Бергулев А.С.: другие произведения.

Проект космического корабля на электромагнитных полях

Журнал "Самиздат": [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь]
Peклaмa:
Конкурс фантастических романов "Утро. ХХII век"

Конкурсы романов на Author.Today
Женские Истории на ПродаМан
Рeклaмa
Оценка: 8.00*3  Ваша оценка:
  • Аннотация:
    Представлено конструктивное решение по построению космического корабля, движущегося с опорой на электромагнитные поля Солнечной системы и Галактики с ускорением. Проведен рассчет необходимой силы тока по контуру и величины заряда на полезной поверхности оъекта для получения ускорения в 1g в произвольном направлении в пространстве.

Проект космического корабля на электромагнитных полях

Представлено конструктивное решение по построению космического корабля, движущегося с опорой на электромагнитные поля Солнечной системы и Галактики с ускорением. Проведен рассчет необходимой силы тока по контуру и величины заряда на полезной поверхности объекта для получения ускорения в 1g в произвольном направлении в пространстве.

Ключевые слова:

Электромагнитные поля Галактики; Магнитная левитация; Звездолет; Сила Лоренца; Зависимость массы от скорости; Перераспределение зарядов на поверхности



Тема межзвездных перелетов остается актуальной с учетом ограниченности земных ресурсов, перенаселенности планеты, демографических, социополитических и экологических проблем на планете. В данной статье представлено конструктивное решение по созданию космического корабля, движущегося с ускорением с опорой на электромагнитные поля Солнечной системы и Галактики. Ранее подобные конструкции приводились в работах Лемешко А.В.[6], Гайдука А.Н.[7,8], однако не были представлены в рецензируемых научных журналах.

Метод решения


Как известно[4], Земля имеет магнитное поле с индукцией  (это усредненное значение, в разных местах планеты оно несколько отличается). Магнитное поле имеет также Солнце: солнечная система и Галактика (усредненное значение: или ).

Возникает идея создание космолета с опорой на магнитные поля планет/звездных систем/галактики.

Пусть имеем некую диско образную радио модель звездолета массой 0.1кг и полезным диаметром контура 0.1м.

Расположим проводник с током по контуру [Рис. 1]:

Рис. 1.



На Рис. 1:

- вектор магнитной индукции, - сила Лоренца, (1) - участок проводника с током, закрытый ферромагнетиком, (2) - проводник с током.

Таким образом, получим силу Лоренца, направленную 'вверх', что при определенной величине силы тока позволит нашему космолету левитировать в магнитном поле Земли/двигаться в космическом пространстве.

Вращая контур с Рис. 1 в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции B, получим возможность получения произвольного вектора ускорения, однако лишь в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции B. В двух остальных координатных плоскостях ускорение получить не удастся.

Рассчитаем минимально необходимую силу тока для левитации в магнитном поле Земли.

Сила Лоренца[1]: - сила Ньютона (гравитации)

Отсюда:

Для вертикального ускорения в , соответственно, должна быть сила тока  

При такой силе тока и при равномерном ускорении в через одни сутки при нулевой начальной скорости получим скорость космолета равную:

Проведем те же самые расчеты для магнитного поля за пределами Солнечной системы (магнитного поля Галактики и усредненной величиной индукции ).

Силу Ньютона (гравитации) Галактики в этом случае условно возьмем равной нулю, что в общем случае не так.

Тогда для достижения равномерного ускорения в необходима сила тока по контуру:

или 10 миллиардов Ампер.

Получить такую силу тока можно, к примеру, взяв 100 тысяч параллельных проводников по . В открытом космосе возможно использовать сверхпроводники.

При нулевой начальной скорости скорость такого корабля через сутки будет все та же: , а через половину земного года: или грубо говоря половина скорости света.

При такой скорости масса космонавта, находящегося в корабле, будет равна[3]:

Или приблизительно 1.15 земной. То есть мужчина, имеющий на Земле вес 75 кг, в корабле будет иметь вес 86 кг, что в целом приемлемо.

Таким образом, взяв себе полгода на ускорение до 0.5 световой и полгода на торможение, путь в одну сторону до Проксима Центавры будет занимать в районе 9 лет.

Нерешенной остается задача движения в любом направлении в , поскольку, как известно, сила Лоренца строго перпендикулярна линиям индукции магнитного поля.

Намагничивание оболочки корабля (создание на ее поверхности '+' и '-' потенциала) и добавление в него источников магнитных полей не решает проблему движения в произвольном направлении в в связи с нарушением 3-го закона Ньютона.

С другой стороны, создание потенциала ('+' и '-'/свободные электроны/) на поверхности корабля может позволить получить ускорение в электрическом поле Галактики. Это поле исследовано крайне слабо, однако, по тем измерениям, которые проводились в пределах нашей Солнечной Системы, его напряженность колеблется от единиц до нескольких тысяч микровольт на метр[5]. Таким образом, конструкция на Рис. 2 позволит получить ускорение в направлении линий электрического поля в зону возрастания потенциала (свободные электроны на поверхности) или противоположную (положительный заряд на поверхности[Рис 2.]):


Рис. 2


На Рис.2:

(1) - диэлектрик, (2) - положительный заряд на поверхности, взаимодействует с электрическим полем, (3) - отрицательный заряд, не взаимодействует с электрическим полем благодаря экрану из диэлектрика.

Ускорение в этом случае будет равно[2]:

где - суммарный заряд на поверхности, - масса корабля, - напряженность электрического поля (возьмем для примера равную ). Таким образом, для получения требуемого ускорения в нашей тестовой модели звездолета массой 0.1кг будет необходим суммарный заряд на поверхности: кулон.

Совместив в единой модели конструкции с Рис. 1 и Рис. 2, получим звездолет, летящий в космическом пространстве с ускорением 1g в произвольном направлении (за исключением тех точек пространства, в которых линии электрического поля строго перпендикулярны вектору индукции магнитного поля) в с опорой на электромагнитные поля Галактики.


Сравнительный анализ


Для сравнения рассмотрим космический корабль, использующий ядерный ракетный двигатель (ЯРД) с импульсом . Тогда скорость этой ракеты может быть рассчитана по формуле Циолковского [9]:

.

В этой формуле: - конечная скорость летательного аппарата, - удельный импульс ракетного двигателя, - начальная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция аппарата + топливо), - конечная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция аппарата). Рассчитаем массу топлива, необходимую для вывода такого корабля на скорость равную половине световой при нулевой начальной скорости и конечной массе равной 100 тонн.

, , .

Положив для круглого счета , получим:

.

А это цифра больше, чем все запасы топлива в недрах Земли. Более того, она превышает вес самой Земли, равный , что подтверждает факт невозможности выхода на субсветовые скорости на ныне существующих космических аппаратах.


Технические характеристики корабля для реальных размера и веса

Рассчитаем технические характеристики данного корабля для реальных размера и веса.

Для транспортировки 5000 колонистов габариты корабля должны быть сопоставимы с габаритами современного океанского лайнера: эллипсоид 200 метров в диаметре и 50 метров в высоту, масса - 100 тысяч тонн. При этом диаметр кольца с током с Рис. 1 будет составлять 200 метров. Отсюда из формулы [1] для получения ускорения в 1g в магнитном поле Галактики суммарная сила тока в кольце должна составлять . Для ее получения можно взять 500 тысяч параллельных проводников по 10 миллиардов ампер в каждом при условиях сверхпроводимости. Толщина кольца при этом будут составлять 8-9 метров (при толщине 1го проводника 1 сантиметр)

Их суммарный вес из расчета 10 грамм проводника на 1 погонный метр будет составлять:

3 миллиона килограмм или 3 тысячи тонн.

Добиться таких токов можно только достигнув определенных результатов в изучении сверхпроводимости и получив генератор большой мощности.


Далее рассмотрим двигатель с Рис. 2, генерирующий ускорение в электрическом поле Галактики за счет силы Кулона.

Необходимый суммарный заряд для корабля массой 100 тысяч тонн будет равен Кулон. На данный момент получить такой заряд и перераспределить его в двигателе с Рис. 2 невозможно. Как вариант можно закрепить, скажем, миллиард небольших двигателей на внешнем кольце с зарядом по Кулон каждый. Этот вариант еще хорош тем, что при отказе одного из двигателей в рабочем состоянии останутся остальные. Их суммарный вес из расчета 1 грамм на двигатель составит тысяча тонн.


В качестве генератора, продуцирующего энергию, необходимую для поддержания тока необходимой силы в двигателе с Рис. 1 и необходимого заряда в двигателе с Рис. 2 можно взять атомную установку с преобразователем атомной энергии в электрическую.


Просчитаем остальные характеристики корабля:

Общая масса космонавтов: 5000*100 = 500 тонн. Общая масса сопровождающего оборудования (криокамеры, мебель в каютах) из расчета x8 на космонавта = 4 тысячи тонн. Общая масса электроники и Центрального Компьютера на корабле: 10 тысяч тонн. Запасы провианта в тюбиках из расчета 1000 кг на космонавта - 5000 тонн. Итого на вес конструкции корабля останется 100 - 3 - 20 - 0.5 = 76.5 тысяч тонн.


Следует также отметить, что данную технологию можно использовать и для левитации в электромагнитном поле Земли при создании левитационных ранцев и легкой техники. При этом суммарная сила тока и заряд будут на порядки меньше, чем в космосе.

В случае отказа от использования сверхпроводимости можно было бы создать летательные аппараты по принципу дирижабля с отсеком наполненным гелием и высокой степенью обтекаемости корпуса. Они смогли бы летать в полярных и умеренных широтах, где линии напряженности электрического поля Земли неортогональны вектору индукции магнитного поля Земли. Как известно, для поднятия в воздух одного килограмма веса нужен один кубический метр гелия. Общий вес такого отсека будет равен:



При этом общая масса летательного аппарата будет равна 235.8 кг. Для вертикального взлета и посадки, а также горизонтального движения с ускорением 0.001 g в магнитном поле Земли достаточно согласно формулы силы Лоренца силы тока:



Такую силу тока реально получить без использования эффекта сверхпроводимости. Для примера, сила тока в высоковольтных ЛЭП достигает 4000А.

Посчитаем необходимый заряд в двигателе с Рис. 2:



Его также реально получить при нынешнем уровне технологий.

Как было указано выше, аппарат данной конструкции при такой силе тока в кольце и заряде будет перемещаться в электромагнитном поле Земли с ускорением 0.001g.

Если взять половину пути на ускорение и половину на торможение, то расчетное время полета составит:


где S - длина пути, а = 0.001g

Из этой формулы несложно посчитать, что время, затраченное на подъем на высоту километр составит чуть более 10 минут, такое же время будет затрачено на спуск. Время, затраченное на полет на расстояние 200 км - 2.5 часа (при максимальной скорости 162 км/час), 2000 км - 8 часов (при максимальной скорости 511 км/час), 15000 км - 21.5 час (при максимальной скорости 1400 км/час). При этом для сверхкороткого полета на 2км (расстояние между станциями метро в крупном городе) будет необходимо потратить целых 15 минут. Это говорит о том, что данный тип двигателя выгодно комбинировать с традиционными двигателями, в том числе реактивными.


Приняв напряженность электрического поля Земли в среднем 130 , можно также рассчитать необходимый заряд, который нужен для вывода полезного груза на орбиту. Положив массу ракеты 200 тонн, несложно посчитать, что для выхода на вторую космическую скорость v = 11.2 км/сек нужен заряд в миллион Кулон. При этом время подъема составит 18 секунд. Технологию электромагнитной катапульты можно было бы использовать как альтернативу ракетным двигателям для запуска ракет и вывода их на орбиту.

Если откинуть невозможность получения на сегодня токов в 10 миллиардов ампер в условиях сверхпроводимости, отсутствие технологий, позволяющих создать двигатель с Рис. 2 (получение силы Кулона), сложности при построении экрана, защищающего космонавтов и электронику от электромагнитного поля, отсутствие компьютерной техники, необходимой для перерасчета траектории и другие не решаемые на сегодняшний день проблемы, можно навскидку оценить трудозатраты по созданию данного корабля. К примеру, в современном тяжелом самолете общая длина проводов - до 100 км, а их суммарный вес - до 5 тонн. В год производится более тысячи гражданских авиалайнеров. Опираясь хотя бы уже на эти данные, можно сказать, что трудозатраты на создание представленного в этой статье корабля будут сопоставимы с трудозатратами на создание 5-10 тысяч Боингов, а количество людей, которых нужно будет задействовать при создании корабля, - 16-20 миллионов человек (в корпорации Боинг 165 тысяч сотрудников). При этом они смогут производить один - два десятка подобных космических кораблей в год.

Посчитаем суммарную величину индукции магнитного поля кольца с током с Рис. 1. Возьмем для определенности правое полукольцо с Рис. 1.

Тогда по формуле Био-Савара-Лапласа [10] для элементарного участка проводника с током (несколько упростим подсчет, посчитав участок элементарным): . Отсюда несложно посчитать, что индукция магнитного поля двух полуколец с током суммарной силы будет составлять , что говорит о необходимости защитного экрана и еще раз подчеркивает невозможность построения пилотируемого корабля данного типа при нынешнем уровне знаний (для примера самое мощное постоянное поле, полученное в лабораторных условиях, имело величину 35,3 Тесл).


Также не следует забывать о силовом экране, защищающем корабль от астероидов и космического мусора. Столкновение на скорости в половину световой даже с самым незначительным препятствием станет для корабля фатальным.

Следует отметить, что при таких параметрах корабля полет с Земли на Марс будет занимать менее 2х суток, к Плутону - менее 3х недель, к Проксима Кентавре (как уже было написано выше) - в районе 9 лет.


Выводы

В данной статье предложен способ построения космического корабля с опорой на электромагнитные поля Галактики, который по мнению автора позволит при определенной величине тока в устройстве [Рис.1] и определенной величине заряда в устройстве [Рис 2.] достичь скоростей, достаточных для межзвездных перелетов за приемлемое время. При этом сложность конструкции и большая сила тока, необходимая для данного конструктивного решения, не позволяет реализовать данную модель при нынешнем уровне развития техники и промышленных мощностей. Поэтому единственной целью данной статьи является показать читателю, что вопреки утверждениям многих скептиков межзвездные перелеты в теории осуществимы. Особняком стоит вопрос целесообразности таких перелетов с экипажем на борту, учитывая их продолжительность и сопряженные с ней трудности.


Список литературы


  1. И. В. Яковлев - Физика. МЦНМО, 2014 г., 507 стр.

  2. Гулд Х., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике. М.: Мир, 1990. - 350+400 стр.

  3. В. А. Ацюковский. Критический анализ основ теории относительности - М.: Изд-во 'Петит', 1996.-56 с. ил.

  4. Магнитные поля в космосе. Изд.2, доп. Бочкарев Н.Г. 2011

  5. Фрактальная физика: наука о мироздании / Шабетник, Василий. - М., 2000. - 415 с

  6. http://samlib.ru/l/lemeshko_a_w/aab.shtml

  7. http://nkau.gov.ua/gateway/news_archive.nsf/AnalitAvtorR/C20927A443D6789DC22573AE002A2228!open

  8. http://base.ukrpatent.org/searchINV/search.php?action=viewdetails&IdClaim=95429&chapter=description

  9. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%BE%D1%80%D0%BC%D1%83%D0%BB%D0%B0_%D0%A6%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B3%D0%BE

  10. http://electrophysic.ru/zakonyi/zakon-bio-savara-laplasa-formula-formulirovka.html




Оценка: 8.00*3  Ваша оценка:

Популярное на LitNet.com С.Суббота "Наследница Альба ( Альфа-самец и я)"(Любовное фэнтези) А.Анжело "Отбор для ректора академии"(Любовное фэнтези) О.Гринберга "Я твоя ведьма"(Любовное фэнтези) Кин "Новый мир. Цель - Выжить!"(Боевая фантастика) А.Респов "Эскул О скитаниях"(Боевая фантастика) В.Василенко "Стальные псы 4: Белый тигр"(ЛитРПГ) Кин "Система Возвышения. Метаморф!"(ЛитРПГ) Е.Флат "Невеста из другого мира"(Любовное фэнтези) С.Суббота "Наследница Драконов"(Любовное фэнтези) М.Атаманов "Искажающие реальность-5"(ЛитРПГ)
Хиты на ProdaMan.ru Алмаз Тёмных. Наталья РакшинаБаба с возу, кобыле скучно! Книга 1. Анабель Ли (Anabelle Leigh)Аномальная любовь. Елена ЗеленоглазаяОт меня не сбежишь! Кристина ВороноваВедьма из Ильмаса. КсенияМоре счастья. Тайна ЛиСлужба контроля магических существ. Севастьянова ЕкатеринаПростить нельзя расстаться. Ирина ВагановаМое тело напротив меня. Конец света по-эльфийски. Том 3. Умнова ЕленаМой парень — козёл. Ника Веймар
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
С.Лыжина "Драконий пир" И.Котова "Королевская кровь.Расколотый мир" В.Неклюдов "Спираль Фибоначчи.Пилигримы спирали" В.Красников "Скиф" Н.Шумак, Т.Чернецкая "Шоколадное настроение"

Как попасть в этoт список
Сайт - "Художники" .. || .. Доска об'явлений "Книги"