エアログラファイトソーラーセイルを使用して、低質量ペイロードを火星やその先へ超高速で転送

加速は太陽光、観測対象をフライバイするのではなくエアロキャプチャーで減速して周回軌道に投入しようという野心的な計画。以下、機械翻訳。
エアログラファイトソーラーセイルを使用して、低質量ペイロードを火星やその先へ超高速で転送

概要
星間ミッションの概念は現在、さまざまな宇宙機関や機関によって研究中です。
実現可能で価値のある星間前駆体ミッションのコンセプトが、長期にわたるミッションの成功の鍵となるだろう
ショット。 ここでは、超軽量の太陽帆で作られた太陽帆の星間バウンド軌道を調査します。
素材はエアログラファイト。 非常に低い密度 (0.18 kg / m^3) と高い吸収率 (∼1) により、薄い殻は太陽の照射により巨大な加速度を受け取る可能性があります。 最大1kgの缶の積載量
太陽系全体に急速に輸送されます。 火星、そしてその先へ。 私たちのシミュレーションでは、地球の周りの極軌道からのさまざまな打ち上げシナリオ（直接外への打ち上げも含む）
サンダイバーが太陽に向かって発射し、その後外側に加速します。 私たちはポリアストロを使用します
天力計算用の Python ライブラリ。 総質量1kg（含む）の宇宙船の場合720 g エアログラファイト）および 104 m2 の断面積、半径 56 m の砲弾に相当します。
重力と加速度の組み合わせに基づいて位置、速度、加速度を計算します。
帆にかかる放射線の力。 我々は、地球と対向する近くの火星への直接的な外向きの移動を発見した。
相対速度は 65 km / s となり、必要な最小移動時間は 26 日になります。 を使用して
太陽から0.6天文単位でのソーラーセイル展開による内向き移動、火星に対するセイルの相対速度
速度は 118 km / s、移動時間は 126 日で、火星は 2 つのノードのいずれかに存在する必要があります。
航行到着時の軌道面。 転送時間と相対速度は、状況に応じて大幅に異なる場合があります。
地球と火星の間の星座と太陽への射出軌道の要件についてダイビング軌道。 星間直接軌道の最終速度は 109 km / s です。 距離を想定すると
120 天文単位の太陽圏界面まで、探査機は 5.3 年後に星間空間に到達します。 を使用するときは、
代わりに、太陽の初期潜水角が 0.6 天文単位までの場合、ソーラーセイルは太陽から 148 km / s の脱出速度を獲得します。
太陽系から太陽圏界面までの移動時間は 4.2 年です。 値は環境によって異なる場合があります。
太陽の潜水速度と太陽までの最短距離。 この中で提示されているミッションコンセプトは、
この紙は、成功した IKAROS ミッションのチップ質量 0.5 kg および 196 m2 の設計を拡張したものです。
星間ソーラーセイルミッションに向かう金星。 火星や太陽深部への高速飛行が可能になる
システム。 1kg未満のペイロードの（フライバイではなく）配達ミッションでは、最大の障害が残っています。到着時の減速。
1. はじめに
1804 年に蒸気機関車に初めて中距離乗車したときから、イギリスの鉱山技師の「ペニーダレン」は
リチャード・トレビシック、時速約 4 km、ボイジャー 1 号探査機の現在の太陽中心脱出速度である時速 17 km に相当、
人類は機械の速度向上を管理してきました。
4桁を超える規模の自動運転車両 約 200 年以内 [1]。 技術の進歩が続けば
この速度で人類の最高速度を向上させるには、15年ごとに2倍になり、さらに7倍になります。
以内に光速度 (푐) の 1 % に達するでしょう。
今から100年ちょっと前。 この時点で、私たちの旅行は、
星への挑戦が現実になるかもしれない。 私たちに一番近い星と一緒に
隣のプロキシマ・ケンタウリは約10メートル離れたところにあります
1.3 pc (4.2 ly) [2] 速度 0.1 c は移動時間を意味します
約42年、人間の一生のうちに十分にあり、ボイジャー1号ミッションの運用期間は46年。
最近の研究は、以下のような星間ミッションのための技術と知識の要素が手の届くところにあることを示唆しています。
小型電子機器[3]、高度情報化など
加工[4、5]、軽量帆に使用できるグラフェン[6]やエアログラファイト[7]などの超軽量材料、
そしてライトセイルのダイナミクスの予測[8、9、10]。 太陽
セイル技術は、IKAROS [11]、ナノセイル-D1、および LightSail-2 [12] (詳細については [10、13] を参照)
参考文献）。
星間旅行への中間ステップは、星間前駆体ミッション [14] であり、そのうちのいくつかは、
ランデヴァス彗星 [15] と深部太陽系について提案されている
探索、例: 疑わしいプラネット・ナインの捜索[10、16]。
この論文では、近い将来、より関連性が高まると予想される星間前駆体のシナリオを検討します。
最終的には人類を火星に送り届けるというNASAの目標に突き動かされて
2030 年代 [17] および SpaceX 社による関連計画、私たちは小型輸送物を運ぶソーラーライトセイルの可能性を探ります。
数週間から数か月という短期間で火星にペイロードを運びます。
従来のエネルギー需要、したがって金銭的需要は
化学ロケットは地球と火星の軌道に大きく依存します
構成。 その結果、通常、打ち上げは次のように選択されます。
低エネルギーのホーマン転移軌道をたどり、打ち上げ
その期間は 780 日または 2.1 年ごとに開きます。
これらの時間スケールは、完全に管理可能であることが証明されています。
ロボットミッション、さらには長期ミッションでも
火星は火星のサンプルリターンのようなもので、事実上
相互に構築される一連の火星ミッション。 一度
ただし、リスクと緊急事態には人的要因が影響します。
評価は大幅に変わり、数か月の待ち時間がかかる
年まで、例えば 医療品の供給または必需品の補充のため
材料やデバイスが長すぎる可能性があります。
この研究では、初めて、以下の結果をフィードします。
エアログラファイトの材料特性に関する実験室研究
[7] 火星を目指すソーラーセイルの軌道シミュレーションへ
以降。 密度が極めて低いエアログラファイト0.18 kg/ m^3 アルミホイルの場合、 (2700 kg/ m3 と比較)
例) と放射結合定数 휅rad 〜 1 太陽放射を非常に効率的に変換することができます。
加速性に優れ、ソーラーセイル用途の材料として際立っています[10]。 カーボンベースのエアロゲルであるエアログラファイト
顕微鏡で見ると泡状の物質として説明できます。
μm サイズのカーボンマイクロチューブで構成される構造 [18, 19,20]。 あらゆる巨視的な構造の完全性にとって重要
エアログラファイトは高い弾性を特徴としています。 圧縮率まで弾性変形が発生します
95%。 低密度、効率的な放射の組み合わせ
エアログラファイトはカップリングに優れ、弾性が高いため優れた
ソーラーセイルの材料候補。
火星へのソーラーセイルの概念を超えて、私たちは太陽系からの脱出速度に達するエアログラファイトセイルの動的特性を研究します。 したがって、火星へのソーラーセイルミッション
星間ミッションの自然な前駆体として機能する可能性があります。
長距離通信技術を確立し、深宇宙ナビゲーションなど


図 1: 脱出する極軌道 (PO、黒)
直接外側に排出する軌道（水色）。 PO
y-z平面内です。 ソーラーイルミネーション（赤矢印）は
x軸。


図 2: 宇宙船の速度 v の関数としての図
外部への転送のために地球の SOI 内で時間を移動します。


図 3: 内部のいくつかの軌道の 3 次元ビュー
火星のSOI。 水色の軌跡が衝突します
火星、灰色の軌道はフライバイを示します。


図 4: 宇宙船の速度 v の関数としての図
外部への転送のために火星のSOI内に滞在する時間。


図 5: 関数としての宇宙船の加速度 a の図
往路と復路の両方の転送にかかる時間 t。


図 6: 関数としての宇宙船の速度 v の図
惑星間空間における時間の変化。


図 7: サンダイバーアプローチにより、宇宙船は
地球の軌道内でいくつかの放射状の軌道方向を達成する
太陽の周りを回る飛行機。 必要なブレーキ操作
地球を周回するパーキング軌道には、それぞれ Δvbreaking というラベルが付けられます。
方向。 より急な操縦には、より多くの Δv が必要になります。

4. 結論
断面積が 1 kg のソーラーセイルが存在することがわかります。
S = (100 m)^2 = 10^4 m^2 (半径56m)
ventry = 65 km / s の相対速度まで加速
火星は地球から直接外向きに移動します（火星のとき
反対に近い）。 このシナリオでは、火星に到達するのは 26 日です
打ち上げ後。 0.6天文単位までの最初のサンダイバー操縦
太陽からの影響により、移動時間と飛行速度が増加します。
火星ですが、さまざまな地球-火星の軌道からの打ち上げが可能です
星座。
星間軌道への直接打ち上げのシミュレーションにより、最終脱出速度が vend = 109 km / s であることが明らかになりました。
そして5.3年後に太陽圏界を通過。 代わりに
帆は最初に太陽に向けられ、次に最終速度が決まります。
の転送時間 = 148 km / s が得られます。
tend = 太陽圏界面まであと 4.2 年。 詳細はやり方次第
帆が太陽に向けられるのが速い（例：従来型の帆を使用）
化学物質）とその近日点距離の近さ。
この中で示されている軌道とソーラーセイルの特性
論文は、成功した後の次のステップとして検討できます。
同等の質量を持った金星へのIKAROSミッション
(0.5 kg) ですが、帆面積は 196 m^2 より小さくなります。
主な違いは次のとおりです
セールの素材としてのエアログラファイトの想定と比較
質量を持ったIKAROSのポリイミドシートに
7.6 × 10^-7 kg / m^2 と比較して、約 0.01 kg / m^2
エアログラファイト。
私たちのコンセプトに関するまだ未解決の問題は、
これが配達である場合のペイロードの減速
フライバイミッションではありません。 考えられるシナリオの 1 つは、
将来の研究のために摩擦を使用した減速を提案します
火星の大気とともに。 かつて火星に投下された
表面、ペイロードの放射性汚染は、
火星の表面ではグラムサイズのペイロードも回収できます。 の
重要な課題は、もちろん、構造的な完全性です。
指定された降下中の積載量（帆の必ずしもそうではない）
予想される高い加速と温度。 しかし、低いのは
重力と火星の拡張大気が実際に生み出す
比較的広い減速通路と適度な暖房
地球や金星と比較した場合、火星がもっともらしいことになる
エアロキャプチャーの目標[25]。