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物理学 > 光学

arXiv:2107.09121 (physics)
[提交于 2021年7月19日 ]

标题: 轻帆光子设计用于快速穿越地球轨道机动和星际飞行

标题: Light-Sail Photonic Design for Fast-Transit Earth Orbital Maneuvering and Interplanetary Flight

Authors:Ho-Ting Tung, Artur Davoyan
摘要: 太空探索对于推动基础科学和提供全球服务(如导航和通信)具有至关重要的意义。 然而,目前的太空任务受到现有推进技术的限制。 在这里,我们研究了激光驱动的光帆在敏捷地球轨道机动以及快速穿越太阳系和星际介质中的应用。 我们表明,在约100千瓦的激光功率和约1米的激光阵列尺寸下,激光推进变得可行,这些在近期是可行的。 我们的分析表明,轻型(1克-100克)、晶圆级(约10厘米)的航天器可能被激光推进到当前系统无法到达的轨道。 我们进一步将我们的发现与以往的星际激光推进研究进行了比较,并表明我们的方法对激光架构和航天器光子设计的限制更小。 我们讨论了材料要求和光子设计。 我们表明,由氮化硅和氮化硼制成的光帆特别适合所述的应用。 我们的架构可能为普遍的地球轨道网络以及跨越太阳系的快速、低成本任务铺平道路。
摘要: Space exploration is of paramount importance to advancing fundamental science and providing global services, such as navigation and communications. However, today's space missions are hindered by limitations of existing propulsion technologies. Here, we examine the use of laser-driven light-sailing for agile Earth orbital maneuvering and for fast-transit exploration of the solar system and interstellar medium. We show that laser propulsion becomes practical at laser powers around 100 kW and laser array sizes ~1 m, which are feasible in the near term. Our analysis indicates that lightweight (1 g - 100 g) wafer-scale (~10 cm) spacecraft may be propelled by lasers to orbits that are beyond the reach of current systems. We further compare our findings with previous interstellar laser propulsion studies, and show that our approach is less constricting on laser architecture and spacecraft photonic design. We discuss material requirements and photonic designs. We show that light-sails made of silicon nitride and boron nitride are particularly well suited for discussed applications. Our architecture may pave the way to ubiquitous Earth orbital networks and fast-transit low-cost missions across the solar system.
主题: 光学 (physics.optics) ; 地球与行星天体物理学 (astro-ph.EP); 天体物理学的仪器与方法 (astro-ph.IM)
引用方式: arXiv:2107.09121 [physics.optics]
  (或者 arXiv:2107.09121v1 [physics.optics] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2107.09121
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Ho-Ting Tung [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2021 年 7 月 19 日 19:32:41 UTC (1,364 KB)
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