Космические перспективы (магнитный парус)

on 15 October 2008.

Сегодня возможно создание космического паруса, принимающего практически все виды солнечного излучения. Это позволит в считанные дни добраться до самых отдаленных планет Солнечной системы без трат энергии и бортового вещества.

Автор в статье  ссылается только на известные и проверенные данные. Причем, заведомо занижая эффект. Рекордные результаты (достижимые!) ошеломляют!.

Проблема использования солнечного излучения для создания тяги, например, космического корабля стоит давно, решается очень медленно и перспектив радужных не дает.

 

 

Обмен импульсами между массивным телом и фотоном по законам физики дает ничтожное      изменение импульса массивного тела. Массивное тело - зеркало.

Уменьшение массы зеркала, создание тонкопленочных конструкций практически бессмысленно, так как они или уничтожаются, портятся космическим излучением или соединены с массивным телом-спутником, что сводит на нет все попытки уменьшения массы зеркала.

На сегодняшний день известно использование солнечного паруса для систем ориентации космических кораблей “Маринер”. И это все.

Между тем стоит  проанализировать некоторые факты, которые сулят определенные надежды.

Хвосты комет. По классификации Ф. А. Бредихина хвосты комет Io типа (прямолинейные) имеют силы отталкивания в 1000 раз большие, чем сила гравитационного притяжения. Хвосты этого типа состоят из легких ионизированных газов - Н+, Не+, Не++ (6, с.63).

Спутник “Эхо”, запущенный американцами в 1960 году, выпустил шар, наполненный парами натрия для определения элементов орбиты с Земли. Предполагалось, что спутник просуществует несколько лет. После увеличения солнечной активности спутник прекратил существование. Та же участь постигла лабораторию “Скайлэб”(7, с.170).

Во время операции “Аргус” американцами были произведены три ядерных взрыва на высоте 480 км в Южной Атлантике, во время эксперимента “Старфиш”  ядерный взрыв был произведен в Тихом океане.

Измерения показали, что возникающий ионизированный слой существует месяцы и даже годы. Заряженные частицы, многократно отражаясь от полярных магнитных сгущений, дрейфуют по широте, высыпаются в полярных сияниях, теряют энергию, но отчетливо наблюдаются во всех измерениях долгое время (7, с.122). Запротоколировано!

Магнитное поле является эффективным фокусирующим устройством для заряженных частиц. Кроме того, оно может быть использовано  для захвата заряженных частиц в космическом пространстве с целью использования небортовых запасов массы и энергии.

Например, катушка диаметром сорок метров при использовании бериллия в качестве сверхпроводника дает эффективный диаметр захвата частиц 1000 км при скорости корабля 100 км/с. Плотность межпланетной среды 10-17кг/м3 (3, с.152).

Число ионов в межпланетной среде по самым минимальным оценкам

    5см-3=5*106м-3.

Во время солнечных вспышек или возмущений число ионов увеличивается в 100…1000 раз и более.

Скорость ионов обычно 400 км/с, во время вспышек – 1000…2000  км/с. (5, с. 8), (7, с. 96), (8, с. 176).

Если в видимом диапазоне светимость Солнца практически не меняется (Солнечная постоянная составляет 1353 Вт/м2), то в ультрафиолете, радио, рентгеновском и гамма спектре мощность излучения варьирует в десятки и тысячи раз в зависимости от солнечной активности (9).

Всплески радиоизлучения Солнца весьма разнообразны и иногда превышают тепловое излучение Солнца в миллион раз! (1).

Давление, которое производят солнечные лучи на земную поверхность в яркий день

f=4*10-6Н/м2.

Во время вспышек от Солнца идут, кроме излучения и корпускул, ударные волны. Они  также несут некоторый импульс и энергию, которая может составлять значительную часть от общего вклада.

Кроме этого, от Солнца во время вспышек идет  поток высокоэнергичных частиц (до 100 МэВ), которые оказывают большое влияние на магнитосферу Земли.

Делаем выводы. От Солнца идет поток излучения, корпускул и ударных волн.

Межпланетная среда, состоящая в основном из водорода, неизбежно подвергается воздействию излучения и движется от Солнца, выдувается из Солнечной системы. Магнитное поле прекрасно захватывает заряженные частицы, но пропускает фотоны и нейтралы (как правило, водород и гелий).

Вопрос: когда магнитное поле захватит и фотоны и нейтралы?

Ответ: когда оно станет магнитосферой, когда оно заполнится большим количеством ионов, легко ионизируемых солнечным излучением. То есть, создав мощное магнитное поле и заполнив его искусственно ионами, мы получим достаточно эффективное зеркало для всех видов излучений.

Можно создать гравитационное поле, чтобы, как комета, держать, хотя бы частично, разлетающуюся атмосферу, но на сегодняшний день для наших земных кораблей (устройств) это нереально.

Можно создать электрическое поле (например, накопив заряды на спутнике). Но из внешнего пространства неизбежно притянутся частицы противоположного знака, а это приведет к экранировке, резко сократит радиус взаимодействия заряда на спутнике с  другими заряженными частицами в пространстве. Стоит вспомнить, что вне конденсатора (а именно такую конструкцию смоделирует заряд на спутнике) поля нет, чтобы отказаться от применения такого метода воздействия на солнечный ветер.

Поэтому  предпочтение лучше отдать магнитному полю.

Нет ни одного вещества, которое так или иначе не реагировало бы с магнитным полем: диамагнетик выталкивается, парамагнетик втягивается в область наибольшей напряженности поля. Поэтому, даже и не ионизируясь и не сталкиваясь с другими частицами, нейтралы будут взаимодействовать с магнитным парусом и передавать ему часть своего импульса (хотя, конечно, очень малую часть).

Можно набросать эскиз космического паруса, который воспримет все виды излучений.

Только магнитное поле!

Поверим, что протон может просуществовать в магнитосфере 100 лет (2. Хорошая вещь- Советская энциклопедия!).

Это будет настолько разряженная и низкотемпературная плазма, что ее удержание не представляет проблемы.

Магнитное поле лучше всего создавать с помощью сверхпроводников, тогда траты энергии будут минимальны.

Можно в рекордах иметь 1000 км диаметр захвата, как в примере у Бурдакова (Ракеты будущего), но мы примем 200 км, заведомо занижая эффект, потому что жесткое космическое излучение может разрушить перенапряженный сверхпроводник, что вынуждает ограничить максимальный ток. Проблема защиты сверхпроводника и увеличения веса конструкции противоречит необходимости иметь минимальную массу разгоняемого тела (тем более есть такая вещь как деградация свехпродводников. Поэтому, скромнее, скромнее!).

При 100 км радиуса захватываемого магнитным полем пространства, площадь захвата будет 3,14*1010м2. При 100 т массы корабля на один метр площади захвата будет приходиться тогда порядка 0,3*10-5кг, что значительно превышает лучшие достижения в области создания космических парусов, считая зеркало совмещенным со всей полезной массой спутника. Причем магнитный парус не требует ферм или каких либо других конструкций и материалов.

Для захвата ионов и нейтралов необходимо заполнить магнитосферу каким-либо легко ионизирующимся веществом. Возможно применение  добавок, например, паров тяжелых металлов для предварительного наполнения магнитосферы (4, с. 112), но, по мнению автора, необходимо заполнять магнитосферу смесью веществ, как парамагнитных, так и диамагнитных, что стабилизируют магнитосферу в целом. Нейтрализованные парамагнетики будут иметь склонность к накоплению в области максимальной концентрации магнитного поля (то есть на оси катушки), нейтрализованные диамагнетики будут иметь склонность к вытеснению из магнитного поля. Длина свободного пробега подобных частиц значительно меньше радиуса ометаемой (захватываемой магнитным полем) площади - плотность межпланетной среды   10-17кг/м3, в магнитосфере же возможно увеличить плотность в сотни и тысячи раз. Нейтральные частицы неизбежно многократно столкнутся с ионами, с нейтралами, уже находящимися в рабочем объеме, подвергнутся воздействию Солнечного излучения, космического излучения и многократно станут еще раз ионами. Поэтому, ионизируясь по пути, подчиняясь после этого магнитному полю, водород, гелий и другие нейтралы имеют тенденцию к многолетнему удержанию в магнитном поле (2).

Выбор легкоионизируемого солнечным излучением наполнителя есть задача. Но этот вопрос давно решен! Для элементов, например, дающих явление фотоэмиссии (или термоэмисии) используют окись бария, цезия и др.,  у которых работа выхода значительно меньше, чем у водорода или гелия. Эти вещества ионизируются даже инфракрасным излучением!

Если бы магнитосфера Земли была наполнена такими веществами, то температура на ее поверхности вряд ли бы поднялась до существующего уровня. И именно эти вещества используются сейчас в ракетных экспериментах по изучению магнитосферы Земли.

Заряженную движущуюся частицу магнитное поле заставит вращаться, навиваться на силовую линию поля, идти к одному полюсу, отразиться от магнитных сгущений и отлететь  к другому полюсу (что повторяется миллионы раз). Взаимодействие разнообразных частиц обеспечит общую стабилизацию магнитосферы.

       Механизм действия магнитного зеркала таков.

Искусственно созданная среда (наполнитель) ионизируется солнечным излучением; нейтралы очень слабо взаимодействуют с магнитным полем, но встречают препятствие в виде наполнителя (в качестве его могут быть использованы пары щелочных металлов) и передают ему свой импульс, а затем частью рассеиваются, частью ионизируются, захватываются магнитосферой. Все ионы и присоединенные нейтралы (как искусственно введенные в магнитосферу, так и поступающие из межпланетной среды) являются фотонным парусом. Процессы рекомбинации, ионизации, возбуждения, обдирки, перезарядки, столкновений происходят постоянно и являются, по сути, механизмом передачи импульса излучения и "солнечного ветра" в импульс магнитосферы.

Подсчитаем, какой приблизительно эффект дает каждый из источников тяги.

  Ионы.    

 F=nmV2S/2,

 Где  m- масса протона, 1,672х10-27  кг,

V- скорость ионов, 4*105 м/с,

 n - концентрация ионов, 5*106 м-3,

S- площадь поперечного сечения созданного облака ионов и нейтралов, при радиусе захвата 100 км  S=3,14*1010  м2.

F=1,672 *10-275*106*(4*105)2 *3,14*1010/2= 21 Ньютон

  Межпланетная среда.

Нейтральные космические частицы подвергаются воздействию солнечного излучения, ионизируются, попадают под действие магнитных и электрических полей. До сих пор нет точных данных о выбросе нейтрального вещества из Солнечной системы. Магнитосфера Солнца, работая, как и магнитосфера Земли, захватывает частицы и заставляет их обращаться вокруг силовых линий магнитного поля.  Вращение магнитного поля Солнца, которое наводит в межпланетной плазме ЭДС, еще более усложняет картину. Автор предполагает, что  вихри  плазмы в Солнечной системе работают настолько сложно, что точный учет тяги от них пока произвести невозможно. Но даже если принять, что эта среда будет являться тормозящей для космического парусника, то можно ожидать, что верное использование нюансов Солнечной погоды будет скорее искусством, чем только лишь строгим расчетом. Изменение направления движения, вибрация  и тряска, резкое ускорение или торможение парусника от вихрей межпланетного вещества - это, возможно, станет и неприятными моментами при полете, и факторами анализа при прогнозе.

Тогда   F=рV2S/2

р- плотность межпланетной среды, 10-17 кг/м3;

V- скорость тела относительно среды (примем 100 000 м/с, что заведомо больше реальных скоростей);

S- площадь захвата, 3,14х 1010 м2;

F=10-17х1010х3,14х1010/2=1570 Ньютон.

Излучение.

Примем давление света такое, как на поверхности Земли, тогда:

                          F=fS = 4х10-6х3,14х1010= 125 600 Ньютон.

Ясно, что тормозящим действием среды можно вообще пренебречь по сравнению с давлением света. Но не во время вспышек, когда межпланетная среда выметается из Солнечной системы! Тяга  магнитного паруса в этот период будет определяться именно этой составляющей.

Тяга от давления света не будет (практически) убывать от скорости корабля - ведь скорость света настолько выше скорости корабля, что уменьшением тяги от скорости просто необходимо пренебрегать (чего нельзя делать при анализе тяги от нейтралов и ионов, особенно в период вспышки на Солнце).

Даже сознательно занизив расчетную тягу в несколько раз, учтя возможное сопротивление среды, получаем поразительный результат. При массе корабля 100 тонн до Марса корабль долетит за две-три недели. И это - не учитывая солнечных возмущений, которые позволят сократить этот срок в десятки раз! Если прогнозировать вспышку, то полет займет несколько часов!

  Причем невесомости на корабле не будет, он будет лететь с ускорением! Отрицательное длительное воздействие невесомости на организм можно считать общепризнанным.

Реальный расчет должен не только учитывать уменьшение давления на космический парус с увеличением расстояния от Солнца, но и возможность принятие импульса от других видов излучения, зависимость тяги от вида наполнителя, от вращения и расположения катушки, возможность искусственной вспышки, например, ядерного взрыва и др.

Космический корабль будет выглядеть с Земли, как огромная комета, не подчиняющаяся законам Кеплера. Интересно, что человечество уже неоднократно наблюдало такие кометы (3, с.124).

Вращение катушки сверхпроводника позволит, как раскрыть, так и подзакрыть парус. Мы можем управлять потоками плазмы по  усмотрению. Возможны самые различные варианты вращения катушки при различных направлениях ее оси и получение самых разнообразных значений тяги.

Подобное зеркало будет реагировать и на другие составляющие солнечного спектра излучения - радиоизлучение, рентгеновские  и гамма лучи, ударные волны в солнечной плазме, но даже неучет этих видов тяги не уменьшает фантастических возможностей магнитного зеркала.

Маневрирование возможно не только от солнечного излучения (поток частиц распространяется нерадиально из-за вращения Солнца и его магнитного поля в пространстве) или угла поворота катушки, но и путем создания своего солнца, например, ядерного взрыва, на расстоянии, которое позволит защититься от жесткого излучения, но  воспринять основные компоненты взрыва, составляющие тягу. Кроме того, можно насытить магнитосферу в момент взрыва тяжелыми ионами, которые защитят экипаж. А это снимает зависимость от солнечной погоды, превращает полет в строго рассчитанный и управляемый процесс. Вопрос о возвращении, например, с Марса, очевидно, будет также решаться с помощью ядерных взрывов. Выполнение маневров в гравитационном поле планет более сложно.

Многие страны, не являясь ядерными державами, активно исследуют космическое пространство собственными спутниками. Ввиду того, что расползание ядерного оружия является нежелательным фактором, ядерные державы могли бы пойти на то, чтобы организовать несколько космических баз "подскока", то есть таких объектов в межпланетном пространстве, на которых бы находились ядерные заряды и которые бы могли воздействовать на пролетающие рядом объекты с магнитными парусами для изменения их траекторий.

Принятие стратегии “ожидание  солнечной вспышки” или "управление взрывом" позволяет не только уменьшить радиус устройства в десятки раз, но и позволяет уменьшить стоимость устройства в тысячи (и более!) раз.

Уже сейчас изготовление сверхпроводящей катушки радиусом 1…10 метров не представляет никакой технической сложности. Между тем как эффективность подобной конструкции будет очень велика:

-во-первых, потому что можно будет увеличить ток катушки, а, следовательно, рабочий захватываемый объем по сравнению с катушкой большего радиуса уменьшится незначительно;

-во-вторых, прогнозирование вспышек на Солнце и его активности находится сейчас на уровне  90%  достоверности, что позволяет  уверенно планировать полет;

-в-третьих, подобную катушку легко защитить от космического излучения;

-в-четвертых, использование ядерной энергии даже в таком ее неэстетичном виде, как взрыв, позволит уже сейчас наголову превзойти лучшие достижения химических ракет и  не только выводить тысячи тонн  полезного груза на околоземные орбиты, но и свободно перемещаться в пределах Солнечной системы,

-и, наконец, в-пятых, вес подобной конструкции не будет превышать веса обычных приборов, доставляемых в Космос по заказу даже не очень богатых фирм.

Общее замечание к захвату заряженных частиц. Автор как раз и не ставит задачу именно в захвате частиц. Достаточно, если пролетающая частица окажет влияние на магнитосферу, то есть провзаимодействует с магнитным полем и отдаст ему часть своего импульса, но не будет захвачена магнитосферой. А это в десятки раз позволяет нам увеличить расчетный ометаемый диаметр и в тысячи раз увеличит рабочий объем. Но тогда и время полета до Марса уменьшится при всех благоприятных внешних и нами созданных  искусственных факторов до часов!

Конечно же, надо помнить о том, что мощный поток излучения сомнет магнитосферу, уменьшит эффективную площадь захвата и взаимодействия с частицами и излучением. Мы видим это на примере Земли, магнитосфера которой достаточно приближена к поверхности, обращенной к Солнцу, но растянута до расстояний, которые до сих пор  точно не измерены, в обратную сторону. Но, оказывается, что даже растянутый хвост позади такого тела действует практически так же, как и парус, то есть эффективный объем от процесса сжатия магнитосферы уменьшается незначительно. Полотнище длиной метров сто (а можно и меньше, если использовать тормозные карманы) на Земле является таким же прекрасным средством торможения, как и парашют.

Отрицательной стороной устройства является необходимость удаления от Земли для раскрытия магнитного паруса. Причина: среда уже захвачена Землей, поэтому она является тормозящей для спутника. Но это перспективно для использования сверхпроводящей катушки с током в качестве тормоза для сброса скорости спутника перед вхождением в атмосферу.

Раскрытие магнитного паруса на околоземной орбите с целью вырваться из земного притяжения будет возможно только в строго определенных точках траектории при строгом анализе солнечной обстановки.

Ядерный взрыв, произведенный на Земле (предпочтительно, на высоте 400…800 км), может вышвырнуть находящийся на орбите спутник со сверхпроводящей катушкой с током  в расчетном направлении.

Интересно, что ядерный взрыв на Земле в шахте, над которой находится сверхпроводящая катушка с током, должен вышвырнуть эту катушку в космос, придав ей скорость, достаточную, чтобы вырваться из земного притяжения. Глубина шахты, мощность взрыва, плотность созданного  потока излучения, величина тока в катушке - эти факторы будут играть определяющую роль. (Вряд ли можно использовать этот способ для кораблей с людьми - слишком велики будут ускорения).

Создание магнитосферного экрана вокруг космической станции при полете к дальним планетам позволит, кроме всего прочего, защитить космонавтов от жесткого космического излучения. Этот вопрос одно время обсуждался, но вскоре как-то затих, то ли потому, что были найдены достаточно эффективные химические средства защиты от радиации, то ли потому, что удорожание космических средств сделало бы их менее экономически эффективными.

Возможность бороться с астероидной атакой помещением на астероид сверхпроводящей катушки с током с целью изменить траекторию астероида есть также важная для анализа задача. Быть может, это снимет страх человечества перед астероидной или кометной атакой до степени здорового оптимизма.

И, наконец, важное замечание. Сверхпроводник без тока на орбите будет выталкиваться как идеальный диамагнетик из магнитного поля Земли, то есть спутник с катушкой или другим  сверхпроводящим устройством, например, тонкопленочной конструкцией большой площади из сверхпроводника без тока, будет вращаться по орбите по раскручивающейся спирали.

 

 

 

 

 

 

 

Общее заключение.

Не имеет принципиального значения, каким путем будет производиться удержание газовой атмосферы спутником. Есть гравитационное удержание, возможно удержание электрическим полем, возможно удержание магнитным полем, легко организовывается и механическое удержание, например, с помощью легкой оболочки. Эффективность и стоимость каждого способа необходимо проверять.

Программа “сверхпроводник в космосе” на сегодня является самой перспективной и многообещающей в космических исследованиях.

Снятие технологического барьера перед освоением пространства позволит уверенно и без больших трат двинуться к границам Солнечной системы.

Тот, кто начинает идти по этому пути, выигрывает Космос, а будущее Земли - это пространство. На этом пути можно ожидать только побед.

 

                          Список использованной литературы:

  1. Большая Советская Энциклопедия. - М.: Советская Энциклопедия,

       1975.- Т.         21,   с. 362.

     2. Большая Советская Энциклопедия. - М.: Советская Энциклопедия,

         1975.-Т.21,  с.337.

     3. Бурдаков В. П. , Данилов Ю. И. -Ракеты будущего.

             - М.:Энергоатомиздат, 1991.-176 с.

     4. Воронов Г. С. Штурм термоядерной крепости. -М.: Наука, 1985.- 192 с.

     6.Гальперин Ю. И. Полярные сияния в магнитосфере. - М.: Знание, 1975.                                                                                        

с.64

6. Дагаев М. И., Чаругин В. М. Астрофизика. -М.: Просвещение, 1988.- 208                        

7. Казимировский Э. С. Планета в космической плазме.Л.:Гидрометеоиздат,1986. 184с.

  8. Ораевский В. Н.  Плазма на Земле и в космосе. - Киев.: Наукова думка, 1980.- 203с.

      9. Северный А. Б., Степанян Н. Н. Солнечные вспышки. -М.: Знание, 1975.- 64 с.