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Die Erfindung betrifft ein Raumfahrzeug, bestehend aus einer oder mehreren die Nutzlast enthaltenden Kapseln und aus einem oder mehreren Sonnensegeln. Das gegenständliche Raumfahrzeug ist für den Einsatz im interstellaren Raum, also zwischen Sonnensystem und andern Fixsternsystemen, gedacht.
Zum Stand der diesbezüglichen Technik ist anzuführen, dass sich das Gebiet der interstellaren Raumfahrt in einem Planungsstadium befindet, welches hauptsächlich auf zwei Ziele ausgerichtet ist, nämlich :
A) die Erforschung der mutmasslich vorhandenen Planeten fremder Fixsterne durch unbemannte
Raumfahrzeuge und
B) die Besiedelung solcher Planeten mit irdischen Lebewesen, insbesondere Menschen.
Hiezu sind verschiedene Wege denkbar, die gegen Ende dieser Beschreibung näher erläutert werden. Allen gemeinsam ist jedoch die Notwendigkeit, hohe Geschwindigkeiten zu erreichen, wenn derartige Unternehmen innerhalb historisch überblickbarer Zeiträume abgewickelt werden sollen. Weiters werden unterschiedliche, jedoch selbst bei Auswahl einer optimalen Methode recht hohe Anforderungen bezüglich transportierbarer Masse gestellt.
Zur Erfüllung dieser Forderungen wird seit einigen Jahren erwogen, interstellare Raumfahrzeuge nach einer weitgehenden Annäherung an die Sonne mittels Strahlungsdruck auf eine hohe Geschwindigkeit zu bringen. Diese kann laut Rechenwerten um ein bis zwei Zehnerpotenzen höher liegen als die mit chemischen Treibstoffen erzielbare Endgeschwindigkeit.
Dabei tritt das Problem auf, den reflektierend ausgeführten Strahlungsdruckaufnehmer, genannt "Sonnensegel", gegen den in Sonnennähe sehr kräftigen Strahlungsdruck in seiner Form zu halten und die Kraft auf die Nutzlast zu übertragen. Das Segel selbst muss nämlich überaus dünn und die Konstruktionsteile müssen sehr leicht sein, wenn eine hohe Endgeschwindigkeit erzielt werden soll.
Als Lösungswege wurden vorgeschlagen : a) Seile zum Ziehen der Nutzlast mit an der Dichte. gemessen hoher Festigkeit. Diese Methode beinhaltet ein Problem. Entsprechend den grossen Abmessungen des Sonnensegels müssten die Seile so lange sein, dass sie infolge der in Sonnennähe auftretenden hohen Beschleuni- gung durch den Lichtdruck (ein Mehrfaches der Erdbeschleunigung) durch ihr eigenes
Gewicht reissen würden (Überschreitung der Reisslänge). Um dies zu verhindern, könnte man den Seilquerschnitt gegen das Segel zu exponentiell steigern. Die Folge wäre jedoch ein derartiges Anwachsen der Masse, dass das Erreichen hoher Endgeschwindigkeiten völlig ausgeschlossen wäre. Eine Lösung mit Seilen ist in US-PS Nr. 4, 614, 319 dargestellt.
Zur Rechtfertigung dieser Konstruktion sei jedoch betont, dass dort an- scheinend nicht beabsichtigt ist, die Einrichtung in Sonnennähe zu betreiben. Die
Seilbeanspruchung ist dementsprechend gering. b) Stützen (infolge der grossen zu überbrückenden Entfernungen nicht als Stäbe ausführbar),
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c) Rotation des Segels zum Aufspannen durch Fliehkraft. Auch diese Methode kommt in
US-PS Nr. 4, 614, 319 vor. Sie ist dort jedoch mit Seilen kombiniert, was in Sonnennähe die bereits erwähnten Nachteile mit sich brächte. Man könnte die Seile fortlassen, indem man die Nutzlast in der Mitte des rotierenden Segels direkt auf diesem befestigte.
Es ergibt sich jedoch eine weitere Schwierigkeit. Das rotierende Segel stellt nämlich einen Kreisel mit hohem Drehimpuls dar. Auf diesen Kreisel wirkt infolge der Krümmung des Segels, die zum Ziehen der Last notwendig ist, durch den Lichtdruck ein weiterer
Drehimpuls, der nicht parallel zum erstgenannten liegen muss. Dies führt zu Taumelbewe- gungen, die ein Steuern unmöglich machen. Eine Kompensation durch Rückstoss würde einen zu hohen Energieaufwand und zu schwere Triebwerke erfordern.
Aufgabe der Erfindung ist es, alle vorgenannten Hindernisse zu beseitigen und eine realisierbare Methode zur Übertragung der Antriebskraft auf die Nutzlast zu schaffen.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass das Sonnensegel ganz oder teilweise als Hohlkörper ausgebildet ist.
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Eine ganze Ausführung als Hohlkörper liegt beispielsweise vor, wenn das Sonnensegel etwa die Form eines Diskus aufweist. Eine teilweise Ausführung als Hohlkörper dagegen ergäbe sich etwa, wenn das Sonnensegel aus einem Torus und einer die Öffnung des Torus überspannenden Fläche bestünde (Schlauchbootform).
Durch die Ausführung des Sonnensegels als Hohlkörper eröffnet sich die Möglichkeit, diesen mit einem leichten Gas, vorzugsweise Wasserstoff, zu füllen und dadurch das Sonnensegel in seiner Form zu halten. Obwohl dieser Körper rotationssymmetrisch aufgebaut sein kann, braucht er nicht zu rotieren, um in seiner Form zu bleiben.
Der Hohlkörper weist zweckmässigerweise eine reflektierende und eine schwarze Aussenfläche auf. Dadurch wird auf der reflektierenden Sonnenseite wenig Wärme aufgenommen und der Strahlungsdruck optimal genutzt. Auf der Schattenseite wird die absorbierte Wärme in den Weltraum abgestrahlt.
Die die Nutzlast enthaltenden Kapseln können, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von wärmedämmenden Mitteln, auf der schwarzen Aussenseite des Hohlkörpers angebracht sein.
Sie werden somit vom Sonnensegel geschoben.
Das tragende Element ist demnach in der Nähe der Kapsel die Aussenhaut des Hohlkörpers, die dort natürlich den selben Querschnitt haben muss wie eine äquivalente Seilanordnung. Da jedoch dieser Teil der Aussenhaut auf einem Polster aus Gas durch die Reflektorfläche geschoben wird, ist das tragende Element nicht, wie beim Seil, durch sein eigenes Gewicht belastet, und der exponentielle Anstieg des Querschnittes gegen die Reflektorfläche zu entfällt. Die Folge ist eine enorme Einsparung an Masse.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung besteht darin, dass weder die Raumfahrzeugkapsel noch das tragende Element der direkten Sonnenbestrahlung und damit einer hohen thermischen Beanspruchung ausgesetzt sind, wie es bei der Seil-Ausführung der Fall wäre.
Um eine Vorstellung von den ungefähren Daten eines solchen Sonnensegels zu geben, seien
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<tb>
<tb> Masse <SEP> der <SEP> Kapsel <SEP> mit <SEP> der <SEP> Nutzlast <SEP> (kg) <SEP> : <SEP> 1000 <SEP> 50000
<tb> Masse <SEP> des <SEP> Sonnensegels <SEP> (kg) <SEP> : <SEP> 5342 <SEP> 246673
<tb> Durchmesser <SEP> des <SEP> Sonnensegels <SEP> (m) <SEP> : <SEP> 1786 <SEP> 10800
<tb> Kleinster <SEP> Abstand <SEP> der <SEP> Bahnkurve <SEP> vom
<tb> Sonnenmittelp. <SEP> gem. <SEP> in <SEP> Sonnenradien <SEP> : <SEP> 1, <SEP> 7 <SEP> 2, <SEP> 4 <SEP>
<tb> Endgeschwindigkeit <SEP> ausserhalb <SEP> des
<tb> Sonnensystems/km/s) <SEP> :
<SEP> 434, <SEP> 3 <SEP> 326, <SEP> 9 <SEP>
<tb>
Ein Nachteil des Hohlkörpers besteht darin, dass die von der reflektierenden Fläche absorbierte Restwärme zwei Schichten durchdringen muss, bevor sie durch die von der Sonne abgewendeten schwarzen Seite des Hohlkörpers in den Weltraum abgestrahlt werden kann. Dies ergibt eine weitere Erhöhung der Temperatur des Reflektors, die ohnehin schon bei zirka 1900 K liegt.
Gemäss dem Stefan-Boltzmann'schen Gesetz beträgt diese Erhöhung jedoch nur das 2 1/4fache. Dies ergibt 1, 19. 1900 = 2261 K = 1988 C. Es existieren mehrere Metalle, die bei dieser Temperatur noch die nötige Festigkeit aufweisen.
Zur möglichst günstigen Weiterleitung der Wärmestrahlung ist vorzugsweise die Innenseite des Hohlkörpers, gegebenenfalls mit Ausnahme eines Bereiches in der Umgebung der Nutzlast, schwarz.
Ein Vorteil des Hohlkörpers besteht darin, dass die reflektierende Fläche infolge der konstanten Drücke von Licht, Gas und Beschleunigungskraft eine Ebene sein kann. Dadurch ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad und eine geringe Aussermittigkeit der treibenden Kraft.
Der Gasdruck im Inneren des Hohlkörpers muss etwas niedriger als der Strahlungsdruck sein. Dieser beträgt in einem thermisch noch zulässig erscheinenden Abstand vom Sonnenmittelpunkt in der Grösse des 1, 7fachen Sonnenradius : 0, 0731 N/m2
Der Gasdruck liegt also um mehr als sechs Zehnerpotenzen unter Atmosphärendruck.
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Die Masse des zur Füllung verwendeten Gases ist wegen der kleinen Dichte, die diesem Druck entspricht, überaus gering und gegenüber den übrigen Massen zu vernachlässigen.
Eine weitere Folge ist, dass Gasverluste durch Diffusion oder durch von Meteoroiden verursachte Beschädigungen der Hohlkörperwand klein bleiben. Dies lässt sich aus den bekannten Diffusionswerten bzw. aus der bekannten Häufigkeit von Meteoroiden rechnerisch nachweisen.
Der Hohlkörper soll normal zur reflektierenden Aussenfläche einen im Verhältnis zu dieser kleinen Querschnitt aufweisen. Dadurch wird erreicht, dass sich während des mit der Schmalseite des Hohlkörpers erfolgenden Annäherns an die Sonne dem gegen die Fahrtrichtung wirkenden Strahlungsdruck wenig Angriffsfläche bietet. Diese ist zudem in zwei Ebenen gekrümmt (streifender Lichteinfall), wodurch sich der Strahlungsdruck verringert.
Die Zeichnung zeigt den Schnitt eines Raumfahrzeuges, dessen Kapsel-l-mit der Nutzlast
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--2-- geschobenche --6-- ist schwarz. Damit sich der Hohlkörper nicht zu stark aufbläht, ist innen die Anordnung einer zusätzlichen Verspannung --4-- möglich.
In Sonnennähe (Perihel) soll die reflektierende Fläche gegenüber dem einfallenden Strahl einen Winkel von zirka 450 aufweisen. Um diesen und andere vorteilhafte Winkel zu erzielen, können an der Aussenseite des Reflektors Steuereinrichtungen in Form von beweglichen Lichtdruckflossen --5-- oder Rückstosstriebwerken angebracht sein.
Nachdem das antriebstechnische Problem unter Zuhilfenahme der Erfindung beherrschbar erscheint, sei nun auf die eingangs erwähnten Ziele der interstellaren Raumfahrt zurückgekommen, und es sollen einige gedachte Anwendungsfälle der Erfindung genannt werden :
Zu A) Erforschung der mutmasslich vorhandenen Planeten fremder Fixsterne durch unbemannte, mit fernmeldetechnischen Einrichtungen versehene Raumfahrzeuge. Zu diesem Zweck können in festgelegten Intervallen mehrere Raumfahrzeuge starten, von denen das erste als Messsonde und die weiteren als Relaisstationen für die Rückmeldungen von dieser bzw. für die Befehle an diese dienen.
Zu B) Transfer von Lebewesen. Da trotz hoher erreichbarer Geschwindigkeit die Reisezeiten vom Sonnensystem zu andern Fixsternsystemen sehr lang sind, könnte es sich als zweckmässig erweisen, tiefgekühlte Ei- und Samenzellen oder befruchtete Eizellen zu transportieren. Alle diese überstehen - im Gegensatz zu erwachsenen Lebewe- sen-selbst langanhaltende Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ohne Beschädi- gung. Das Aufrechterhalten der Tiefkühlung bei Weltraumbedingungen ist zwar kein
Problem, wohl aber derzeit noch das automatisierte Grossziehen der ersten Generation von Lebewesen am Zielplaneten.
Soll das automatisierte Grossziehen vermieden werden, so muss dem Raumfahrzeug eine Besatzung mitgegeben werden, die viele Generationen überdauert. Diese braucht allerdings nicht zahlreich sein, da sich auftretende Inzucht auch durch das Mitnehmen tiefgekühlter Geschlechtszellen verhindern lässt.
Obige Gegebenheiten lassen auf die Möglichkeit einer sinnvollen praktischen Anwendung des erfindungsgemässen Raumfahrzeugantriebes schliessen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Raumfahrzeug, bestehend aus einer oder mehreren die Nutzlast enthaltenden Kapseln und aus einem oder mehreren Sonnensegeln, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnensegel ganz oder teilweise als Hohlkörper (2) ausgebildet ist.