ソーラーセイル

ほとんどのソーラーセイルは反射に基づいています。^{[ 21 ]}セイルの表面は鏡のように非常に反射率が高く、表面から反射した光が力を与えます。実際にはセイルの軌道の効率に影響を与える重要な制限は、推力の方向と大きさが連動しているため、独立して制御できないことです。

2018年に、回折が別のソーラーセイル推進機構として提案されました。調整可能な回折格子を持つ材料を使用して、入射光を所望の角度に向けます。この構成により、推力の方向と大きさの結合が解消され、反射セイル（制御を実現するためにさまざまな角度に傾ける必要がある）よりも迅速に推力を調整できるようになります。ただし、セイル材料の技術成熟度は、反射セイルの場合ほど成熟していません。^{[ 22 ] [ 23 ]}

反射型ソーラーセイルに見られる方向と推力の結合は、ソーラーフォトンスラスタによって解決することも提案されている。^{[ 24 ]}これも反射膜を使用するが、従来のソーラーセイルとは異なり、膜は入射放射を小さなコリメートミラーに導く。コリメートミラーはこの放射を反射ミラーに導き、その向きによって放射ビームの方向、ひいては推力の方向が影響を受ける。したがって、推力の方向は、反射板全体を回転させるのではなく、この放射が集束された小さなミラーを回転させることによって制御される。これは推力の大きさと方向の結合を完全に解消するものではないが、推力が方向のコサインの二乗ではなくコサインに比例することを意味し、この変更によりあらゆる角度で利用可能な推力の大きさが増加する。^{[ 25 ]}

FMIのペッカ・ヤンフネンは、電気ソーラーウィンドセイルと呼ばれるタイプのソーラーセイルを提案した。^{[ 26 ]}機械的には、従来のソーラーセイルの設計とはほとんど共通点がない。セイルは、ホストシップの周囲に放射状に配置されたまっすぐな導電性テザー（ワイヤー）に置き換えられる。ワイヤーは電気的に帯電され、ワイヤーの周囲に電場を生成する。電場は、周囲の太陽風のプラズマに数十メートルまで広がる。太陽陽子は、従来のソーラーセイルの光子と同様に、電場によって反射される。セイルの半径は、実際のワイヤー自体ではなく電場によって決まるため、セイルは軽量になる。また、ワイヤーの電荷を調整することで、船を操縦することもできる。実用的な電気セイルは、 それぞれ約20kmの長さのまっすぐなワイヤーが50～100本必要になるだろう。^{[ 27 ]}

電動ソーラー風帆は、静電場と帆の姿勢を調整することができる。

磁気帆も太陽風を利用する。ただし、磁場は風の中の帯電粒子を偏向させる。ワイヤーループを使用し、静的電圧を印加する代わりに静的電流を流す。^{[ 28 ]}

これらの設計はすべて操縦可能であるが、その機構はそれぞれ異なる。

磁気帆は、太陽風に含まれる荷電陽子の軌道を曲げる。帆の姿勢や磁場の大きさを変えることで、推力の量と方向を変化させることができる。

ソーラーセイルに与えられる力は光子の運動量から生じる。光子または光束全体の運動量はアインシュタインの関係式で与えられる。^{[ 29 ] [ 30 ]}

${\displaystyle p=E/c}$

ここで、pは運動量、Eはエネルギー（光子または光束のエネルギー）、cは光速である。具体的には、光子の運動量は波長に依存する。p = h/λ

太陽放射圧は、2011年に改訂された1 AU （地球-太陽距離）での放射照度（太陽定数）値1361  W/m ²と関連付けることができます。 ^{[ 31 ]} 

• 完全吸収：入射ビームの方向において、F = 4.54  μN/平方メートル（4.54  μPa ） （完全非弾性衝突）
• 完全反射：表面に垂直な方向でF = 9.08  μN/平方メートル（9.08 μPa）（弾性衝突） 

理想的な帆は平らで、100%鏡面反射します。実際の帆は、曲率（たるみ）、しわ、吸収、前面と背面からの再放射、非鏡面効果、その他の要因により、全体的な効率は約90% 、約8.17μN  /m ^{2になります[ 30 ] 。}

帆にかかる力と船の実際の加速度は、太陽からの距離の二乗に反比例し（太陽に極めて近い場合を除く^{[ 32 ]}）、帆の力ベクトルと太陽からの半径方向との間の角度のコサインの二乗に比例するので、

${\displaystyle F=F_{0}\cos ^{2}(\theta )/R^{2}}$（理想的な帆走のために）

ここで、Rは太陽からの距離（天文単位）である。実際の四角い帆は次のようにモデル化できる。

${\displaystyle F=F_{0}(0.349+0.662\cos(2\theta )-0.011\cos(4\theta ))/R^{2}}$

理想的な帆の場合に予想される90°ではなく、一般的にθ = 60°付近で力と加速度がゼロに近づくことに注意してください。^{[ 33 ]}

エネルギーの一部が吸収されると、吸収されたエネルギーによって帆が加熱され、その熱は前面と背面の放射率に応じて、それぞれの表面から再放射される。

太陽風、すなわち太陽から吹き出される荷電粒子の流れは、約3～4 nPaの公称動圧を及ぼし、これは反射帆にかかる太陽放射圧よりも3桁小さい。^{[ 34 ]}

帆の荷重（面積密度）は重要なパラメータであり、総質量を帆面積で割った値で、単位はg/m²です^。ギリシャ文字のσ（シグマ）で表されます。

帆船は、太陽に面した状態で1天文単位（AU）において、固有の加速度 a _c を受ける。この値は、入射運動量と反射運動量の両方を考慮した値であることに注意されたい。1 AUにおける放射圧の9.08 μN/平方メートルという上記の値を用いると、a _cは面積密度と次の関係式で表される。

a _c = 9.08(効率) / σ mm/s ²

効率90%を仮定すると、_c = 8.17 / σ mm/s ²

軽度指数λ（またはβ）は、最大機体加速度を太陽の局所重力で割った無次元比です。1 天文単位（AU）における値を使用します。

λ = a _c / 5.93

軽度値は太陽からの距離に依存しない。なぜなら、重力と光圧はどちらも太陽からの距離の二乗に反比例して減少するからである。したがって、この数値は特定の宇宙船で可能な軌道操作の種類を定義する。

表にはいくつかの例の値を示します。ペイロードは含まれていません。最初の 2 つは、1970 年代の JPL の詳細設計作業によるものです。3 番目の格子帆船は、可能な限り最高の性能レベルを表している可能性があります。^{[ 5 ]} 正方形および格子帆の寸法は辺の長さです。ヘリオジャイロの寸法は、ブレードの先端から先端までの長さです。

帆船が所望の姿勢を達成し維持するためには、能動姿勢制御システム（ACS）が不可欠です。必要な帆の向きは、惑星間空間ではゆっくりと変化しますが（多くの場合1日あたり1度未満）、惑星軌道上でははるかに急速に変化します。ACSは、これらの姿勢制御要件を満たす能力を備えている必要があります。姿勢制御は、船体の圧力中心と質量中心の相対的なずれによって実現されます。これは、制御羽根、個々の帆の動き、制御質量の移動、または反射率の変更によって実現できます。

一定の姿勢を維持するには、ACSが機体にかかる正味トルクをゼロに保つ必要があります。帆、または帆一式にかかる総力とトルクは、軌道に沿って一定ではありません。力は太陽からの距離と帆の角度によって変化し、それによって帆の膨らみが変化し、支持構造の一部がたわむため、帆にかかる力とトルクが変化します。

帆の温度は、太陽からの距離や帆の角度によっても変化し、それによって帆の寸法も変化します。帆からの放射熱は、支持構造の温度を変化させます。これらの両方の要因が、総力とトルクに影響を与えます。

望ましい姿勢を維持するためには、ACSはこれらの変化すべてを補正する必要がある。^{[ 35 ]}

太陽系内を旅する場合、ペイロードを届けた後、地球に戻って次の航海に出発することができ、惑星間シャトルとして機能します。特に火星の場合、この船は惑星上での活動に定期的に物資を供給する経済的な手段となる可能性があります。ジェローム・ライトによれば、「有人ミッションに必要な従来の推進剤を地球から打ち上げるコストは莫大です。帆船を使用することで、ミッションコストを100億ドル以上節約できる可能性があります。」^{[ 5 ]}

ソーラーセイル船は、太陽に接近して観測機器を運搬したり、定点保持軌道に乗ったりすることができる。0.25天文単位（AU）以内、あるいはそれよりも近い距離で運用可能であり、極軌道を含む高い軌道傾斜角にも到達できる。

ソーラーセイルは内惑星すべてとの間を往復できる。水星と金星への旅は、ペイロードのランデブーと軌道投入のためである。火星への旅は、ランデブーまたはスイングバイのどちらかであり、空力ブレーキのためにペイロードを放出する。^{[ 5 ]}

外惑星への最短移動時間は、間接的な軌道変更（太陽スイングバイ）を利用することで短縮できます。ただし、この方法では到着速度が速くなります。移動速度が遅いほど、到着速度も遅くなります。

地球に対する出発速度がなく、c = 1 mm/s 2 の場合、間接遷移 (太陽スイングバイ) を使用した場合、木星への最短遷移時間は 2 年です。到着速度 ( V _∞ ) は¹⁷ km / _sに近い値です 。土星の場合、最短移動時間は 3.3 年で、到着速度は 19 km/s 近くになります 。^{[ 5 ]}

太陽の重力中心は太陽から550 AUの最小距離にあり、遠方の天体からの光が太陽を通過する際に重力によって集束される点です。したがって、これは太陽の重力によって太陽の反対側の深宇宙領域が集束される遠方の点であり、非常に大きな望遠鏡の対物レンズとして効果的に機能します。^{[ 36 ] [ 37 ]}

太陽から 0.05 AU の距離から出発するベリリウム製の膨張式帆は、初期加速度 36.4  m/s ²を得て、1 日以内に 0.00264c (約 950 km/s) の速度に達すると提案されている 。しかし、高温でのベリリウムの構造劣化、高温での水素の拡散、太陽風によるベリリウムの電離によって生じる静電勾配による破裂リスクのため、このような太陽への接近は短期的には非現実的であることが判明する可能性がある。近日点を 0.1 AU に修正すれば、前述の温度と太陽光束への曝露は軽減される。^{[ 38 ]}このような帆は「太陽圏 界面に到達するのに 2 年半、太陽の内側の重力焦点に到達するのに 6 年半、内側のオールトの雲に到達するのに 30 年以内」かかるだろう。^{[ 37 ]}「このようなミッションは、途中で有用な天体物理学的観測を行い、重力集束技術を探求し、オールトの雲の天体を画像化すると同時に、その領域にある太陽起源ではなく銀河起源の粒子や場を探求することができるだろう。」

ロバート・L・フォワードは、太陽帆を使って地球周回衛星の軌道を変更できると述べている。極限的には、帆を使って衛星を地球の一方の極の上空に「浮かせる」ことができる。太陽帆を装備した宇宙船は、太陽または地球に対して静止した状態になるような近距離軌道に投入することも可能で、フォワードはこの種の衛星を「静止衛星」と名付けている。これは、帆によって提供される推進力が太陽の重力による引力を相殺するため可能である。このような軌道は、太陽の特性を長期間にわたって研究するのに役立つ可能性がある。^{[ 39 ]}同様に、太陽帆を装備した宇宙船は、惑星の重力に対抗するために必要な適切な角度に帆を傾けることで、地球などの惑星の極の太陽明暗境界線のほぼ真上に留まることもできる。 ^{[ 39 ]}

ロバート・ズブリンは著書『火星への移住論』の中で、火星の極明暗境界線付近に設置された大型の静止構造物から反射された太陽光を火星の極冠の一つに集光することで、火星の大気を大幅に温暖化できる可能性があると指摘している。このような静止構造物は小惑星の物質から作ることができるという。

帆のように機能するように設計された衛星群が、地球のエネルギー不均衡を測定するために提案されている。これは、地球温暖化の速度を測る最も基本的な指標である。搭載された最先端の加速度計は、各衛星の反対側で入射する太陽放射と放出される熱放射の間の圧力差の変化を測定する。測定精度は、小型放射計検出器で達成できる精度よりも優れていると予測されている。^{[ 40 ]}

水星を周回するMESSENGER探査機は、水星への軌道修正を微調整するために、太陽電池パネルに軽い圧力を加えました。^{[ 41 ]}太陽電池パネルの太陽に対する角度を変えることで、太陽放射圧の量を変化させ、スラスタでは不可能なほど繊細に宇宙船の軌道を調整しました。重力アシスト操作では小さな誤差が大きく増幅されるため、放射圧を使用して非常に小さな修正を行うことで、大量の推進剤を節約できました。

1970年代、ロバート・フォワードは、レーザーまたはメーザーを使用して巨大な帆を光速のかなりの割合まで推進する2つのビーム駆動推進方式を提案した。^{[ 42 ]}

SF小説『ロッシュワールド』の中で、フォワードは超レーザーで推進されるライトセイルについて描写している。宇宙船が目的地に近づくと、セイルの外側部分が分離する。外側のセイルはレーザーを再集束させ、より小型の内側のセイルに反射させる。これにより、目的地の恒星系で宇宙船を停止させるための制動力が得られる。

どちらの方法も、途方もない技術的課題を抱えている。レーザーはギガワット級の威力で何年も連続稼働させなければならない。フォワード氏の解決策では、水星上またはその近傍に巨大な太陽電池アレイを建設する必要がある。レーザーを帆に集束させるためには、太陽から数十天文単位離れた場所に惑星サイズの鏡またはフレネルレンズを設置する必要がある。巨大なブレーキ帆は、ブレーキビームを内側の「減速」帆に集束させるための精密鏡として機能しなければならない。

より簡単なアプローチとしては、マイクロ波放射の操作は可視光の操作よりもやや容易であるため、帆に照射されるマイクロ波の波長と同じ間隔のワイヤーメッシュで構成された「ソーラーセイル」をメーザーで駆動する方法が考えられる。仮説上の「スターウィスプ」星間探査機の設計^{[ 43 ] [ 44 ]}では、可視光ではなくマイクロ波を使用して推進する。メーザーは波長が長いため、光レーザーよりも急速に拡散するため、有効範囲はそれほど広くない。

メーザーは、マイクロ波放射が当たると蒸発するように設計された化学物質の層でコーティングされた従来の帆である塗装ソーラーセイルの動力源としても使用できる。^{[ 45 ]}この蒸発によって発生する運動量は、軽量アブレーションレーザー推進の一形態として、ソーラーセイルによって発生する推力を大幅に増加させることができる。

遠方のソーラーセイルにエネルギーをさらに集中させるために、フォワードは大きなゾーンプレートとして設計されたレンズを提案した。これはレーザーまたはメーザーと宇宙船の間の場所に配置されます。^{[ 42 ]}

より物理的に現実的なアプローチとしては、太陽からの光を利用して宇宙船を加速する方法がある。^{[ 46 ]}宇宙船はまず太陽に接近する軌道に入り、帆への太陽エネルギー入力を最大化し、その後、太陽からの光を利用してシステムから遠ざかるように加速し始める。加速は太陽からの距離の二乗に反比例して低下し、ある距離を超えると、宇宙船はもはや十分に加速する光を受け取れなくなるが、到達した最終速度は維持される。目標の恒星に近づくと、宇宙船は帆をその恒星に向けて、目的地の恒星の外向きの圧力を利用して減速し始めることができる。ロケットは太陽の推力を増強することができる。

同様のソーラーセイルによる打ち上げと捕獲は、他の太陽系で生命を拡大するための指向性パンスペルミア にも提案されている。10 kg のペイロードを搭載したソーラーセイルは、有効面積密度が 0.1  g/m ^{2で厚さ 0.1} μmの薄いセイルと1 平方キロメートル程度のサイズの薄いソーラーセイル車両を使用することで、光速の0.05% の速度を得ることができる。あるいは、半径 42 cm のソーラーセイルに 1 mm のカプセルの群れを乗せて打ち上げることができ、各カプセルには 1 億個の極限環境微生物が入った 10,000 個のカプセルが搭載され、多様なターゲット環境に生命の種を蒔くことができる。^{[ 47 ] [ 48 ]}   

理論研究では、太陽帆が超新星を利用すれば相対論的速度に達すると示唆されている。^{[ 49 ]}

小型ソーラーセイルは、小型人工衛星の地球軌道からの離脱を加速するために提案されている。低地球軌道の衛星は、セイルにかかる太陽圧と大気抵抗の増加を組み合わせて、衛星の再突入を加速することができる。^{[ 50 ]}クランフィールド大学 で開発されたデオービットセイルは、2014年に打ち上げられた英国の衛星TechDemoSat-1の一部である。セイルは、衛星の5年間の耐用年数の終わりに、2019年5月に展開された。^{[ 51 ]}セイルの目的は、約25年間かけて衛星を軌道から外すことである。^{[ 52 ] 2015年7月、16平方メートルのデ}オービット構造をテストする目的で、DeorbitSailと呼ばれる英国の3Uキューブサットが宇宙に打ち上げられたが、^{[ 53 ]}最終的には展開に失敗した。^{[ 54 ]} 2018 年 12 月に打ち上げられたPW-Sat2と呼ばれる学生 2U CubeSat ミッションは、4 m ²の軌道離脱帆をテストしました。2021 年 2 月に軌道離脱に成功しました。^{[ 55 ]} 2017 年 6 月に、 InflateSailと呼ばれる2 番目の英国の 3U CubeSat が高度500 キロメートル (310マイル)で10 m ^{2 の}軌道離脱帆を展開しました。^{[ 56 ]} 2017 年 6 月に、 Spacemindが開発した軌道離脱システム ARTICA をテストするために、 3U CubeSat URSAMAIOR が低地球軌道 に打ち上げられました。^{[ 57 ]} CubeSat の 0.4 U しか占めないこの装置は、運用寿命の終わりに衛星を軌道離脱させるために2.1 m ² の帆を展開します。 ^{[ 58 ]} 

現在の設計で最も一般的な材料は、アルミニウム蒸着された2μmのカプトンフィルムなどのポリマー（プラスチック）シート上に薄いアルミニウム層をコーティングしたものです 。ポリマーは機械的な支持と柔軟性を提供し、薄い金属層は反射性を提供します。このような材料は、太陽に接近する際の熱に耐え、なおかつ十分な強度を維持します。アルミニウム反射フィルムは太陽側に配置されています。コスモス1号の帆は、アルミニウム蒸着されたPETフィルム（マイラー）で作られていました。

エリック・ドレクスラーは、ポリマーを除去した帆のコンセプトを開発した。^{[ 64 ]}彼は非常に高い推力対質量比のソーラーセイルを提案し、帆材のプロトタイプを作成した。彼の帆は、引張構造で支えられた薄いアルミニウムフィルム（厚さ30～100ナノメートル）のパネルを使用する。帆は回転し、常に推力を受ける必要がある。彼は実験室でフィルムのサンプルを作成し、扱ったが、その材料は折り畳み、打ち上げ、展開に耐えるには繊細すぎた。設計では、フィルムパネルを宇宙空間で製造し、展開可能な張力構造に接合することに依存していた。このクラスの帆は、単位質量あたりの面積が大きく、展開可能なプラスチックフィルムに基づく設計よりも最大「50倍高い」加速度を提供する。^{[ 64 ]}ドレクスラーのソーラーセイル用に開発された材料は、宇宙空間のシステムで蒸着によって製造される、 基本厚さ0.1μmの薄いアルミニウムフィルムであった。ドレクスラーは同様のプロセスを用いて地上でフィルムを作製した。予想通り、これらのフィルムは実験室での取り扱いや宇宙空間での使用には十分な強度と耐久性を示したが、折り畳み、打ち上げ、展開には適さなかった。 

ジェフリー・ランディスが1998年から1999年にかけてNASA先端概念研究所の資金援助を受けて行った研究では、レーザーライトセイル用のアルミナやマイクロ波推進ライトセイル用の炭素繊維など、さまざまな材料が、従来の標準であったアルミニウムやカプトンフィルムよりも優れたセイル材料であることが示された。^{[ 65 ]}

2000年、エネルギー科学研究所は、ソーラーセイルに利用できる可能性のある新しい炭素繊維材料を開発しました。 ^{[ 66 ] [ 67 ]}この材料は従来のソーラーセイルの設計よりも200倍以上厚いですが、非常に多孔質であるため質量は同じです。この材料の剛性と耐久性により、プラスチックフィルムよりもはるかに頑丈なソーラーセイルが実現する可能性があります。この材料は自己展開が可能で、より高い温度にも耐えられるはずです。

分子製造技術を用いて、ナノチューブメッシュ織りをベースとした、高度で強度が高く超軽量な帆材を製造するという理論的な推測がいくつかある。この織り方の「間隔」は、帆に入射する光の波長の半分以下である。このような材料はこれまで実験室条件下でのみ製造されており、工業規模で製造する手段はまだ利用できないが、このような材料の質量は 0.1  g/m ^{2未満になる可能性があり[ 68 ]}、現在のどの帆材よりも少なくとも 30 倍軽くなる。比較のために、厚さ 5 マイクロメートルのマイラー帆材の質量は 7  g/m ²、アルミ蒸着カプトンフィルムの質量は最大 12  g/m ^{2であり[ 62 ]}、エネルギー科学研究所の新しい炭素繊維材料の質量は 3  g/m ^{2である[ 66 ]}。

最も密度が低い金属はリチウムで、アルミニウムの約 5 分の 1 の密度です。新鮮で酸化されていない表面は反射性があります。厚さ 20  nm のリチウムの面積密度は 0.011  g/m ²です。高性能の帆は、20  nm のリチウムのみ (放射層なし) で作ることができます。これは宇宙で製造する必要があり、太陽に接近するために使用することはできません。極限では、帆船は総面積密度が約 0.02  g/m ²で構築でき、軽さの数は 67、_cは約 400  mm/s ²になります。マグネシウムとベリリウムも高性能帆の潜在的な材料です。これら 3 つの金属は互いに、またアルミニウムと合金にすることができます。^{[ 5 ]}

反射層にはアルミニウムがよく用いられます。通常、厚さは少なくとも 20  nm で、反射率は 0.88 ～ 0.90 です。クロムは、太陽光から離れた面の放射層として適しています。 プラスチックフィルム上に 5 ～ 20 nm の厚さで、0.63 ～ 0.73 の放射率を容易に得ることができます。薄膜効果が支配的であるため、使用可能な放射率の値は経験的に求められます。材料の厚さが放射波長よりもはるかに薄いため、これらのケースではバルク放射率の値は当てはまりません。^{[ 69 ]}

帆は地球上の長いテーブルの上で、リボンを広げてつなぎ合わせて作られます。帆の素材は、宇宙船を軌道に運ぶためにシャトルを使用する必要があるため、できるだけ軽量でなければなりません。そのため、これらの帆は梱包され、打ち上げられ、宇宙で展開されます。^{[ 70 ]}

将来的には、帆を支える大型フレーム内部で軌道上で製造が行われるようになるかもしれない。これにより、帆の質量が低減され、展開失敗のリスクも排除されるだろう。

惑星間軌道では高度変化率が低いため、帆走操作は最も単純です。外向きの軌道では、帆の力ベクトルは太陽線より前方に向けられ、軌道エネルギーと角運動量が増加するため、機体は太陽から遠ざかります。内向きの軌道では、帆の力ベクトルは太陽線より後方に向けられ、軌道エネルギーと角運動量が減少するため、機体は太陽に向かって移動します。注目すべきは、機体を太陽に引き寄せるのは太陽の重力のみであり、帆船が風上に向かってタッキングするような動きは存在しないということです。軌道傾斜角を変更するには、力ベクトルを速度ベクトルの平面から外します。

惑星やその他の天体の周回軌道では、帆は、その力ベクトルが速度ベクトルに沿った成分を持つように向きが調整される。外向きの螺旋の場合は運動方向と同じ方向、内向きの螺旋の場合は運動方向とは逆方向となる。

軌道最適化には、推力を低減またはゼロにする区間が必要となる場合が多い。これは、帆を適切な角度に設定して推力を低減または除去することで、機体を太陽線に沿って回転させることで実現できる。^{[ 5 ]}

太陽に接近することで、宇宙船のエネルギーを増やすことができます。放射圧の増加と太陽の重力井戸の深部に位置することによる効果により、太陽系外縁部への航行に必要なエネルギーが大幅に増加します。太陽への最適な接近は、軌道離心率を最大化しつつ、エネルギーレベルを可能な限り高く維持することで実現されます。最小接近距離は、帆の角度、帆やその他の構造物の熱特性、構造物への荷重の影響、および帆の光学特性（反射率と放射率）によって決まります。接近すると、光学性能が大幅に低下する可能性があります。接近時には、必要な旋回率が大幅に増加する場合があります。恒星に到着する帆船は、接近を利用してエネルギーを削減できますが、これは太陽系外縁部から帰還する帆船にも当てはまります。

月面を通過する軌道は、地球を出発する軌道や地球に到着する軌道にとって重要な利点をもたらす可能性があります。特に帆に大きな負荷がかかっている場合、移動時間を短縮できます。また、月面を通過することで、地球に対する有利な出発方向や到着方向を得ることもできます。

惑星スイングバイも、慣性飛行する宇宙船で行われるのと同様に採用できるが、軌道全体の最適化の要件のため、良好なアライメントは存在しない可能性がある。^{[ 71 ]}

以下の表は、物理学者ロバート・L・フォワードが提案したビームレーザー推進を用いたいくつかの概念例を示しています。^{[ 72 ]}

地球軌道では、帆船はSRPが抗力圧力を上回る高度で運用されなければならない。抗力圧力は高度とともに減少するため、これは最低運用高度が存在することを意味する（通常は約600  kmだが、これは太陽活動とミッションの用途によって若干異なる）。^{[ 74 ]}

帆船は、構造物の最大角速度が軌道の周期と互換性のある軌道で運用されなければなりません。これは、太陽中心軌道よりも周期がはるかに短いことが多い惑星中心軌道の場合に特に重要な考慮事項です。たとえば、ACS3の場合、構造物の最大角速度は 0.5 °/s ^{[ 75 ]}であるため、制御戦略の設計では、この速度を超える姿勢変化を要求してはなりません。

帆の動作温度は、太陽までの距離、帆の角度、反射率、前面および背面の放射率の関数です。帆は、その温度が材料の限界内に保たれている場合にのみ使用できます。一般的に、帆は太陽にかなり近い、約0.25  AUで使用できますが、そのような条件に合わせて慎重に設計すれば、さらに近い場所でも使用できます。^{[ 5 ]}

水星と金星をフライバイしたマリナー10号ミッションと、水星探査機メッセンジャーのミッションは、姿勢制御用推進剤を節約するために、太陽圧力を利用した姿勢制御方法を実証した。

はやぶさは、リアクションホイールやケミカルスラスタの故障を補うため、姿勢制御の方法としてソーラーパドルにかかる太陽圧も利用した。

MTSAT-1R（多機能輸送衛星）のソーラーセイルは、太陽光圧によって太陽電池アレイに生じるトルクを打ち消す働きをする。太陽電池アレイのトリムタブは、トルクバランスを微調整する。

NASAは真空チャンバー内で小型帆の展開技術の試験に成功した。^{[ 76 ]}

1999年、ケルンのDLR/ESAでソーラーセイルの本格的な展開が地上でテストされた。^{[ 77 ]}

惑星協会、コスモス・スタジオ、ロシア科学アカデミーによる共同民間プロジェクトであるコスモス1号は、 2005年に準軌道プロトタイプ機の打ち上げを試みたが、ロケットの故障により破壊された。

直径15メートルのソーラーセイル（SSP、ソーラーセイルサブペイロード）は、2006年2月21日にMVロケットでASTRO-Fとともに打ち上げられ、軌道に到達した。ステージから展開したが、完全には開かなかった。^{[ 78 ]}

2004年8月9日、日本のISASは観測ロケットから2つのプロトタイプソーラーセイルを展開することに成功した。クローバー型のセイルは 高度122kmで、扇形のセイルは 高度169kmで展開された。どちらのセイルも7.5マイクロメートルのフィルムを使用している。この実験は推進力ではなく、展開機構のみをテストしたものである。^{[ 79 ]}

1993年2月4日、ロシアのミール宇宙ステーションから、幅20メートルのアルミ蒸着マイラー反射鏡「ズナミヤ2 」が展開に成功した。これは、遠心力に基づく機構を使用して宇宙空間で展開に成功した、この種の薄膜反射鏡としては初めてのものであった。^{[ 80 ]}展開は成功したが、推進力は実証されなかった。1999年の2回目の試験である「ズナミヤ2.5」は、適切に展開されなかった。

2010年5月21日、宇宙航空研究開発機構（JAXA）は、世界初の惑星間太陽帆宇宙船「イカロス」（太陽放射加速惑星凧）を金星に向けて打ち上げた。^{[ 81 ]}新しい太陽光子推進方式を採用した^{[ 82 ]}イカロスは、太陽光のみで推進される初の真の太陽帆宇宙船であり^{[ 83 ] [ 84 ]}、太陽帆飛行に成功した初の宇宙船でもあった^{[ 85 ] 。}

JAXAは2010年にIKAROSの試験に成功した。目標は帆を展開して制御し、光圧によって引き起こされる微細な軌道摂動を初めて測定することであった。軌道測定は、金星への遷移軌道に投入された後、IKAROSが分離した近くのあかつき探査機によって行われた。6ヶ月間の飛行での総効果は100m  /sであった。^{[ 86 ]}

2010年まで、宇宙空間で主推進システムとして太陽帆が成功した例はありませんでした。2010年5月21日、宇宙航空研究開発機構（JAXA）は、6月10日に200m2のポリイミド実験用太陽帆を展開したイカロス宇宙船を打ち上げました。^[ 87 ^{] [ 88 ] [ 89 ] 7月}には、放射加速の実証の次の段階が始まりました。2010年7月9日、ドップラー効果を利用する前から取得されていたイカロスと地球間の相対化加速速度のデータに加えて新たに計算された、距離と距離速度によるイカロスの軌道決定（RARR）により、イカロスが太陽からの放射を集め、光子加速を開始したことが確認されました。^{[ 90 ]}このデータは、イカロスが6月3日に帆を展開して以来、太陽帆走していたことを示しています。

IKAROSは、厚さ7.5マイクロメートル（0.0075 mm）のポリイミドシートで作られた、 14×14 m（196 m ² ）の斜めに回転する正方形の帆を備えています。ポリイミドシートの質量は、1平方メートルあたり約10グラムでした。薄膜太陽電池アレイが帆に埋め込まれています。8枚のLCDパネルが帆に埋め込まれており、姿勢制御のために反射率を調整できます。^{[ 91 ] [ 92 ]} IKAROSは金星まで6か月かけて移動し、その後、太陽の裏側への3年間の旅を開始しました。^{[ 93 ]} 

NASAマーシャル宇宙飛行センター（マーシャル）のチームとNASAエイムズ研究センターのチームが、 NanoSail-Dと呼ばれるソーラーセイルミッションを開発しましたが、2008年8月3日にファルコン1ロケットで打ち上げ失敗により失われました。 ^{[ 94 ] [ 95 ]} 2番目のバックアップバージョンであるNanoSail-D2（単にNanoSail-Dと呼ばれることもあります）^{[ 96 ]}は、2010年11月19日にミノタウロスIVでFASTSATとともに打ち上げられ、NASA初の低軌道に展開されたソーラーセイルとなりました。このミッションの目的は、セイル展開技術をテストし、使用済み衛星や宇宙ゴミを軌道から外すための単純な「受動的」手段としてのソーラーセイルの使用に関するデータを収集することでした。^{[ 97 ]} NanoSail-Dの構造はアルミニウムとプラスチックでできており、宇宙船の質量は10ポンド（4.5kg ）未満でした。この帆には約100平方フィート（9.3平方メートル^{）の集光面がある}。展開に当初はいくつかの問題があったものの、ソーラーセイルは展開され、240日間のミッション中に、受動的な軌道離脱装置としてのソーラーセイルの使用に関する「豊富なデータ」を生成したと報告されている。^{[ 98 ]}  

NASAは2010年11月19日、FASTSAT衛星に格納された2番目のNanoSail-DユニットをミノタウロスIVロケットで打ち上げた。FASTSATマイクロサテライトからの放出日は2010年12月6日に予定されていたが、実際に放出されたのは2011年1月20日だった。^{[ 99 ]}

2005年6月21日、プラネタリー・ソサエティ、コスモス・スタジオ、ロシア科学アカデミーによる共同民間プロジェクトが、バレンツ海 の潜水艦から 試作型帆船コスモス1号を打ち上げたが、ボルナロケットが失敗し、宇宙船は軌道に到達できなかった。彼らは帆を使って、1ヶ月のミッション期間で宇宙船を徐々に高い地球軌道に上げるつもりだった。ルイス・フリードマンによれば、この打ち上げの試みは世間の関心を呼んだ。^{[ 100 ]}コスモス1号の打ち上げは失敗に終わったものの、プラネタリー・ソサエティは宇宙コミュニティからその努力を称賛され、ソーラーセイル技術への関心が再び高まった。

カール・セーガンの75歳の誕生日（2009年11月9日）に、惑星協会はLightSail-1、-2、-3と呼ばれる3回のさらなる試みを行う計画を発表した^{[ 101 ] 。 [ 102 ]}新しい設計では、NanoSail-Dのように4つの三角形のセグメントに展開された32平方メートルのマイラーセイルを使用する[102]。^{打ち上げ構成は3U}キューブサット形式で、2015年の時点では、最初のSpaceXファルコンヘビー打ち上げの2016年の打ち上げの二次ペイロードとして予定されていた^{[ 103 ]}。

「LightSail-1」は2015年5月20日に打ち上げられました。^{[ 104 ]}この試験の目的は、LightSail-2に先立って衛星システムの完全なチェックアウトを可能にすることでした。その展開軌道は、地球の大気抵抗を回避して真のソーラーセイルを実証するには十分な高さではありませんでした。

「LightSail-2」は2019年6月25日に打ち上げられ、地球低軌道のより高い軌道に展開されました。そのソーラーセイルは2019年7月23日に展開されました。^{[ 105 ]} 2022年11月17日に大気圏に再突入しました。LightSail-2はソーラーセイルによる推進を実証することに成功しました。^{[ 106 ]}

地球近傍小惑星スカウト（NEA Scout）は、NASAのマーシャル宇宙飛行センター（MSFC）とジェット推進研究所（JPL）が共同開発したミッションで、地球近傍小惑星（NEA）に遭遇できる制御可能な低コストのCubeSatソーラーセイル宇宙船で構成されています。^{[ 107 ]} 4本の7m （23フィート）のブームを展開し、83^平方メートル（890平方フィート）のアルミ蒸着ポリイミド製ソーラーセイルを広げる予定でした。^{[ 108 ] [ 109 ] [ 110 ]} 2015年、NASAは、NASAの大型打ち上げロケットSLSの初飛行であるアルテミス1号に搭載される複数の副ペイロードの1つとしてNEA Scoutを選定したと発表しました。^{[ 111 ]}しかし、2022年の打ち上げ直後に通信が確立できなかったため、この機体は失われたとみなされた。^{[ 112 ]}     

NASAの先進複合ソーラーセイルシステム（ACS3）^{[ 2 ]}は、将来の小型宇宙船向けのソーラーセイル技術の実証です。^{[ 113 ]} 2019年にNASAのCubeSat打ち上げイニシアチブ（CSLI）によってELaNaプログラムの一部として打ち上げられることが決定されました。^{[ 114 ]}

ACS3は、12U（ユニット）^{[ 115 ]} CubeSat小型衛星（23cm x 23cm x 34cm、16kg）で構成され、片面に反射率を高めるためにアルミニウム、もう片面に熱放射率を高めるためにクロムをコーティングしたポリエチレンナフタレートフィルムからなる、 80平方メートル（860平方フィート）の正方形のソーラーセイルを展開します。セイルは、 7メートル（23フィート）の長さの炭素繊維強化ポリマー製ブーム4本からなる斬新な展開システムによって保持され、収納時には巻き上げられます。^{[ 116 ]}   

ACS3は、2024年4月23日にElectron「Beginning Of The Swarm  」ミッションで打ち上げられました。ACS3は5月上旬の展開後、地上局との通信に成功しました。^{[ 117 ]}太陽帆は、 2024年8月29日にミッション運用者によって正常に動作していることが確認されました。^{[ 118 ] [ 119 ]} 

2024年10月25日、 「…曲がった支持アームにより、（ACS3は）方向を失い、宇宙空間で制御不能に回転した」と報告された。^{[ 3 ]}

サンジャマーと呼ばれる技術実証用帆船は、帆走技術の実現可能性と価値を証明する目的で開発されていた。^{[ 120 ]}サンジャマーは、一辺が38メートル（125フィート）の正方形の帆を持ち、有効面積は1,200平方メートル（13,000平方フィート）であった。地球から150万キロメートル（ ₉₃万マイル）離れた太陽-地球L1ラグランジュ点から、 300万キロメートル（190万マイル）の距離まで航行する予定だった。^{[ 121 ]}この実証は、2015年1月にファルコン9で打ち上げられる予定だった。 ^{[ 122 ]}これは、 DSCOVR気候衛星がL1点に配置された後に放出される二次ペイロードとなる予定だった。 ^{[ 122 ]}契約業者であるL'Gardeの遂行能力に信頼が持てないことを理由に、NASAは2014年10月にこのミッションを中止した。 ^{[ 123 ]}      

OKEANOS（Outsized Kite-craft for Exploration and Astronautics in the Outer Solar System）は、ハイブリッドソーラーセイルを推進力として木星のトロヤ群小惑星に探査する日本のJAXAによるミッション構想で、セイルはイオンエンジンの動力源となる薄いソーラーパネルで覆われる予定だった。採取したサンプルのその場での分析は、直接接触するか、高解像度質量分析計を搭載した着陸機を使用することで行われる予定だった。着陸機と地球へのサンプル帰還は検討中のオプションだった。^{[ 124 ]} OKEANOS木星トロヤ群小惑星探査機は、2020年代後半に打ち上げ予定の日本のISAS第2次大型ミッションの最終候補に残ったが、選ばれなかった。

2019年8月、NASAはソーラークルーザーチームに9ヶ月間のミッションコンセプト研究のために40万ドルを授与した。この宇宙船は1,672^平方メートル（18,000平方フィート）のソーラーセイルを備え、極軌道で太陽を周回する予定で、コロナグラフ装置により太陽の磁場構造とコロナ質量放出の速度を同時に測定できるはずだった。^{[ 125 ]}さらなる開発に選ばれれば、2025年に打ち上げられる予定だった。しかし、ソーラークルーザーは開発サイクルのフェーズCに進むことが承認されず、その後中止された。^{[ 126 ]}   

2013年12月現在 欧州宇宙機関（ESA）は、 「ゴッサマー」と名付けられた軌道離脱帆を提案しており、これは小型（ 700キログラム未満）の人工衛星を低地球軌道から離脱させる速度を速めるために使用される予定である。打ち上げ質量は2キログラムで、打ち上げ容積はわずか15×15×25センチメートルである。展開されると、帆は5メートル× 5メートルに広がり、帆にかかる太陽圧力と大気抵抗の増加を組み合わせて衛星の再突入を加速する。^{[ 50 ]}      

2016年に発表された資金豊富なブレークスルー・スターショット計画は、小型カメラを搭載した1000個のライトセイルナノクラフトを建造し、地上レーザーでアルファ・ケンタウリまで光速の20%の速度で推進し、20年かけて到達させることを目指していた。^{[ 127 ] [ 128 ] [ 129 ]} 2025年には、この計画を継続する計画はないと報じられた。^{[ 130 ]}