Магнитный парус

Магнитный парус или magsail является предлагаемым способом движените космические летательный аппарат , который будет использовать статическое магнитное поле , чтобы отклонить заряженные частицы , излучаемые Солнце в качестве плазменного ветра, и , таким образом , придает импульс для ускорения космических аппаратов. ^{[1] [2]} Магнитный парус может также наносить удар прямо по планетным и солнечным магнитосферам .

История [ править ]

Магнитный парус был предложен Даной Эндрюс и Робертом Зубриным, работавшими в сотрудничестве в 1988 году. В то время Эндрюс работал над концепцией использования магнитного ковша для сбора ионов, чтобы обеспечить топливо для космического корабля с ядерным электроионным приводом , что позволило аппарату работать так же, как прямоточный воздушно-реактивный двигатель Bussard , но без необходимости протон-протонного синтезапропульсивный привод. Он попросил Зубрина помочь ему вычислить сопротивление, которое магнитный совок создаст против межпланетной среды. Зубрин согласился, но обнаружил, что сопротивление, создаваемое ковшом, будет намного больше, чем тяга, создаваемая ионным двигателем. Поэтому он предложил отказаться от ионного двигателя и использовать устройство просто как парус. Эндрюс согласился, и на свет появился магсейл. Затем они приступили к разработке своего анализа магнитного паруса для межпланетных, межзвездных и планетарных орбитальных двигателей в серии статей, опубликованных с 1988 по 1990-е годы.

Принципы работы и конструкции [ править ]

Magsail работает путем создания сопротивления против локальной среды (магнитное поле планеты, солнечный ветер, или межзвездных ветров), тем самым позволяя космический корабль ускоряется до очень высоких скоростей с помощью других средств, таких как слитый ракеты или лазерной толкаемого LightSail, чтобы замедлить - даже от релятивистских скоростей - без необходимости использования бортового топлива. Таким образом, он может в два раза уменьшить тяговое усилие треугольника V, необходимое для межзвездной миссии. Эта способность - самая необычная особенность магнитного паруса и, возможно, самая важная в долгосрочной перспективе.

В типичных конструкциях магнитных парусов магнитное поле создается петлей из сверхпроводящего провода. Поскольку петли проводников с током имеют тенденцию выталкиваться наружу к круглой форме своим собственным магнитным полем, парус можно развернуть, просто размотав проводник и пропустив через него ток.

Пример солнечного ветра [ править ]

Солнечный ветер представляет собой непрерывный поток плазмы , который течет наружу от Солнца: вблизи орбиты Земли, она содержит несколько миллионов протонов и электроны на кубический метр и протекает при 400 до 600 км / с (250 до 370 миль / сек). Магнитный парус вводит в этот плазменный поток магнитное поле, которое может отклонять частицы от их первоначальной траектории: затем импульс частиц передается парусу, вызывая тягу на парусе. Одним из преимуществ магнитных или солнечных парусов перед реактивными двигателями (химическими или ионными) является то, что реакционная масса не исчерпывается и не переносится на корабле.

Для паруса в солнечном ветре на расстоянии одной а.е. от Солнца напряженность поля, необходимая для сопротивления динамическому давлению солнечного ветра, составляет 50 нТл. Предложенная Зубриным конструкция магнитного паруса создаст пузырь в пространстве диаметром 100 км (62 мили), где ионы солнечного ветра существенно отклоняются с помощью кольца радиусом 50 км (31 миль). Минимальная масса такой катушки сдерживается ограничениями прочности материала при примерно 40 тонн (44 тонн) , и он будет генерировать 70 Н (16 фунтов _ф ) тяги, ^[3]давая отношение масса / тяга 600 кг / Н. При эксплуатации в пределах солнечной системы потребуется высокотемпературный сверхпроводящий провод, чтобы сделать магнитный парус практичным. Если бы они работали в межзвездном пространстве, хватило бы обычных сверхпроводников.

Работа магнитных парусов с использованием плазменного ветра аналогична работе солнечных парусов с использованием радиационного давления фотонов, испускаемых Солнцем. Хотя частицы солнечного ветра имеют массу покоя, а фотоны нет, солнечный свет имеет в тысячи раз больше импульса, чем солнечный ветер. Следовательно, магнитный парус должен отклонять пропорционально большую площадь солнечного ветра, чем сопоставимый солнечный парус, чтобы генерировать такую ​​же тягу. Однако он не должен быть таким массивным, как солнечный парус, потому что солнечный ветер отклоняется магнитным полем, а не большим физическим парусом. Обычные материалы для солнечных парусов весят около 7 г / м ² (0,0014 фунта / кв. Фут), что дает тягу 0,01 МПа (1,5 × 10 ^-9 фунтов на квадратный дюйм) на расстоянии 1 AU (150 000 000 км; 93 000 000 миль). Это дает соотношение масса / тяга не менее 700 кг / Н, как у магнитного паруса, без учета других структурных компонентов.

В солнечных и магнитных парусах имеют тяги, убывающие как квадрат расстояния от Солнца

Находясь близко к планете с сильной магнитосферой, такой как Земля или газовый гигант , магнитный парус может генерировать больше тяги, взаимодействуя с магнитосферой, а не с солнечным ветром, и поэтому может быть более эффективным.

Мини-магнитосферный плазменный двигатель (M2P2) [ править ]

Чтобы уменьшить размер и вес магнита магнитного паруса, можно раздувать магнитное поле с помощью плазмы так же, как плазма вокруг Земли растягивает магнитное поле Земли в магнитосфере . В этом подходе, называемом мини-магнитосферным плазменным движителем (M2P2), токи, которые проходят через плазму, будут увеличивать и частично заменять токи в катушке. Ожидается, что это будет особенно полезно вдали от Солнца, где увеличенный эффективный размер паруса M2P2 компенсирует пониженное динамическое давление солнечного ветра. Оригинальный дизайн НАСА ^[4]предлагает космический аппарат, содержащий электромагнит в форме банки, в который впрыскивается плазма. Плазмы давление растягивает магнитное поле и надувает пузырь плазмы вокруг космического аппарата. Затем плазма создает вокруг космического корабля своего рода миниатюрную магнитосферу, аналогичную магнитосфере , окружающей Землю. Протоны и электроны, составляющие солнечный ветер , отклоняются этой магнитосферой, и реакция ускоряет космический корабль. Тяга устройства M2P2 будет в некоторой степени управляемой, что потенциально позволит космическому кораблю «лавировать» в солнечном ветре и позволит эффективно изменять орбиту.

В случае системы (M2P2) космический аппарат выпускает газ для создания плазмы, необходимой для поддержания некоторого вытекающего плазменного пузыря. Таким образом, система M2P2 имеет эффективный удельный импульс, который представляет собой количество газа, потребляемого на одну ньютон-секунду тяги. Это показатель качества, обычно используемый для ракет, где горючее на самом деле является реакционной массой. Роберт Уингли, который первоначально предложил метод M2P2, вычисляет удельный импульс 200 кН · с / кг (примерно в 50 раз лучше, чем у главного двигателя космического челнока). Эти расчеты показывают, что системе требуется порядка киловатта мощности на ньютон тяги, что значительно ниже, чем у электрических двигателей, и что система генерирует такую ​​же тягу в любом месте гелиопаузы.потому что парус автоматически расширяется, когда солнечный ветер становится менее плотным. Однако этот метод менее понятен, чем более простой магнитный парус. Существует спор о том, насколько большой и тяжелой должна быть магнитная катушка ^{[3] [5],} и о том, можно ли эффективно передать импульс солнечного ветра космическому кораблю. ^[6]

Расширение магнитного поля с помощью инжектируемой плазмы было успешно испытано в большой вакуумной камере на Земле , но развитие тяги не было частью эксперимента. Вариант с приводом от луча , MagBeam , ^[7] также находится в стадии разработки.

Режимы работы [ править ]

В плазменном ветру [ править ]

При работе вдали от планетарных магнитосфер магнитный парус заставит положительно заряженные протоны солнечного ветра изгибаться, когда они проходят через магнитное поле. Изменение импульса протонов будет направлено против магнитного поля и, следовательно, против катушки поля.

Так же, как и солнечные паруса, магнитные паруса могут "лавировать". Если магнитный парус ориентирован под углом по отношению к солнечному ветру, заряженные частицы отклоняются преимущественно в одну сторону, а магнитный парус толкается вбок. Это означает, что магнитные паруса могут маневрировать на большинство орбит.

В этом режиме сила тяги, создаваемая магнитным парусом, уменьшается пропорционально квадрату его расстояния от Солнца по мере уменьшения плотности потока заряженных частиц. Солнечная погода также оказывает большое влияние на парус. Не исключено, что плазменное извержение в результате сильной солнечной вспышки может повредить эффективный хрупкий парус.

Распространенное заблуждение состоит в том, что магнитный парус не может превышать скорость толкающей его плазмы. По мере увеличения скорости магнитного паруса его ускорение становится все более зависимым от его способности эффективно лавировать. На высоких скоростях будет казаться, что направление плазменного ветра все больше исходит от передней части космического корабля. Усовершенствованный парусный космический корабль может развернуть катушки возбуждения как «кили», чтобы космический корабль мог использовать разницу в векторах между солнечным магнитным полем и солнечным ветром, так же, как это делают парусные яхты.

Внутри планетарной магнитосферы [ править ]

Внутри планетарной магнитосферы магнитный парус может воздействовать на магнитное поле планеты, особенно на орбите , проходящей над магнитными полюсами планеты, подобно электродинамическому тросу .

Диапазон маневров, доступных магнитному парусу внутри магнитосферы планеты, более ограничен, чем в плазменном ветре. Как и в случае с более знакомыми мелкомасштабными магнитами, используемыми на Земле, магнитный парус можно только притягивать к полюсам магнитосферы или отталкивать от них, в зависимости от его ориентации.

Когда поле магнитного паруса ориентировано в направлении, противоположном магнитосфере, на него действует сила, направленная внутрь и к ближайшему полюсу, а когда он ориентирован в том же направлении, что и магнитосфера, он испытывает противоположный эффект. Магнитный парус, ориентированный в том же направлении, что и магнитосфера, нестабилен, и ему придется предохраняться от переворота в противоположную ориентацию какими-либо другими средствами.

Тяга, которую магнитный парус создает в магнитосфере, уменьшается в четвертой степени его расстояния от внутреннего магнитного динамо планеты.

Эти ограниченные возможности маневрирования все еще весьма полезны. Изменяя напряженность поля магнитного паруса на протяжении его орбиты, магнитный парус может дать себе " удар по перигею ", увеличивая высоту апогея его орбиты .

Повторение этого процесса с каждой орбитой может поднимать апогей магнитного паруса все выше и выше, пока магнитный парус не сможет покинуть планетарную магнитосферу и поймать солнечный ветер. Тот же самый процесс в обратном порядке можно использовать для понижения или повышения циркуляции апогея орбиты магсайла, когда он прибывает на планету назначения.

Теоретически магнитный парус может запускаться непосредственно с поверхности планеты вблизи одного из ее магнитных полюсов, отталкиваясь от магнитного поля планеты. Однако для этого необходимо, чтобы магнитный парус оставался в «нестабильной» ориентации. Для запуска с Земли требуются сверхпроводники с плотностью тока в 80 раз большей, чем у наиболее известных высокотемпературных сверхпроводников.

Межзвездные путешествия [ править ]

Межзвездное пространство содержит очень небольшое количество водорода. Быстро движущийся парус ионизирует этот водород, ускоряя электроны в одном направлении и протоны с противоположным зарядом в другом. Энергия для ионизации и циклотронного излучения будет исходить от кинетической энергии космического корабля, замедляя космический корабль. Циклотронное излучение от ускорения частиц было бы легко обнаруживаемым завыванием в радиочастотах . В опубликованной в 1995 году статье «Обнаружение внеземных цивилизаций с помощью спектральных сигнатур современных межзвездных космических аппаратов» Зубрин предположил, что такое излучение можно использовать как средство обнаружения передовых внеземных цивилизаций.

Таким образом, в межзвездном космическом полете за пределами гелиопаузы звезды магнитный парус может действовать как парашют для замедления космического корабля. Это устраняет потребность в топливе для половины замедления межзвездного путешествия, что значительно улучшает межзвездное путешествие. Магсейл был впервые предложен для этой цели в 1988 году Робертом Зубрином и Даной Эндрюс , предшествовавшим другим применениям, и развился из концепции прямоточного воздушно-реактивного двигателя Бюссарда, в котором для сбора межзвездного материала использовался магнитный совок . Совсем недавно Перакисом и Хайном была предложена комбинация магнитного и электрического паруса . ^[8]Магнитный парус используется для замедления с более высоких скоростей, а электрический парус - для более низких скоростей. Моделирование показывает значительную экономию массы для комбинированной системы.

Магнитные паруса можно также использовать с силовой установкой , приводимой в движение пучком , за счет использования мощного ускорителя частиц для запуска пучка заряженных частиц в космический корабль. ^[9] Магсайл отклонил бы этот луч, передавая импульс транспортному средству. Это обеспечит гораздо большее ускорение, чем солнечный парус, управляемый лазером , но луч заряженных частиц будет рассеиваться на более короткое расстояние, чем лазер, из-за электростатического отталкивания составляющих его частиц. Эта проблема рассеивания потенциально может быть решена путем ускорения потока парусов, которые затем, в свою очередь, передают свой импульс транспортному средству с магнитным парусом, как было предложено Джордин Каре .

Теория в пределе малых плотностей плазмы [ править ]

Магнитный парус межзвездного корабля должен тормозить от протонов межзвездной среды . Плотность протонов очень мала, порядка 0,3 атома на кубический сантиметр для Местного межзвездного облака , которое достигает расстояния до 30 световых лет от Солнца , и порядка для окружающего Местного пузыря . Лук шок можно пренебречь в пределе малых плотностей плазмы. Затем космический корабль с общей массой изменяет свою скорость через${\ displaystyle n_ {p}}$${\ displaystyle n_ {p} \ приблизительно 0,05 \, / {\ mbox {cm}} ^ {3}}$${\ displaystyle m_ {tot}}$${\ displaystyle v}$

${\ displaystyle m_ {tot} {\ dot {v}} = - \ left (A (v) n_ {p} v \ right) (2m_ {p} v),}$

где - масса протона и эффективная площадь отражения. ^[10] Число протонов, отражаемых в секунду, составляет , при этом каждый протон, падающий на удар, передает космическому аппарату импульс . Общий импульс сохраняется .${\ displaystyle m_ {p}}$${\ Displaystyle A (v)}$${\ displaystyle A (v) n_ {p} v}$${\ displaystyle 2m_ {p} v}$

Эффективная область отражения [ править ]

Эффективная площадь отражения должна определяться численно путем оценки траекторий ударяющихся протонов в магнитном поле, создаваемом сверхпроводящей петлей. Немецкий физик Клавдий Грос обнаружил, что эффективная площадь отражения для магнитного паруса в осевой конфигурации с высокой точностью может быть приблизительно равна. ^[10]${\ Displaystyle A (v)}$

${\ Displaystyle A (v) = 0,081 \ pi R ^ {2} \ left [\ log \ left ({\ frac {cI} {vI_ {c}}} \ right) \ right] ^ {3},}$

где это площадь , заключенная от токовой петли, несущей на скорости света , ток через петлю и критический ток. Протоны вообще не отражаются, если .${\ displaystyle \ pi R ^ {2}}$${\ displaystyle c}$${\ displaystyle I}$${\displaystyle I_{c}=1.55\cdot 10^{6}\,{\mbox{Ampere}}}$${\displaystyle v>c(I/I_{c})}$

Явное решение [ править ]

Аналитическое выражение для эффективной площади отражения позволяет явно решить уравнение движения . В результате на расстоянии скорость падает до нуля . Минимизируя тормозной путь для данной массы корабля, можно найти${\displaystyle A(v)}$${\displaystyle m_{tot}{\dot {v}}=-2A(v)n_{p}m_{p}v^{2}}$${\displaystyle x_{max}}$${\displaystyle x_{max}}$${\displaystyle m_{tot}}$

${\displaystyle x_{max}={\frac {3.1}{m_{p}n_{p}}}\,{\frac {m_{tot}}{\pi R^{2}}}.}$

Скорость корабля, начинающего тормозить с начальной скоростью , задается через${\displaystyle v}$${\displaystyle v_{0}}$

${\displaystyle v(x)=v_{0}\,e\,\exp \left({\frac {-1}{\sqrt {1-x/x_{max}}}}\right),}$

в зависимости от пройденного расстояния , причем${\displaystyle x\in [0,x_{max}]}$

${\displaystyle t=\int _{0}^{x}{\frac {dx'}{v(x')}}={\frac {1}{v_{0}\,e}}\int _{0}^{x}dx'\exp \left({\frac {1}{\sqrt {1-x'/x_{max}}}}\right)}$

время, необходимое для преодоления расстояния . Поэтому время, необходимое для полной остановки, расходится.${\displaystyle t=t(x)}$${\displaystyle x}$${\displaystyle t(x\to x_{max})}$

Профили миссий [ править ]

Используя аналитический результат для и текущую пропускную способность по уровню техники , покрытого сверхпроводящего провода , ^[11] , можно оценить массу , необходимую для магнитного паруса.${\displaystyle v(x)}$

• Для миссии высокой скорости до Альфа Центавра , с , одной находки и . Эти требования намного превышают спецификации проектируемых систем запуска, например, инициативы Breakthrough Starshot .${\displaystyle v_{0}=c/10}$${\displaystyle R\approx 1600\,{\mbox{km}}}$${\displaystyle m_{tot}\approx 1500\,{\mbox{tons}}}$
• Для полета на малой скорости к TRAPPIST-1 , с , можно получить и . Эти требования полностью соответствуют спецификациям проектируемых систем запуска. ^[12]${\displaystyle v_{0}=c/300\approx 1000\,{\mbox{km/s}}}$${\displaystyle R\approx 50\,{\mbox{km}}}$${\displaystyle m_{tot}\approx 1.5\,{\mbox{tons}}}$

Долгосрочные миссии, такие как миссии, нацеленные на то, чтобы предложить земной жизни альтернативные пути эволюции, например, как предусмотрено проектом Genesis , могут поэтому пассивно тормозить с использованием магнитных парусов. ^[13]

Вымышленное использование в популярной культуре [ править ]

Магнитные паруса стали популярным явлением во многих произведениях научной фантастики, хотя солнечный парус более популярен:

1. Родоначальник магсиля, магнитный совок Бюссара, впервые появился в научной фантастике в рассказе Пола Андерсона « Пережить вечность » 1967 года , за которым в 1970 году последовал роман « Тау-ноль» .
2. Магсейл появляется как решающий сюжетный ход в романе «Час детей» , романе « Войны людей и кзинов» Джерри Пурнелля и С.М. Стирлинга (1991).
3. Он также занимает видное место в научно-фантастических романах Майкла Флинна , особенно в «Крушение реки звезд» (2003); эта книга - рассказ о последнем полете корабля с магнитным парусом, когда термоядерные ракеты, основанные на Фузоре Фарнсворта-Хирша , стали предпочтительной технологией.

Хотя это и не упоминается как «магнитный парус», эта концепция была использована в романе « Встреча с Тибром » Базза Олдрина и Джона Барнса в качестве тормозного механизма для замедления звездолетов с релятивистской скорости.

См. Также [ править ]

• Электрический парус
• Электродинамический трос взаимодействует с магнитосферой аналогично магсилу.
• MagBeam (магнитно- лучевая плазменная двигательная установка) - вариант мини-магнитосферной плазменной двигательной установки (M2P2) с приводом от пучка.
• Движение космического корабля  - Метод, используемый для ускорения космического корабля - Другие методы движения космического корабля, используемые для изменения скорости космического корабля и искусственных спутников.
• Список статей по плазме (физике)

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• プ ラ ズ マ ・ 核融合 学会 誌 - 磁 気 プ ラ ズ マ セ イ ル の 研究 宇宙 探査 へ の 挑 戦(PDF)

• 大学 大 学院 - MPS に お け る 磁 気 イ ン フ レ ー シ ョ る 研究(PDF)

• JAXA - ラ ズ マ セ イ ル(PDF)

• 神 戸 大学 大 学院 - 惑星 間 航行 シ ス テ 開 発 に 向 け た マ ス ケ ー ル 粒子 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン(PDF)

• JAXA - 磁 気 プ ラ ズ マ セ イ ル の 推力 発 生 メ カ ニ ズ ム の 解 明(PDF)