ソーラーセイルをイオンエンジンに追加して作業することはできますか?

ソーラーセイルとイオンエンジンの両方を使用するコンセプトビークルはありますか?各システムの質量が増えれば、宇宙船全体の能力が増減するか?

Inspired by S.F. enter image description here

S.F.太陽帆は、推進を提供するとともに、電気エンジンに光を向ける放物面鏡として使用することができると述べた。エンジンが太陽から遠ざかるにつれ、セイルはイオンエンジンを100%に保つように調整されますが、セイルの表面積は減少します。

ベストアンサー

イントロ

主にソーラーセイルが低質量宇宙船の恩恵を受けるため、電気推進システムを追加することで、加速と総デルタVの有効性を減少させる質量が増加しているため、これは難しい問題です。

システムアーキテクチャとサポートシステム

Solar Sails – Solar sails require
photons to gain acceleration and as a solar sail propelled
spacecraft moves further away from the sun, the sails effectiveness
at propelling the spacecraft forward is greatly dimensioned. The
supporting systems required to deploy a sail are relatively
mass-light compared to chemical or electric propulsion systems. For
the solar sail propulsion system, you have the mass of the
deployable booms, Mylar sail, deployment mechanism, and sail
control system.

Solar Sail ISPメトリック:

Solar Sail DeltaV

Solar Sail ISP

場所:

  • a0 =セール特性加速
  • T =ミッションの継続時間(通常はミッションの加速時間)
  • R
    =ペイロード質量分率(mass_1/mass2)(mass_1はセイルの質量、mass_2はペイロードまたは宇宙船の質量)
  • G =重力(-9.80665 m/s ^ 2)

これは、ソーラーセイルと電気推進システムを組み合わせることで宇宙機の質量を増やすと、システム全体のISPメトリックが減少することを素早く示しています。

Electric Propulsion System – These are
extremely complex and elaborate systems as their performance is a
function of several variables including power, spacecraft mass,
engine IPS, etc… While I am by no means an expert in EP systems
they do require a lot of supporting systems when compared to a
chemical or solar propulsion system.

  • 大電力要件 – 平均で(選択されたEPシステムに応じて)150W〜2kWの電力 – Aerojetの電気推進カタログを参照してください。電力を供給するための2つの主な選択肢があります。最初の選択肢はソーラーアレイを使用していますが、r
    ^ 2での発電が低下します。一例として、木星では地球と同じ1/27のパワーを生成します。 2番目のオプションは、放射性同位体発生器を使用しています。
    (RTG)は重くて非常に高価で、は80-120 W程度を生産します。 NASAの次世代RTG(
    MMRTG )は、 110Wの場合、ION
    RTGを搭載した宇宙船が出現する可能性は低いです。
  • 推進薬タンクと推進薬管理システム(これはヒーターが含まれています(燃料は運転温度に維持されなければならないため)が必要です。
  • 複雑な電気推進システムを管理するための追加のハードウェアと電子機器。

Engine ISP

結論

これは私の最後の要点ですが、これらの2つのシステムを組み合わせると、互いに独立して管理する方法の新しい問題が発生します。ソーラーセイルと電気推進宇宙船を組み合わせると、ソーラーセイルシステムと電気推進システム(構造的にはハードウェアで電気的に)をサポートする方法が必要となり、これを行うことで宇宙船の総量と複雑さが大幅に増加します。最終的には設計が複雑になり、各システムの質量が増えて宇宙船の総合的な能力が増減します。

ISP関係のためのPythonコード:

2つのシステム間の関係を表示することができます。

'''
Requirements: 
- Python: 2.7 or 3.6
- Python Numpy
'''


def solarSailISP(characteristic_acceleration, mission_duration_days, mass_ratio):
    import numpy as np
    gravity = -9.80665
    delta_v = characteristic_acceleration*mission_duration_days*86400.0
    isp = (delta_v/gravity)/(np.log(mass_ratio))
    return isp

def engineISP(delta_V, mass_ratio):
    import numpy as np
    gravity = -9.80665
    isp = (delta_V/gravity)/(np.log(mass_ratio))
    return isp


solarsail_isp = solarSailISP(0.001, 500, 0.1)
electric_isp = engineISP(3200, 0.3)

print("Solar Sail Propulsion System ISP: {} sec").format(solarsail_isp)
print("Electric Propulsion System ISP: {} sec").format(electric_isp)

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