서 나온 것이어서 돛을 가볍게 한다.또한 전선의 전하를 조절하여 조향할 수 있다.실용적인 전기 돛은 각각 약 20 km 길이의 50–100 직선 와이어를 가질 것이다.[49]

전기태양풍 돛은 정전기장과 돛의 자세를 조정할 수 있다.

자기 돛

주요기사 : 자기 돛

자기 돛은 또한 태양 바람을 이용할 것이다.그러나 자기장은 바람에 전하를 띤 입자를 비껴간다.와이어 루프를 사용하며, 정전기 대신 정전기 전류를 흐른다.[50]

비록 메커니즘은 다르지만, 이 모든 설계는 동작한다.

자기 돛은 태양 바람에 실려 있는 양자의 길을 구부린다.돛의 태도와 자기장의 크기를 변화시킴으로써 추력의 양과 방향을 변화시킬 수 있다.

돛만들기

태양열 돛 건설을 위한 제안 재료 - 탄소 섬유.

자재

현재 디자인에서 가장 일반적인 소재는 알루미늄으로 도금된 2µm 카프톤 필름과 같은 폴리머(플라스틱) 시트의 얇은 알루미늄 코팅 층이다.폴리머는 유연성은 물론 기계적 지지까지 제공하는 반면 얇은 금속층은 반사율을 제공한다.그러한 물질은 태양에 가까운 고갯길의 열에 저항하며 여전히 상당히 강한 상태를 유지하고 있다.알루미늄 반사 필름은 태양 쪽에 있다.코스모스 1호의 돛은 알루미늄으로 된 PET 필름(Mylar)으로 만들어졌다.

에릭 드렉슬러는 중합체를 제거하는 돛의 개념을 개발했다.[51]그는 매우 높은 추진력과 질량의 태양 돛을 제안했고, 돛 재료의 프로토타입을 만들었다.그의 돛은 인장 구조물에 의해 지탱되는 얇은 알루미늄 필름 패널(30~100나노미터 두께)을 사용할 것이다.돛은 회전할 것이고 계속 추진력을 받아야 할 것이다.그는 실험실에서 필름 샘플을 만들어 처리했지만, 소재가 너무 정교해 접이식, 발사식, 전개식 등에서 살아남지 못했다.이 설계는 필름 패널을 전개 가능한 장력 구조로 결합하여 공간 기반의 제작에 의존할 계획이었다.이 등급의 돛은 단위 질량 당 높은 면적을 제공하며, 따라서 전개 가능한 플라스틱 필름에 기초한 설계보다 최대 "50배 더 높은" 가속도를 제공한다.[51]드렉슬러 태양 항해를 위해 개발된 물질은 기준 두께 0.1 µm의 얇은 알루미늄 필름으로, 우주 기반 시스템의 증기 증착에 의해 제조된다.드렉슬러는 비슷한 과정을 통해 그라운드에서 필름을 준비했다.예상대로, 이러한 필름들은 실험실에서 취급하고 우주에서 사용하기 위한 적절한 강도와 강건성을 보여주었지만 접기, 발사 및 전개에는 적합하지 않았다.

1998–1999년 NASA 첨단 개념 연구소의 자금 지원을 받은 제프리 랜디스의 연구는 레이저 광선 난간용 알루미나, 마이크로파 밀림 광선 난간용 탄소 섬유와 같은 다양한 재료가 기존의 표준 알루미늄이나 카프턴 필름보다 우수한 돛 소재라는 것을 보여주었다.[52]

2000년에 에너지 과학 연구소는 태양 돛에 유용할 수 있는 새로운 탄소 섬유 물질을 개발했다.[53][54]소재는 기존 솔라 돛 디자인보다 200배 이상 두껍지만 다공성이 강해 질량은 같다.이 재료의 강성과 내구성은 플라스틱 필름보다 훨씬 견고한 태양 돛을 만들 수 있다.이 물질은 자가 전개될 수 있으며 더 높은 온도에 견딜 수 있어야 한다.

그 짜임새 "공간"이 돛에 충돌하는 빛의 파장의 절반도 안 되는 나노튜브 메쉬 웨브에 기초하여 분자 제조 기술을 사용하여 진보되고, 강하고, 초경량 돛 재료를 만드는 것에 대한 이론적인 추측이 있어 왔다.그러한 재료는 지금까지 실험실 조건에서만 생산되었고 산업 규모에서 그러한 재료를 제조하는 방법은 아직 사용할 수 없지만,[55] 그러한 재료는 0.1 g/m2 미만의 질량을 가질 수 있어 적어도 30배 이상의 현재 돛 재료보다 가벼울 수 있다.비교를 위해 5마이크로미터 두께의 Mylar 돛 재료 질량 7g/m2, 알루미늄으로 처리된 Kapton 필름의 질량은 12g/m2,[46] 에너지 과학 연구소의 새로운 탄소 섬유 물질 질량 3g/m이다2.[53]

가장 밀도가 낮은 금속은 리튬으로 알루미늄보다 5배 정도 밀도가 낮다.신선하고 산화되지 않은 표면은 반사된다.20nm 두께에서 리튬은 면적 밀도가 0.011g/m이다2.고성능 돛은 20nm(배출층 없음)에서만 리튬으로 만들 수 있었다.그것은 우주에서 날조되어야 하며 태양에 접근하는 데 사용되어서는 안 될 것이다.한도에서, 돛 비행선은 약 0.02 g/m의 면적 밀도로2 제작될 수 있으며, 경도 번호는 67이고 경도c 번호는 약 400 mm/s이다2.마그네슘과 베릴륨도 고성능 돛의 잠재적 재료다.이 3가지 금속은 서로 합금할 수 있고 알루미늄으로 합금할 수 있다.[2]

반사층 및 방출층

알루미늄은 반사층을 위한 일반적인 선택이다.일반적으로 최소 20nm의 두께를 가지며, 반사율은 0.88~0.90이다.크롬은 태양으로부터 멀리 떨어진 얼굴의 방출층에 좋은 선택이다.플라스틱 필름의 5~20nm 두께에 대해 0.63~0.73의 방출도 값을 쉽게 제공할 수 있다.사용 가능한 방출도 값은 박막 효과가 지배적이기 때문에 경험적이다. 이러한 경우 대량 방출도 값은 물질 두께가 방출된 파장보다 훨씬 얇기 때문에 이를 지탱하지 못한다.[56]

제작

돛은 긴 테이블에서 리본을 떼고 결합하여 돛을 만드는 것이다.돛 재료는 우주선을 궤도로 운반하기 위해 셔틀을 사용해야 하기 때문에 가능한 적은 무게를 가질 필요가 있었다.따라서, 이 돛들은 우주에서 포장을 하고 발사되고 펴지지 않는다.[57]

앞으로 돛을 받치고 있는 큰 틀 안에서 궤도에서 제작이 이뤄질 수 있다.이것은 대량 돛을 낮추고 배치 실패의 위험을 제거하게 될 것이다.

운영

태양 돛은 돛의 각도를 설정하여 안이나 바깥쪽으로 소용돌이칠 수 있다.

궤도 변경

항행운항은 행성간 궤도에서 가장 단순하며, 여기서 고도는 낮은 속도로 변경된다.바깥으로 향하는 궤도의 경우, 돛의 힘 벡터는 태양선 전방으로 향하며, 이는 궤도 에너지와 각운동량을 증가시켜, 우주선이 태양으로부터 더 멀리 이동하게 된다.내부 궤도의 경우, 돛 힘 벡터는 태양선 뒤쪽으로 향하는데, 이는 궤도 에너지와 각운동량을 감소시켜 우주선이 태양을 향해 이동하는 결과를 초래한다.태양의 중력만이 그 우주선을 태양 쪽으로 끌어당긴다는 것을 주목할 필요가 있다. 바람 쪽으로 가는 돛단배와 유사한 것은 없다.궤도경사를 변경하기 위해 힘 벡터는 속도 벡터의 평면 밖으로 나간다.

행성이나 다른 물체 주위의 궤도에서 돛은 방향성을 지녀서 그것의 힘 벡터가 속도 벡터를 따라 구성 요소를 가지도록 하는데, 그것은 바깥쪽 나선형의 움직임 방향 또는 안쪽으로 나선형의 움직임 방향에 반한다.

궤적 최적화는 종종 추력을 줄이거나 제로 스러스트의 간격을 요구할 수 있다.이것은 추력을 감소시키거나 제거하기 위해 적절한 각도로 돛을 세운 상태에서 태양선 주위로 비행선을 굴리면 얻을 수 있다.[2]

스윙바이 기동

가까운 태양열 통로는 우주선의 에너지를 증가시키는 데 사용될 수 있다.증가된 방사선 압력은 태양의 중력 깊숙한 곳에 있는 효과와 결합되어 외부 태양계로의 주행을 위한 에너지를 실질적으로 증가시킨다.태양에 대한 최적의 접근은 에너지 수준을 실용적으로 높게 유지하면서 궤도 이심률을 증가시킴으로써 이루어진다.최소 접근 거리는 돛 각도, 돛 및 다른 구조물의 열적 특성, 구조물에 대한 하중 영향 및 돛 광학적 특성(반사도와 방출도)의 기능이다.가까운 통로는 상당한 광학 저하를 초래할 수 있다.필요한 회전율은 가까운 통로를 위해 상당히 증가할 수 있다.항성에 도착하는 돛단배는 가까운 통로를 이용해 에너지를 줄일 수 있는데, 이는 태양계 외부로부터 돌아오는 돛단배에도 적용된다.

달 그네타기는 지구에서 출발하거나 지구에 도착하는 궤도에 중요한 이익을 줄 수 있다.이것은 특히 돛이 많이 적재된 경우, 여행 시간을 줄일 수 있다.스윙바이(swing-by)는 지구에 비해 유리한 출발 또는 도착 방향을 얻는 데도 사용될 수 있다.

행성 스윙바이(swing-by)도 코스트 우주선에서 수행되는 것과 유사하게 사용될 수 있지만, 궤적의 전반적인 최적화에 대한 요구 사항 때문에 양호한 정렬이 존재하지 않을 수 있다.[58]

다음 표에는 물리학자 Robert L이 제안한 비밍 레이저 추진력을 사용한 몇 가지 예시 개념이 나열되어 있다. 전달:[59]

미션 레이저 파워 차량 질량 가속 돛 지름 최대 속도(빛 속도의 %)
1. 플라이비 – 알파 센타우리, 40년
아웃바운드 단계 65 GW 1 t 0.036 g 3.6km 11% @ 0.17 ly
2. 랑데부 – 알파 센타우리, 41년
아웃바운드 단계 7,200 GW 785 t 0.005 g 100km 21% @ 4.29 ly
감속 단계 26,000 GW 71 t 0.2g 30km 21% @ 4.29 ly
3. 승무원 – 에리다니, 51년 (별자리 탐사 5년 포함)
아웃바운드 단계 75,000,000 GW 78,500 t 0.3g 1000km 50% @ 0.4 ly
감속 단계 2150만 GW 7,152 t 0.3g 320km 50% @ 10.4 ly
무대 복귀 71만 GW 785 t 0.3g 100km 50% @ 10.4 ly
감속 단계 6만 GW 785 t 0.3g 100km 50% @ 0.4 ly

포토그라비테이셔널 어시스트를 사용하여 완전히 정지할 수 있는 성간 여행 카탈로그.

이름 이동시간
(yr)		 거리
(ly)		 루미도
(L☉)
시리우스 A 68.90 8.58 24.20
α 센타우리 A 101.25 4.36 1.52
α 센타우리 B 147.58 4.36 0.50
프로시온 A 154.06 11.44 6.94
베가 167.39 25.02 50.05
알테어 176.67 16.69 10.70
포말하우트 A 221.33 25.13 16.67
데네볼라 325.56 35.78 14.66
캐스터 A 341.35 50.98 49.85
에리다니 엡실론 363.35 10.50 0.50
  • α Cen A와 B의 연속적인 도움은 두 별 모두 이동 시간을 75 yr까지 허용할 수 있다.
  • 라이트세일은 명목상의 그래핀급 돛에 대해 8.6×10m의−4−2 공칭 질량 대 표면비( rationom)를 가진다.
  • 광선의 면적, 약 10m52 = (316m)2
  • 최대 37,300kms−1(12.5% c)의 속도

. 참조:[60]

프로젝트 운영 또는 완료

자세(방향) 제어

수성과 금성 행성을 비행한 메리너 10호 임무와 수성에 파견된 메신저 임무 모두 태도조절 추진체를 보존하기 위한 자세제어 방법으로 태양압의 사용을 시연했다.

하야부사는 또한 고장난 반응 바퀴와 화학 추진기를 보상하기 위한 자세 제어 방법으로 태양열 패들에 태양 압력을 사용했다.

MTSAT-1R(다기능수송위성)의 태양열 돛은 태양열에서 태양열 압력에 의해 생성되는 토크를 상쇄한다.태양열 어레이의 트림 탭은 토크 밸런스를 약간 조정한다.

지상 배치 테스트

NASA는 진공실의 소형 돛에 배치 기술을 성공적으로 시험했다.[61]

1993년 2월 4일, 러시아 미르 우주정거장에서 20미터 넓이의 알루미늄-밀라 반사체인 즈나미야 2호가 성공적으로 배치되었다.실전배치는 성공했지만 추진력은 입증되지 않았다.두 번째 시험인 즈나미야 2.5는 제대로 전개되지 못했다.

1999년 쾰른의 DLR/ESA에서 태양열 돛의 전면적인 전개 테스트를 실시했다.[62]

아보르바이탈 테스트

2001년 플래니터리 소사이어티와 코스모스 스튜디오, 러시아 과학아카데미가 공동으로 실시한 민간 프로젝트에서는 로켓 고장으로 인해 실패한 아원체 시제품 실험이 이루어졌다.

2006년 2월 21일 M-V 로켓에 ASTRO-F와 함께 직경 15m의 태양 돛(SSP, 솔라세우 서브 페이로드, 소라세루 사부페이로도)이 발사되어 궤도에 올랐다.그것은 무대 위에서 전개되었지만 불완전하게 개방되었다.[63]

2004년 8월 9일, 일본 ISAS는 소리 나는 로켓에서 두 개의 태양 돛을 성공적으로 배치했다.122km 고도에 클로버 모양의 돛을, 169km 고도에 부채 모양의 돛을 배치했다.두 돛 모두 7.5마이크로미터 필름을 사용했다.그 실험은 추진이 아닌 순수하게 배치 메커니즘을 시험했다.[64]

아이카로스 2010

주요기사 : IKAROS
2010년 제61회 국제우주비행대회 IKAROS 모델

2010년 5월 21일, 일본항공우주탐사국(JAXA)은 세계 최초의 행성간 태양열 돛 우주선 'IKAROS'(태양의 방사선에 의해 가속된 행성간 연-선박)를 금성에 발사했다.[65]새로운 태양 광선 추진법을 사용하여,[66] 태양에 의해 완전히 추진되는 최초의 진정한 태양 돛 우주선이었고,[67][68] 태양 돛 비행에 성공한 최초의 우주선이었다.[69]

JAXA는 2010년에 IKAROS를 성공적으로 테스트했다.그 목표는 돛을 전개하고 제어하는 것이었고, 처음으로, 가벼운 압력에 의해 야기되는 미세한 궤도 동요를 결정하는 것이었다.궤도 결정은 근처의 AKATUSKI 탐사선에 의해 이루어졌는데, 이 탐사선은 IKAROS가 둘 다 금성으로 이송 궤도에 진입한 후에 분리되었다.6개월 동안의 비행 총효과는 100m/s이었다.[70]

2010년까지 태양열 돛이 우주에서 일차 추진 시스템으로 성공적으로 사용되지 않았다.2010년 5월 21일 일본항공우주탐사국(JAXA)은 6월 10일 200m의2 폴리이미드 실험용 태양 항해를 전개한 IKAROS 우주선을 발사했다.[71][72][73]7월, 방사선에 의한 가속 시연을 위한 다음 단계가 시작되었다.2010년 7월 9일, 도플러 이전부터 취해온 IKAROS와 지구 사이의 IKAROS의 상대화 가속속도 데이터 외에 새롭게 계산된 사거리·범위율(RAR)에 의한 IKAROS의 궤도 결정에 의해, IKAROS가 태양으로부터 방사선을 수집하고 광자 가속을 시작한 것이 확인되었다.효과를 활용했다.[74]이 자료는 IKAROS가 이 돛을 배치한 6월 3일 이후 태양열 측정에 나선 것으로 보인다는 것을 보여주었다.

IKAROS는 7.5마이크로미터(0.0075mm) 두께의 폴리이미드 시트로 만들어진 대각선 회전 사각 돛 14×14m(196m2)를 가지고 있다.폴리이미드 시트의 질량은 평방미터당 약 10그램이었다.그 돛에는 박막형 태양열 어레이가 내장되어 있다.8개의 LCD 패널이 돛에 내장되어 있으며, 이 패널은 자세 제어를 위해 반사율을 조정할 수 있다.[75][76]IKAROS는 금성을 여행하는 데 6개월을 보냈고, 그리고 나서 태양 저편으로 3년 간의 여행을 시작했다.[77]

나노세일-D 2010

주요 기사:나노세일-D2
실험용 태양열 돛의 사진, 나노세일-D.

NASA 마셜 우주비행센터(Marshall) 팀은 NASA 아메스 연구센터 소속 팀과 함께 2008년 8월 3일 팰컨 1 로켓에서 발사 실패로 유실된 '나노세일-D'라는 태양열 임무를 개발했다.[78][79]단순히 나노세일-D라고도 불리는 두 번째 백업 버전인 NanoSail-D2는 2010년 11월 19일 미노타우루스 4호에 FASTSAT와 함께 발사되어, 낮은 지구 궤도에 배치된 NASA의 첫 번째 태양 항해가 되었다.[80]이번 임무의 목적은 돛 배치 기술을 시험하고, 죽은 인공위성과 우주 파편을 제거하는 단순하고 "수동적인" 수단으로서 태양 돛의 사용에 관한 데이터를 수집하는 것이었다.[81]NanoSail-D 구조는 알루미늄과 플라스틱으로 만들어졌으며 우주선은 10파운드(4.5kg) 미만으로 질량을 유지했다.돛의 표면은 약 100평방피트(9.3m2)이다.초기 전개에 약간의 문제가 있은 후, 태양 돛이 배치되었고 240일 동안의 임무 동안, 태양 돛을 수동적인 디오비트 장치로 사용하는 것에 관한 "데이터의 풍부함"을 생산한 것으로 보도되었다.[82]

NASA는 2010년 11월 19일 미노타우르 4호의 FASTSAT 위성 내부에 보관된 두 번째 나노세일-D 부대를 발사했다.FASTSAT 마이크로 위성으로부터의 방출일은 2010년 12월 6일로 계획되었지만, 배치는 2011년 1월 20일에야 이루어졌다.[83]

행성 협회 라이트세일 프로젝트

주요 기사:라이트세일

2005년 6월 21일, 행성학회, 코스모스 스튜디오, 러시아 과학아카데미 공동 민간 프로젝트에서 바렌츠 해의 잠수함에서 코스모스 1호 원형을 발사하였으나 볼나 로켓이 실패하여 우주선이 궤도에 오르지 못했다.그들은 이 돛을 이용해 우주선을 한 달이라는 임무 기간에 걸쳐 점차적으로 더 높은 지구 궤도로 끌어올리려고 했다.루이 프리드먼에 따르면 이번 발사 시도는 대중의 관심을 불러일으켰다고 한다.[84]코스모스 1호의 발사 시도가 실패했음에도 불구하고 행성학회는 우주계로부터 그들의 노력에 박수를 받았고 태양열 기술에 대한 관심을 다시 불러일으켰다.

Carl Sagan의 75번째 생일(2009년 11월 9일)에, 행성 협회는 LightSail-1, -2, -3으로 불리는 세 번의 시도를 더 시도할 계획을[85] 발표했다.[86]새로운 디자인은 NanoSail-D와 같은 4개의 삼각형 세그먼트에 배치되는 32 m Mylar2 돛을 사용할 것이다.[86]발사 구성은 3U 큐브Sat 형식이며, 2015년 현재 1차 스페이스X 팰컨 헤비 발사 때 2016년 발사를 위한 2차 탑재로 예정되어 있다.[87]

"LightSail-1"은 2015년 5월 20일에 출시되었다.[88]테스트의 목적은 LightSail-2에 앞서 위성의 시스템을 완전히 점검할 수 있도록 하는 것이었다.그것의 배치 궤도는 지구의 대기 항해를 벗어나 진정한 태양 항해를 보여줄 만큼 충분히 높지 않았다.

"LightSail-2"는 2019년 6월 25일에 발사되어 훨씬 더 높은 낮은 지구 궤도에 배치되었다.그것의 태양열 돛은 2019년 7월 23일에 배치되었다.[89]

개발 중이거나 제안된 프로젝트

코스모스 1호와 나노세일-D(발사기 고장으로 인한 것)의 손실에도 불구하고 전 세계 과학자들과 기술자들은 여전히 용기를 잃지 않고 태양열 돛에 대한 작업을 계속하고 있다.지금까지 만들어진 대부분의 직접 애플리케이션은 돛을 저렴한 화물 운송 수단으로 사용하려고 하는 반면, 일부 과학자들은 태양 돛을 인간 운송 수단으로 사용할 가능성을 조사하고 있다.이 목표는 우주에서 매우 큰 표면(즉, 1km2 이상)의 관리와 돛이 전진하는 것과 매우 관련이 있다.승무원 우주 비행을 위한 태양열 돛의 개발은 아직 초기 단계에 있다.

선잠머 2015

주요 기사:선잠머(우주선)

선잠머라고 불리는 기술 시연 돛 공예는 항해 기술의 생존성과 가치를 증명할 목적으로 개발되었다.[90]선잠머는 양쪽에 124피트(38m) 폭의 사각형 돛(총 면적 13,000평방피트 또는 1,208평방미터)을 가지고 있었다.그것은 지구로부터 90만 마일(150만 km) 떨어진 태양-지구 L1 라그랑지안 지점에서 186만4114 마일(300만 km)의 거리로 이동했을 것이다.[91]이 시위는 2015년 1월 팰컨 9에서 시작될 것으로 예상됐다.[92]L1 지점에 DSCOVR 기후 위성을 배치한 후 방출되는 2차 탑재량이었을 것이다.[92]계약업체 엘가르드의 납품 능력에 대한 신뢰 부족을 이유로 2014년 10월 임무가 취소됐다.[93]

고사머 데빗 돛

유럽우주국(ESA)은 2013년 12월 현재 지구 저궤도에서 700kg(1,500lb) 미만의 소형 인공위성의 탈부착을 가속화하는 데 사용할 수 있는 '고사머(Gossamer)'라는 이름의 디어비트 돛을 제안하고 있다.발사 질량은 2kg(4.4lb)으로 발사 용량은 15×15×25cm(0.49×0.49×0.82ft)에 불과하다.일단 돛이 전개되면, 돛은 가로 5미터(16피트 x 세로 16피트)까지 확장될 것이고, 위성 재진입을 가속화하기 위해 돛의 태양압과 증가된 대기 항력의 조합을 사용할 것이다.[35]

NEA 스카우트

NEA 스카우트 개념: 통제 가능한 큐브사트 태양열 우주선
주요 기사:근지구 소행성 정찰대

근지구 소행성 스카우트(NEA 스카우트)는 NASA의 마셜 우주비행센터(MSFC)와 제트추진연구소(JPL)가 공동으로 개발 중인 임무로, 지구 근지구 소행성(NEA)[94]과 맞닥뜨릴 수 있는 저비용 큐브사트 태양열 우주선으로 구성된다.4개의 7m(23ft)의 붐이 전개되어 83m2(890sqft) 알루미늄으로 된 폴리이미드 태양 돛을 펼치게 된다.[95][96][97]2015년, NASA는 NEA 스카우트를 중력 상승 SLS 발사체의 첫 비행편인 Artemis 1에 탑재된 여러 2차 탑재물 중 하나로 선정했다고 발표했다.[98]

오케아노스

주요기사 : OKEANOS

OKEANOS(외부 태양계 탐사 및 우주 비행을 위한 아웃사이즈 연선)는 일본 JAXA가 목성의 트로이 목성의 트로이 소행성들에게 추진용 하이브리드 태양 돛을 이용한 임무 개념으로, 이온 엔진에 동력을 공급하기 위해 얇은 태양 전지판으로 돛을 덮었을 것이다.수집된 샘플의 현장 분석은 직접 접촉하거나 고해상도 질량 분광계를 운반하는 착륙선을 사용하여 수행되었을 것이다.착륙선과 지구로의 샘플 복귀는 연구중인 선택사항이었다.[99]OKEANOS 목성 트로이 소행성 탐사선은 2020년대 후반에 발사될 일본의 ISAS 제2차 대규모 임무의 최종 후보였다.그러나 선택되지 않았다.

돌파 스타샷

주요 기사: 돌파 스타샷

2016년 4월 12일 발표된 잘 자금 지원을 받은 돌파 스타샷 프로젝트는 지상 레이저로 추진되는 소형 카메라를 탑재한 1000대의 경 돛 나노크래프트를 개발해 빛의 20% 속도로 알파 센타우리에 보내는 것을 목표로 하고 있다.[100][101][102]그 여행은 20년이 걸릴 것이다.

솔라 크루저

주요 기사:솔라 크루저

2019년 8월, NASA는 솔라 크루저 팀에 9개월간의 임무 개념 연구에 대해 40만 달러를 수여했다.이 우주선은 1,672m2(18,000평방피트)의 태양 돛을 가지고 있고 극궤도에서 태양을 공전할 수 있는 반면, 코로나그래프 기구는 태양의 자기장 구조와 코로나 질량 유출 속도를 동시에 측정할 수 있게 된다.[103]개발 대상으로 선정되면 2024년 출시될 예정이다.[103]

대중문화에서

코드와이너 스미스는 1960년 4월에 처음 출판된 "영혼을 항해한 여인"에서 태양열로 움직이는 우주선에 대한 설명을 한다.

잭 밴스는 1961년에 출판된 "사일 25"에서 태양열로 움직이는 우주선에서 훈련 임무에 대한 짧은 이야기를 썼다.

아서 C. 클라크와 폴 앤더슨(Winston P. Sanders로 작사)은 1964년에 태양 돛을 특징으로 하는 이야기를 독립적으로 출판했는데, 두 이야기 모두 "Sunjammer"이다.클라크는 자신의 이야기 "태양에서 불어오는 바람"이 다시 인쇄되었을 때 혼란을 피하기 위해 다시 썼다.[104]

래리 니븐과 제리 푸넬의 1974년 소설 '신의 눈 속의 모테'에서 외계인은 레이저로 추진한 탐사선이 인간 공간에 진입했을 때 발견된다.

스타트랙: 딥 스페이스 나인 에피소드 "탐험가"에서도 비슷한 기술이 주제였다.이 에피소드에서 라이트쉽은 바조란 태양에서 나오는 빛과 우주로 나아가기 위해 특별히 제작된 돛을 사용하여 태양계를 넘어 여행하기 위해 바조란인들이 사용한 고대 기술로 묘사된다(Lightships, Lightships)"Explorers". Star Trek: Deep Space Nine. Season 3. Episode 22.).[105][non-primary source needed]

2002년 스타워즈 영화 '클론의 습격'에서는 주인공 두쿠 백작이 태양 돛이 달린 우주선을 이용하는 모습이 그려졌다.[106]

참고 항목

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