Космический парусник: имеет ли он смысл?

[Gleb1964]

а что еще подойдет? Надо подумать...

лучше всего подойдет гидирование по обратному блику от самого паруса, тем более, если учитывать, что парусник будет смещаться на фоне звезд, особенно, пока он будет на небольшом расстоянии.
гидирование по блику и фазирование излучателей и линзы по блику. точно как подстраивают адаптивную оптику, но здесь есть еще степень свободы -  фаза излучателя (излучателей)

[Andrew Gontchev]

лучше всего подойдет гидирование по обратному блику от самого паруса, тем более, если учитывать, что парусник будет смещаться на фоне звезд, особенно, пока он будет на небольшом расстоянии.
гидирование по блику и фазирование излучателей и линзы по блику. точно как подстраивают адаптивную оптику, но здесь есть еще степень свободы -  фаза излучателя (излучателей)

Это была моя первая очевидная мысль: повесить на парус маяк и замкнуть цепь слежения через ООС. Время распространения - очень большое, сигнал ошибки на парирование будет фатально опаздывать...

[alex_semenov]

А обосновать?

А опровергнуть?

Что опровергать? Голое заявление?
Опровергаю: 
83.8% попадет на приемную апертуру!!!

[alex_semenov]

Но если без шуток. Пытаясь найти аргументы для  Гончева  и посчитал таки линзу.
Сначала для сферической волны.



Радиус зон Френеля для сферического фрона считается так:

   (1)

m - номер зоны
r - радиус зоны Френеля (от центра)
R - расстояние от линзы до точечного источника 
F - фокусное расстояние линзы (на рисунке L)
лямбда - длина волны

Для F=1.25  св.лет, лямбда - 20 мкм, R  -1 а.е. я получил радиус первой зоны 1 732  м, второй - 2 449 м   то есть ширина первого сплошного кольца 717 м. Далее кольца становятся уже уже и уже. На радиусе 300 003 м будет аккурат 30 001-тое кольцо. При этом ширина этой последней зоны будет 5 м.

Все - пучком!

НО!
Вот как считаются радиусы зон Френеля для плоского фронта (строго параллельного потока или света бесконечно удаленного источника):

(2)

И для 20 мкм и F=1.25 св.лет  то радиус первой зоны получатся аж 486 165 м (диаметр 973 км!). То есть оговоренный нами диаметр линзы (или антенной зоны) в 600 км (достаточный по критерию Рэлея) даже не перекрывает первую зону!
Как это понимать?
Зона - это расстояние где фаза волны сдвигается на лябда/попалам.
Зонная пластинка как она есть с прозрачными и непрозрачными зонами - прибор убогий, отбирающий 50% мощности.
Линза Френеля (профиль C) устроена куда более разумно:



Смысл в том, что m- номер зоны, как я понимаю (поправляйте если я лгу) может быть и нецелым. Целый, если сдвиг фазы пи() и пластинка только прозрачная-непрозрачная. Но он может быть прозрачной с переменной толщиной.

Почему я так забеспокоился о плоском волновом фронте? Потому что синтезированная апертура, состоящая из множество параболических антенн направленных строго вертикально в зенит и создают как бы плоский фронт, приходящий из бесконечности.

 

Но как я теперь понимаю (знающие хорошо волновую оптику - поправляйте если что), антены на поле можно направить чуть по сфере, наружу (как это не дико звучит) с внутренним радиусом R (скажем в ту же 1 а.е.), то есть создать  как бы сферический фронт, но при этом построить для них сдвиг фаз по формуле (1) и получить тот же эффект что и  фокусировка сферического фронта плоской линзой из точечного источника установленного за плоскостью апертуры в 1 а.е.
Верно я рассуждаю?
Или где-то ошибка?

[alex_semenov]

но и такие гироскопы не панацея, их точности недостаточно и они медленно но верно набирают погрешность и теряют ориентацию. лучше, чем ориентация по звездам ничего не будет

По звездам, как я понимаю, лучше всего определять положение в пространстве. То есть текуший угол, фи. Но речь идет о вылавливании именно мгновенных угловых скоростей, омега. Это разные вещи.
Я понимаю. Сами зеркала не представляют из себя  твердую базу. Они сами дышат, вибрируют, то ближе то дальше, но я интуитивно думал, что луч идущий туда и обратно такие колебания по-сути убирает и ловит только именно угловые повороты всего кольца двух встречных лучей.
Видимо я что-то не правильно до сих про понимаю в лазерном гироскопе….

Гм… надо присмотреться к идее лазерного гироскопа повнимательней.

[alex_semenov]

лучше всего подойдет гидирование по обратному блику от самого паруса, тем более, если учитывать, что парусник будет смещаться на фоне звезд, особенно, пока он будет на небольшом расстоянии.
гидирование по блику и фазирование излучателей и линзы по блику. точно как подстраивают адаптивную оптику, но здесь есть еще степень свободы -  фаза излучателя (излучателей)

Фаза излучателя (как и поляризация) - отдельная песня. И вообще говоря, она как мне кажется МЕНЕЕ критична. Если при формировании волнового фронта в излучателе вы имеете погрешность фаз на краях 1%, то эта погрешность так и окажется в фокусе.  Она не меняется.  Длина фокусного расстояния тут никаким боком (как я думаю). То же и с поляризацией.
Ужас доплеровской аберрации как раз в том, что небольшое отклонение частоты при формировании волнового фронта быстро накапливается с расстоянием.

Отражать от паруса действительно нет смысла.
В тот момент, когда нам нужна максимальная точность, парус в 1 световом годе от излучателя. Задержка реакции системы управления  в 2 года нас не устроит никак.
Но, мы можем сделать чуть хитрее.

Два года - 63 072 000 с. Какой период реакции на искажение волнового фронта антенной мы можем себе позволить? 1 час (3600 с)? Сутки (86 400 с)? Давайте расположим в луче между излучателем и парусом полупрозрачное зеркало, которое бы малую часть фронта (0.00… 01%) отражала бы назад к отражателю.
Скажем, получив задержку в сутки, мы должны расположить излучатель на дистанции в 730 раз ближе чем парус. Значит и чувствительность к искажениям у компенсирующей системы надо иметь примерно в 1000 раз выше. Если вы хотите иметь часовую реакцию, то чувствительность надо поднять в 17520 ~20 000 раз.  Четыре порядка.
Но учитывая что пятно имеет диаметр 1000 км, то я не вижу проблемы в распознавании искажений интерференционной картины такого размера.

Почему такое отдельное зеркало будет еще лучше (помимо скорости реакции)?
Такое зеркало надо привязать как ЭТАЛОН неподвижности. Как одну из вершин в гигантской опорной базе. А парус для этого не годится. Это разгоняемый аппарат, который вообще может уйти из луча. Парус вообще очень плохое, морщинистое зеркало. Оно рассчитано тупо получить импульса, и оптимизировано под эту задачу (скажем по массе). 

[Diivanych]

Мне кажется, что напрасно вы так волнуетесь по поводу доплеровской аберрации. Таким макаром можно заглушать не более половины суммарно принимаемого сигнала. Другое дело, что возможны пульсации на принимающей стороне, а вот это может стать проблемой для тонкого паруса.

[alex_semenov]

Не, не! Проблема серьезная! Если у нас появится свистопляска в интерференционной картине  в районе фокуса, то никакой ФОКУСИРОВКИ энергии не получится, и Гончев тогда прав на 100% со своитми 99, 99... 9 процентами потери!

[Diivanych]

Вот почитайте эту статью.

http://ru.wikipedia.org/wiki/Биения

Там есть звуковой пример (проигрыватель чуть ниже).

[alex_semenov]

Прекрасно. Очень наглядно. Спасибо. Но о чем это говорит?
Если у нас n источников, которые в неподвижном состоянии дают нужный нам фокус (максимум амплитуды, представим это как круги на воде) и вот один у нас по частоте сдвинулся.  Значит амплитуда в фокусе начнет на его вклад амплитуды колебаться. То есть возникнет биение. Если сдвинулись два из n (и каждый на свою длину)? Картина усложнилась. Очевидно картина в фокусе станет еще реже приходить к нужному нам виду, что был при монохроматичных волнах. Но если все n  дают сдвиг частот непредсказуемым образом от необходимого идеала? Мы получим в фокусе явно размазанную картину. Фокус распадется.

[Diivanych]

Ну, во-первых, все одновременно сдвинуться вряд ли смогут (на то есть система стабилизации), а во-вторых, суммарная принимаемая энергия за один такт биения не изменится (смотрите gif на wiki справа). Если излучение будет слегка отлично от монохромного, то слегка растекутся края колец. В целом, если удастся синтезировать точечный источник, то биения будут равномерными по всей плоскости паруса

[Инопланетянин]

Всё-таки буду долбить со своего конца. Александр, а обязательно запускать пепелац весом не менее ста тысяч тонн? Может меньше, а? Тогда и платить повышенной мощностью за уменьшенное фокусное расстояние не придётся.

А если смертельно надо запустить именно 100 000 т. и ни граммом меньше, то почему нельзя запустить эту бандуру по частям?
Скажем каждый «вагон» пепелацкого поезда по пять тонн (с потолка) состоящий в основном из паруса (который одновременно микросхема и хранилище запасов «витаминов») запускается за один раз. После разгона одного такого «вагона» до околосветовой скорости запускаем другой, потом третий и т.д. Времени это займёт меньше пяти лет. А в общей сложности для такой массы порядка того же самого времени и должно выйти. Кстати, масса такого пепелаца хорошо масштабируется в любом направлении. Потом эти «вагоны» склеиваются в дороге или летят так.
По прибытии их ждёт проблема дотормаживания, которую тут ещё не рассматривали. Но если каждый «вагон» это просто парус избыточно сложного состава (из-за полезной нагрузки, то бишь КЭЦЭ ), то он сможет дотормозить и на естественном свете целевой звезды.

Ещё один плюс - не надо нести все спички в одном кармане. Любой турист подтвердит.

[AlexAV]

Ну, во-первых, все одновременно сдвинуться вряд ли смогут (на то есть система стабилизации), а во-вторых, суммарная принимаемая энергия за один такт биения не изменится

Самые неприятные – это шумы типа релеевских волн на оптических поверхностях (зеркал и т.д.) сдвиг частот в каждой точке будет случайным, причём картина будет меняться непредсказуемым образом за время порядка нескольких колебаний (частоты порядка звуковых, т.е. килогерцы).

Такие случайные отклонения на достаточно большом расстоянии гарантированно полностью развалят фокусировку. Зеркало будет выглядеть ни как оптическая поверхность, а как диффузный источник.

Нижний уровень шума – тепловые колебания (у тёплого зеркала сколь угодно большого диаметра будет предел дальности фокусировки). Но кроме них всегда будут нетепловые шумы (скажем, ударил микрометеорит по конструкции и побежала акустическая волна).

[Diivanych]

Но если удастся синтезировать точечный источник, то биения будут равномерными по всей плоскости паруса.

[AlexAV]

Но если удастся синтезировать точечный источник, то биения будут равномерными по всей плоскости паруса.

Нет. Возмущённая поверхность – это не две точки со строго заданными сдвигами частот друг относительно друга, а практически континуум таких точек с не вполне когерентным излучением.

Никаких красивых биений здесь не будет. Просто расходимость пучка намного сильнее (на больших расстояниях), чем даёт дифракционный предел.

Правда, надо отметить, что зонная пластинка Френеля (не линза!) будет свободна от этих проблем.

Однако эти явления всё равно будут давать о себе знать.

Зеркало – практически обязательный элемент лазера и оно тоже будет давать возмущение. В результате на достаточно большом расстоянии у вас скорее всего получится (даже если главный фокусирующий элемент свободен от указанной проблемы) не диск Эйри, а изображение выгодного зеркала лазера.

[Andrew Gontchev]

83.8% попадет на приемную апертуру!!!

именно 3 десятых? не ошиблись, может 2 десятых?

[Andrew Gontchev]

Верно я рассуждаю?
Или где-то ошибка?

ваша ошибка в том, что Вы считаете замороженную картинку: все излучатели требуется идеально заморозить в пространстве (относительно друг друга), чтобы сформировать фронт единого волнового цуга - на практике это невозможно.

[Прохожий]

Ну и что делать? Сухари сушить?

[Andrew Gontchev]

Ну и что делать? Сухари сушить?

Завтра объясню - как победить, сегодня у меня состояние как у известного кумира прошлых лет (сорри за офф):

....Didn't get to bed last night
...On the way the paper bag was on my knee
...Man, I had a dreadful flight

...Leave it till tomorrow to unpack my case
...Honey, disconnect the phone

[Andrew Gontchev]

Зеркало – практически обязательный элемент лазера и оно тоже будет давать возмущение. В результате на достаточно большом расстоянии у вас скорее всего получится (даже если главный фокусирующий элемент свободен от указанной проблемы) не диск Эйри, а изображение выгодного зеркала лазера.

Только оптика скользящего отражения (как у рентгеновских телескопов)