Solar furnace

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基本参数

• 有效面积 > 50*50m,
• 反射率 > 90%？
• bootstrap反射面与框架总重 ~20吨
• 施工与自适应光学交换动量脚手架结构

聚焦面构成

反射聚焦

• 框架绷镀铝薄膜
  • 气球镀铝薄膜，球面，控制焦点，梯度材料改进球差，姿态
  • 可蒸发衬底焦点需在球外，Echo II工艺，search in NASA
• 合金轧板抛光镀铝
  • 背面磨砂黑化提高散热能力避免铝镀层蒸发

透射聚焦 https://github.com/ExponentialDeepSpace/exponentialdeepspace.github.io/issues/35#issuecomment-445857015

• https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_membrane
  • Membrane Optical Imager for Real-Time Exploitation (MOIRE)
  • nautilus-array,
  • Multiple Order Diffractive Fresnel Lens (MOD-DFL) for Atmospheric Transit Surveying of Earthlike Exoplanets, 2017

反射面成形

• 指标要求
  • 按焦距与光斑精度要求计，线度误差约0.5%
• 地面携带init框架
• 在轨bootstrap结构
  • 合金轧板
  • 钣金结构强度与自重
    • 10Ton@1mm thickness, 1000m sq,
  • 型材折弯

在轨姿态

• 与磁盾相互作用保持两轴
  • 空间多组磁控载荷互相拉力，磁拉格朗日点
  • 磁力矩器与钢结构导磁 #4
• 在轨推力？
• non-keplerian satellite? by @emptymalei

自适应光学

• 磁执行器脚手架自适应光学
• Lidar to feedback
  • 镜面监测 #15
  • 主要方向
    • 全闭环反馈，实时监控焦点（或可控旁瓣/配合目标成像情况
    • 局部闭环反馈，监控关键节点推算焦点特性
  • 激光扫描光源放置在另一焦点？
    • 每一组焦点镜面需要单独的光源
  • 通过测量星空星点位置在反射面的反光确定反射面姿态
    • 对镜面质量敏感
  • 机器视觉3D扫描监控反射单元
• 焦点特性
  • 振动，自适应光学引起的结构振颤
  • 电磁阻尼？
  • 热变形

焦点熔融能力

• 焦点面积
• 功率密度
• 矿坑熔炼蒸发沉积作用对反射面影响
  • 定性计算 #33 | https://github.com/ExponentialDeepSpace/exponentialdeepspace.github.io/issues/5#issuecomment-448068805
  • radius = 200m, half sphere surface area ~= 2.52E5m^2
  • 假设1E-4的蒸发率，10000吨熔炼物质蒸发量为1吨
  • 1E6g/2.52E5 ~= 4g/m^2，0.4mg/cm^2，~4um@1g/cm^3
  • 考虑蒸汽压影响

姿态约束

• 面对太阳
  • 公转迁徙
• 避开阴影
• 焦点集中在自转轴极点
  • 可利用缓慢进动/其他自转减速机制
  • 季节效应

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• Light Touch2 : Effective Solutions to Asteroid Manipulation, ESA General Studies Programme
  • Designs of multi-spacecraft swarms for the deflection of Apophis by solar sublimation , Massimiliano Vasile, 2009
  • On the deflection of asteroids with mirrors, Massimiliano Vasile, Christie Alisa Maddock, ESA, 2011
• Vasile, Massimiliano and Maddock, Christie (2012) Design of a formation of solar pumped lasers for asteroid deflection
  • LASER BEES: A Concept for Asteroid Deflection & Hazard Mitigation
  • https://en.wikipedia.org/wiki/Solar-pumped_laser

Vasile-solar-deflection.zip https://github.com/ExponentialDeepSpace/exponentialdeepspace.github.io/issues/35#issuecomment-444948647

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Steady-state，普通碳钢 圆柱体直径10m周围和底面冷却， 加热面直径1m， 300kw/m2 by @astroprop

主要改进：

• 冷端温度
• 瞬态仿真
• 按球面展开解析为一维问题，除热流边界错误

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进一步仿真条件：

• 普通碳钢
  • 及不锈钢
  • 不同比例的铁镍合金导热率物性影响
• 圆柱体直径10m周围和底面冷却
  • 包括整个圆柱侧面和底面
  • 冷端环境温度100K
  • 无对流，辐射换热
• 加热面直径1m， 300kw/m2
• 现在这个仿真是不含时的，分别仿真：
  • 半个小时
  • 两个小时
  • 中心1700K区域超过0.5m深 的结果

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反射面方案

• reverse umbrella
• Concentrating Solar Power, CSP SunShot, DoE
• L’Garde

反射面成型

反射面处理

• 抛光
  • 机械
  • 离子/蒸镀
• 镀铝
  • 镀铝钢板 | 真空蒸镀附着力
  • 热轧制镜面铝

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• 设计面积：50*50m

• 焦距：150m

• 钢带尺寸：1*25m，距长边18cm两侧折U型槽

  • 6 in 1 unit, 18 units, 108 pieces in total.

• 阵列内圈周长：108m，直径：34.4m

• 阵列外圈周长小于：265.2m，直径小于：84.4m

--

• full area: 50*50m
• focus on 150m away

1*25m, 6 in 1 unit, 18 units, 108 pieces in total. inner circle: 108m, 34.4m in diameter outer circle: < 265.2m, < 84.4m in diameter

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同步轨道作业面

@Tariel proposal了个很重要的新方案，可以用同步轨道可能比极地悬停方便些，虽然镜面有效截面面积可能打一点折，并且有晨昏影响。然后同步轨道调姿还是用磁场发生器节省推进剂

刚跟 @NirVa 讨论了一堆细节，最后要点就是两个

1. 微重力条件下的工程技术里涉及两相流、相变或者两种流体（无论同不同相）分离的情况，地面上的办法不一定能用（或者说大部分不能用）
2. 小行星表面放分布式地磁发生器，镜面用磁力矩器姿控加运行在同步轨道，可能是比较合适的姿控方式
   • 同步轨道需同步自转
   • 同时跟踪太阳朝向
3. 结构振颤问题，潜在解决方法：
   • 背面焊接桁架
   • 加应力提高基态频率

对于指数扩张1000倍的阵列规模，总面积超过2500 000m sq，约1600m的square，几乎覆盖小行星表面积

估算

• 2h/round
• 0.25g/kg

=> 360m in height from the axis for GEO

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矿坑熔炼蒸发沉积作用对反射面影响

• 定性计算 #33
  • radius = 200m, half sphere surface area ~= 2.52E5m^2
  • 假设1E-4的蒸发率，10000吨熔炼物质蒸发量为1吨
  • 1E6g/2.52E5 ~= 4g/m^2，0.4mg/cm^2，~4um@1g/cm^3
  • 铁在1783度C下蒸汽压1Torr，认为实用环境产生千分之一个大气压的铁蒸汽，一个大气压下气体摩尔体积22.4 L/mol，蒸发速率服从Hertz–Knudsen equation
  • Gas constant = 8.3144598(48) J⋅mol−1⋅K−1, Avogadro constant = 6.022E23mol−1

参考数据

• Critical Melting Points and Reference Data for Vacuum Heat Treating, p29
• 第5章 真空蒸发与真空沉积
• https://en.wikipedia.org/wiki/Hertz%E2%80%93Knudsen_equation
• A molecular dynamics test of the Hertz–Knudsen equation for evaporating liquids, Poland, 2015

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哈工大肖鑫礼课题组在高温热缩聚酰亚胺方面取得进展, 2017

1. 高温聚酰亚胺热缩膜

热缩材料恢复到初始状态的温度称为收缩温度(shrinkage temperature, Ts)，Ts对其应用范围有决定性影响。耐高温热缩聚酰亚胺使热缩膜耐受温度突破300ºC (图1.a, Macromolecules, 2015, 48, 3582-3589.)；通过调控分子结构，实现了热缩膜Tg从170—350ºC的可控 (图1.b, J. Appl. Polym. Sci. , 2017, 134, 44902. 封面文章)。

透明聚酰亚胺在微电子、光电子等领域有重要应用价值，但常见高成本限制其量产应用，我国商用透明聚酰亚胺依赖进口。肖鑫礼等研制的透明聚酰亚胺热缩膜是目前原料成本最低的透明聚酰亚胺(图1.c, Soft Matter, 2016, 12, 2894-2900，封面文章)。Atlas of Science以“Optically Transparent Shape Memory Polyimide-a Candidate for Flexible Electronics”为题报道，还有ADS/NASA、Sparrho、Pubfacts、Docphin、Readbyqxmd、Gentaur、PUBPDF等国外报道；入选《RSC China Newsletter》2016年“Science Technology News in China”，《石油化工》、《橡胶技术与装备》等期刊，以及中国聚合物网、中国流变网等十多家国内报道(图1.d)。

• Optically transparent high temperature shape memory polymers, HIT, 2017

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• https://en.wikipedia.org/wiki/Sunshield_(JWST)
• https://jwst.nasa.gov/sunshield.html
• https://www.youtube.com/watch?v=PVAe9Ovca5Q
• https://www.youtube.com/watch?v=ntv1YsqbMJw
• https://www.inverse.com/article/42894-sunshield-rips-keep-james-webb-telescope-grounded

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Heliogen

Bill Gates-backed Heliogen's solar 'breakthrough' could replace

• https://zhuanlan.zhihu.com/p/94155876

• 4.SolarparabolicdishStirlingenginesystemdesignsimulationandthermalanalysis.pdf
• HIGH_TEMPERATURE_SOLAR_CONCENTRATORS.pdf