https://madrid.hostmaster.org/articles/rise_fly_orbit/th.html
ความฝันในการบินคือการแข่งขันระหว่างความอดทนและพลังเสมอ นักบินบอลลูนยุคแรกของศตวรรษที่ 18 ลอยขึ้นสู่ท้องฟ้าอย่างนุ่มนวลด้วยก๊าซลอยตัว ในขณะที่วิศวกรจรวดของศตวรรษที่ 20 ฉีกมันด้วยไฟ ทั้งสองแนวทางมีเป้าหมายเดียวกัน – หลุดพ้นจากอำนาจของแรงโน้มถ่วง – แต่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงในปรัชญา หนึ่งใช้อากาศเป็นพันธมิตร อีกหนึ่งมองมันเป็นอุปสรรค ระหว่างสองขั้วสุดโต่งนี้ มีทางเลือกที่สาม ซึ่งยังไม่เคยถูกนำไปปฏิบัติ แต่ในหลักการแล้วไม่ใช่เรื่องเป็นไปไม่ได้อีกต่อไป: เรืออากาศที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ซึ่งสามารถบินไปยังวงโคจร โดยลอยตัวขึ้นก่อนด้วยแรงลอยตัว จากนั้นด้วยแรงยกทางอากาศไดนามิกส์ และสุดท้ายด้วยการรองรับแบบกึ่งกลาง โดยทั้งหมดนี้โดยไม่ใช้เชื้อเพลิงเคมี
ในหัวใจของแนวคิดนี้คือ การขับเคลื่อนทางไฟฟ้าแอโรไดนามิก (EAD) – รูปแบบของแรงผลักดันทางไฟฟ้าที่ใช้สนามไฟฟ้าเพื่อเร่งไอออนในอากาศ ไอออนที่ถูกเร่งจะถ่ายโอนโมเมนตัมไปยังโมเลกุลที่เป็นกลาง สร้างกระแสหลักและแรงผลักดันสุทธิบนขั极ต่างจากจรวดที่ต้องบรรทุกมวลปฏิกิริยา หรือใบพัดที่ต้องการใบมีดเคลื่อนไหว การขับเคลื่อนทางไฟฟ้าแอโรไดนามิกทำงาน โดยไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหวและไม่มีไอเสียบนเรือ เพียงแสงอาทิตย์และอากาศ เมื่อเชื่อมต่อกับอาร์เรย์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูงและติดตั้งบนร่างกายยกขนาดใหญ่ที่เบามาก มันให้ส่วนผสมที่ขาดหายไปสำหรับการเร่งความเร็วอย่างต่อเนื่องในชั้นบรรยากาศบน ซึ่งแรงต้านทานต่ำ แต่ยังคงมีอากาศ
ข้อเสนอนี้เรียบง่ายในการอธิบาย แต่ท้าทายในการดำเนินการ:
แนวคิดนี้ไม่ใช่เรื่องเพ้อฝัน แต่ละขั้นตอนมีรากฐานในฟิสิกส์ที่รู้จักกันดี: แรงลอยตัว พลังงานแสงอาทิตย์ ไฟฟ้าสถิต และกลศาสตร์วงโคจร สิ่งที่เปลี่ยนคือสเกลเวลา แทนที่จะเป็นนาทีของการเผาไหม้ เราให้ความสำคัญกับ สัปดาห์ของแสงอาทิตย์ แทนที่จะเป็นตันของเชื้อเพลิง เราเชื่อมั่นใน สนามและความอดทน
การสนทนาทุกครั้งเกี่ยวกับการบินอวกาศเริ่มต้นและสิ้นสุดด้วยพลังงาน พลังงานจลน์ต่อกิโลกรัมมวลที่จำเป็นสำหรับการรักษาวงโคจรกลมรอบโลกให้โดย
\(E_k = \frac{1}{2}v^2\)
ซึ่ง \(v\) คือความเร็ววงโคจร สำหรับวงโคจรต่ำของโลก \(v \approx 7.8 \times 10^3 \ \mathrm{m/s}\) ดังนั้น \(E_k \approx 3.0 \times 10^7 \ \mathrm{J/kg}\) หรือประมาณ 30 เมกะจูลต่อกิโลกรัม นั่นคือพลังงานเทียบเท่ากับการเผาไหม้ประมาณหนึ่งกิโลกรัมของน้ำมันเบนซินสำหรับทุกกิโลกรัมที่วางบนวงโคจร มันเป็นตัวเลขใหญ่ แต่ไม่ใช่ตัวเลขดาราศาสตร์
ตอนนี้เปรียบเทียบกับกระแสพลังงานแสงอาทิตย์ต่อเนื่องที่ยอดของชั้นบรรยากาศโลก: ประมาณ 1.360 วัตต์ต่อตารางเมตร หากเราสามารถแปลงแม้แต่เศษเสี้ยวเล็กๆ ของมันเป็นพลังงานจลน์ในช่วงวันหรือสัปดาห์ เราสามารถในหลักการจัดหาพลังงานวงโคจรที่จำเป็นได้ อาร์เรย์โฟโตโวลตาอิกสมัยใหม่ประสิทธิภาพสูงมีกำลังเฉพาะในระดับหลายร้อยวัตต์ต่อกิโลกรัม ที่ \(P_{\mathrm{sp}} = 300 \ \mathrm{W/kg}\) กิโลกรัมหนึ่งของอาร์เรย์ผลิต 300 จูลต่อวินาที ในหนึ่งวัน (\(8.64 \times 10^4\) วินาที) นั่นคือ \(2.6 \times 10^7\) จูล – เทียบเท่ากับพลังงานวงโคจรของมวลหนึ่งกิโลกรัม
การเปรียบเทียบง่ายๆ นี้แสดงให้เห็นตรรกะของแนวทางนี้ พลังงานสำหรับวงโคจรมีให้จากดวงอาทิตย์ประมาณ หนึ่งวันต่อกิโลกรัมของอาร์เรย์ หากสามารถแปลงเป็นแรงผลักดันอย่างมีประสิทธิภาพได้ ความท้าทายในทางปฏิบัติคือแรงต้านและความไร้ประสิทธิภาพดูดซับส่วนใหญ่ของมัน คำตอบคือความสูงและความอดทน: ทำงานในอากาศบางที่แรงต้านต่ำ และยืดกระบวนการเป็นสัปดาห์แทนชั่วโมง
จรวดแก้ปัญหาแรงต้านด้วยกำลังดิบ – พวกมันไปเร็วมากจนอากาศไม่เกี่ยวข้อง เรืออากาศในทางตรงกันข้าม ทำงานกับอากาศ; พวกมันสามารถล่าช้าได้ หากเวลาถูกมองว่าเป็นทรัพยากรที่ใช้แล้วทิ้ง มันสามารถแทนที่มวลเชื้อเพลิงได้ หน้าที่ของเรืออากาศคือรักษาการเร่งความเร็วเล็กน้อยแต่ต่อเนื่องในช่วงเวลายาวนาน อาจจะ ในระดับ \(10^{-3} \ \mathrm{m/s^2}\) จนกว่าจะบรรลุความเร็ววงโคจร
หากการลอยขึ้นสู่วงโคจรใช้เวลาสามสัปดาห์ หรือประมาณ \(1.8 \times 10^6\) วินาที การเร่งความเร็วเฉลี่ยที่จำเป็นคือ
\(\bar{a} = \frac{\Delta v}{t} = \frac{7.8 \times 10^3}{1.8 \times 10^6} \approx 4.3 \times 10^{-3} \ \mathrm{m/s^2}\)
– น้อยกว่าครึ่งพันธของแรงโน้มถ่วงของโลก การเร่งความเร็วเช่นนี้ทนได้ง่ายสำหรับเรืออากาศ; พวกมันไม่ก่อให้เกิดความเครียดโครงสร้าง ปัญหาเดียวคือ การรักษามัน โดยคำนึงถึงปริมาณแรงผลักดันที่ใช้ได้ต่อหน่วยกำลังที่น้อย
หากยานมีมวล \(10^3 \ \mathrm{kg}\) การเร่งความเร็วเฉลี่ย \(4 \times 10^{-3} \ \mathrm{m/s^2}\) ต้องการเพียงประมาณ 4 นิวตันของแรงผลักดันสุทธิ – น้อยกว่าน้ำหนักของแอปเปิ้ล ความไม่สมเหตุสมผลที่เห็นได้ชัดในการไปถึงวงโคจรด้วยแรงผลักดันของแอปเปิ้ลหายไปเมื่อเวลายืดออกเป็นสัปดาห์
เรืออากาศเริ่มต้นการเดินทางของมันเหมือนอุปกรณ์ลอยตัวใดๆ: โดยการแทนที่อากาศด้วยก๊าซที่เบากว่า แรงลอยตัวให้โดย
\(F_b = (\rho_{\mathrm{air}} - \rho_{\mathrm{gas}}) g V\)
ซึ่ง \(V\) คือปริมาตรของก๊าซ และ \(\rho\) คือความหนาแน่นที่เกี่ยวข้อง ใกล้ระดับน้ำทะเล \(\rho_{\mathrm{air}} \approx 1.2 \ \mathrm{kg/m^3}\) \(\rho_{\mathrm{He}} \approx 0.18 \ \mathrm{kg/m^3}\) และ \(\rho_{\mathrm{H_2}} \approx 0.09 \ \mathrm{kg/m^3}\) ไฮโดรเจนให้แรงยกที่มากกว่าเล็กน้อย ประมาณ 1.1 กก.ต่อลูกบาศก์เมตร เทียบกับ 1.0 กก.ต่อลูกบาศก์เมตร สำหรับฮีเลียม ความแตกต่างดูเหมือนเล็กน้อย แต่สะสมในหลายพันลูกบาศก์เมตร
ไฮโดรเจนจึงนำเสนอข้อได้เปรียบประสิทธิภาพที่วัดได้ แม้ว่าจะมีค่าใช้จ่ายในการติดไฟ มันต้องการโซนไฟฟ้าที่เข้มงวดและโปรโตคอลระบายอากาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเพราะยานยังบรรทุกระบบไฟฟ้าสถิตแรงดันสูง ฮีเลียมนำเสนอแรงยกที่ต่ำกว่าแต่ความเฉื่อยสมบูรณ์ ทั้งสองก๊าซมีชีวิต; การเลือกขึ้นอยู่กับความอดทนต่อความเสี่ยงของภารกิจ สำหรับการทดสอบสาธารณะหรือพื้นที่ที่มีประชากรในระยะแรก ฮีเลียมเป็นที่ต้องการ สำหรับความพยายามห่างไกลหรือวงโคจร ไฮโดรเจนอาจสมเหตุสมผล
เมื่อยานลอยขึ้น ความหนาแน่นของอากาศลดลงโดยประมาณแบบเอกซ์โพเนนเชียลกับความสูงสเกล \(H \approx 7.5 \ \mathrm{km}\) ที่ 30 กม. ความหนาแน่นประมาณ \(1/65\) ระดับน้ำทะเล; ที่ 50 กม. \(1/300\) แรงลอยตัวอ่อนลงตามนั้น แต่แรงต้านก็เช่นกัน อุปกรณ์ถูกออกแบบให้ถึง แรงลอยตัวเป็นกลาง ที่ความสูงที่ความเข้มข้นของแสงอาทิตย์ยังสูง แต่ความดันไดนามิกขั้นต่ำ – ประมาณ 30–40 กม. ในสตราโตสเฟอร์ จากนั้นการเร่งแนวนอนเริ่มต้น
เพื่อรักษาสูงในระหว่างการเร่ง เรืออากาศอาจพึ่งพา แรงยกทางอากาศไดนามิก บางส่วน สำหรับตัวเรือนยก กำลังยกและแรงต้านคือ
\(F_L = \frac{1}{2} \rho v^2 A C_L, \qquad F_D = \frac{1}{2} \rho v^2 A C_D\)
ซึ่ง \(A\) คือพื้นที่อ้างอิง \(C_L\) และ \(C_D\) คือสัมประสิทธิ์ยกและแรงต้าน เนื่องจาก \(\rho\) เล็กที่ความสูง กำลังเหล่านี้เล็ก; ยานชดเชยด้วย พื้นที่ใหญ่ และ น้ำหนักต่ำ
อัตราส่วน \(L/D = C_L / C_D\) กำหนดประสิทธิภาพการบินทางอากาศไดนามิก กลายเดอร์สมัยใหม่สามารถเกิน \(L/D = 50\) ในอากาศหนาแน่น เรืออากาศอัลตราเบาที่ออกแบบด้วยความเรียบเนียนสุดขีดและส่วนเสริมขั้นต่ำสามารถรักษา \(L/D\) 10–20 ที่มีประสิทธิภาพแม้ในอากาศบางได้อย่างสมเหตุสมผล แต่เมื่ออากาศบางลงต่อ แบบการเปลี่ยนผ่านไปสู่การบินวงโคจรไม่ถูกจำกัดโดยแรงยก – มันถูกควบคุมโดย กำลังต้านทาน
กำลังที่จำเป็นเพื่อเอาชนะแรงต้านคือ
\(P_D = F_D v = \frac{1}{2} \rho v^3 A C_D\)
และสเกลกับกำลังสามของความเร็ว นี่คือเหตุผลที่จรวดเร่งเร็ว: ถ้าพวกมันล่าช้า แรงต้านจะบริโภคพลังงานของพวกมันแบบเอกซ์โพเนนเชียล เรืออากาศใช้เส้นทางตรงกันข้าม: มันเร่งที่ \(\rho\) เล็กมากที่ \(P_D\) ยังคงจำกัดแม้ที่กิโลเมตรต่อวินาที
ถ้าเช่น \(\rho = 10^{-5} \ \mathrm{kg/m^3}\) (ปกติใกล้ 60 กม. สูง) \(A = 100 \ \mathrm{m^2}\) \(C_D = 0.05\) และ \(v = 1.000 \ \mathrm{m/s}\) แล้ว
\(P_D = 0.5 \times 10^{-5} \times (10^3)^3 \times 100 \times 0.05 = 2.5 \times 10^4 \ \mathrm{W}\),
หรือ 25 kW – ง่ายต่อการเข้าถึงด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ ในทางตรงกันข้าม ที่ระดับน้ำทะเลการกำหนดค่าดังกล่าวจะต้องการ 25 กิกะวัตต์
กฎคือเรียบง่าย: อากาศบางซื้อเวลา และ เวลาทดแทนเชื้อเพลิง
ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์สังเกตเห็นว่าสนามไฟฟ้าที่เข้มข้นใกล้ขั极ตัดในอากาศสร้างมงกุฎสีน้ำเงินอ่อนและการไหลของอากาศที่ละเอียดอ่อน “ลมไฟฟ้า” นี้เกิดจากการถ่ายโอนโมเมนตัมระหว่างไอออนและกลางๆ มันถูกมองว่าเป็นความอยากรู้อยากเห็นเป็นหลัก จนกระทั่งอิเล็กทรอนิกส์แรงดันสูงโต เมื่อจัดวางอย่างถูกต้อง เอฟเฟกต์สามารถผลิตแรงผลักดันที่วัดได้
การขับเคลื่อนทางไฟฟ้าแอโรไดนามิกทำงานโดยการใช้แรงดันสูงระหว่าง เอมิเตอร์ ลวดบางหรือขอบที่ผลิตไอออน และ ผู้รวบรวม ขั极ที่กว้างกว่าที่รับมัน ไอออนถูกเร่งในสนามไฟฟ้า ชนกับโมเลกุลอากาศกลางๆ และถ่ายโอนโมเมนตัมไปข้างหน้าให้ก๊าซ อุปกรณ์รู้สึกถึงปฏิกิริยาที่เท่ากันและตรงกันข้าม สร้างแรงผลักดัน
ในขณะที่การสาธิต 초기เรียบง่าย การทดลองล่าสุด – รวมถึง เครื่องบินไอออน ปีกคงที่ที่บินโดย MIT ในปี 2018 – พิสูจน์ว่าการบินที่มั่นคงและเงียบสงบเป็นไปได้ อย่างไรก็ตาม แนวคิดนี้เกิดขึ้นก่อนจุดนั้น หลายปีก่อน การวิจัยใน สูตรที่อิงจากเทนเซอร์แม็กซ์เวลล์ ของแรงผลักดันทางไฟฟ้าแอโรไดนามิกแสดงให้เห็นว่าฟิสิกส์เดียวกันสามารถสเกลไปยังเรขาคณิตที่ใหญ่กว่าและอากาศที่บางลงได้ ในรูปแบบนั้น แรงผลักดันไม่ได้มาจาก “ลม” แต่จาก ความเครียดทางแม่เหล็กไฟฟ้า ที่รวมกันเหนือปริมาตรของพื้นที่การปล่อย
สมการที่เกี่ยวข้องถูกอนุมานจาก เทนเซอร์ความเครียดแม็กซ์เวลล์ \(\mathbf{T}\) ซึ่งสำหรับสนามไฟฟ้าสถิตคือ
\(\mathbf{T} = \varepsilon \left( \mathbf{E}\mathbf{E} - \frac{1}{2}E^2 \mathbf{I} \right)\)
ซึ่ง \(\varepsilon\) คือค่าคงที่ของสื่อ \(\mathbf{E}\) คือเวกเตอร์สนามไฟฟ้า และ \(\mathbf{I}\) คือเทนเซอร์เอกลักษณ์ แรงแม่เหล็กไฟฟ้าสุทธิบนวัตถุได้จากการรวมเทนเซอร์นี้เหนือพื้นผิวของมัน:
\(\mathbf{F}_{\mathrm{EM}} = \oint_{\partial V} \mathbf{T} \cdot \mathbf{n} \, dS\)。
ในพื้นที่ที่ถูกไอออไนซ์ มันถูกทำให้ง่ายเป็น ความหนาแน่นของแรงปริมาตร
\(\mathbf{f} = \rho_e \mathbf{E} - \frac{1}{2}E^2 \nabla \varepsilon\),
ซึ่ง \(\rho_e\) คือความหนาแน่นของประจุท้องถิ่น ในก๊าซที่มีค่าคงที่โดยประมาณสม่ำเสมอ วรรคที่สองหายไป ทิ้งไว้ให้ แรงตัวของคูลอมบ์ ที่สวยงาม
\(\mathbf{f} \approx \rho_e \mathbf{E}\)。
การแสดงออกที่กระชับนี้คือแก่นของการขับเคลื่อนทางไฟฟ้าแอโรไดนามิก: ทุกที่ที่สนามไฟฟ้าและประจุอวกาศอยู่ร่วมกัน แรงตัวสุทธิจะกระทำต่อสื่อ
ไอออนเองมีน้อย แต่โมเมนตัมของพวกมันถูกส่งต่อไปยังกลางๆ ผ่านการชน เส้นทางอิสระเฉลี่ย \(\lambda\) ระหว่างการชนกำหนดว่ามันจะแพร่กระจายอย่างไร; มันสเกลย้อนกลับกับแรงดัน ที่แรงดันต่ำกว่า ไอออนเดินทางไกลกว่าต่อการชน และประสิทธิภาพการถ่ายโอนโมเมนตัมเปลี่ยนแปลง มี ช่วงแรงดันที่เหมาะสม ที่ไอออนยังสามารถชนกันบ่อยพอที่จะผลักก๊าซ แต่ไม่บ่อยมากจนเสียพลังงานในการให้ความร้อนแก่它 สำหรับชั้นบรรยากาศของโลก ช่วงนั้นอยู่ระหว่างไม่กี่ตอร์และไม่กี่มิลลิ-ตอร์ – ช่วงที่พบระหว่าง 40 และ 80 กิโลเมตร
โครงสร้างของเรืออากาศจึงเป็นโฮสต์ที่เหมาะสมสำหรับกระเบื้องทางไฟฟ้าแอโรไดนามิกที่ทำงานในสภาพแวดล้อมธรรมชาติของพวกมัน ชั้นบรรยากาศเองคือมวลปฏิกิริยา
ในมุมมองแรก การขับเคลื่อนทางไฟฟ้าแอโรไดนามิกดูไม่น่าจะเป็นไปได้ แนวคิดที่ชุดขั极ที่เงียบและนิ่งสามารถสร้างแรงผลักดันที่แข็งแกร่งพอที่จะขยับเรืออากาศดูเหมือนขัดแย้งกับประสบการณ์ประจำวัน การขาดมวลปฏิกิริยาที่มองเห็นได้หรือเครื่องจักรที่เคลื่อนไหวท้าทายสัญชาตญาณ อย่างไรก็ตาม ไอออนแต่ละตัวที่ลอยในสนามไฟฟ้าพกโมเมนตัม และโมเมนตัมถูกอนุรักษ์ สนามทำหน้าที่เป็นคันโยกที่มองไม่เห็น และอากาศคือของเหลวทำงานของมัน
พื้นฐานของปรากฏการณ์นี้ไม่ได้อยู่ในฟิสิกส์พลาสมาแปลกประหลาด แต่ใน สมการแม็กซ์เวลล์ และการแสดงออกเชิงกลของพวกมัน เทนเซอร์ความเครียดแม็กซ์เวลล์ การกำหนดแบบเทนเซอร์นี้ทำให้ชัดเจนว่าสนามไฟฟ้าไม่ใช่แค่รูปแบบของศักย์ – พวกมันเก็บและถ่ายโอนความเครียดเชิงกลในสื่อรอบข้าง
เทนเซอร์ความเครียดแม็กซ์เวลล์ ในไฟฟ้าสถิตคือ
\(\mathbf{T} = \varepsilon \left( \mathbf{E}\mathbf{E} - \frac{1}{2}E^2 \mathbf{I} \right)\)
ซึ่ง \(\varepsilon\) คือค่าคงที่ \(\mathbf{E}\) คือสนามไฟฟ้า และ \(\mathbf{I}\) คือเทนเซอร์เอกลักษณ์ วรรคแรกแทนความดันทิศทางตามเส้นสนาม และวรรคที่สองคือความตึงที่ต้านทานการกระจายของสนาม
แรงแม่เหล็กไฟฟ้าสุทธิ บนวัตถุที่จมในสนามเช่นนี้คืออินทิกรัลพื้นผิวของเทนเซอร์นี้:
\(\mathbf{F}_{\mathrm{EM}} = \oint_{\partial V} \mathbf{T} \cdot \mathbf{n} \, dS\)。
ทางกายภาพ การแสดงออกนี้บอกเราว่าสนามไฟฟ้าสร้างความเครียดบนขอบเขตของพื้นที่ใดๆ ที่มีประจุหรือเกรเดียนต์ของไดอิเล็กทริก แต่สามารถเขียนใหม่ในรูปแบบปริมาตรที่เป็นท้องถิ่นมากขึ้นโดยใช้ทฤษฎีการกระจาย:
\(\mathbf{f} = \nabla \cdot \mathbf{T} = \rho_e \mathbf{E} - \frac{1}{2}E^2 \nabla \varepsilon\)。
วรรคแรก \(\rho_e \mathbf{E}\) คือ แรงตัวของคูลอมบ์ ที่คุ้นเคย: ความหนาแน่นของประจุที่สัมผัสสนาม วรรคที่สองสำคัญเฉพาะที่ค่าคงที่ของสื่อเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว เช่นที่ขอบวัสดุ ในอากาศ \(\varepsilon\) เป็นพื้นฐานที่สม่ำเสมอ ดังนั้น \(\nabla \varepsilon \approx 0\) ทิ้งไว้
\(\mathbf{f} = \rho_e \mathbf{E}\)。
สมการที่ดูเหมือนเรียบง่ายนี้เข้ารหัสหลักการทั้งหมดของการขับเคลื่อนทางไฟฟ้าแอโรไดนามิก หากมีปริมาตรของก๊าซที่ไอออน (ด้วยความหนาแน่น \(\rho_e\)) สัมผัสสนามไฟฟ้า \(\mathbf{E}\) แล้ว ความหนาแน่นของแรงสุทธิ จะกระทำต่อก๊าซนั้น ขนาดของแรงผลักดันรวมคืออินทิกรัลปริมาตรของ \(\rho_e \mathbf{E}\) เหนือพื้นที่การปล่อย:
\(\mathbf{F} = \int_V \rho_e \mathbf{E} \, dV\)。
ขั极รู้สึกถึงปฏิกิริยาที่เท่ากันและตรงกันข้าม สร้างแรงผลักดัน
ไอออนในอากาศเดินทางไกลก่อนชนกับโมเลกุลกลางๆ น้อยมาก เส้นทางอิสระเฉลี่ย \(\lambda\) สัมพันธ์ผกผันกับความดันก๊าซ \(p\) และพื้นที่ตัด \(\sigma\):
\(\lambda \approx \frac{kT}{\sqrt{2} \pi d^2 p}\)
ซึ่ง \(d\) คือเส้นผ่านศูนย์กลางโมเลกุล ที่ระดับน้ำทะเล \(\lambda\) เล็กมาก – ในระดับสิบๆ นาโนเมตร ในเมโซสเฟียร์ (ประมาณ 70 กม.) \(\lambda\) ยืดถึงมิลลิเมตรหรือเซนติเมตร
เมื่อไอออนถูกเร่งภายใต้สนาม มันถ่ายโอนโมเมนตัมไปยังกลางๆ ผ่านการชน แต่ละการชนแบ่งส่วนของโมเมนตัมที่กำหนดทิศทางของไอออน; เอฟเฟกต์สะสมคือ กระแสกลางหลัก – ที่นักทดลองเรียกว่า ลมไอออน ก๊าซเคลื่อนจากเอมิเตอร์ไปยังผู้รวบรวม และขั极สัมผัสกับแรงผลักดันปฏิกิริยาตรงกันข้าม
ในอากาศหนาแน่นมาก ไอออนชนกันบ่อยเกินไป; ความเร็วลอยของพวกมันอิ่มตัว และพลังงานสูญเสียเป็นความร้อน ในอากาศบางมาก การชนหายากเกินไป; ไอออนบินอิสระแต่ไม่ลากกลางๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ระหว่างสองขั้วสุดโต่งนี้คือ จุดหวาน ที่เส้นทางอิสระเฉลี่ยอนุญาตให้ถ่ายโอนโมเมนตัมที่มีประสิทธิภาพ – พื้นที่ที่เรืออากาศผ่านในทางสู่จักรวาล
ที่ความดันประมาณ \(10^{-2}\) ถึง \(10^{-4}\) บาร์ (ตรงกับ 40–80 กม. สูง) ไอออนสามารถเร่งเหนือระยะทางมาโครก่อนชน แต่การชนยังเกิดขึ้นบ่อยพอที่จะสร้างแรงผลักดัน การคู่ไฟฟ้าแอโรไดนามิก ระหว่างสนามและก๊าซอยู่ในสถานะที่ดีที่สุด
กำลังไฟฟ้าที่ส่งไปยังการปล่อย \(P = \int_V \mathbf{J} \cdot \mathbf{E} \, dV\) ซึ่งประมาณ \(IV\) สำหรับกระแสคงที่ \(I\) และแรงดัน \(V\) เอาต์พุตเชิงกลที่เป็นประโยชน์คือแรงผลักดันคูณด้วยความเร็วของมวลอากาศที่ถูกเร่ง แต่ในสถานะคงที่เราสนใจหลักๆ ใน อัตราส่วนแรงผลักดันต่อกำลัง \(T/P\)
การศึกษาทดลองรายงานค่า \(T/P\) จากไม่กี่มิลลินิวตันต่อวัตต์ (\(\mathrm{mN/W}\)) เกือบ \(0.1 \ \mathrm{N/W}\) ในสภาวะที่ปรับปรุงแล้ว ในอากาศบรรยากาศที่ความดันมาตรฐาน EAD ไม่มีประสิทธิภาพ; แต่ที่ความดันลดลง ความเคลื่อนไหวของไอออนเพิ่มขึ้นและความหนาแน่นของกระแสสามารถรักษาได้ที่แรงดันต่ำกว่า ปรับปรุง \(T/P\)
ข้อโต้แย้งมิติง่ายๆ เชื่อมโยงความหนาแน่นของแรงตัว \(f = \rho_e E\) กับความหนาแน่นของกระแส \(J = \rho_e \mu E\) ซึ่ง \(\mu\) คือความเคลื่อนไหวของไอออน แล้ว
\(f = \frac{J}{\mu}\),
ดังนั้นสำหรับความหนาแน่นของกระแสที่กำหนด ความเคลื่อนไหวที่สูงกว่า (บรรลุที่ความดันต่ำกว่า) ให้แรงผลักดันมากกว่าต่อกระแส กำลังไฟฟ้าทั้งหมดคือ \(P = J E V\) ดังนั้น อัตราส่วนแรงผลักดันต่อกำลัง สเกลเป็น
\(\frac{T}{P} \approx \frac{1}{E \mu}\),
บ่งชี้ว่าสนามไฟฟ้าที่ต่ำกว่าหรือความเคลื่อนไหวของไอออนที่สูงกว่าปรับปรุงประสิทธิภาพ แต่ \(E\) ต่ำกว่าก็ลดกระแสและดังนั้นแรงผลักดันรวม ดังนั้นอีกครั้งมีระบอบที่เหมาะสม
ความสัมพันธ์เหล่านี้ไม่ใช่ความอยากรู้ทางทฤษฎี – พวกมันกำหนดการออกแบบของแต่ละกระเบื้อง EAD ที่ความสูงที่กำหนด แรงดัน ช่องว่าง และเรขาคณิตของเอมิเตอร์ต้องถูกปรับแต่งเพื่อให้ เส้นโค้งพาเชน (ที่เชื่อมโยงแรงดันทะลุกับผลคูณความดัน–ระยะทาง) ถูกพอใจแต่ไม่เกิน
กฎของพาเชนสำหรับอากาศสามารถแสดงประมาณได้เป็น
\(V_b = \frac{B p d}{\ln (A p d) - \ln [\ln (1 + 1/\gamma_{\mathrm{se}})]}\)
ซึ่ง \(A\) และ \(B\) คือค่าคงที่ทางทดลอง และ \(\gamma_{\mathrm{se}}\) คือสัมประสิทธิ์การปล่อยอิเล็กตรอนรอง จีโอเมทรีที่เปลี่ยนแปลงของเรืออากาศอนุญาตให้ \(d\) ระยะห่างของขั极ถูกปรับแบบไดนามิกเพื่อรักษาการปล่อยโคโรนาที่มีประสิทธิภาพโดยไม่มีอาร์คขณะที่ความดันโดยรอบลดลงระหว่างการลอยขึ้น
การสาธิต “ลิฟเตอร์” ต้นๆ ใช้ลวดบางเป็นเอมิเตอร์และฟอยล์แบนเป็นผู้รวบรวม เส้นสนามโค้งอย่างแรง และส่วนใหญ่ของพลังงานไปที่การรักษาโคโรนาแทนที่จะผลิตแรงผลักดันที่เป็นประโยชน์ ประสิทธิภาพต่ำเพราะ สนามความเครียดแม็กซ์เวลล์ ไม่ตรงกับทิศทางของแรงผลักดันที่ต้องการ
ข้อมูลสำคัญ – พัฒนาในงานทฤษฎีก่อนไอออโนเพลนของ MIT – คือการรักษาสนามไฟฟ้าไม่ใช่ผลิตภัณฑ์รอง แต่เป็นตัวแปรการออกแบบหลัก แรงผลักดันเกิดจาก อินทิกรัลความเครียดทางแม่เหล็กไฟฟ้า ตามเส้นสนาม ดังนั้นเป้าหมายคือการกำหนดเส้นเหล่านั้นให้ขนานและสอดคล้องกันในพื้นที่กว้าง การเปรียบเทียบคือทางอากาศไดนามิก: เช่นเดียวกับการไหลแบบลามิнарที่เรียบที่ลดแรงต้าน ทอโพโลจีสนามไฟฟ้าสถิตที่เรียบปรับปรุงความเครียดที่กำหนดทิศทางสูงสุด
“วิศวกรรมทอโพโลจีสนาม” นี้กำหนดอุปกรณ์ใหม่เป็น ตัวกระตุ้นไฟฟ้าสถิต แทนของเล่นพลาสมา โดยการควบคุมความโค้งของขั极 พุ่งศักย์เฝ้า และชั้นไดอิเล็กทริก สามารถทำให้ \(\mathbf{E}\) เกือบสม่ำเสมอเหนือเส้นทางเร่ง สร้างความเครียดแบบกึ่งเชิงเส้นและหลีกเลี่ยงการโฟกัสตัวเองที่ทำลายล้างที่ทำให้เกิดอาร์ค
ผลลัพธ์คือความสามารถในการสเกล เมื่อขั极ถูกเทสเซลเลตเป็นกระเบื้องตารางเมตร แต่ละอันมีตัวแปลงแรงดันสูงและตรรกะการควบคุมของตัวเอง โครงสร้างทั้งหมดของเรืออากาศสามารถเปลี่ยนเป็นอาร์เรย์ EAD กระจายขนาดยักษ์ ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหวเพื่อซิงโครไนซ์ เพียงสนามเพื่อประสานงาน
ความหนาแน่นของแรงตัวปริมาตรคือ \(f = \rho_e E\) ความหนาแน่นของประจุในปล่อยโคโรนาตัวอย่างที่ความดันบรรยากาศอยู่ในระดับ \(10^{-5}\) ถึง \(10^{-3} \ \mathrm{C/m^3}\) ที่ความดันลดลง มันสามารถลดลงเล็กน้อย แต่สนามไฟฟ้า \(E\) สามารถเพิ่มขึ้นอย่างปลอดภัยถึงสิบกิโลวัตต์ต่อเซนติเมตรโดยไม่มีทะลุ
หาก \(\rho_e = 10^{-4} \ \mathrm{C/m^3}\) และ \(E = 10^5 \ \mathrm{V/m}\) ความหนาแน่นของแรงคือ \(f = 10 \ \mathrm{N/m^3}\) กระจายเหนือพื้นที่ใช้งานหนา 1 m มันให้ความดันพื้นผิว 10 N/m² – เทียบเท่ากับไม่กี่มิลลิพัสคาล มันอาจดูเล็ก แต่เหนือหลายพันตารางเมตรมันกลายเป็นสำคัญ พื้นผิว 1000 m² กับความเครียด 10 N/m² ผลิต 10 000 N แรงผลักดัน พอสำหรับการเร่งยานหลายตันที่ระดับมิลลิ-g – ตรงกับระบอบที่จำเป็นสำหรับการยกวงโคจรหลายสัปดาห์
การประมาณการเช่นนี้แสดงว่าทำไม EAD แม้จะมีความหนาแน่นของกำลังต่ำ กลายเป็นเป็นไปได้สำหรับ โครงสร้างใหญ่และเบา ในอากาศบาง ต่างจากหัวจรวดที่ได้ประสิทธิภาพเฉพาะเมื่อความหนาแน่นของกำลังสูง EAD ได้รับประโยชน์จากพื้นที่ ตัวเรือนของเรืออากาศให้พื้นที่อุดมสมบูรณ์; การเปลี่ยนมันเป็นพื้นผิวใช้งานคือการจับคู่ทางธรรมชาติ
ระบบฟิสิกส์ทุกตัวมีช่องปฏิบัติการ สำหรับการขับเคลื่อน EAD ระบอบที่ดีที่สุดคือที่ซึ่งความดันก๊าซต่ำพอที่จะอนุญาตให้แรงดันสูงและเส้นทางอิสระไอออนยาว แต่ไม่ต่ำมากจนพลาสมาไร้การชน
ต่ำกว่า 20 กม. ชั้นบรรยากาศหนาแน่นเกินไป: ความเคลื่อนไหวของไอออนต่ำ แรงดันทะลุสูง และพลังงานสูญเปล่าในการให้ความร้อนก๊าซ สูงกว่า 100 กม. อากาศบางเกินไป: การไอออไนซ์ไม่สามารถรักษาได้ต่อเนื่อง และมวลปฏิกิริยากลางๆ หายไป ระหว่าง 40 ถึง 80 กม. คือ ช่วงเปลี่ยนผ่าน – เมโซสเฟอร์ล่าง – ที่การขับเคลื่อน EAD สามารถผลิตอัตราส่วนแรงผลักดันต่อกำลังที่ดีที่สุด
สะดวก นี่คือช่วงความสูงที่พลังงานแสงอาทิตย์ยังคงไม่ลดลง และแรงต้านทางอากาศไดนามิกมีขนาดเล็กกว่าหลายระดับที่ระดับน้ำทะเล มันเป็นหน้าต่างแคบแต่ให้อภัย คอร์ริเดอร์ธรรมชาติสำหรับยานพาหนะชนิดใหม่: ไม่ใช่เครื่องบินหรือจรวด แต่สิ่งที่อาศัยอยู่ในส่วนทับซ้อนระหว่างพวกมัน
ในทุกขณะ กำลังไฟฟ้าที่ป้อน \(P\) ถูกแบ่งระหว่าง:
ประสิทธิภาพรวมคือ \(\eta = P_T / P\) การทดลองแนะนำว่า \(\eta\) สามารถถึงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ในอากาศหนาแน่นและอาจหลายสิบเปอร์เซ็นต์ในการดำเนินงานแรงดันต่ำที่ปรับปรุงแล้ว แม้จะ скром แต่ตัวเลขเหล่านี้เพียงพอสำหรับระบบที่ขับเคลื่อนด้วยแสงอาทิตย์ที่ทำงานในช่วงเวลายาว ซึ่งประสิทธิภาพสามารถแลกเปลี่ยนกับเวลา
ต่างจากระบบขับเคลื่อนเคมีที่ต้องถึงประสิทธิภาพสูงต่อวินาทีเพื่อลดเชื้อเพลิง เรืออากาศ EAD แสงอาทิตย์สามารถยอมรับความไร้ประสิทธิภาพได้หากสามารถ ทำงานไม่สิ้นสุด ตัวชี้วัดความสำเร็จไม่ใช่แรงกระตุ้นเฉพาะ แต่ ความอดทนเฉพาะ: จูลที่สะสมในช่วงวัน
เพื่อแสดงการเชื่อมต่อระหว่างทฤษฎีสนามและประสบการณ์ประจำวัน พิจารณาคอนเดนเซอร์แผ่นขนานในสุญญากาศ แรงดันระหว่างแผ่นคือ \(p = \frac{1}{2}\varepsilon_0 E^2\) หาก \(E = 10^6 \ \mathrm{V/m}\) แล้ว \(p \approx 4.4 \ \mathrm{N/m^2}\) คูณด้วยพื้นที่ และคุณได้แรงเชิงกลที่จำเป็นสำหรับการแยกแผ่น ความเครียดไฟฟ้าสถิตคือแรงดันเชิงกลอย่างแท้จริง
การขับเคลื่อน EAD แทนที่แผ่นหนึ่งด้วยบรรยากาศเอง ไอออนคือสื่อที่สนามความเครียดถูกส่งผ่าน แทนแรงดันคงที่ เราได้การไหลที่กำหนดทิศทาง สมการ \(\mathbf{f} = \rho_e \mathbf{E}\) คืออนุกรมแบบไดนามิกของแรงดันคอนเดนเซอร์คงที่นั้น
เมื่อรวมเหนือพื้นผิวของเรืออากาศ ความเครียดที่รวมกันกลายเป็นเวกเตอร์แรงผลักดันสุทธิ เช่นเดียวกับแรงดันที่รวมกันเหนือพื้นผิวปีกให้แรงยก อะนาล็อกกี้ลึก: แรงยกทางอากาศไดนามิกคือการไหลของโมเมนตัมอากาศที่เบี่ยงเบนโดยพื้นผิว; แรงผลักดัน EAD คือการไหลของโมเมนตัมไอออนที่ถูกเร่งโดยสนาม
เป็นเวลาหลายทศวรรษ ผู้สงสัยปฏิเสธ EAD เป็นความอยากรู้ในห้องปฏิบัติการ จากนั้นในปี 2018 เครื่องบินปีกคงที่ขนาดเล็กที่สร้างโดย MIT แสดง การบินที่มั่นคงโดยไม่มีใบพัด ที่ขับเคลื่อนด้วยแรงผลักดันทางไฟฟ้าแอโรไดนามิกเท่านั้น “Ionoplane” ชั่งน้ำหนักประมาณ 2.5 กก. และบินหลายสิบเมตรด้วยพลังงานจากแบตเตอรี่ อัตราส่วนแรงผลักดันต่อน้ำหนักของมันเล็ก แต่ความสำเร็จเป็นประวัติศาสตร์: ยานพาหนะที่หนักกว่าน้ำหนักอากาศตัวแรกที่ได้รับการสนับสนุนในการบินด้วยระบบขับเคลื่อนไอออน
สำคัญคือ ทฤษฎีและพื้นฐานแนวคิดที่นำไปสู่การสาธิตนั้นถูกพัฒนาอย่างอิสระแล้ว กรอบทฤษฎีที่นำเสนอใน การขับเคลื่อนทางไฟฟ้าแอโรไดนามิก (ดู https://farid.ps/articles/electroaerodynamic_propulsion/en.html) ได้อธิบายกลไกเดียวกันในแง่ของ ความเครียดแม็กซ์เวลล์ และ แรงตัวของคูลอมบ์ หลายปีก่อน เน้นทอโพโลจีสนามและความสามารถในการสเกลแทนเคมีของโคโรนา
Ionoplane ของ MIT พิสูจน์ความเป็นจริงของเอฟเฟกต์ในอากาศหนาแน่น โครงการ Rise–Fly–Orbit มุ่งขยายมันไปสู่อากาศบาง ที่ซึ่งฟิสิกส์กลายเป็นยิ่งเอื้ออำนวย หากเครื่องบินเล็กสามารถบินที่ 1 บาร์ เรืออากาศแสงอาทิตย์สามารถบินสู่วงโคจรที่ไมโครบาร์ ด้วยความอดทนและแสงอาทิตย์ที่พอ
การขับเคลื่อน EAD เป็นแนวคิดที่สง่างาม: ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหว ไม่มีการเผาไหม้ ไม่มีไอเสียความเร็วสูง ไม่มีครายโอเจนิกส์ องค์ประกอบของมันแข็งแกร่งตามธรรมชาติ – ขั极 ไดอิเล็กทริก ตัวแปลงกำลัง และผิวโฟโตโวลตาอิก ระบบสเกลตามธรรมชาติกับพื้นที่ ไม่ใช่มวล
ความท้าทายทางเทคนิคย้ายจากอุณหพลศาสตร์ไปยัง วิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาศาสตร์วัสดุ: การป้องกันการกัดกร่อนของโคโรนา การจัดการการรั่วไหลของประจุ และการรักษาการแยกแรงดันสูงในความดันที่เปลี่ยนแปลง สิ่งเหล่านี้แก้ไขได้ด้วยวัสดุสมัยใหม่และไมโครอิเล็กทรอนิกส์
เนื่องจากกลไก EAD ขึ้นอยู่เฉพาะกับเรขาคณิตของสนามและความเคลื่อนไหวของไอออน มันจึง เป็นโมดูลาร์โดยกำเนิด แต่ละตารางเมตรของผิวเรืออากาศสามารถถือเป็นกระเบื้องที่มี \(T/P\) และลักษณะแรงดันที่รู้จักกันดี แรงผลักดันรวมของยานคือผลรวมเวกเตอร์ของหลายพันกระเบื้องอิสระ โมดูลาร์นี้ช่วยให้การเสื่อมสภาพที่สง่างาม – ความล้มเหลวของโมดูลไม่กี่ตัวไม่กระทบต่อทั้งหมด
เมื่อเชื่อมต่อกับพลังงานแสงอาทิตย์ การขับเคลื่อน EAD กลายเป็นไม่ใช่แหล่งแรงผลักดันเท่านั้น แต่เป็น ระบบสภาพภูมิอากาศ สำหรับยาน สนามเดียวกันที่สร้างแรงผลักดันยังไอออไนซ์ก๊าซร่องรอย ลดการชาร์จพื้นผิว และอาจส่งผลต่อคุณสมบัติของชั้นขอบเขต สนามไฟฟ้าสามารถทำหน้าที่เป็น “ใบเรือไฟฟ้าสถิต” ที่ปรับได้ ซึ่งโต้ตอบอ่อนๆ กับสนามแม่เหล็กของโลกหรือพลาสมาโดยรอบในชั้นบรรยากาศบน
ในระยะยาว สามารถจินตนาการการควบคุมแอคทีฟของแรงต้านโดยการจัดการการกระจายประจุพื้นผิว – โล่ต้านทานทางไฟฟ้าไดนามิก ที่เปลี่ยนความเครียดสนามท้องถิ่นเพื่อปรับเส้นทางการบินโดยไม่มีพื้นผิวควบคุมเชิงกล
ความเป็นไปได้เหล่านี้ย้ายการขับเคลื่อน EAD เกินความอยากรู้ไปสู่ขอบเขตของเทคโนโลยีควบคุมการบินสถานะของแข็งหลายวัตถุประสงค์ – ใช้ได้ทุกที่ที่ก๊าซหรือพลาสมาสามารถถูกโพลาไรซ์และเร่งด้วยสนามไฟฟ้า
ข้อดีพื้นฐานของแนวคิด Rise–Fly–Orbit ไม่ใช่ในวัสดุแปลกประหลาดหรือฟิสิกส์ปฏิวัติ แต่ใน การจัดเรียงใหม่ของหลักการที่คุ้นเคย แรงลอยตัว พลังงานแสงอาทิตย์ และไฟฟ้าสถิตทั้งหมดเข้าใจดี สิ่งที่ใหม่คือวิธีที่พวกมันถูกเรียงลำดับเป็นหนึ่งคอนตินูอัม: การลอยขึ้นโดยไม่มีช่วงเวลาของความไม่ต่อเนื่อง
จรวดผ่านระบอบที่แตกต่าง – การปล่อย การไหม้ การลอย และวงโคจร เรืออากาศทางไฟฟ้าแอโรไดนามิก ในทางตรงกันข้าม 经历เพียงการเปลี่ยนผ่านแบบค่อยเป็นค่อยไป มันลอยขึ้นด้วยความเบา บินด้วยแรงยก และโคจรด้วยความเฉื่อย แต่ละขั้นตอนหลอมรวมเข้าสู่ขั้นตอนถัดไป ควบคุมโดยการโต้ตอบที่มั่นคงเดียวกันของแรงลอยตัว แอโรไดนามิก และไฟฟ้าสถิต
เปลือกของเรืออากาศต้องตอบสนองความต้องการที่ขัดแย้ง: มันต้องเป็นทั้ง เบาและแข็งแรง นำไฟฟ้าและแยก โปร่งใสต่อแสงอาทิตย์แต่ต้านทานรังสี สิ่งเหล่านี้สามารถปรับสมดุลได้ผ่านการก่อสร้างแบบชั้น
ชั้นนอกสุดสามารถเป็น โพลิเมอร์ที่โลหะ – ตัวอย่างเช่น ฟิล์มบางของคาปตันที่เคลือบอะลูมิเนียมหรือโพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต ชั้นนี้ให้การป้องกัน UV และทำหน้าที่เป็นพื้นผิวขั极บางส่วนสำหรับกระเบื้อง EAD ใต้それは ชั้นไดอิเล็กทริก ที่ป้องกันการปล่อยที่ไม่ต้องการและกำหนดช่องว่างไปยังขั极ผู้รวบรวมภายใน โครงสร้างภายในคือเครือข่ายของเมมเบรนที่ตึงและค้ำยันที่รักษาเรขาคณิตโดยรวมที่ความดันเกินภายในเล็กน้อย ในระดับ \(Δp \approx 300 \ \mathrm{Pa}\) – เพียงไม่กี่พันของความดันบรรยากาศ
ความดันเกินนี้พอที่จะรักษาเปลือกให้ตึง แต่ไม่พอที่จะทำให้มวลโครงสร้างสำคัญ ในทางปฏิบัติ ยานทั้งหมดคือคอนเดนเซอร์ขนาดใหญ่และเบา ผิวของมันถูกชาร์จและมีชีวิตด้วยเส้นสนาม
ปริมาตรภายในถูกเติมด้วยก๊าซยก – ไฮโดรเจนหรือฮีเลียม เนื่องจากความดันเกินที่จำเป็นเล็กน้อย ข้อกำหนดการรับน้ำหนักของวัสดุจึง скром เป็นหลัก ปัญหาหลักคือการซึมผ่านของก๊าซและการเสื่อมสภาพ UV ระหว่างภารกิจยาว ซึ่งทั้งสองแก้ไขได้ด้วยการเคลือบสมัยใหม่และฟิล์มชั้น
การเลือกก๊าซกำหนดบุคลิกภาพของยาน
ไฮโดรเจน นำเสนอแรงยกสูงสุด ให้แรงลอยตัวประมาณ 10% มากกว่าไฮโดรเจน ความแตกต่างนี้กลายเป็นสำคัญเมื่อปริมาตรรวมถึงล้านลูกบาศก์เมตร ไฮโดรเจนยังหาได้ง่ายและสามารถผลิตในสถานที่ด้วยการอิเล็กโทรลิซิสด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ของน้ำ ข้อเสียของมัน แน่นอน คือความไวไฟ
การมีอยู่ของไฟฟ้าสถิตแรงดันสูงทำให้การจัดการไฮโดรเจนไม่ใช่เรื่องง่าย ความปลอดภัยขึ้นอยู่กับการแบ่งส่วนที่ละเอียดอ่อน การคัดกรองไฟฟ้าสถิต และการระบายอากาศ โมดูล EAD เองถูกปิดผนึกและแยกจากเซลล์ก๊าซด้วยบาเรียไดอิเล็กทริก และความแตกต่างของศักย์ผ่านโครงสร้างถูกลดลงด้วยการกระจายประจุที่สมมาตร
ฮีเลียม ในทางตรงกันข้าม เป็นกลางและปลอดภัยแต่ให้แรงยกต่ำกว่าและต้นทุนสูงกว่า ข้อเสียหลักของมันคือความขาดแคลน; การใช้ในระดับใหญ่สามารถกดดันอุปทาน สำหรับยานทดสอบ初期และการบินแสดงสาธารณะ ฮีเลียมคือตัวเลือกที่รอบคอบ สำหรับความพยายาม軌道操作ในคอร์ริเดอร์ห่างไกล ไฮโดรเจนอาจสมเหตุสมผลด้วยประสิทธิภาพและต้นทุน
ไม่ว่าจะอย่างไร การออกแบบเปลือกก็เข้ากันได้ในระดับใหญ่; ระบบจัดการก๊าซและความปลอดภัยต่างกันเท่านั้น
ดวงอาทิตย์คือเครื่องยนต์ของยาน แต่ละวัตต์ของพลังงานไฟฟ้าเริ่มต้นด้วยแสงอาทิตย์ที่ถูกดูดซับโดยผิวโฟโตโวลตาอิก
โฟโตโวลตาอิกที่มีประสิทธิภาพสูงและอัลตร้าเบา – คอมโพสิตฟิล์มบางของกัลเลียม-อาร์เซไนด์หรือเพอรอฟสไกต์ที่ลามิเนตบนพื้นผิวเรืออากาศ – สามารถบรรลุกำลังเฉพาะใกล้ 300–400 W/kg อาร์เรย์ถูกจัดวางแบบคอนฟอร์มอลเพื่อรักษาความเรียบทางอากาศไดนามิก การจัดการกำลังถูกกระจาย: แต่ละส่วนของแผงให้อาหารตัวติดตามจุดกำลังสูงสุดท้องถิ่น (MPPT) ที่ควบคุมแรงดันไปยังบัสแรงดันสูงที่จ่ายกระเบื้อง EAD
เนื่องจากยานสัมผัสกับวัฏจักรกลางวันกลางคืน มันบรรทุก บัฟเฟอร์พลังงานที่ скром – แบตเตอรี่เบาหรือซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ – เพื่อรักษาการดำเนินงานระดับต่ำผ่านความมืด แต่เหล่านี้ไม่ใหญ่; ปรัชญาการออกแบบระบบคือ ขับเคลื่อนโดยตรงด้วยแสงอาทิตย์ ไม่ใช่พลังงานที่เก็บไว้ ที่ความสูงวงโคจร ยานสามารถไล่ตามแสงอาทิตย์เกือบต่อเนื่อง จุ่มลงในจันทรคติเพียงชั่วคราว
การควบคุมความร้อนถูกจัดการด้วยรังสี ด้วยการพาความร้อนที่ละเลยได้ที่ความสูงสูง การปฏิเสธความร้อนขึ้นอยู่กับ พื้นผิวที่มี emissivity สูง และเส้นทางนำไปยังรังสี โชคดี กระบวนการ EAD 相对เย็น – ไม่มีการเผาไหม้ – และโหลดความร้อนหลักมาจากแสงอาทิตย์ที่ถูกดูดซับ
แต่ละตารางเมตรของโครงสร้างทำงานเป็น กระเบื้อง EAD – เซลล์ขับเคลื่อนที่เป็นอิสระประกอบด้วยเอมิเตอร์ ผู้รวบรวม และวงจรควบคุมขนาดเล็ก เอมิเตอร์อาจเป็นตาข่ายละเอียดของจุดแหลมหรือลวดที่ศักย์บวกสูง ในขณะที่ผู้รวบรวมคือตาข่ายกว้างที่ถูกกักใกล้กราวด์หรือศักย์ลบ พื้นที่ระหว่างกันคือพื้นที่ปล่อยที่ควบคุม
เมื่อถูกกระตุ้น กระเบื้องตั้งสนามไฟฟ้า \(E\) สร้างความหนาแน่นของประจุ \(\rho_e\) และผลิตแรงผลักดันท้องถิ่น \(f = \rho_e E\) ที่กำหนดทิศทางแบบสัมผัสตามพื้นผิว โดยการปรับโมดูลแรงดันบนกระเบื้องต่าง ๆ เรืออากาศสามารถนำทาง เอียง และหมุนโดยไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหว
เรขาคณิตปรับตัวคือกุญแจ เมื่อความดันโดยรอบลดลงกับความสูง เส้นทางอิสระเฉลี่ยเพิ่มขึ้น เพื่อรักษาการปล่อยที่มีประสิทธิภาพ ระยะห่างช่องว่างที่มีประสิทธิภาพ \(d\) ระหว่างเอมิเตอร์และผู้รวบรวมต้องเพิ่มขึ้นโดยประมาณตาม \(1/p\) นี่สามารถทำได้ด้วย ตัวคั่นไดอิเล็กทริกที่ยืดหยุ่นและพองตัว ที่ขยายตัวเล็กน้อยเมื่อความดันภายนอกลดลง หรือด้วย การปรับโมดูลอิเล็กทรอนิกส์ ของเกรเดียนต์ศักย์เพื่อเลียนแบบช่องว่างที่ใหญ่กว่า
กระเบื้องแต่ละอันรายงานเทเลเมทรี – กระแส แรงดัน นับอาร์ค – ไปยังตัวควบคุมกลาง หากกระเบื้องสัมผัสอาร์คหรือการเสื่อมสภาพ มันถูกปิดและข้าม การออกแบบโมดูลหมายความว่าการสูญเสียกระเบื้องเดี่ยวแทบไม่ส่งผลต่อแรงผลักดันรวม
การบินเริ่มต้นอย่างนุ่มนวล ในการปล่อย เรืออากาศลอยขึ้นด้วยแรงลอยตัวสู่สตราโตสเฟอร์ ในระหว่างการลอยขึ้น ระบบ EAD ทำงานในโหมดกำลังต่ำ ให้แรงผลักดันน้อยสำหรับการคงตัวและควบคุมการลอย
ที่ความสูงประมาณ 30–40 กม. ที่ซึ่งอากาศบางแต่ยังชนกัน การเร่งหลักเริ่มต้น เรืออากาศค่อยๆ หันไปสู่การบินแนวนอน กำหนดแกนยาวของมันในทิศทางการเคลื่อนไหววงโคจรที่ตั้งใจ
ในตอนแรก แรงผลักดันถูกสมดุลระหว่างการเร่งแนวนอนและการเพิ่มแรงยก แรงลอยตัวที่เหลือของยานชดเชยส่วนใหญ่ของน้ำหนักของมัน; แรงผลักดัน EAD ให้ทั้งส่วนประกอบข้างหน้าและขึ้นเล็กน้อย เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น แรงยกไดนามิกเติบโตและแรงลอยตัวกลายเป็นไม่สำคัญ การเปลี่ยนผ่านเรียบ – ไม่มี “ช่วงเวลาการทะยาน” เพราะเรืออากาศไม่เคยนั่งบนรันเวย์
พิจารณามวลยานตัวแทน \(m = 2000 \ \mathrm{kg}\) เพื่อบรรลุความเร็ววงโคจร \(v = 7.8 \times 10^3 \ \mathrm{m/s}\) ใน \(t = 1.8 \times 10^6 \ \mathrm{s}\) (สามสัปดาห์) แรงผลักดันเฉลี่ยที่จำเป็นคือ
\(T = m \frac{v}{t} = 2000 \times \frac{7.8 \times 10^3}{1.8 \times 10^6} \approx 8.7 \ \mathrm{N}\)。
8.7 N – น้ำหนักส้มเล็ก – คือแรงผลักดันรวมที่จำเป็นสำหรับการไปถึงวงโคจรหากใช้ต่อเนื่องสามสัปดาห์
หาก \(T/P\) ของระบบคือ \(0.03 \ \mathrm{N/W}\) ตัวอย่างของการทำงาน EAD ที่มีประสิทธิภาพที่ความดันต่ำ การผลิต 8.7 N ต้องการเพียงประมาณ 290 W ของกำลัง มันดูน่าประหลาดใจเล็ก และในทางปฏิบัติ การสูญเสียต้านทานเพิ่มเติมจะยกข้อกำหนดเป็นสิบกิโลวัตต์ แต่แผงแสงอาทิตย์ที่ครอบคลุมหลายร้อยตารางเมตรสามารถให้ได้อย่างง่ายดาย
รวมตัวคูณความปลอดภัย 100 สำหรับความไร้ประสิทธิภาพและแรงต้าน: ประมาณ 30 kW ของกำลังไฟฟ้า ด้วยประสิทธิภาพรวม 15% จากแสงอาทิตย์ไปยังแรงผลักดัน ยานต้องเก็บเกี่ยวประมาณ 200 kW ของพลังงานแสงอาทิตย์ นั่นคือประมาณ 700 ตารางเมตรของพื้นที่แสงอาทิตย์ที่ใช้งานที่เอาต์พุต 300 W/m² – พื้นที่เล็กลงกว่าสนามฟุตบอล ง่ายต่อการรวมเข้าในเรืออากาศยาว 100 เมตร
เลขคณิตศาสตร์ง่ายๆ นี้แสดงว่าการไหลของพลังงาน เป็นไปได้ สิ่งที่จรวดบรรลุด้วยความหนาแน่นของกำลัง เรืออากาศบรรลุด้วยความอดทนและพื้นที่
แรงต้านยังคงเป็นหลักของการดูดซับพลังงาน แรงต้านคือ \(F_D = \tfrac{1}{2} \rho v^2 A C_D\) และกำลังที่สอดคล้องคือ \(P_D = F_D v = \tfrac{1}{2} \rho v^3 A C_D\)
ที่ 50 กม. \(\rho \approx 10^{-3} \ \mathrm{kg/m^3}\) หาก \(A = 100 \ \mathrm{m^2}\) \(C_D = 0.05\) และ \(v = 1000 \ \mathrm{m/s}\) แล้ว
\(P_D = 0.5 \times 10^{-3} \times (10^3)^3 \times 100 \times 0.05 = 2.5 \times 10^6 \ \mathrm{W}\)。
นั่นคือ 2.5 เมกะวัตต์ – สูงเกินไป แต่ที่ 70 กม. ที่ \(\rho = 10^{-5} \ \mathrm{kg/m^3}\) การกำหนดค่าดังกล่าวให้เพียง 25 kW ของกำลังต้านทาน ดังนั้นกลยุทธ์: ปีนขณะเร่ง อยู่บนเส้นทางที่ \(\rho v^3\) ยังคงคงที่โดยประมาณ
คอร์ริเดอร์ที่เหมาะสมคือที่ซึ่งอากาศบางลงทีละน้อย อาจ 40–80 กม. สูง ที่ซึ่งชั้นบรรยากาศให้ความหนาแน่นกลางพอสำหรับการทำงาน EAD แต่พอที่จะรักษาแรงต้านที่จัดการได้
ไม่มีใบพัดหรือครีบ ความมั่นคงมาจากความสมมาตรของสนาม การกระตุ้นต่างของกระเบื้องให้โมเมนต์ หากกระเบื้องด้านหน้ากึ่งซ้ายผลิตแรงผลักดันมากกว่าเล็กน้อยกว่าด้านขวา ยาน yaw อย่างนุ่มนวล การควบคุม pitch ถูกบรรลุโดยการเบี่ยงเบนกระเบื้องบนและล่าง เนื่องจากแรงผลักดันต่อกระเบื้องเล็ก การตอบสนองช้า แต่ยานทำงานในระบอบที่ความคล่องตัวไม่จำเป็น
เซ็นเซอร์ท่าทาง – ไจโรสโคป อัคเซลิโรมิเตอร์ แทร็กเกอร์ดาว – ให้อาหารระบบควบคุมดิจิทัลที่รักษาทิศทางสำหรับการตกกระทบแสงอาทิตย์สูงสุดและเส้นทางการบินที่ถูกต้อง ขนาดมหาศาลของยานและระบอบการบินช้าทำให้มันมั่นคงอย่างน่าประหลาดใจ
การทำงาน EAD รวมถึงสิบถึงร้อยกิโลวัตต์ที่กระแสต่ำ ในอากาศบางและแห้งของสตราโตสเฟอร์ การแยกต่างหากทำงานต่างกัน: อาร์คสามารถแพร่กระจายระยะทางไกลบนพื้นผิว การออกแบบไฟฟ้าของเรืออากาศจึงถือโครงสร้างทั้งหมดเป็นระบบศักย์ควบคุม เส้นทางนำไฟฟ้าเป็นแบบสำรอง ด้วยชั้นแยกที่แยกเซลล์ก๊าซจากสาย HV
อาร์คไม่ใช่หายนะ – มันมีแนวโน้มเป็นท้องถิ่นและดับตัวเอง – แต่สามารถทำลายขั极ได้ แต่ละกระเบื้องตรวจสอบรูปคลื่นกระแสของมัน; หากการปล่อย spike ตัวควบคุมลดแรงดันหรือปิดโมดูลที่ได้รับผลกระทบเป็นวินาทีหลายตัว
ทางความร้อน การขาดการพาความร้อนหมายความว่าการให้ความร้อนท้องถิ่นใดๆ ต้องถูกกระจายโดยการนำไปยังแผงรังสี วัสดุถูกเลือกสำหรับ emissivity สูงและการดูดซับต่ำในอินฟราเรด อนุญาตให้ความร้อนส่วนเกินรังสีสู่จักรวาล
ระบบสเกลด้วยการเทสเซลเลชัน ไม่ใช่การเพิ่มแรงดัน การเพิ่มจำนวนกระเบื้องสองเท่าจะเพิ่มแรงผลักดันสองเท่า; ไม่จำเป็นต้องปล่อยที่ใหญ่กว่า นี่ทำให้สถาปัตยกรรม สเกลเชิงเส้น จากแบบจำลองห้องปฏิบัติการไปยังยาน轨道
ต้นแบบที่เป็นจริงอาจเริ่มจากแพลตฟอร์มเล็กที่เต็มไปด้วยฮีเลียมกับโหลตารางเมตรของพื้นผิว EAD สร้างแรงผลักดันมิลลินิวตันที่วัดในชั่วโมง ผู้แสดงที่ใหญ่กว่าสามารถตามมา แต่ละตัวขยายพื้นที่และกำลัง เวอร์ชัน轨道สุดท้ายอาจครอบคลุมหลายร้อยเมตร ด้วยกระเบื้องหลายพันที่ควบคุมอย่างอิสระ ทำงานภายใต้พลังงานแสงอาทิตย์เต็มเดือนต่อเดือน
เนื่องจากองค์ประกอบทั้งหมดเป็นสถานะของแข็ง ระบบมีอายุการใช้งานยาวโดยกำเนิด ไม่มีแบริ่งเทอร์ไบน์หรือวัฏจักรการเผาไหม้ที่สึกหรอ – เพียงการกัดกร่อนขั极ทีละน้อยและการเสื่อมอายุของวัสดุ ด้วยการออกแบบที่ระมัดระวัง เวลาเฉลี่ยระหว่างความล้มเหลวสามารถถึงปี
ภารกิจทั้งหมดสามารถจินตนาการเป็นเกลียวเรียบในระนาบ \((v, \rho)\): ขณะที่ความเร็วเพิ่มขึ้น ความหนาแน่นลดลง เส้นทางถูกเลือกเพื่อให้ผลิตภัณฑ์ \(\rho v^3\) – ที่กำหนดกำลังต้านทาน – อยู่ต่ำกว่าคำขาดที่ระบบแสงอาทิตย์สามารถจัดหาได้
การเปลี่ยนผ่านจาก “การบิน” ไป “วงโคจร” ไม่ใช่ขอบเขตที่ชัดเจน ชั้นบรรยากาศค่อยๆ จางลง; แรงผลักดันชดเชยแรงต้านจนแรงต้านหยุดมีความหมาย เส้นทางของยานกลายเป็นวงกลมแทนแบบบอลลิสติก และมันคงที่สูงโดยไม่มีที่สิ้นสุด
การรวมเหนือการลอยขึ้นทั้งหมด การป้อนพลังงานรวมจากดวงอาทิตย์กว้างใหญ่เมื่อเทียบกับที่จำเป็น แม้ที่อัตราการเก็บเกี่ยวที่ скром 100 kW สามสัปดาห์ของการทำงานต่อเนื่องสะสม
\(E = 100{,}000 \times 1.8 \times 10^6 = 1.8 \times 10^{11} \ \mathrm{J}\)。
สำหรับยาน 2000 กก. นั่นคือ 90 MJ/kg – สามเท่าของข้อกำหนดพลังงานจลน์วงโคจร ส่วนใหญ่ของพลังงานนี้จะสูญเสียไปกับแรงต้านและความไร้ประสิทธิภาพ แต่ขอบเขตนั้นใจกว้าง
นี่คือเวทมนตร์เงียบของความอดทนแสงอาทิตย์: เมื่อเวลาถูกอนุญาตให้ยืด พลังงานอุดมสมบูรณ์แทนที่การขาดแคลนของกำลัง
หลังจากเสร็จสิ้นภารกิจวงโคจร เรืออากาศสามารถชะลอตัวลงทีละน้อยโดยการย้อนขั้วสนาม EAD แรงต้านเพิ่มขึ้นขณะลง; กลไกเดียวกันที่ยกมันตอนนี้ทำหน้าที่เป็นเบรก ยานสามารถกลับสู่สตราโตสเฟอร์และลอยลงภายใต้แรงลอยตัวที่เหลือ
เนื่องจากไม่มีขั้นตอนที่ใช้แล้วทิ้งที่ถูกทิ้ง ระบบ ใช้งานซ้ำได้เต็มรูปแบบ เปลือกสามารถบำรุงรักษา เติมใหม่ และปล่อยใหม่ การบำรุงรักษารวมถึงการแทนที่กระเบื้องหรือฟิล์มที่เสื่อมสภาพแทนการสร้างใหม่ของเครื่องยนต์
ในทางตรงกันข้ามกับจรวดเคมี ที่การปล่อยแต่ละครั้งใช้ถังและเชื้อเพลิง เรืออากาศ EAD คือ ยานอวกาศรีไซเคิลพลังงาน ดวงอาทิตย์เติมมันต่อเนื่อง; เพียงการสึกหรอที่ต้องการการแทรกแซงมนุษย์
เทคโนโลยีเดียวกันที่ทำให้เรืออากาศ EAD แสงอาทิตย์เป็นไปได้ – โฟโตโวลตาอิกเบา อิเล็กทรอนิกส์กำลังแรงดันสูง ไดอิเล็กทริกฟิล์มบาง – มีการใช้งานบนพื้นดินทันที แพลตฟอร์มสื่อสารสตราโตสเฟอร์ เซ็นเซอร์สภาพภูมิอากาศความสูงสูง และโดรนที่ทนทานยาวนานทุกตัวได้รับประโยชน์จากการพัฒนาเดียวกัน
โดยการไล่ตามระบบที่สามารถถึงวงโคจรโดยไม่ใช้เชื้อเพลิง เรา还发明了 ยานอากาศสถานะของแข็ง ชั้นใหม่ – เครื่องจักรที่บินไม่ใช่ด้วยการเผาไหม้ แต่ด้วยการจัดการสนาม
ในความหมายนี้ โครงการ Rise–Fly–Orbit ยืนอยู่ในสายที่รวม Wright Flyer และจรวดเชื้อเพลิงของเหลวตัวแรก: ไม่ใช่เทคโนโลยีที่สมบูรณ์แบบ แต่ หลักฐานของหลักการ ที่เปลี่ยนแปลงความหมายของ “การบิน”
ฟิสิกส์ของเรืออากาศทางไฟฟ้าแอโรไดนามิกแสงอาทิตย์เป็นแบบอนุญาต; กฎหมายไม่ใช่ กฎการบินในปัจจุบันแบ่งท้องฟ้าเป็นโดเมนที่จำกัดอย่างเรียบร้อย: พื้นที่อากาศ ที่ควบคุมโดยกฎหมายการบิน และ อวกาศภายนอก ที่ควบคุมโดยกฎหมายอวกาศ ระหว่างพวกมันคือพื้นที่สีเทา – สูงเกินไปสำหรับการรับรองเครื่องบิน ต่ำเกินไปสำหรับการลงทะเบียนวงโคจร เรืออากาศไปยังวงโคจรอาศัยอยู่ตรงในสีเทา เปลี่ยนผ่านความสูงต่อเนื่องที่ ซึ่งบนกระดาษ ไม่ принадлежит к категориямใดๆ
กฎหมายพื้นที่อากาศ สมมติยานพาหนะที่ทะยานและลงจอดภายในชั่วโมง พวกมันต้องการเครื่องยนต์ที่รับรอง พื้นผิวควบคุมทางอากาศไดนามิก และความสามารถในการยอมให้จราจร ไม่มีสมมติฐานเหล่านี้ที่เหมาะกับลูกโป่งอัตโนมัติที่ขับเคลื่อนด้วยแสงอาทิตย์ที่อาจล่าช้าสัปดาห์เหนือ 60 กม.
กฎระเบียบยานพาหนะปล่อย เริ่มต้นที่จรวดจุดไฟ: จุดระเบิดแยก สถานที่ปล่อย และระบบสิ้นสุดการบินที่ออกแบบมาเพื่อกักกันการระเบิด เรืออากาศของเราไม่มีอะไรจากนี้ มันลอยขึ้นช้าเหมือนเมฆ; ไม่มี “ช่วงเวลาการปล่อย” อย่างไรก็ตาม เพราะมันสุดท้ายจะเกิน Mach 1 และถึงความเร็ววงโคจร มันตกอยู่ภายใต้เขตอำนาจศาลการบินอวกาศ ผลลัพธ์คือแบบพาราโดกซ์: มันไม่สามารถบินตามกฎหมายเป็นเครื่องบิน แต่ต้องได้รับใบอนุญาตเป็นจรวดที่มันไม่เหมือน
การรักษาคือการยอมรับหมวดหมู่ใหม่ – ยานพาหนะไฮบริดบรรยากาศ–วงโคจร (HAOV) ลักษณะกำหนดของมันจะเป็น:
กรอบ HAOV จะอนุญาตให้รับรองยานดังกล่าวภายใต้ เกณฑ์ที่อิงตามประสิทธิภาพ แทน ที่อิงตามฮาร์ดแวร์ – กำหนดความปลอดภัยในแง่การปล่อยพลังงาน รอยเท้าพื้นดิน และความสามารถในการลงแบบอัตโนมัติแทนการมีอยู่ของเครื่องยนต์หรือเชื้อเพลิง
คอร์ริเดอร์ มหาสมุทรหรือทะเลทรายสามารถถูกกำหนดที่ซึ่ง HAOV สามารถทำงานต่อเนื่อง ถูกตรวจสอบโดยเครือข่ายการจราจรอวกาศที่มีอยู่ การลอยขึ้นของพวกมันจะก่อให้เกิดอันตรายน้อยกว่าลูกโป่งสภาพอากาศเดี่ยว แต่กฎปัจจุบันไม่นำเสนอเส้นทางสำหรับพวกมัน
กฎระเบียบตามวัฒนธรรม และวัฒนธรรมติดยาเสพติดความเร็ว จุดสำคัญทางอากาศและอวกาศวัดด้วยอัตราส่วนแรงผลักดันต่อน้ำหนักและนาทีสู่วงโคจร แนวคิดที่ยานพาหนะอาจใช้เวลา สามสัปดาห์ เพื่อถึงวงโคจรฟังดูเหมือนถดถอยในการได้ยินครั้งแรก แต่ความอดทนคือราคาของความยั่งยืน เรืออากาศเสนอเมตริกที่แตกต่าง: ไม่ใช่ “เราสามารถเผาพลังงานได้เร็วแค่ไหน” แต่ “เราสามารถสะสมมันต่อเนื่องแค่ไหน”
สำหรับหน่วยงานอวกาศที่คุ้นเคยกับหน้าต่างปล่อยและการนับถอยหลัง ยานดังกล่าวต้องการการเปลี่ยนแปลงในการดำเนินงาน: การวางแผนภารกิจตามฤดูกาลแทนวินาที; การแทรกวงโคจรที่ขึ้นอยู่กับเรขาคณิตของแสงอาทิตย์ ไม่ใช่ความพร้อมใช้งานของแพลตฟอร์ม แต่การเปลี่ยนแปลงนี้สอดคล้องกับการหันที่กว้างขึ้นสู่ โครงสร้างพื้นฐานสถานะคงที่ – ยานอวกาศแสงอาทิตย์-ไฟฟ้า สถานีที่ใช้งานซ้ำได้ แพลตฟอร์มสภาพอากาศที่ยั่งยืน
ยานพาหนะแสงอาทิตย์-EAD ที่ใช้งานซ้ำได้นำเสนอความสามารถที่ไม่มีจรวดหรือเครื่องบินสามารถจับคู่ได้:
ทางเศรษฐกิจ HAOV ใช้งานแรกจะไม่แทนที่จรวดแต่เสริมพวกมัน บริการนิชที่ซึ่งความอดทนของเพย์โหลดเกินความเร่งด่วน ทางยุทธศาสตร์ พวกมันจะแยกการเข้าถึงอวกาศใกล้จากห่วงโซ่อุปทานเชื้อเพลิง – ลักษณะน่าดึงดูดสำหรับหน่วยงานอวกาศที่มองหาโครงสร้างพื้นฐานที่ยั่งยืน
การสร้างหมวดหมู่ HAOV น้อยกว่าล็อบบี้มากกว่าคือ การวัด ผู้กำหนดกฎเชื่อข้อมูล เส้นทางไปข้างหน้าคือความโปร่งใสทางทดลอง:
เมื่อหน่วยงานเห็นหลักฐานที่วัดได้ว่า HAOV ไม่สามารถทำลายเครื่องบินหรือประชากรพื้นดิน สถาปัตยกรรมทางกฎหมายจะตามมา – อย่างที่ทำกับลูกโป่งความสูงสูงและโดรนก่อนหน้า
การบินช้าคือน้ำหนักทางศีลธรรม ผู้ปล่อยเคมีทำให้มลพิษไม่ใช่เพราะวิศวกรไม่ระวัง แต่เพราะฟิสิกส์ไม่นำเสนอเวลาสำหรับการรีไซเคิลความร้อนของพวกมัน เรืออากาศแสงอาทิตย์ ในทางตรงกันข้าม ไม่บริโภคอะไรที่ไม่สามารถกู้คืนได้ มันแทนที่เสียงรบกวนด้วยความเงียบ แฟลชด้วยประกาย การลอยขึ้นของมันจะมองเห็นได้จากพื้นดินเป็นจุดสว่างที่ไม่รีบร้อน ผลงานมนุษย์ที่ลอยขึ้นโดยไม่มีความรุนแรง
ในยุคเร่งด่วน การเคลื่อนไหวที่ตั้งใจเช่นนี้คือการประกาศ: ว่าความทะเยอทะยานทางเทคโนโลยีไม่จำเป็นต้องระเบิดเพื่อให้ลึกซึ้ง
เมื่อจรวดถึงวงโคจร มันทำด้วยการเร่งแบบดิบ: วินาทีของการเผาไหม้ที่ทิ้งท้องฟ้าให้สั่นสะท้าน เรืออากาศทางไฟฟ้าแอโรไดนามิกมาถึงต่างออกไป แต่ละโฟตอนที่กระทบผิวหนังของมันช่วยโมเมนตัมกระซิบ สื่อโดยอิเล็กตรอน ไอออน และคณิตศาสตร์เงียบของสมการแม็กซ์เวลล์ ในสามสัปดาห์กระซิบเหล่านี้สะสมเป็นวงโคจร
การแสดงออกเดียวกัน – \(\mathbf{f} = \rho_e \mathbf{E}\) – ที่อธิบายไมโครแอมปีของการลอยไอออนในห้องปฏิบัติการ ยังปกครองร่างกายยกพันตันที่ลื่นไถลผ่านชั้นบรรยากาศบน สเกลเปลี่ยน; หลักการไม่ แทนเซอร์แม็กซ์เวลล์ กฎของคูลอมบ์ และความอดทนของแสงอาทิตย์เป็นสากล
หากมนุษยชาติเรียนรู้ที่จะใช้ประโยชน์จากความอดทนนั้น เราได้รับวิธีใหม่ในการออกจากโลก – หนึ่งที่สามารถทำซ้ำได้ไม่สิ้นสุด ขับเคลื่อนโดยดาวเดียวกันที่รักษาเรา
วิศวกรรมจรวดเคมีคือท่าทางทางเดียว: ความพยายามมหาศาลเพื่อถึงวงโคจร และจุดจบกะทันหันในการกลับเข้า เรืออากาศทางไฟฟ้าแอโรไดนามิกแนะนำ เส้นทางที่ย้อนกลับได้ มันสามารถลอยขึ้นและลงตามใจชอบ อาศัยอยู่ที่ไหนก็ได้จากโทรโพสเฟียร์สู่วงโคจร มันคือยานอวกาศและที่อยู่อาศัย ยานพาหนะและสถานี
ในความต่อเนื่องนั้นคือการย้อนกลับทางปรัชญา: การบินอวกาศไม่ใช่การจากไป แต่เป็นการขยายชั้นบรรยากาศ เกรเดียนต์จากอากาศสู่วสุญญากาศกลายเป็นพื้นที่นำทางได้ ยานดังกล่าวจะเบลอเส้นระหว่างอุตุนิยมวิทยาและนักบินอวกาศ เปลี่ยน “ขอบอวกาศ” เป็นพื้นที่ทำงานที่มีชีวิตแทนบาเรีย
ไม่จำเป็นต้องมีฟิสิกส์ใหม่ – เพียงความทนทาน ความแม่นยำ และกฎระเบียบที่จินตนาการใหม่ งบประมาณพลังงานวงโคจรสามารถชำระด้วยแสงอาทิตย์; แรงผลักดันสามารถเกิดจากสนามไฟฟ้าที่กระทำต่อไอออน; เวลาสามารถยืมจากความอดทนของวิศวกร
อุปสรรคคือวัฒนธรรมและราชการ: โน้มน้าวหน่วยงานว่าสิ่งที่ดูเหมือนลูกโป่งสามารถ ผ่านคณิตศาสตร์และความเพียร กลายเป็นดาวเทียม อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีที่เปลี่ยนแปลงทุกตัวเริ่มต้นเป็นความผิดปกติในเอกสาร
เมื่อตัวแรกของเรืออากาศทางไฟฟ้าแอโรไดนามิกแสงอาทิตย์เหล่านี้ลอยขึ้น ความก้าวหน้าของมันจะแทบไม่สังเกตได้ชั่วโมงต่อชั่วโมง แต่ต่อวันต่อวันมันจะรวบรวมความเร็ว จนในที่สุดมันลื่นไถลเกินขอบเขตของสภาพอากาศ ไม่มีเสียงคำราม – เพียงเสียงหึ่งเบาๆ ต่อเนื่องของสนามและการสะสมที่มั่นคงของแสงอาทิตย์สู่การเคลื่อนไหว
นั่นจะ標記จุดเริ่มต้นของ การเข้าถึงที่ใช้งานซ้ำได้ ยั่งยืน และอ่อนโยนสู่วงโคจร: วิธีลอยขึ้น บิน และ – โดยไม่เคยจุดไฟ – โคจร