LightSail 2 använde solsegeln för fem månader sedan och kretsar fortfarande om jorden. Det är en framgångsrik demonstration av potentialen i solsegelfartyg. Nu har LightSail 2-teamet på The Planetetary Society släppt ett papper som beskriver sina resultat från uppdraget hittills.
Solens segelkoncept har funnits ett tag, i själva verket tillbaka till Johannes Kepler. 1607 kom Halleys komet över huvudet och Kepler märkte hur kometens svans strömmade bort från solen. Han trodde, korrekt som det visar sig, att solljus var ansvarigt. I ett brev till Galileo som är sorts känt i astronomikretsar sade Kepler: "Ge fartyg eller seglar anpassade till de himmelska vindarna, och det kommer att finnas några som kommer att tappa till och med detta tomrum." Ganska cool.
Naturligtvis fanns det inget sätt för Kepler att veta hur rätt han var. Men nu, tack vare The Planetarium Society och andra, gör vi det.
Planetary Society är en pionjär inom solsegelfältet. LightSail 2 är faktiskt deras tredje rymdskepp för solsegla, som följer i fotspåren av LightSail 1, och deras ursprungliga föregångare Cosmos 1, som inte nådde bana när dess lanseringsraket misslyckades. Ett tredje rymdskepp från solen, kallad LightSail 3, kommer att nå Sun-Earth libration point L1 om allt går bra.
Som ett av de första solsegelfartygen lär LightSail 2 oss värdefulla lektioner om solseglingens potential och begränsningar. Den 10 januari släppte Planetföreningen ett papper som beskrev några av dessa lektioner. Uppsatsen har titeln ”Orbit and Attitude Performance of the LightSail 2 Solar Sail Rymdskepp.”
LightSail 2 är långsamt att ge efter för att dra och gör sin väg närmare Jorden. När den utplacerades förutspådde omloppsmodelleringen att den skulle falla till jorden ungefär ett år efter att dess segel hade utplacerats. Men rymdskeppet befinner sig i en högjordsbana på cirka 720 km (447 miles) mycket högre än andra satelliter och rymdskepp som den internationella rymdstationen, som kretsar runt 400 km (249 miles).
Det finns relativt lite data om atmosfärstätheten i den höjden och om den resulterande bana sönderfallet, så ett års prognos var inte exakt. Men tack vare LightSail 2 vet vi nu att atmosfärisk drag i den höjden är tillräckligt stark för att dra LightSail 2 mot jorden. En av orsakerna till detta är rymdskeppet inte alltid solsegling.
Under varje bana på 100 minuter spenderar LightSail 2 bara cirka 28 minuter på att fånga solfotoner, och det är den enda gången det kan ändra banan. Resten av tiden tillbringas antingen i förmörkelse, flyttar direkt mot solen eller justerar dess orientering. Den 28 minuters faktiska seglingstid räcker inte för att helt motverka den atmosfäriska dragningen.
Det är bara en av de saker som Planetary Society har lärt sig från deras LightSail 2-projekt. Men inom dessa banor finns det andra variabler.
Teamet jämförde LightSail 2: s prestanda när det var slumpmässigt orienterat kontra när det var aktivt orienterat för solsegling. De fann att när rymdfarkosten var slumpmässigt orienterad, sjönk den halva huvudaxeln för dess bana med 34,5 meter per dag. När den var aktivt orienterad, minskade samma mått bara med 19,9 meter per dag. Men det finns mycket variation i dess bana, och ibland ökade det lilla rymdskeppet sin bana med 7,5 meter per dag.
Videon visar en enda bana för LightSail 2. Lägg märke till de röda och blå linjer överlagrade på rymdskeppet. Den röda linjen visar solens riktning, och den blå linjen är riktningen för det lokala magnetfältet. När man närmar sig solen fjädrar rymdskeppet med seglen, och när det aktivt seglar, vänder det seglen för att fånga solens fotoner. Solen till -z vinkel ändras från ungefär 90 grader till ungefär 0 grader.
Generellt sett kan solsegling inte övervinna atmosfärisk drag, men det är inte vad dessa rymdskepp verkligen är designade för. Deras potential ligger i interplanetära resor, fria från atmosfärer och planetförmörkelser. NASA: s rymdskepp NEA Scout (Near Earth Asteroid Scout) kommer att tillbringa två år under framdrivning av solseglar för att nå en asteroid, även om det kommer att få en första framdrivningsökning från kallt gasströmmar.
LightSail 2: s apogee och perigee har cyklat upp och ner under de fem månaderna sedan dess utplacering. Omedelbart efter utplaceringen höjde rymdskeppet sin apogee, vilket gjorde det till det första solsegelfartyg som gjorde det. Samtidigt minskade perigeen. Den upplevde en reversering av trenden i slutet av oktober och en reversering i december.
Det finns några orsaker till att banan går igenom dessa cykler. För det första är jorden en avskild sfäroid, inte en sfär. Det betyder att dess diameter vid ekvatorn är ungefär 42 km (26 miles) större än vid polerna. Det gör rymdskeppet att uppleva precession eller wobbliness.
Det andra skälet till LightSail 2: s apogee / perigee-cykler är jordens väg runt solen. Den rörelsen ändrar vinkeln mellan solen och positionerna i rymdfarkostens apogee och perigee.
LightSail 2 är ett bra demonstrationsfartyg, men det har begränsningar. En av dessa är dess enda momentumhjul. Rymdskeppet använder det hjulet för att orientera sig antingen parallellt eller vinkelrätt mot solens strålar, beroende på om dess fjädrar seglar eller aktivt seglar. Ursprungligen gjorde markbesättningen detta manuellt, vilket inte var effektivt. Nu har de automatiserat processen, och rymdskeppet presterar bättre.
Men under hela processen lärde teamet en av sina värdefulla lektioner. Ofta förändringar i segelorientering ger rymdskeppet betydande fart. En av de viktigaste tekniska utmaningarna är att hantera detta momentum.
En annan lektion involverar solenergi. Solens segel är strikt för solsegling. LightSail 2 har några mycket små solpaneler som tillhandahåller rymdskeppets magra kraftbehov.
Den ursprungliga designen krävde små solpaneler på båda sidor av farkosten, men ena sidans paneler togs bort för att rymma speciella speglar som krävs för att laserområdet ska hitta det exakta avståndet från jorden. Men nu när det bara finns solenergi på en sida, ibland är panelerna skuggade av seglen. Detta leder till brownouts. Teamet har kunnat arbeta runt det i viss utsträckning genom att hantera rymdskeppets kraftanvändning och dess inställningskontrollläge. Men det är en bra lektion för framtida solsegelfartyg.
LightSail 2-teamet har också lagt till ett annat läge till rymdskeppet som de kallar Sun-pointing-läget.
Solpekningsläget kommer att hålla rymdskeppets solsegla mot Solen under hela sin omloppsbana. Detta kommer att begränsa omorienteringen av rymdskeppet för att minska effekten av täta orienteringsförändringar som ger rymdskeppet problematiskt momentum av momentumhjulet. Det hjälper också till med batteriladdning från solcellerna, även om det inte minskar omloppsbotten.
Det nya läget kommer också att hjälpa till med rymdfarkostens pekningsnoggrannhet och ger det en mer konsekvent startinställning för på / av drivmanövrar.
Planetary Society har för avsikt att noga övervaka rymdfarkostens omloppsbana för att se vilken effekt seglarna har. Detta är till stor del för andra team som studerar hur drag segel kan användas för att medvetet de-kretsa rymdskepp.
De fortsätter också att ta bilder. Det främsta skälet till bilderna är att övervaka segelens tillstånd, men de är trevliga ögongodisar också.
Du kan läsa mer om LightSail 2 på The Planetarium's Society: s webbplats. De är ett ideellt samhälle, så du kan gå med om du vill vara en del av deras uppdrag. Det är ett bra sätt för medborgarna att bidra.
Mer:
- Pressmeddelande: Här är vad vi har lärt oss så långt från LightSail 2
- Fullständig rapport: Orbit and Attitude Performance of LightSail 2 Solar Sail Rymdskepp
- The Planetetary Society: The Story of LightSail, del 1
