高速移動地球軌道マヌーバと惑星間飛行のためのライトセイルフォトニック設計

探査機に多くの推進剤を載せるのでは無く。地球から照射するレーザー光線で加速するタイプのレーザーセイリング。地球近傍では帆が加熱されるため耐熱放熱も考慮されている。以下、機械翻訳。
高速移動地球軌道マヌーバと惑星間飛行のためのライトセイルフォトニック設計
2021年7月19日に提出
宇宙探査は、基礎科学を進歩させ、ナビゲーションや通信などのグローバルサービスを提供するために最も重要です。しかし、今日の宇宙ミッションは、既存の推進技術の限界によって妨げられています。ここでは、機敏な地球軌道マヌーバと太陽系と星間物質の高速輸送探査のためのレーザー駆動ライトセーリングの使用を検討します。レーザー推進力は、レーザー出力が約100 kW、レーザーアレイサイズが約1 mで実用化されることを示しています。これは、短期的には実現可能です。私たちの分析によると、軽量（1 g〜100 g）のウェーハスケール（〜10 cm）の宇宙船は、現在のシステムの到達範囲を超えた軌道にレーザーで推進される可能性があります。さらに、私たちの調査結果を以前の星間レーザー推進研究と比較します。そして、私たちのアプローチがレーザーアーキテクチャと宇宙船のフォトニック設計にそれほど制約されていないことを示しています。材料要件とフォトニックデザインについて説明します。窒化ケイ素と窒化ホウ素で作られたライトセイルが、議論されている用途に特に適していることを示します。私たちのアーキテクチャは、ユビキタスな地球軌道ネットワークと太陽系全体の高速トランジット低コストミッションへの道を開くかもしれません。

図1.地球軌道マヌーバと高速のためのレーザーセーリングの概略図
トランジット惑星間ミッション。 ここでは、約1MWの出力のレーザービームがウェーハスケールを推進します
（〜10 cm）ライトセイル。 レーザー推進力を動力源とするこのような宇宙船は、高い性能を発揮します
非常に大きな速度ゲインを必要とするエネルギッシュな軌道マヌーバ、𝛥𝑣。 2つの例（
そのような操作のスケール）が概略的に示されています：低軌道での傾斜の可能性　海王星以遠への高速移動。


図２.レーザーセーリングと化学および電気推進の比較。 a、インスペース
電気および化学エンジン、およびレーザーセーリングによって達成される速度ゲイン。
b、速度ゲイン宇宙船の重量あたりのレーザー出力の2つの異なる値の照明時間。 破線
線は、それぞれの軌道操作を実行するための速度ゲインを示します。
cおよびd、計算済みLEOからGEOへの軌道遷移はそれぞれ1MW / gと10kW / gです。
eとf、それぞれ1MW / gと34kW / gの90度の傾斜変化操作を計算しました。 c-fで
軌道の強調表示された部分は、アクティブなレーザー推進のフェーズを示します。


図3.ライトセイルの設計性能指数。 a、速度ゲイン、𝛥𝑣、レーザー出力と
ペイロードと帆の質量比。 総照射時間は1000秒と想定されています。 曲線は
LEOからGEOへの転送と90度を実行するために必要な速度ゲイン。 軌道傾斜角
変更します（図2も参照）。 b、レーザー出力と𝛼 / 𝜖比によるライトセイル温度。 c、
さまざまなレーザー出力の変動で帆を500Kに保つために必要な最小帆面積
𝛼 / 𝜖比率。


図４.ライトセイルフォトニックデザイン。 a、ライトセイルの概念図
入射レーザービームに面するリフレクター層と放散する熱エミッター層
放射熱。 bおよびc、Si3N4およびhBNブラッグ反射器の計算された反射スペクトル
ガイドモード共振反射器の設計。挿入図はそれぞれの形状を示し、
𝜆 = 1.06𝜇𝑚で計算された電界強度プロファイル。 d、計算されたスペクトル赤外線
SiNxおよびBN熱エミッター設計の放射率スペクトル。破線の曲線はスペクトルを示します
構造化されていない500nm厚のBNおよび1𝜇𝑚厚のSiNx膜の放射率。はめ込み
プロットされた1つのユニットセル内の構造と電界強度プロファイルの概略図を示します
SiNx（上）およびBN（下）エミッターの場合、それぞれ7.7𝜇𝑚および6.6𝜇𝑚です。 e、計算済み
材料のさまざまな順列によって得られた8つのライトセイルデザインのメリットの数字と
リフレクター–エミッターの設計。挿入図は、それぞれの構造を概略的に示しています。


図５.高速移動惑星間探査のためのライトセーリング。 a、概略図
惑星間操縦の（縮尺どおりではありません）。 LEOから始めて、ライトセイルがに挿入されます
双曲線の地球脱出軌道。 b、双曲線過剰速度、𝑣𝑖𝑛𝑓、レーザー出力と
加速距離。 c、太陽系のさまざまな惑星への計算された飛行時間
𝑣𝑖𝑛𝑓の値によって異なります。 ここで、影付きの「バンド」は可能な惑星に対応しています
地球に対する向き。