ลอยขึ้น, บิน, โคจร เรืออากาศไฟฟ้าแอโรไดนามิกที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์สำหรับการเข้าถึงอวกาศอย่างยั่งยืน วิสัยทัศน์และพื้นฐานทางฟิสิกส์ 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: 1. ลอยขึ้น – เรืออากาศลอยตัวที่เต็มไปด้วยไฮโดรเจนหรือฮีเลียมลอยขึ้นอย่างอัตโนมัติสู่สตราโตสเฟียร์ ไกลจากสภาพอากาศและการจราจรทางอากาศ 2. บิน – เรืออากาศเร่งความเร็วในแนวนอนโดยใช้แรงผลักดัน EAD ค่อยๆ เพิ่มความเร็วขณะปีนขึ้นสู่ชั้นอากาศที่บางลงเพื่อลดแรงต้าน 3. โคจร – หลังจากหลายสัปดาห์ของการเร่งความเร็วต่อเนื่อง แรงกึ่งกลางจะสมดุลกับแรงโน้มถ่วง; ยานพาหนะไม่จำเป็นต้องยกอีกต่อไป และกลายเป็นดาวเทียมด้วยความเพียรแทนการระเบิด แนวคิดนี้ไม่ใช่เรื่องเพ้อฝัน แต่ละขั้นตอนมีรากฐานในฟิสิกส์ที่รู้จักกันดี: แรงลอยตัว พลังงานแสงอาทิตย์ ไฟฟ้าสถิต และกลศาสตร์วงโคจร สิ่งที่เปลี่ยนคือสเกลเวลา แทนที่จะเป็นนาทีของการเผาไหม้ เราให้ความสำคัญกับ สัปดาห์ของแสงอาทิตย์ แทนที่จะเป็นตันของเชื้อเพลิง เราเชื่อมั่นใน สนามและความอดทน พลังงานของวงโคจร การสนทนาทุกครั้งเกี่ยวกับการบินอวกาศเริ่มต้นและสิ้นสุดด้วยพลังงาน พลังงานจลน์ต่อกิโลกรัมมวลที่จำเป็นสำหรับการรักษาวงโคจรกลมรอบโลกให้โดย $E_k = \frac{1}{2}v^2$ ซึ่ง v คือความเร็ววงโคจร สำหรับวงโคจรต่ำของโลก v ≈ 7.8 × 10³ m/s ดังนั้น E_(k) ≈ 3.0 × 10⁷ J/kg หรือประมาณ 30 เมกะจูลต่อกิโลกรัม นั่นคือพลังงานเทียบเท่ากับการเผาไหม้ประมาณหนึ่งกิโลกรัมของน้ำมันเบนซินสำหรับทุกกิโลกรัมที่วางบนวงโคจร มันเป็นตัวเลขใหญ่ แต่ไม่ใช่ตัวเลขดาราศาสตร์ ตอนนี้เปรียบเทียบกับกระแสพลังงานแสงอาทิตย์ต่อเนื่องที่ยอดของชั้นบรรยากาศโลก: ประมาณ 1.360 วัตต์ต่อตารางเมตร หากเราสามารถแปลงแม้แต่เศษเสี้ยวเล็กๆ ของมันเป็นพลังงานจลน์ในช่วงวันหรือสัปดาห์ เราสามารถในหลักการจัดหาพลังงานวงโคจรที่จำเป็นได้ อาร์เรย์โฟโตโวลตาอิกสมัยใหม่ประสิทธิภาพสูงมีกำลังเฉพาะในระดับหลายร้อยวัตต์ต่อกิโลกรัม ที่ P_(sp) = 300 W/kg กิโลกรัมหนึ่งของอาร์เรย์ผลิต 300 จูลต่อวินาที ในหนึ่งวัน (8.64 × 10⁴ วินาที) นั่นคือ 2.6 × 10⁷ จูล – เทียบเท่ากับพลังงานวงโคจรของมวลหนึ่งกิโลกรัม การเปรียบเทียบง่ายๆ นี้แสดงให้เห็นตรรกะของแนวทางนี้ พลังงานสำหรับวงโคจรมีให้จากดวงอาทิตย์ประมาณ หนึ่งวันต่อกิโลกรัมของอาร์เรย์ หากสามารถแปลงเป็นแรงผลักดันอย่างมีประสิทธิภาพได้ ความท้าทายในทางปฏิบัติคือแรงต้านและความไร้ประสิทธิภาพดูดซับส่วนใหญ่ของมัน คำตอบคือความสูงและความอดทน: ทำงานในอากาศบางที่แรงต้านต่ำ และยืดกระบวนการเป็นสัปดาห์แทนชั่วโมง การแลกเปลี่ยนเวลากับเชื้อเพลิง จรวดแก้ปัญหาแรงต้านด้วยกำลังดิบ – พวกมันไปเร็วมากจนอากาศไม่เกี่ยวข้อง เรืออากาศในทางตรงกันข้าม ทำงานกับอากาศ; พวกมันสามารถล่าช้าได้ หากเวลาถูกมองว่าเป็นทรัพยากรที่ใช้แล้วทิ้ง มันสามารถแทนที่มวลเชื้อเพลิงได้ หน้าที่ของเรืออากาศคือรักษาการเร่งความเร็วเล็กน้อยแต่ต่อเนื่องในช่วงเวลายาวนาน อาจจะ ในระดับ 10⁻³ m/s² จนกว่าจะบรรลุความเร็ววงโคจร หากการลอยขึ้นสู่วงโคจรใช้เวลาสามสัปดาห์ หรือประมาณ 1.8 × 10⁶ 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 10³ kg การเร่งความเร็วเฉลี่ย 4 × 10⁻³ m/s² ต้องการเพียงประมาณ 4 นิวตันของแรงผลักดันสุทธิ – น้อยกว่าน้ำหนักของแอปเปิ้ล ความไม่สมเหตุสมผลที่เห็นได้ชัดในการไปถึงวงโคจรด้วยแรงผลักดันของแอปเปิ้ลหายไปเมื่อเวลายืดออกเป็นสัปดาห์ แรงลอยตัวและทางสู่ชั้นอากาศบาง เรืออากาศเริ่มต้นการเดินทางของมันเหมือนอุปกรณ์ลอยตัวใดๆ: โดยการแทนที่อากาศด้วยก๊าซที่เบากว่า แรงลอยตัวให้โดย F_(b) = (ρ_(air)−ρ_(gas))gV ซึ่ง V คือปริมาตรของก๊าซ และ ρ คือความหนาแน่นที่เกี่ยวข้อง ใกล้ระดับน้ำทะเล ρ_(air) ≈ 1.2 kg/m³ ρ_(He) ≈ 0.18 kg/m³ และ ρ_(H₂) ≈ 0.09 kg/m³ 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 ≈ 7.5 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 แรงยก, แรงต้าน และความดันไดนามิก 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 ρ 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 ρ เล็กมากที่ P_(D) ยังคงจำกัดแม้ที่กิโลเมตรต่อวินาที ถ้าเช่น ρ = 10⁻⁵ kg/m³ (ปกติใกล้ 60 กม. สูง) A = 100 m² C_(D) = 0.05 และ v = 1.000 m/s แล้ว P_(D) = 0.5 × 10⁻⁵ × (10³)³ × 100 × 0.05 = 2.5 × 10⁴ W, หรือ 25 kW – ง่ายต่อการเข้าถึงด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ ในทางตรงกันข้าม ที่ระดับน้ำทะเลการกำหนดค่าดังกล่าวจะต้องการ 25 กิกะวัตต์ กฎคือเรียบง่าย: อากาศบางซื้อเวลา และ เวลาทดแทนเชื้อเพลิง โอกาสทางไฟฟ้าแอโรไดนามิก 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 T ซึ่งสำหรับสนามไฟฟ้าสถิตคือ $\mathbf{T} = \varepsilon \left( \mathbf{E}\mathbf{E} - \frac{1}{2}E^2 \mathbf{I} \right)$ ซึ่ง ε คือค่าคงที่ของสื่อ E คือเวกเตอร์สนามไฟฟ้า และ I คือเทนเซอร์เอกลักษณ์ แรงแม่เหล็กไฟฟ้าสุทธิบนวัตถุได้จากการรวมเทนเซอร์นี้เหนือพื้นผิวของมัน: F_(EM) = ∮_(∂V)T ⋅ n dS。 ในพื้นที่ที่ถูกไอออไนซ์ มันถูกทำให้ง่ายเป็น ความหนาแน่นของแรงปริมาตร $\mathbf{f} = \rho_e \mathbf{E} - \frac{1}{2}E^2 \nabla \varepsilon$, ซึ่ง ρ_(e) คือความหนาแน่นของประจุท้องถิ่น ในก๊าซที่มีค่าคงที่โดยประมาณสม่ำเสมอ วรรคที่สองหายไป ทิ้งไว้ให้ แรงตัวของคูลอมบ์ ที่สวยงาม f ≈ ρ_(e)E。 การแสดงออกที่กระชับนี้คือแก่นของการขับเคลื่อนทางไฟฟ้าแอโรไดนามิก: ทุกที่ที่สนามไฟฟ้าและประจุอวกาศอยู่ร่วมกัน แรงตัวสุทธิจะกระทำต่อสื่อ ไอออนเองมีน้อย แต่โมเมนตัมของพวกมันถูกส่งต่อไปยังกลางๆ ผ่านการชน เส้นทางอิสระเฉลี่ย λ ระหว่างการชนกำหนดว่ามันจะแพร่กระจายอย่างไร; มันสเกลย้อนกลับกับแรงดัน ที่แรงดันต่ำกว่า ไอออนเดินทางไกลกว่าต่อการชน และประสิทธิภาพการถ่ายโอนโมเมนตัมเปลี่ยนแปลง มี ช่วงแรงดันที่เหมาะสม ที่ไอออนยังสามารถชนกันบ่อยพอที่จะผลักก๊าซ แต่ไม่บ่อยมากจนเสียพลังงานในการให้ความร้อนแก่它 สำหรับชั้นบรรยากาศของโลก ช่วงนั้นอยู่ระหว่างไม่กี่ตอร์และไม่กี่มิลลิ-ตอร์ – ช่วงที่พบระหว่าง 40 และ 80 กิโลเมตร โครงสร้างของเรืออากาศจึงเป็นโฮสต์ที่เหมาะสมสำหรับกระเบื้องทางไฟฟ้าแอโรไดนามิกที่ทำงานในสภาพแวดล้อมธรรมชาติของพวกมัน ชั้นบรรยากาศเองคือมวลปฏิกิริยา ฟิสิกส์ของการขับเคลื่อนทางไฟฟ้าแอโรไดนามิก ในมุมมองแรก การขับเคลื่อนทางไฟฟ้าแอโรไดนามิกดูไม่น่าจะเป็นไปได้ แนวคิดที่ชุดขั极ที่เงียบและนิ่งสามารถสร้างแรงผลักดันที่แข็งแกร่งพอที่จะขยับเรืออากาศดูเหมือนขัดแย้งกับประสบการณ์ประจำวัน การขาดมวลปฏิกิริยาที่มองเห็นได้หรือเครื่องจักรที่เคลื่อนไหวท้าทายสัญชาตญาณ อย่างไรก็ตาม ไอออนแต่ละตัวที่ลอยในสนามไฟฟ้าพกโมเมนตัม และโมเมนตัมถูกอนุรักษ์ สนามทำหน้าที่เป็นคันโยกที่มองไม่เห็น และอากาศคือของเหลวทำงานของมัน พื้นฐานของปรากฏการณ์นี้ไม่ได้อยู่ในฟิสิกส์พลาสมาแปลกประหลาด แต่ใน สมการแม็กซ์เวลล์ และการแสดงออกเชิงกลของพวกมัน เทนเซอร์ความเครียดแม็กซ์เวลล์ การกำหนดแบบเทนเซอร์นี้ทำให้ชัดเจนว่าสนามไฟฟ้าไม่ใช่แค่รูปแบบของศักย์ – พวกมันเก็บและถ่ายโอนความเครียดเชิงกลในสื่อรอบข้าง ความเครียดของสนามและแรงตัวของคูลอมบ์ เทนเซอร์ความเครียดแม็กซ์เวลล์ ในไฟฟ้าสถิตคือ $\mathbf{T} = \varepsilon \left( \mathbf{E}\mathbf{E} - \frac{1}{2}E^2 \mathbf{I} \right)$ ซึ่ง ε คือค่าคงที่ E คือสนามไฟฟ้า และ I คือเทนเซอร์เอกลักษณ์ วรรคแรกแทนความดันทิศทางตามเส้นสนาม และวรรคที่สองคือความตึงที่ต้านทานการกระจายของสนาม แรงแม่เหล็กไฟฟ้าสุทธิ บนวัตถุที่จมในสนามเช่นนี้คืออินทิกรัลพื้นผิวของเทนเซอร์นี้: F_(EM) = ∮_(∂V)T ⋅ n dS。 ทางกายภาพ การแสดงออกนี้บอกเราว่าสนามไฟฟ้าสร้างความเครียดบนขอบเขตของพื้นที่ใดๆ ที่มีประจุหรือเกรเดียนต์ของไดอิเล็กทริก แต่สามารถเขียนใหม่ในรูปแบบปริมาตรที่เป็นท้องถิ่นมากขึ้นโดยใช้ทฤษฎีการกระจาย: $\mathbf{f} = \nabla \cdot \mathbf{T} = \rho_e \mathbf{E} - \frac{1}{2}E^2 \nabla \varepsilon$。 วรรคแรก ρ_(e)E คือ แรงตัวของคูลอมบ์ ที่คุ้นเคย: ความหนาแน่นของประจุที่สัมผัสสนาม วรรคที่สองสำคัญเฉพาะที่ค่าคงที่ของสื่อเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว เช่นที่ขอบวัสดุ ในอากาศ ε เป็นพื้นฐานที่สม่ำเสมอ ดังนั้น ∇ε ≈ 0 ทิ้งไว้ f = ρ_(e)E。 สมการที่ดูเหมือนเรียบง่ายนี้เข้ารหัสหลักการทั้งหมดของการขับเคลื่อนทางไฟฟ้าแอโรไดนามิก หากมีปริมาตรของก๊าซที่ไอออน (ด้วยความหนาแน่น ρ_(e)) สัมผัสสนามไฟฟ้า E แล้ว ความหนาแน่นของแรงสุทธิ จะกระทำต่อก๊าซนั้น ขนาดของแรงผลักดันรวมคืออินทิกรัลปริมาตรของ ρ_(e)E เหนือพื้นที่การปล่อย: F = ∫_(V)ρ_(e)E dV。 ขั极รู้สึกถึงปฏิกิริยาที่เท่ากันและตรงกันข้าม สร้างแรงผลักดัน การถ่ายโอนโมเมนตัมและบทบาทของการชน ไอออนในอากาศเดินทางไกลก่อนชนกับโมเลกุลกลางๆ น้อยมาก เส้นทางอิสระเฉลี่ย λ สัมพันธ์ผกผันกับความดันก๊าซ p และพื้นที่ตัด σ: $\lambda \approx \frac{kT}{\sqrt{2} \pi d^2 p}$ ซึ่ง d คือเส้นผ่านศูนย์กลางโมเลกุล ที่ระดับน้ำทะเล λ เล็กมาก – ในระดับสิบๆ นาโนเมตร ในเมโซสเฟียร์ (ประมาณ 70 กม.) λ 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 ความสัมพันธ์กำลัง–แรงผลักดัน กำลังไฟฟ้าที่ส่งไปยังการปล่อย P = ∫_(V)J ⋅ E dV ซึ่งประมาณ IV สำหรับกระแสคงที่ I และแรงดัน V เอาต์พุตเชิงกลที่เป็นประโยชน์คือแรงผลักดันคูณด้วยความเร็วของมวลอากาศที่ถูกเร่ง แต่ในสถานะคงที่เราสนใจหลักๆ ใน อัตราส่วนแรงผลักดันต่อกำลัง T/P การศึกษาทดลองรายงานค่า T/P จากไม่กี่มิลลินิวตันต่อวัตต์ (mN/W) เกือบ 0.1 N/W ในสภาวะที่ปรับปรุงแล้ว ในอากาศบรรยากาศที่ความดันมาตรฐาน EAD ไม่มีประสิทธิภาพ; แต่ที่ความดันลดลง ความเคลื่อนไหวของไอออนเพิ่มขึ้นและความหนาแน่นของกระแสสามารถรักษาได้ที่แรงดันต่ำกว่า ปรับปรุง T/P ข้อโต้แย้งมิติง่ายๆ เชื่อมโยงความหนาแน่นของแรงตัว f = ρ_(e)E กับความหนาแน่นของกระแส J = ρ_(e)μE ซึ่ง μ คือความเคลื่อนไหวของไอออน แล้ว $f = \frac{J}{\mu}$, ดังนั้นสำหรับความหนาแน่นของกระแสที่กำหนด ความเคลื่อนไหวที่สูงกว่า (บรรลุที่ความดันต่ำกว่า) ให้แรงผลักดันมากกว่าต่อกระแส กำลังไฟฟ้าทั้งหมดคือ P = JEV 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 γ_(se) คือสัมประสิทธิ์การปล่อยอิเล็กตรอนรอง จีโอเมทรีที่เปลี่ยนแปลงของเรืออากาศอนุญาตให้ d ระยะห่างของขั极ถูกปรับแบบไดนามิกเพื่อรักษาการปล่อยโคโรนาที่มีประสิทธิภาพโดยไม่มีอาร์คขณะที่ความดันโดยรอบลดลงระหว่างการลอยขึ้น เรขาคณิตของสนามและทอโพโลจีของความเครียด 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 E เกือบสม่ำเสมอเหนือเส้นทางเร่ง สร้างความเครียดแบบกึ่งเชิงเส้นและหลีกเลี่ยงการโฟกัสตัวเองที่ทำลายล้างที่ทำให้เกิดอาร์ค ผลลัพธ์คือความสามารถในการสเกล เมื่อขั极ถูกเทสเซลเลตเป็นกระเบื้องตารางเมตร แต่ละอันมีตัวแปลงแรงดันสูงและตรรกะการควบคุมของตัวเอง โครงสร้างทั้งหมดของเรืออากาศสามารถเปลี่ยนเป็นอาร์เรย์ EAD กระจายขนาดยักษ์ ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหวเพื่อซิงโครไนซ์ เพียงสนามเพื่อประสานงาน ความหนาแน่นของแรงผลักดันและทางสู่ความสามารถในการสเกล ความหนาแน่นของแรงตัวปริมาตรคือ f = ρ_(e)E ความหนาแน่นของประจุในปล่อยโคโรนาตัวอย่างที่ความดันบรรยากาศอยู่ในระดับ 10⁻⁵ ถึง 10⁻³ C/m³ ที่ความดันลดลง มันสามารถลดลงเล็กน้อย แต่สนามไฟฟ้า E สามารถเพิ่มขึ้นอย่างปลอดภัยถึงสิบกิโลวัตต์ต่อเซนติเมตรโดยไม่มีทะลุ หาก ρ_(e) = 10⁻⁴ C/m³ และ E = 10⁵ V/m ความหนาแน่นของแรงคือ f = 10 N/m³ 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 โซนหวานของชั้นบรรยากาศบน 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 ประสิทธิภาพและการไหลของพลังงาน ในทุกขณะ กำลังไฟฟ้าที่ป้อน P ถูกแบ่งระหว่าง: 1. กำลังผลักดันเชิงกลที่เป็นประโยชน์ P_(T) = Tv_(eff) ซึ่ง v_(eff) คือความเร็วไอเสียที่มีประสิทธิภาพของการไหลอากาศ 2. การสูญเสียไอออไนซ์ P_(i) พลังงานที่จำเป็นสำหรับการรักษาพลาสมา 3. การสูญเสียต้านทาน P_(r) เนื่องจากการให้ความร้อนโอมและการรั่วไหล 4. การสูญเสียรังสี P_(γ) ที่ปล่อยออกมาเป็นแสง (ประกายโคโรนาที่คุ้นเคย) ประสิทธิภาพรวมคือ η = P_(T)/P การทดลองแนะนำว่า η สามารถถึงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ในอากาศหนาแน่นและอาจหลายสิบเปอร์เซ็นต์ในการดำเนินงานแรงดันต่ำที่ปรับปรุงแล้ว แม้จะ скром แต่ตัวเลขเหล่านี้เพียงพอสำหรับระบบที่ขับเคลื่อนด้วยแสงอาทิตย์ที่ทำงานในช่วงเวลายาว ซึ่งประสิทธิภาพสามารถแลกเปลี่ยนกับเวลา ต่างจากระบบขับเคลื่อนเคมีที่ต้องถึงประสิทธิภาพสูงต่อวินาทีเพื่อลดเชื้อเพลิง เรืออากาศ EAD แสงอาทิตย์สามารถยอมรับความไร้ประสิทธิภาพได้หากสามารถ ทำงานไม่สิ้นสุด ตัวชี้วัดความสำเร็จไม่ใช่แรงกระตุ้นเฉพาะ แต่ ความอดทนเฉพาะ: จูลที่สะสมในช่วงวัน จากความเครียดแม็กซ์เวลล์สู่แรงผลักดันมาโครสโคปิก เพื่อแสดงการเชื่อมต่อระหว่างทฤษฎีสนามและประสบการณ์ประจำวัน พิจารณาคอนเดนเซอร์แผ่นขนานในสุญญากาศ แรงดันระหว่างแผ่นคือ $p = \frac{1}{2}\varepsilon_0 E^2$ หาก E = 10⁶ V/m แล้ว p ≈ 4.4 N/m² คูณด้วยพื้นที่ และคุณได้แรงเชิงกลที่จำเป็นสำหรับการแยกแผ่น ความเครียดไฟฟ้าสถิตคือแรงดันเชิงกลอย่างแท้จริง การขับเคลื่อน EAD แทนที่แผ่นหนึ่งด้วยบรรยากาศเอง ไอออนคือสื่อที่สนามความเครียดถูกส่งผ่าน แทนแรงดันคงที่ เราได้การไหลที่กำหนดทิศทาง สมการ f = ρ_(e)E คืออนุกรมแบบไดนามิกของแรงดันคอนเดนเซอร์คงที่นั้น เมื่อรวมเหนือพื้นผิวของเรืออากาศ ความเครียดที่รวมกันกลายเป็นเวกเตอร์แรงผลักดันสุทธิ เช่นเดียวกับแรงดันที่รวมกันเหนือพื้นผิวปีกให้แรงยก อะนาล็อกกี้ลึก: แรงยกทางอากาศไดนามิกคือการไหลของโมเมนตัมอากาศที่เบี่ยงเบนโดยพื้นผิว; แรงผลักดัน EAD คือการไหลของโมเมนตัมไอออนที่ถูกเร่งโดยสนาม Ionoplane ของ MIT และหลักฐานทางทดลอง 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 คุณธรรมของความเรียบง่าย 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 เรืออากาศทางไฟฟ้าแอโรไดนามิกเป็นระบบ เมื่อเชื่อมต่อกับพลังงานแสงอาทิตย์ การขับเคลื่อน EAD กลายเป็นไม่ใช่แหล่งแรงผลักดันเท่านั้น แต่เป็น ระบบสภาพภูมิอากาศ สำหรับยาน สนามเดียวกันที่สร้างแรงผลักดันยังไอออไนซ์ก๊าซร่องรอย ลดการชาร์จพื้นผิว และอาจส่งผลต่อคุณสมบัติของชั้นขอบเขต สนามไฟฟ้าสามารถทำหน้าที่เป็น “ใบเรือไฟฟ้าสถิต” ที่ปรับได้ ซึ่งโต้ตอบอ่อนๆ กับสนามแม่เหล็กของโลกหรือพลาสมาโดยรอบในชั้นบรรยากาศบน ในระยะยาว สามารถจินตนาการการควบคุมแอคทีฟของแรงต้านโดยการจัดการการกระจายประจุพื้นผิว – โล่ต้านทานทางไฟฟ้าไดนามิก ที่เปลี่ยนความเครียดสนามท้องถิ่นเพื่อปรับเส้นทางการบินโดยไม่มีพื้นผิวควบคุมเชิงกล ความเป็นไปได้เหล่านี้ย้ายการขับเคลื่อน EAD เกินความอยากรู้ไปสู่ขอบเขตของเทคโนโลยีควบคุมการบินสถานะของแข็งหลายวัตถุประสงค์ – ใช้ได้ทุกที่ที่ก๊าซหรือพลาสมาสามารถถูกโพลาไรซ์และเร่งด้วยสนามไฟฟ้า สถาปัตยกรรมทางวิศวกรรมและไดนามิกการบิน 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 เปลือก: โครงสร้างเป็นชั้นบรรยากาศ 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 ≈ 300 Pa – เพียงไม่กี่พันของความดันบรรยากาศ ความดันเกินนี้พอที่จะรักษาเปลือกให้ตึง แต่ไม่พอที่จะทำให้มวลโครงสร้างสำคัญ ในทางปฏิบัติ ยานทั้งหมดคือคอนเดนเซอร์ขนาดใหญ่และเบา ผิวของมันถูกชาร์จและมีชีวิตด้วยเส้นสนาม ปริมาตรภายในถูกเติมด้วยก๊าซยก – ไฮโดรเจนหรือฮีเลียม เนื่องจากความดันเกินที่จำเป็นเล็กน้อย ข้อกำหนดการรับน้ำหนักของวัสดุจึง скром เป็นหลัก ปัญหาหลักคือการซึมผ่านของก๊าซและการเสื่อมสภาพ UV ระหว่างภารกิจยาว ซึ่งทั้งสองแก้ไขได้ด้วยการเคลือบสมัยใหม่และฟิล์มชั้น ไฮโดรเจนหรือฮีเลียม 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 พลังงานแสงอาทิตย์และการจัดการพลังงาน 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 กระเบื้องทางไฟฟ้าแอโรไดนามิก แต่ละตารางเมตรของโครงสร้างทำงานเป็น กระเบื้อง EAD – เซลล์ขับเคลื่อนที่เป็นอิสระประกอบด้วยเอมิเตอร์ ผู้รวบรวม และวงจรควบคุมขนาดเล็ก เอมิเตอร์อาจเป็นตาข่ายละเอียดของจุดแหลมหรือลวดที่ศักย์บวกสูง ในขณะที่ผู้รวบรวมคือตาข่ายกว้างที่ถูกกักใกล้กราวด์หรือศักย์ลบ พื้นที่ระหว่างกันคือพื้นที่ปล่อยที่ควบคุม เมื่อถูกกระตุ้น กระเบื้องตั้งสนามไฟฟ้า E สร้างความหนาแน่นของประจุ ρ_(e) และผลิตแรงผลักดันท้องถิ่น f = ρ_(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 จากแรงลอยตัวไปยังแรงผลักดัน 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 การลอยขึ้นสามสัปดาห์ พิจารณามวลยานตัวแทน m = 2000 kg เพื่อบรรลุความเร็ววงโคจร v = 7.8 × 10³ m/s ใน t = 1.8 × 10⁶ 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 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 แรงต้านและคอร์ริเดอร์ความสูงสูง 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. ρ ≈ 10⁻³ kg/m³ หาก A = 100 m² C_(D) = 0.05 และ v = 1000 m/s แล้ว P_(D) = 0.5 × 10⁻³ × (10³)³ × 100 × 0.05 = 2.5 × 10⁶ W。 นั่นคือ 2.5 เมกะวัตต์ – สูงเกินไป แต่ที่ 70 กม. ที่ ρ = 10⁻⁵ kg/m³ การกำหนดค่าดังกล่าวให้เพียง 25 kW ของกำลังต้านทาน ดังนั้นกลยุทธ์: ปีนขณะเร่ง อยู่บนเส้นทางที่ ρv³ ยังคงคงที่โดยประมาณ คอร์ริเดอร์ที่เหมาะสมคือที่ซึ่งอากาศบางลงทีละน้อย อาจ 40–80 กม. สูง ที่ซึ่งชั้นบรรยากาศให้ความหนาแน่นกลางพอสำหรับการทำงาน EAD แต่พอที่จะรักษาแรงต้านที่จัดการได้ การควบคุมยานและความมั่นคง ไม่มีใบพัดหรือครีบ ความมั่นคงมาจากความสมมาตรของสนาม การกระตุ้นต่างของกระเบื้องให้โมเมนต์ หากกระเบื้องด้านหน้ากึ่งซ้ายผลิตแรงผลักดันมากกว่าเล็กน้อยกว่าด้านขวา ยาน yaw อย่างนุ่มนวล การควบคุม pitch ถูกบรรลุโดยการเบี่ยงเบนกระเบื้องบนและล่าง เนื่องจากแรงผลักดันต่อกระเบื้องเล็ก การตอบสนองช้า แต่ยานทำงานในระบอบที่ความคล่องตัวไม่จำเป็น เซ็นเซอร์ท่าทาง – ไจโรสโคป อัคเซลิโรมิเตอร์ แทร็กเกอร์ดาว – ให้อาหารระบบควบคุมดิจิทัลที่รักษาทิศทางสำหรับการตกกระทบแสงอาทิตย์สูงสุดและเส้นทางการบินที่ถูกต้อง ขนาดมหาศาลของยานและระบอบการบินช้าทำให้มันมั่นคงอย่างน่าประหลาดใจ ความปลอดภัยทางความร้อนและไฟฟ้า 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 ความสามารถในการสเกลและโมดูลาร์ 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 โปรไฟล์การลอยขึ้นและการเปลี่ยนผ่านความสูง ภารกิจทั้งหมดสามารถจินตนาการเป็นเกลียวเรียบในระนาบ (v,ρ): ขณะที่ความเร็วเพิ่มขึ้น ความหนาแน่นลดลง เส้นทางถูกเลือกเพื่อให้ผลิตภัณฑ์ ρv³ – ที่กำหนดกำลังต้านทาน – อยู่ต่ำกว่าคำขาดที่ระบบแสงอาทิตย์สามารถจัดหาได้ 1. การลอยขึ้นด้วยแรงลอยตัว ไปยัง 30–40 กม. 2. เฟสเร่ง: รักษา P_(D) ≈ 20–50 kW โดยประมาณคงที่โดยปรับ pitch และความสูง 3. การเปลี่ยนผ่านไปยังระบอบวงโคจร: เหนือ 70 กม. แรงยกและแรงลอยตัวหายไป และเรืออากาศกลายเป็นดาวเทียมที่ยังคงถูชั้นบรรยากาศ การเปลี่ยนผ่านจาก “การบิน” ไป “วงโคจร” ไม่ใช่ขอบเขตที่ชัดเจน ชั้นบรรยากาศค่อยๆ จางลง; แรงผลักดันชดเชยแรงต้านจนแรงต้านหยุดมีความหมาย เส้นทางของยานกลายเป็นวงกลมแทนแบบบอลลิสติก และมันคงที่สูงโดยไม่มีที่สิ้นสุด สมดุลพลังงานและความทนทาน การรวมเหนือการลอยขึ้นทั้งหมด การป้อนพลังงานรวมจากดวงอาทิตย์กว้างใหญ่เมื่อเทียบกับที่จำเป็น แม้ที่อัตราการเก็บเกี่ยวที่ скром 100 kW สามสัปดาห์ของการทำงานต่อเนื่องสะสม E = 100, 000 × 1.8 × 10⁶ = 1.8 × 10¹¹ J。 สำหรับยาน 2000 กก. นั่นคือ 90 MJ/kg – สามเท่าของข้อกำหนดพลังงานจลน์วงโคจร ส่วนใหญ่ของพลังงานนี้จะสูญเสียไปกับแรงต้านและความไร้ประสิทธิภาพ แต่ขอบเขตนั้นใจกว้าง นี่คือเวทมนตร์เงียบของความอดทนแสงอาทิตย์: เมื่อเวลาถูกอนุญาตให้ยืด พลังงานอุดมสมบูรณ์แทนที่การขาดแคลนของกำลัง การบำรุงรักษา การกลับ และการใช้งานซ้ำ หลังจากเสร็จสิ้นภารกิจวงโคจร เรืออากาศสามารถชะลอตัวลงทีละน้อยโดยการย้อนขั้วสนาม EAD แรงต้านเพิ่มขึ้นขณะลง; กลไกเดียวกันที่ยกมันตอนนี้ทำหน้าที่เป็นเบรก ยานสามารถกลับสู่สตราโตสเฟอร์และลอยลงภายใต้แรงลอยตัวที่เหลือ เนื่องจากไม่มีขั้นตอนที่ใช้แล้วทิ้งที่ถูกทิ้ง ระบบ ใช้งานซ้ำได้เต็มรูปแบบ เปลือกสามารถบำรุงรักษา เติมใหม่ และปล่อยใหม่ การบำรุงรักษารวมถึงการแทนที่กระเบื้องหรือฟิล์มที่เสื่อมสภาพแทนการสร้างใหม่ของเครื่องยนต์ ในทางตรงกันข้ามกับจรวดเคมี ที่การปล่อยแต่ละครั้งใช้ถังและเชื้อเพลิง เรืออากาศ EAD คือ ยานอวกาศรีไซเคิลพลังงาน ดวงอาทิตย์เติมมันต่อเนื่อง; เพียงการสึกหรอที่ต้องการการแทรกแซงมนุษย์ ความสำคัญทางวิศวกรรมที่กว้างขึ้น 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” กฎระเบียบ กลยุทธ์ และปรัชญาของการลอยขึ้นช้า ฟิสิกส์ของเรืออากาศทางไฟฟ้าแอโรไดนามิกแสงอาทิตย์เป็นแบบอนุญาต; กฎหมายไม่ใช่ กฎการบินในปัจจุบันแบ่งท้องฟ้าเป็นโดเมนที่จำกัดอย่างเรียบร้อย: พื้นที่อากาศ ที่ควบคุมโดยกฎหมายการบิน และ อวกาศภายนอก ที่ควบคุมโดยกฎหมายอวกาศ ระหว่างพวกมันคือพื้นที่สีเทา – สูงเกินไปสำหรับการรับรองเครื่องบิน ต่ำเกินไปสำหรับการลงทะเบียนวงโคจร เรืออากาศไปยังวงโคจรอาศัยอยู่ตรงในสีเทา เปลี่ยนผ่านความสูงต่อเนื่องที่ ซึ่งบนกระดาษ ไม่ принадлежит к категориямใดๆ ทำไมมัน “เป็นไปไม่ได้” 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 ชั้นยานพาหนะไฮบริดบรรยากาศ–วงโคจร การรักษาคือการยอมรับหมวดหมู่ใหม่ – ยานพาหนะไฮบริดบรรยากาศ–วงโคจร (HAOV) ลักษณะกำหนดของมันจะเป็น: - การข้ามโดเมนต่อเนื่อง: การลอยขึ้นจากพื้นผิวสู่อวกาศใกล้โดยไม่มีขั้นตอนแยก - กระแสพลังงานจลน์ต่ำ: การแลกเปลี่ยนโมเมนตัมรวมกับบรรยากาศต่ำกว่าหลายระดับจากจรวด - พฤติกรรมปลอดภัยแบบพาสซีฟ: เมื่อสูญเสียกำลัง ยานลอยและลง; มันไม่ตกแบบบอลลิสติก - การติดตามร่วม: มองเห็นเสมอสำหรับเรดาร์และเซ็นเซอร์ดาวเทียม ส่งสัญญาณเวกเตอร์สถานะเช่น ADS-B transponder สำหรับเครื่องบิน กรอบ HAOV จะอนุญาตให้รับรองยานดังกล่าวภายใต้ เกณฑ์ที่อิงตามประสิทธิภาพ แทน ที่อิงตามฮาร์ดแวร์ – กำหนดความปลอดภัยในแง่การปล่อยพลังงาน รอยเท้าพื้นดิน และความสามารถในการลงแบบอัตโนมัติแทนการมีอยู่ของเครื่องยนต์หรือเชื้อเพลิง คอร์ริเดอร์ มหาสมุทรหรือทะเลทรายสามารถถูกกำหนดที่ซึ่ง HAOV สามารถทำงานต่อเนื่อง ถูกตรวจสอบโดยเครือข่ายการจราจรอวกาศที่มีอยู่ การลอยขึ้นของพวกมันจะก่อให้เกิดอันตรายน้อยกว่าลูกโป่งสภาพอากาศเดี่ยว แต่กฎปัจจุบันไม่นำเสนอเส้นทางสำหรับพวกมัน การเมืองของความอดทน กฎระเบียบตามวัฒนธรรม และวัฒนธรรมติดยาเสพติดความเร็ว จุดสำคัญทางอากาศและอวกาศวัดด้วยอัตราส่วนแรงผลักดันต่อน้ำหนักและนาทีสู่วงโคจร แนวคิดที่ยานพาหนะอาจใช้เวลา สามสัปดาห์ เพื่อถึงวงโคจรฟังดูเหมือนถดถอยในการได้ยินครั้งแรก แต่ความอดทนคือราคาของความยั่งยืน เรืออากาศเสนอเมตริกที่แตกต่าง: ไม่ใช่ “เราสามารถเผาพลังงานได้เร็วแค่ไหน” แต่ “เราสามารถสะสมมันต่อเนื่องแค่ไหน” สำหรับหน่วยงานอวกาศที่คุ้นเคยกับหน้าต่างปล่อยและการนับถอยหลัง ยานดังกล่าวต้องการการเปลี่ยนแปลงในการดำเนินงาน: การวางแผนภารกิจตามฤดูกาลแทนวินาที; การแทรกวงโคจรที่ขึ้นอยู่กับเรขาคณิตของแสงอาทิตย์ ไม่ใช่ความพร้อมใช้งานของแพลตฟอร์ม แต่การเปลี่ยนแปลงนี้สอดคล้องกับการหันที่กว้างขึ้นสู่ โครงสร้างพื้นฐานสถานะคงที่ – ยานอวกาศแสงอาทิตย์-ไฟฟ้า สถานีที่ใช้งานซ้ำได้ แพลตฟอร์มสภาพอากาศที่ยั่งยืน คุณค่าทางยุทธศาสตร์ ยานพาหนะแสงอาทิตย์-EAD ที่ใช้งานซ้ำได้นำเสนอความสามารถที่ไม่มีจรวดหรือเครื่องบินสามารถจับคู่ได้: - การสังเกตและสื่อสารความสูงสูงที่ยั่งยืน: ก่อนวงโคจรเต็ม เรืออากาศสามารถลอยหลายเดือนในสตราโตสเฟอร์บน ส่งข้อมูลหรือถ่ายภาพโลก - การส่งสินค้าทีละน้อย: เพย์โหลดเล็กสามารถยกอย่างนุ่มนวลโดยไม่มีช็อกทางเสียงและความร้อนของการปล่อย - อนุกรมดาวเคราะห์: บนดาวอังคาร ที่ความเร็ววงโคจรเพียง 3.6 กม./วินาที และความดันบรรยากาศชื่นชอบการเร่งไอออนเส้นทางยาว สถาปัตยกรรมเดียวกันสามารถทำงานได้ดีกว่า - การดูแลสิ่งแวดล้อม: ไม่มีไอเสีย ไม่มีการรั่วไหลของเชื้อเพลิง ผลกระทบทางเสียงที่ละเลยได้ ทางเศรษฐกิจ HAOV ใช้งานแรกจะไม่แทนที่จรวดแต่เสริมพวกมัน บริการนิชที่ซึ่งความอดทนของเพย์โหลดเกินความเร่งด่วน ทางยุทธศาสตร์ พวกมันจะแยกการเข้าถึงอวกาศใกล้จากห่วงโซ่อุปทานเชื้อเพลิง – ลักษณะน่าดึงดูดสำหรับหน่วยงานอวกาศที่มองหาโครงสร้างพื้นฐานที่ยั่งยืน วิศวกรรมหนังสือกฎ การสร้างหมวดหมู่ HAOV น้อยกว่าล็อบบี้มากกว่าคือ การวัด ผู้กำหนดกฎเชื่อข้อมูล เส้นทางไปข้างหน้าคือความโปร่งใสทางทดลอง: 1. ผู้แสดงที่อิงฮีเลียม ในคอร์ริเดอร์ห่างไกล ที่ติดตั้งเพื่อบันทึกเส้นทาง การใช้พลังงาน และพฤติกรรมความผิดพลาด 2. เทเลเมทรีต่อเนื่อง ที่แบ่งปันกับการบินพลเรือนและเครือข่ายการติดตามอวกาศเพื่อพิสูจน์ไดนามิกการบินที่คาดเดาได้ 3. การจำลองและแบบจำลองความเสี่ยง ที่แสดงว่ากระแสพลังงานจลน์กรณีเลวร้ายที่สุดเหนือพื้นที่ที่มีประชากรละเลยได้ เมื่อหน่วยงานเห็นหลักฐานที่วัดได้ว่า HAOV ไม่สามารถทำลายเครื่องบินหรือประชากรพื้นดิน สถาปัตยกรรมทางกฎหมายจะตามมา – อย่างที่ทำกับลูกโป่งความสูงสูงและโดรนก่อนหน้า มิติทางจริยธรรม การบินช้าคือน้ำหนักทางศีลธรรม ผู้ปล่อยเคมีทำให้มลพิษไม่ใช่เพราะวิศวกรไม่ระวัง แต่เพราะฟิสิกส์ไม่นำเสนอเวลาสำหรับการรีไซเคิลความร้อนของพวกมัน เรืออากาศแสงอาทิตย์ ในทางตรงกันข้าม ไม่บริโภคอะไรที่ไม่สามารถกู้คืนได้ มันแทนที่เสียงรบกวนด้วยความเงียบ แฟลชด้วยประกาย การลอยขึ้นของมันจะมองเห็นได้จากพื้นดินเป็นจุดสว่างที่ไม่รีบร้อน ผลงานมนุษย์ที่ลอยขึ้นโดยไม่มีความรุนแรง ในยุคเร่งด่วน การเคลื่อนไหวที่ตั้งใจเช่นนี้คือการประกาศ: ว่าความทะเยอทะยานทางเทคโนโลยีไม่จำเป็นต้องระเบิดเพื่อให้ลึกซึ้ง ความอดทนของแสง เมื่อจรวดถึงวงโคจร มันทำด้วยการเร่งแบบดิบ: วินาทีของการเผาไหม้ที่ทิ้งท้องฟ้าให้สั่นสะท้าน เรืออากาศทางไฟฟ้าแอโรไดนามิกมาถึงต่างออกไป แต่ละโฟตอนที่กระทบผิวหนังของมันช่วยโมเมนตัมกระซิบ สื่อโดยอิเล็กตรอน ไอออน และคณิตศาสตร์เงียบของสมการแม็กซ์เวลล์ ในสามสัปดาห์กระซิบเหล่านี้สะสมเป็นวงโคจร การแสดงออกเดียวกัน – f = ρ_(e)E – ที่อธิบายไมโครแอมปีของการลอยไอออนในห้องปฏิบัติการ ยังปกครองร่างกายยกพันตันที่ลื่นไถลผ่านชั้นบรรยากาศบน สเกลเปลี่ยน; หลักการไม่ แทนเซอร์แม็กซ์เวลล์ กฎของคูลอมบ์ และความอดทนของแสงอาทิตย์เป็นสากล หากมนุษยชาติเรียนรู้ที่จะใช้ประโยชน์จากความอดทนนั้น เราได้รับวิธีใหม่ในการออกจากโลก – หนึ่งที่สามารถทำซ้ำได้ไม่สิ้นสุด ขับเคลื่อนโดยดาวเดียวกันที่รักษาเรา สู่ยุคการบินที่ย้อนกลับได้ วิศวกรรมจรวดเคมีคือท่าทางทางเดียว: ความพยายามมหาศาลเพื่อถึงวงโคจร และจุดจบกะทันหันในการกลับเข้า เรืออากาศทางไฟฟ้าแอโรไดนามิกแนะนำ เส้นทางที่ย้อนกลับได้ มันสามารถลอยขึ้นและลงตามใจชอบ อาศัยอยู่ที่ไหนก็ได้จากโทรโพสเฟียร์สู่วงโคจร มันคือยานอวกาศและที่อยู่อาศัย ยานพาหนะและสถานี ในความต่อเนื่องนั้นคือการย้อนกลับทางปรัชญา: การบินอวกาศไม่ใช่การจากไป แต่เป็นการขยายชั้นบรรยากาศ เกรเดียนต์จากอากาศสู่วสุญญากาศกลายเป็นพื้นที่นำทางได้ ยานดังกล่าวจะเบลอเส้นระหว่างอุตุนิยมวิทยาและนักบินอวกาศ เปลี่ยน “ขอบอวกาศ” เป็นพื้นที่ทำงานที่มีชีวิตแทนบาเรีย สะท้อนท้าย 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 อ้างอิง & การอ่านเพิ่มเติม - โครงการ Rise Fly Orbit: https://riseflyorbit.org/ – ภาพรวมของแนวคิดเรืออากาศแสงอาทิตย์-สู่วงโคจรและการวิจัยที่เกี่ยวข้อง - เรียงความการขับเคลื่อนทางไฟฟ้าแอโรไดนามิก: https://farid.ps/articles/electroaerodynamic_propulsion/en.html – การจัดการทางทฤษฎีลึกของแรงผลักดันทางไฟฟ้าแอโรไดนามิกโดยใช้เทนเซอร์ความเครียดแม็กซ์เวลล์และการกำหนดแรงตัวของคูลอมบ์ - Barrett, S. et al., Nature (2018). “Flight of an Aeroplane with Solid-State Ionic Propulsion.” – การสาธิตครั้งแรกของเครื่องบินปีกคงที่ด้วยระบบขับเคลื่อนไอออนสถานะของแข็ง - Paschen, F. (1889). “Ueber die zum Funkenübergang in Luft, Wasserstoff und Kohlensäure erforderliche Potentialdifferenz.” Annalen der Physik, 273(5) - Sutton & Biblarz, Rocket Propulsion Elements, 9th ed. – สำหรับความแตกต่างในงบประมาณพลังงานและการพิจารณา Δv - NASA Glenn Research Center, “Solar Electric Propulsion Basics.” – พื้นหลังสำหรับระบบผลักดันไฟฟ้าแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูง