Podróże kosmiczne z napędem słonecznym

Ogromny żagiel słoneczny rozkładany w przestrzeni kosmicznej, wykorzystywany w satelitach penetrujących kosmos. Tak zwane żeglowanie słoneczne nie jest wizją przyszłości lecz niedługo może okazać się rzeczywistością przy eksploracji kosmosu. Instytuty Niemieckiego Centrum Kosmicznego (DLR) w Brunszwiku i Bremen pracują wspólnie z Europejską Agencją Kosmiczną ESA oraz Politechniką w Brunszwiku nad tak zwanym Projektem Pajęczynki. Badacze chcą udowodnić, iż żeglowanie słoneczne jest wykonalne. Maszty żagla zwanymi booms są sprawdzane pod kątem wytrzymałości z użyciem współrzędnościowej maszyny pomiarowej firmy AICON o nazwie MoveInspect HR.

Booms są wykonane z włókna węglowego wzmacnianego tworzywem (CFRP) charakteryzującym się niską masa i wysoką sztywnością. Maszty są obecnie produkowane z jednego element o długości od 2.8 do 14 metrów I wadze nie większej jak 70 gram na metr. Średnica, zależnie od parasola, sięga od 30-150mm. Są one tworzone z dwóch długich muszli w kształcie omega i mogą być zwinięte do transport. Dzięki specjalnemu mechanizmowi, żagle słoneczne rozkładają się automatycznie.

Nowoczesne systemy pomiarowe spełniają oczekiwania zaawansowanej techniki kosmicznej

Na ile można napiąć żagiel bez wyginania masztu? Twórcą tego pytania jest Instytut DLR Kompozytów Włóknowych Lekkich Konstrukcji i Elektroniki Stosowanej. Dotychczas odpowiedz była niejednoznaczna, ponieważ wykorzystywane urządzenia pomiarowe były skomplikowane i dostarczały niedokładnych danych.

Od marca 2014 roku DLR wykorzystuje MoveInspect HR. MoveInspect HR jest systemem pomiarowym opartym o jedną lub więcej kamer cyfrowych wysokiej rozdzielczości umiejscowionych na trójnogu lub belce. System ten jednocześnie pobiera nieograniczoną ilość punktów pomiarowych, stąd też ma możliwość rejestracji całego obszaru. Pomiar wykonywany jest z wysoką częstotliwością a cały ruch rejestrowany jest jako wideo 3D. 

Mierzony maszt jest mocowany w uchwycie testowym wyposażonym z silniki trakcyjne. Punkty pomiarowe rozłożone na spodzie. Dwie kamery są skupione na maszcie zamontowanym w ramie. Po uruchomieniu silników, popychają one niższe końce na boki. Zależnie od rozmiaru masztu, maksymalne przemieszczenie wynosi od 0.3 m do 1.5m.
MoveInspect jest elektronicznie synchronizowany z silniczkami trakcyjnymi I innymi czujnikami; napięcie, deformacja oraz czas operacji są rejestrowane w tym samym czasie. Współrzędne pomiaru są automatycznie wysyłane do program obliczeniowego, gdzie analizowane jest relacja pomiędzy deformacją i siłami. Wyniki są przedstawiane w postaci wykresów w arkuszu.

Całkowity czas pomiaru wynosi zaledwie dwie minuty, co stanowi olbrzymią zaletą w stosunku do systemów laserowych lub czysto stykowych systemów. Systemy laserowe mogą mierzyć tylko jeden punkt w jednym kierunku. W celu pobrania kilku punktów, należy czynność powtarzać wielokrotnie. Takie operacje są nie tylko czasochłonne, ale też niedokładne. MoveInspect jest w stanie zarejestrować dowolną ilość punktów w tym samym czasie. Dzięki temu mamy zapewnione rzetelne i dokładne pomiary 3D dla operacji dynamicznych i statycznych we wszystkich kierunkach. Dzięki optycznej metodzie pomiarowej, powstała możliwość pomiaru dużych przemieszczeń bez większego wysiłku. Metoda optyczna jest również odpowiednia dla tak delikatnych struktur, gdzie metody stykowe mają swoje oddziaływanie w czasie pomiaru.

Żagle słoneczne- technologia napędowa przyszłości

Żagle słoneczne są formą napędów statków kosmicznych, które są rozwijane od dekad jako alternatywa tradycyjnych technologii napędowych. Napęd jest uzyskiwany dzięki pulsacji fotonów pochodzących od słońca- to słoneczne „ciśnienie” jest około tysiąca razy większe niż ciśnienie wiatru słonecznego. Atrakcyjność tego rodzaju napędu leży w tym, iż nie wymaga ono paliwa; stąd siły napędzające są niewyczerpalne.

Jak dotąd są tylko przeprowadzone dwie pozaeuropejskie próby demonstracji zdolności żagli słonecznych: niezależny eksperyment na dolnej orbicie ziemskiej i żagiel słoneczny, który był w stanie manewrować samodzielnie, lecz nie mógł się przemieszczać. Niemieckie Centrum Kosmiczne (DLR) i Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) zdecydowały do prowadzenia wspólnych prac związanych z tymi ultra lekkimi, rozkładanymi strukturami kosmicznymi. W ciągu najbliższych kilku lat zostanie wykonanych kilka prób demonstracji różnych rozmiarów żagli. Testy te pozwolą tym ultra lekkim konstrukcjom ośrodka DLR zostać zakwalifikowanymi do późniejszego wykorzystania w komercyjnych misjach naukowych.

Cel rozwoju: Innowacyjne, lekkie systemy konstrukcyjne

Instytut DLR Kompozytów Włóknowych Lekkich Konstrukcji i Elektroniki Stosowanej wypełnia pustkę pomiędzy podstawowymi badaniami I zastosowaniem przemysłowym. Ich zadaniem jest minimalizacja kosztów wytwarzania, zredukować masę, zwiększyć funkcjonalność i wygodę obsługi dzięki adaptacyjnym, wydajnym lekkim konstrukcjom. Instytut ten jest partnerem dla udziałowców, uniwersytetów, Niemieckiej Fundacji Badań (DFG), instytutów badawczych. Ministerstwa I autorytetów w zakresie regulacji dotyczących przestrzeni kosmicznej. W wyniku unikatowych badań eksperymentalnych oraz zakładów produkujących laboratoria akustyczne, można odpowiedzieć na pytania związane ze stabilnością i wytrzymałością. Struktury Kosmiczne DLR Lab @ UNI- mają swój przyczółek na uczelni oraz w największych europejskich autoklawach badawczych.

System pomiarowy MoveInspect pasuje idealnie do celów badawczych. Martin Zander- kierownik pomiarów MoveInspect w DLR jest zadowolony komentując w następujący sposób: "Praca z MoveInspect HR pozwala nam zaoszczędzić wiele czasu i otwiera na nowe możliwości. Możemy przeprowadzić wszystkie pomiary przy jednym ustawieniu. Wcześniej pracowaliśmy z systemem laserowym, lecz nie jest on w stanie dalej spełnić naszych oczekiwań i być wystarczający do kompleksowych badań. MoveInspect HR jest idealnym wypełnieniem w naszym projekcie. System ponadto charakteryzuje się elastycznością, dzięki czemu w przyszłości będziemy mogli go wykorzystywać w innej lokalizacji."

Chcielibyśmy złożyć podziękowania Niemieckiemu Centrum Kosmicznemu za ich wsparcie i za dostarczenie zdjęć.