بادبان خورشیدی با فشار تابشی

مدیران انجمن: javad123javad, parse

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: roham hesami

محل اقامت: Tehran -Qeytariyeh, Ketabi Street, 8 meters from Saba

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 732

سپاس: 434

جنسیت:

تماس:

بادبان خورشیدی با فشار تابشی

پست توسط rohamjpl »

فشار تشعشع ، فشار روی سطح حاصل از تشعشع الکترومغناطیسی است که به آن وارد می شود ، که ناشی از حرکت حاصله توسط آن تابش است. در صورت انعکاس تابش به جای جذب ، فشار تابش دو برابر می شود. فشار تابش حقایق فوری.فشار تابش الکترومغناطیسی. فشار تشعشع ، فشار روی سطح حاصل از تشعشع الکترومغناطیسی است که به آن وارد می شود ، که ناشی از حرکت حاصله توسط آن تابش است. در صورت انعکاس تابش به جای جذب ، فشار تابش دو برابر می شود. فشار تابش حقایق فوری. تابش الکترومغناطیسی. فشار.- فشار تابش ، فشار مکانیکی است که به دلیل تبادل حرکت بین جسم و میدان الکترومغناطیسی روی هر سطحی اعمال می شود. این شامل حرکت نور یا تابش الکترومغناطیسی هر طول موجی است که توسط ماده در هر مقیاس (از اجسام ماکروسکوپی گرفته تا ذرات گرد و غبار گرفته تا مولکولهای گاز) جذب ، بازتاب شده یا در غیر این صورت ساطع می شود نیروهای تولید شده توسط فشار تابش معمولاً بسیار ناچیز هستند ,وطبق نظریه الکترومغناطیس ماکسول ، یک موج الکترومغناطیسی حرکتی را تحمل می کند ، که به یک سطح مات که برخورد می کند منتقل می شود${\displaystyle P_{\text{incident}}={\frac {\langle S\rangle }{c}}={\frac {I_{f}}{c}}}$
رابطه فشار تابش و چگالی انرژی یک موج الکترومغناطیسی را توصیف کنید
توضیح دهید که چگونه فشار تابش نور ، اگرچه کم است ، می تواند اثرات نجومی قابل مشاهده ای ایجاد کند
اجسام مادی از ذرات باردار تشکیل شده است. موج الکترومغناطیسی که بر روی جسم رخ می دهد ، مطابق با نیروی لورنتس ، بر ذرات باردار نیرو وارد می کند. همانطور که در بخش قبلی بحث شد ، این نیروها بر روی ذرات جسم کار می کنند و انرژی آن را افزایش می دهند. انرژی که نور خورشید به همراه دارد بخشی آشنا در هر روز آفتابی گرم است. از ویژگی های بسیار کم آشنای تابش الکترومغناطیسی فشار بسیار ضعیفی است که تابش الکترومغناطیسی با اعمال نیرویی در جهت موج ایجاد می کند. این نیرو به این دلیل اتفاق می افتد که امواج الکترومغناطیسی دارای تکانه هستند و حرکت می کنند.
برای درک جهت نیرو برای یک مورد کاملاً خاص ، یک موج الکترومغناطیسی صفحه ای را که روی فلزی اتفاق می افتد در نظر بگیرید که در آن حرکت الکترون ، به عنوان بخشی از جریان ، با مقاومت فلز تخلیه می شود ، به طوری که میانگین حرکت الکترون در فاز با نیروی ایجاد کننده آن. این قابل مقایسه با جسمی است که در برابر اصطکاک حرکت می کند و به محض توقف نیروی هل دادن آن متوقف می شود . هنگامی که میدان الکتریکی در جهت محور y مثبت باشد ، الکترونها در جهت y منفی حرکت می کنند ، و میدان مغناطیسی در جهت محور z مثبت حرکت می کنند. با بکار بردن قانون دست راست و حساب کردن بار منفی الکترون ، می توان دریافت که نیروی وارد شده به الکترون از میدان مغناطیسی در جهت محور x مثبت است که همان جهت انتشار موج است. وقتی میدان$\vec{E}$ معکوس شود ، میدان $\vec{B}$ نیز چنین می کند و نیرو دوباره در همان جهت است. تصویرفشار تابشی که توسط یک موج الکترومغناطیسی روی یک سطح کاملاً جذب شده اعمال می شود برابر است با چگالی انرژی موج اگر ماده کاملاً منعکس کننده باشد ، مانند یک سطح فلز ، و اگر میزان آن در امتداد سطح نرمال باشد ، فشار وارد شده دو برابر بیشتر است زیرا جهت حرکت هنگام انعکاس معکوس می شود: ${\displaystyle P_{\text{net}}=P_{\text{incident}}+P_{\text{emitted}}=2{\frac {I_{f}}{c}}}$فشار لحظه ای ، اما چون تراکم انرژی به سرعت در حال نوسان است ، ما معمولاً به فشار تابشی میانگین زمان علاقه مند هستیم با توجه به شدت بیان میشه .تابش الکترومغناطیسی بر روی هر چیزی که با آن مواجه می شود فشار وارد می کند. این فشار به عنوان تابش فشار شناخته می شود و می توان آن را انتقال حرکت از فوتون ها هنگام برخورد به سطح جسم تصور کرد.
در شرایط روزمره این فشار ناچیز است ، اما در محیط ستاره ها با توجه به مقدار زیادی فوتون ساطع شده ، می تواند مهم باشد. به طور خاص ، در شرایط اساسی جسم سیاه که در داخل یک ستاره وجود دارد ، فشار تابش متناسب با قدرت چهارم دما هست .
اما مساله مهم کاربرد هست ویکی هم بادبان های خورشیدی (بادبان های سبک یا بادبان فوتونی نیز نامیده می شوند) روشی برای پیشرانه فضاپیما با استفاده از فشار تابشی است که توسط نور خورشید بر روی آینه های بزرگ اعمال می شود.، بادبان های خورشیدی با گرفتن انرژی از ذرات نور هنگام پرش از سطح بازتابنده کار می کنند. هر ذره نوری دارای حرکت است ، و هنگامی که به یک سطح بازتابنده برخورد می کند ، آن حرکت را به ورق بازتابنده می دهد ، دقیقاً مانند برخورد دو توپ بیلیارد خوب جالبه بادبان های خورشیدی حداکثر سرعت 10٪ سرعت نور دارند که برابر با 18،600 مایل در ثانیه یا 7،100،000،000 مایل در ساعت است. فضاپیماهای خورشیدی به دلیل فشار نور ثابت که به بادبان وارد می شود ، می توانند سریعتر از فضاپیماهای متداول با سوخت موشک حرکت کنند.بادبان های خورشیدی چگونه کار می کنند؟
بادبان های خورشیدی یک روش پیشرانه فضاپیمایی است که از یک کنجکاوی عجیب فوتون ها استفاده می کند. این ذرات نور جرمی ندارند و با این وجود هنگامی که به چیزی برخورد می کنند ، می توانند تکانه ای را ایجاد کرده و یک فشار کوچک ایجاد کنند. هر وقت پا به آفتاب می گذارید ، توسط فوتون ها تحت فشار قرار می گیرید اما نیروی فوق العاده کم آنها برای بدن قابل مشاهده نیست.
در فضا ، اوضاع روند دیگری پیدا می کند. قوانین فیزیک می گوید که هر عملی باید واکنشی برابر و معکوس داشته باشد ، بنابراین ، وقتی فوتون های خورشید از یک سفینه فضایی پرتاب می شوند ، کشتی با کمی سرعت در جهت دور از خورشید حرکت می کند. با یک فوتون تغییر بسیار ناچیز است اما مجموعه بزرگی از آنها می توانند رانش قابل توجهی ایجاد کنند.
یک ورق بزرگ ، صاف و آینه مانند را جلوی یک فضاپیما قرار دهید و قدرت خورشید آن را به جلو سوق می دهد. برای گرفتن و کنترل نور خورشید ، مواد نیز باید محکم و نازک باشد. طبق گفته انجمن سیارات ، بادبان های خورشیدی می توانند مانند بادبان های معمولی حرکت کنند و در بسیاری از جهات حرکت کنند. این فناوری نسبت به سایر روش های پیشرانه یک مزیت دارد زیرا در هر مکانی که کشتی نیاز به حمل سوخت ندارد ، در عوض به نور ستارگان که آزادانه در دسترس است تکیه می کند.
از آنجا که فشار مستمر از خورشید می گیرند ، کشتی های مجهز به بادبان خورشیدی می توانند هنگام حرکت به لبه منظومه شمسی ، به طور مداوم شتاب بگیرند و به سرعت های بسیار سریعی برسند که برای موشک های شیمیایی بسیار دشوارتر باشد. متناوباً ، بادبان های خورشیدی را می توان توسط پرتوهای لیزر عظیم الجثه نیز هدایت کرد.تراست حاصل $F=\frac{2RSA}{c}\sin^2\theta=9.113\times10^{-6}\frac{RA}{D^2}\sin^2\theta$بادبان های خورشیدی در مقایسه با سایر روش های پیشرانه بی نظیر هستند زیرا در بادبان خورشیدی ، شتاب به طور مداوم در طول پرواز وجود دارد. شار خورشیدی ثابت روی بادبان یک نیروی ثابت ایجاد می کند ، البته با فاصله از خورشید کاهش می یابد.بادبان غول پیکر خورشیدی که Sunjammer نامیده می شود ، از یک طرف حدود 124 فوت (38 متر) اندازه دارد و دارای مساحت تقریبی 13000 فوت مربع (1208 متر مربع یا یک سوم هکتار) است.
آیا می توانم یک معادله ترکیبی برای سرعت بادبان خورشیدی بدست آورم؟با سرعت شتاب 1 میلی متر در ثانیه (20 برابر بیشتر از شتاب مورد انتظار برای Cosmos 1) ، یک بادبان خورشیدی پس از یک روز ، سرعت خود را با سرعت 7500 کیلومتر (4700) تقریباً 310 کیلومتر در ساعت (195 مایل در ساعت) افزایش می دهد. مایل) در حال انجام است. پس از 12 روز سرعت آن 3700 کیلومتر در ساعت (2300 مایل در ساعت) افزایش می یابد.اکنون می دانم که این شتاب کاملاً ثابت نخواهد بود ، زیرا با دور شدن کشتی از خورشید ، نیروی وارد شده به نور کاهش می یابد. این مقاله با گفتن این موارد برجسته است:
نیروی وارد شده روی بادبان و شتاب واقعی صنعت با توجه به مربع معکوس فاصله از خورشید (مگر اینکه نزدیک به خورشید باشد) و بر اساس مربع کسینوس زاویه بین بردار نیروی بادبان و شعاعی از خورشید ، بنابراین $F = F_0 \frac{\cos^2 θ}{R^2}$و$F = F_0 \frac{(0.349 + 0.662 \cos{2θ} − 0.011 \cos{4θ})}{R^2}$حرکت یک فوتون یا یک کل شار توسط p = Ec داده می شود ، جایی که E فوتون یا انرژی شار است ، p حرکت است و c سرعت نور است. فشار تابش خورشیدی با تابش (ثابت خورشیدی) مقدار 1361 W / m2 در 1 واحد آمپر (فاصله زمین تا خورشید) محاسبه می شود ، همانطور که در سال 2011 تجدید نظر شده است: یک بادبان واقعی دارای بازده کلی حدود 90٪ ، حدود 8.25 μN / مترمربع.ابتدا به یک معادله برای شتاب نیاز داریم:
$F = \frac{F_0}{R^2}$نکته ای که باید به آن توجه داشت این است که این معادله عاملی را از دست می دهد (واحدها کار نمی کنند). از نظر فنی ، $F_0$باید در 1 AU2 ضرب شود ، به این ترتیب واحدها به درستی لغو می شوند.با فرض یک زاویه بهینه ، بنابراین:$A = \frac{F_0 \cdot 1AU^2}{M\cdot R^2}$جایی که M جرم کاوشگر ما است. $F_0$ ذکر شده شما 8.25 µN در هر متر مربع بادبان است. بنابراین:
$A = \frac{8.25\cdot 10^{-6} N/m^2 \cdot \text{Sail Area} \cdot 1 AU^2}{\text{Mass} \cdot R^2}$
برای کار با آن معادله نیرو و لغو واحدهای صحیح ، باید Sail Area خود را به $AU^2$ تبدیل کنیم.
با این حال ، می توانیم این را دوباره بنویسیم:$K = \frac{8.25*10^{-6} N/m^2 \cdot \text{Sail-Area} \cdot 1 Au^2}{\text{Mass}}$
جایی که K فقط یک ثابت براساس منطقه بادبان و جرم است (من از C استفاده می کردم ، اما افراد نگران ممکن است آن را با سرعت نور مخلوط کنند).
$A = \frac{d^2R}{dt^2} = \frac{K}{R^2}$و$A = \frac{dV}{dT}$و$\frac{d^2R}{dt^2} = \frac{dV}{dT} = \frac{dV}{dR} \cdot \frac{dR}{dT} = \frac{dV}{dR} \cdot V$و$\frac{dV}{dR} \cdot V = \frac{K}{R^2}$و$dv*V = \frac{K}{R^2} * dR$
$\frac{1}{2} V^2 = \frac{-k}{R} + P$و$V = \sqrt{\frac{-2k}{R} + 2P}$
P یک ثابت افزودنی است ، یک بار دیگر سعی می شود از استفاده از C جلوگیری شود ، ثابت افزایشی P به سرعت شروع ما در 1AU بستگی دارد. برای مثال اگر سرعت اولیه ما 0 باشد$\frac{1}{2} 0^2 = \frac{-k}{1 AU} + P$و$P = \frac{k}{1 AU}$اما براساس آن شرایط اولیه متفاوت خواهد بود.
بنابراین ما عبارتی برای V بر اساس فاصله از خورشید داریم. با این حال ، من گمان می کنم که شما از نظر زمان طی شده و نه مسافت طی شده پاسخی می خواهید (اگر کار ما تمام نشده باشد).
بنابراین V = dRdt بنابراین $\frac{dR}{dt} = \sqrt{\frac{-2k}{R} + 2P}$و$\frac{dR}{\sqrt{\frac{-2k}{R} + 2P}} = dT$
در این مرحله شما باید از نظر P ، K و T. برای R حل کنید. چیزی که به نظر یک پیشنهاد جالب نیست. شما دوباره آن را به معادله سرعت خود متصل می کنید تا سرعت را تابعی از زمان بدست آورید.
اگر کسی روش ساده تری را برای پایان دادن به آن ریاضی می بیند ، لطفاً به من اطلاع دهید. شاید شخص دیگری بتواند آن را از اینجا بگیرد.
در واقع به عنوان یک تقریب وحشتناک ، تا $T = R-\ln{(R)}$ خلاصه می شود.
این در واقع بسیار منطقی است. در ابتدا ما چیزی خواهیم داشت که تا حدودی درجه دوم به نظر می رسد ، با این حال وقتی از 10AU یا بیشتر عبور می کنیم (واقعاً به ثابت ها بستگی دارد) ، با شتاب گرفتن تقریباً صفر و تقریباً خطی می شود ، ما واقعاً کم و بیش خطی می شویم سرعت.
$x-\ln(x)$ را وارد کنید و نمودار را برای دیدن کوچک کنید.
بنابراین فاصله با زمان کم و بیش خطی است و V مقداری ثابت می زند ، که با توجه به معادله سرعت می توانیم آن را پیدا کنیم.
ما می توانیم حد $V = \sqrt{\frac{-2k}{R} + 2P}$ را بگیریم زیرا R به بی نهایت می رود. می شود
همان چیزی است که سرعت ما به صورت مجانبی به آن نزدیک می شود. با استفاده از مقداری که قبلاً برای P با استفاده از شرایط شروع به دست آوردم.
$\sqrt{\frac{-2k}{R} + \frac{k}{1AU}} = \sqrt{k \left(\frac{1}{1AU} - \frac{2}{R}\right)}$
هنگامی که $\frac{2}{R}$ کمتر از یک صدم $\frac{1}{AU}$ باشد ، کم و بیش به سرعت نهایی خود رسیده ایم (ما فقط 1/10 از آن فاصله داریم).
بنابراین$\frac{2}{R} = \frac{1}{100 AU}$و$R = 50 AU$
اتفاقی که فراتر از فاصله مداری پلوتو باشد.
نوع ناامیدکننده با این حال ، این مطابق اطلاعاتی است که من خوانده ام نشان می دهد خارج از منظومه شمسی بادبان های خورشیدی وسیله کارآمد پیشرانه نیستند. البته اگر نوعی سیستم لیزر به آن شلیک کنید ، این تغییر می کند. رهام حسامی مهندسی هوافضا ترم چهارم ROHAM HESMI
تصویر

ارسال پست