средство для перемещения в космическом пространстве

Формула изобретения

1. Средство для перемещения в космическом пространстве, содержащее корпус, систему управления и полезную нагрузку, отличающееся тем, что оно включает в свой состав не менее чем одну сверхпроводниковую кольцевую фокусирующе-отклоняющую систему, каждая из которых содержит не менее чем 12 сверхпроводящих магнитов, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга вдоль кольцевого периметра каждой из указанных систем, в каждой из которых циркулирует поток высокоэнергичных электрически заряженных частиц, силовые элементы, соединяющие каждый сверхпроводящий магнит с корпусом, и не менее чем одно на каждую сверхпроводниковую кольцевую фокусирующе-отклоняющую систему устройство для преобразования энергии циркулирующих в кольцах потоков высокоэнергичных электрически заряженных частиц в энергию реактивной струи, при этом каждое указанное устройство для преобразования энергии прикреплено к выходному раструбу одного из сверхпроводящих магнитов.

2. Средство для перемещения в космическом пространстве по п.1, отличающееся тем, что каждое из устройств для преобразования энергии потоков заряженных частиц в энергию реактивной струи выполнено в виде магнита, связанного с системой управления и осуществляющего в соответствии с управляющими сигналами выведение части потока циркулирующих в кольцевых системах частиц во внешнее пространство.

3. Средство для перемещения в космическом пространстве по п.1, отличающееся тем, что каждое из устройств для преобразования энергии потоков заряженных частиц в энергию реактивной струи выполнено в виде нейтрализатора электрических зарядов частиц, циркулирующих в сверхпроводниковых кольцевых фокусирующе-отклоняющих системах, и соединено каналом связи с системой управления.

4. Средство для перемещения в космическом пространстве по п.1, отличающееся тем, что каждое из устройств для преобразования энергии потоков заряженных частиц в энергию реактивной струи выполнено в виде магнитного ондулятора и соединено каналом связи с системой управления.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое техническое решение относится к космонавтике, а именно к средствам, предназначенным для перемещения в свободном космическом пространстве.

Известно техническое решение, предназначенное для осуществления перемещения полезных нагрузок в свободном космическом пространстве, включающее в свой состав корпус, блок полезной нагрузки, баки (контейнеры) для термоядерного топлива, радиационные экраны, сверхпроводящий магнит (выполняющий роль «магнитного зеркала»), лазер для инициации термоядерных микровзрывов (в режиме инерционного удержания) в зоне действия магнитного поля сверхпроводящего магнита и излучатели (в зону поджига лазерным лучом реакции синтеза) микрокапсул смеси термоядерного топлива: см. отчет по проекту VISTA - «VISTA-А Vehicle for Interplanetary Space Transport Application Powered by Inertial Confinement Fusion», автор С.D.Orth, May 16, 2003, LAWRENCE LIVERMORE NATIONAL LABORATORY, University of California ·Livermore, California· 94551-0808, Original Manuscript Number: UCRL-LR-110500. (См. также публикацию на русском языке (об этой, в частности, разработке) «Ракетный двигатель на инерционном лазерном синтезе», доступную (выложенную) на 16_LFR.html/).

Недостатки аналога - невысокая (20-30 процентов) эффективность использования термоядерного топлива, невысокий удельный импульс тяги и небольшие достижимые характеристические скорости.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является средство для перемещения полезных нагрузок в свободном космическом пространстве, включающее в свой состав корпус, блоки полезной нагрузки, хранилища рабочего тела по крайней мере двух разных составов, тороидальный сверхпроводящий электромагнит (выполняющий роль «магнитного зеркала»), составляющий единое целое с корпусом, электромагнитные ускорители для испускания ускоренных ионов рабочего тела разных составов, расположенные на одинаковых расстояниях друг от друга вдоль внешней поверхности тороидального сверхпроводящего электромагнита, оси которых ориентированы в точку, отстоящую от центра электромагнита на расстоянии, равном 0,5-3 его диаметрам, и расположенную на оси тороидального сверхпроводящего электромагнита, - см. книгу «Гипотезы. Прогнозы» (международный ежегодник), выпуск 24, Москва, издательство «Знание», 1991 год, стр.124-131.

Недостатком этого средства для перемещения в свободном космическом пространстве является низкий коэффициент использования рабочего тела, что определяется малой вероятностью эффективного взаимодействия ионов рабочего тела разных составов в точке пересечения пучков, вследствие того, что они должны будут вступать в реакции взаимодействия в открытом космическом пространстве (т.е. без применения специальной реакционной камеры). В итоге, этот движитель имеет низкий коэффициент полезного действия, невысокую эффективность и очень значительные (до 30-70 процентов) бесполезные потери рабочего тела.

Целью предлагаемого технического решения является увеличение эффективности использования рабочего тела, создающего тягу.

Поставленная цель достигается в результате того, что в состав средства для перемещения в космическом пространстве, содержащего корпус и полезную нагрузку, включены не менее чем одна сверхпроводниковая кольцевая фокусирующе-отклоняющая система, каждая из которых содержит не менее чем 12 сверхпроводящих магнитов, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга вдоль кольцевого периметра каждой из систем, и в каждой из которых циркулирует поток высокоэнергичных электрически заряженных частиц, силовые элементы, соединяющие каждый сверхпроводящий магнит с корпусом, и не менее чем одно - на каждую сверхпроводниковую кольцевую фокусирующе-отклоняющую систему - устройство для преобразования энергии циркулирующих в кольцах потоков высокоэнергичных электрически заряженных частиц в энергию реактивной струи, при этом каждое устройство для преобразования энергии прикреплено к выходному раструбу одного из сверхпроводящих магнитов.

Устройство для преобразования энергии циркулирующих в кольцах потоков высокоэнергичных электрически заряженных частиц в энергию реактивной струи может быть выполнено в виде магнита, связанного с системой управления и осуществляющего в соответствии с управляющими сигналами выведение части потока циркулирующих в кольцевых системах частиц во внешнее пространство.

Устройство для преобразования энергии циркулирующих в кольцах потоков высокоэнергичных электрически заряженных частиц в энергию реактивной струи может быть выполнено в виде нейтрализатора электрических зарядов (например - за счет облучения пучка электрически заряженными частицами противоположного знака) частиц, циркулирующих в сверхпроводниковых кольцевых фокусирующе-отклоняющих системах, и соединено каналом связи с системой управления.

Устройство для преобразования энергии циркулирующих в кольцах потоков высокоэнергичных электрически заряженных частиц в энергию реактивной струи может быть выполнено в виде магнитного ондулятора и соединено каналом связи с системой управления.

На фиг.1 и 2 приведены чертежи предлагаемого средства для перемещения в космическом пространстве, причем на фиг.1 изображен его вид сверху, а на фиг.2 - его вид сбоку.

Средство для перемещения в космическом пространстве содержит корпус 1, заключенную внутри него полезную нагрузку 2, комплекс сверхпроводниковых фокусирующе-отклоняющих магнитов (магнитных систем) 3, каждый из которых прикреплен к корпусу 1 с помощью силовых (крепежных) элементов 4 одинаковой длины, радиально отходящих от корпуса 1. В данном варианте исполнения предлагаемого объекта каждый магнит 3 прикреплен к корпусу 1 отдельным силовым элементом 4. Всего предлагаемое средство для перемещения в космическом пространстве в рассматриваемом конкретном варианте его исполнения содержит 24 сверхпроводниковых фокусирующе-отклоняющих магнитов (магнитных систем) 3, которые сведены в две, расположенные параллельно и друг над другом, отдельные сверхпроводниковые кольцевые фокусирующе-отклоняющие системы (иначе говоря - в два отдельных накопительных кольца), каждая из которых содержит по 12 сверхпроводниковых фокусирующе-отклоняющих магнитов (магнитных систем) 3. Каждая сверхпроводниковая кольцевая фокусирующе-отклоняющая система предназначена для длительного содержания в ней потоков (пучков) высокоэнергичных электрически заряженных частиц, траектории движения которых изображены на фиг.1 точечными линиями 5. В одном из накопительных колец (иначе говоря - в одной из сверхпроводниковой кольцевой фокусирующе-отклоняющей системе) - примем, условно, что в верхнем - заряженные частицы движутся (циркулируют) в направлении против движения часовой стрелки, а во втором (условно, нижнем) - по часовой стрелке. К выходному раструбу одного из магнитов 3 верхней сверхпроводниковой кольцевой фокусирующе-отклоняющей системы (верхнего накопительного кольца) прикреплено устройство 6 для выведения части потока заряженных частиц, циркулирующих в данном кольце, во внешнее космическое пространство. Поток 7 выводимых из данного (верхнего) кольца частиц свободно и прямолинейно уходит в космическое пространство. К выходному раструбу магнита, относящегося к нижней сверхпроводниковой кольцевой фокусирующе-отклоняющей системе (к нижнему накопительному кольцу) и диаметрально противоположно расположенного относительно устройства 6, прикреплено устройство 8 для выведения части потока заряженных частиц, циркулирующих в нижнем кольце, во внешнее космическое пространство. Поток 9 выводимых из нижнего кольца частиц свободно и прямолинейно уходит в космическое пространство. Очевидно, что оба потока (и поток 7, и поток 9) распространяются в одинаковом направлении. Следует особо отметить, что изображенное (видимое) на фиг.1 устройство 8 относится не к верхнему (как устройство 6), а к нижнему накопительному кольцу (такова очевидная особенность вида сверху). Устройства 6 и 8 предназначены для преобразования энергии заряженных частиц, циркулирующих в накопительных кольцах, в энергию реактивных струй 7 и 9.

Устройства 6 и 8 могут быть выполнены в виде магнитной системы, вводимой во внешнюю граничную (периферическую) область поперечных сечений потоков (пучков).

Устройства 6 и 8 могут быть выполнены в виде нейтрализаторов электрических зарядов частиц, например в виде излучателей электронов.

Устройства 6 и 8 могут быть выполнены в виде магнитных ондуляторов.

Рассмотрим рабочей процесс, осуществляемый в предложенном объекте, позволяющий обеспечить достижение и главного предназначения данного технического решения (обеспечения возможности его перемещения с высокими скоростями в свободном космическом пространстве), и заявленной цели.

Прежде всего, необходимо отметить, что предложенное техническое решение не содержит в своем составе никаких устройств для разгона заряженных частиц до необходимых энергий.

Доведение используемых циркулирующих в накопительных кольцах заряженных частиц до необходимых значений их энергий осуществляется вне заявленного средства еще при его подготовке к полету на околоземной или околосолнечной орбите в соединении с ускорительным комплексом, который и осуществит ускорение электрически заряженных частиц в необходимом их количестве до требуемой энергии.

При подготовке к полету объединяют в единое целое и указанный ускорительный комплекс, и предложенный объект так, чтобы в промежутках между сверхпроводниковыми фокусирующе-отклоняющими магнитами (3) последнего расположились ускорительные модули (элементы) ускорительного комплекса. Затем включают все их системы (и предложенного средства для перемещения в космическом пространстве, и ускорительного комплекса) и осуществляют ускорение необходимого количества заряженных частиц до необходимой (выбранной заранее в зависимости от цели предстоящего полета) энергии. Главной особенностью такого объединения будет четкое разделение функций: ускорительный комплекс, содержащий лишь элементы для ускорения заряженных частиц, будет осуществлять лишь их ускорение, а предлагаемое средство, содержащее лишь сверхпроводящие фокусирующе-отклоняющие магниты кольцевых систем (если их - систем - будет несколько), будет осуществлять лишь отклонение пучков (потоков) заряженных частиц. После ускорения заданного количества заряженных частиц во всех кольцах до необходимой энергии все составные части ускорительного комплекса отводят из зоны расположения предложенного средства для перемещения в космическом пространстве. После завершения указанного отвода предложенный объект ориентируют необходимым образом в пространстве, а затем включают в действие устройства 6 и 8. В результате их работы из накопительных колец начинают истекать струи (потоки) материи 7 и 9. Эти струи и создают реактивную тягу, что и обеспечивает саму возможность перемещения заявленного средства в свободном космическом пространстве.

Необходимость (целесообразность) использования в данном варианте исполнения заявленного объекта двух кольцевых сверхпроводниковых фокусирующе-отклоняющих систем (накопительных колец) определяется необходимостью компенсации паразитных вращающих (закручивающих) механических моментов от нецентральности истечения потоков 7 и 9.

Циркулирующие в сверхпроводниковых кольцевых фокусирующе-отклоняющих системах высокоэнергичные электрически заряженные частицы выполняют роль рабочего тела.

Предложенное средство для перемещения в космическом пространстве не выполняет никаких ускорительных функций. Оно выполняет лишь роль накопителя и хранителя кинетической энергии ускоренных частиц. По сути, предлагаемое средство для перемещения в космическом пространстве является своеобразным сверхмаховиком - но с магнитным удержанием разогнанной почти до световых скоростей материи.

В качестве заряженных частиц в заявленном средстве могут быть использованы протоны, ядра любых стабильных или долгоживущих атомов (и их изотопов), ионизированные атомы и молекулы и электрически заряженные микрокрупицы вещества.

При использовании в качестве устройств 6 и 8 магнитных ондуляторов энергия потоков (пучков) заряженных частиц, циркулирующих в накопительных кольцах, будет преобразовываться в электромагнитное синхротронное излучение. В этом случае предложенное средство для перемещения в космическом пространстве станет, по сути, фотонным звездолетом.

Регулируя секундный расход пучков, выводимых из сверхпроводниковых кольцевых фокусирующе-отклоняющих систем (из накопительных колец), или меняя интенсивность генерации в ондуляторах синхротронного излучения, можно менять в необходимых пределах тягу, развиваемую предложенным средством для перемещения в космическом пространстве.

Для достижения высокой эффективности заявленного средства для перемещения в космическом пространстве (самой возможности его использования в качестве средства для передвижения в космосе) необходимо, чтобы энергия заряженных частиц в пересчете на один нуклон равнялась 10¹⁵-10¹⁸ эВ (электронвольт); общая начальная (перед стартом) масса покоя циркулирующих в кольцах (накопительных кольцах) заряженных частиц была не менее 1-100 граммам; общая стартовая масса всей конструкции (которая в полете, естественно, меняться не будет) заявленного объекта составляла (в зависимости от задач, поставленных перед каждым конкретным вариантом реализации предлагаемого объекта) примерно 10⁴ -10⁸ тонн. Радиус сверхпроводниковых фокусирующе-отклоняющих систем (накопительных колец) должен быть выбран (определяется) исходя из следующего:

1) необходимости уменьшения испускаемого паразитного синхротронного излучения до величины, приводящей к уменьшению энергии циркулирующих в накопительных кольцах частиц, не большей, чем на один-пять процентов от первоначальной (стартовой) их энергии за один год;

2) высокоэффективного отклонения заряженных частиц при заданной (максимально достигнутой) напряженности магнитного поля в сверхпроводящих магнитных системах фокусирующе-отклоняющих элементов накопительных колец;

3) механических прочностных характеристик силовых элементов, скрепляющих указанные магниты с корпусом предложенного объекта.

Достигнутые в настоящее время на самых современных ускорителях параметры пучков заряженных частиц следующие:

1. Получены пучки протонов с энергиями до порядка 10¹³ эВ=10 ТэВ (европейский ускоритель LHC) со светимостью, которую планируется довести до 5 10³⁴ см^-2 с^-1.

2. Суммарная масса покоя всех циркулирующих в ускорительном кольце частиц - до примерно 10^-12-10^-14 грамм.

Для достижения параметров, необходимых для создания летных образцов предложенного средства для перемещения в космическом пространстве, необходимо энергию пучка увеличить в 10²-10⁵ раз, а общую начальную массу покоя всех частиц, циркулирующих в накопительных кольцах, - в 10¹²-10¹⁵ раз (до значений, равных 1-100 граммам).

Существуют практические возможности для существенного (радикального!) увеличения достигнутых, указанных выше, парамеров - см., например, статью «Коллайдеры частиц высоких энергий: прошедшие 20 лет, предстоящие 20 лет и отдаленное будущее» в № 10 журнала «Успехи Физических Наук» за 2012 год, стр.1042-1046. Так, например, протоны в кристаллических ускорителях с использованием для наращивания энергии ускоряемых частиц рентгеновских лазеров на участке в 10 километров могут быть ускорены до 10 ³-10⁵ ТэВ (то есть до 10¹⁵-10 ¹⁷ эВ), а их максимальная энергия может быть доведена до 10⁶ ТэВ=10¹⁸ эВ.

Очевидно, что скорость истечения рабочего тела (части пучка или продуцируемого эквивалентного по массе потока специально для продуцирования тяги генерируемого синхротронного излучения) с секундным расходом будет равна скорости света (с).

Развиваемая при этом тяга

Для вычисления характеристической скорости (V_x), обеспечить достижение которой можно с использованием предлагаемого средства для перемещения в космическом пространстве, необходимо использовать вариант формулы Циолковского, записанный для релятивистских ракет. Используя формулу (38.15) в разделе «Фотонные ракеты» в книге «Механика и теория относительности» (автор Матвеев А.Н.; издательство «Высшая школа»; Москва; 1986 год; стр.217) и решая ее относительно скорости (v=v _x), получим

где с - скорость света; M_K - масса конструкции (включая массы полезной нагрузки, корпуса, магнитов фокусирующе-отклоняющих систем (ФОС), силовых элементов закрепления ФОС и устройств для испускания реактивной струи); М_ПНО - общая начальная (стартовая) масса покоя пучка; - релятивистский фактор каждой частицы в пучке

где (в свою очередь) Е_р - релятивистская энергия каждой заряженной частицы в пучке; Е_о - ее энергия покоя; m₀ - ее масса покоя. Введя обозначение

можно записать

Или

Важным показателем (параметром) эффективности заявленного объекта является релятивистский коэффициент _зв замедления течения собственного времени внутри него при достижении скорости v_x

Исходя из вышеизложенного рассмотрим несколько конкретных вариантов реализации предлагаемого средства для перемещения в космическом пространстве.

1. Масса M_K равна 10⁴ тонн; первоначальная общая масса покоя пучка (пучков) М_ПНО равна 1 грамму; частицы, циркулирующие в кольцах, - протоны; релятивистский фактор пучка ( ) равен 10⁷.

Характеристическая скорости (v_x) будет равна в данном случае 299,85 километрам в секунду, что вполне достаточно для проведения исследований в пределах всего околосолнечного космического пространства и даже для совершения (без «дозаправки») нескольких рейсов в разные «уголки» Солнечной системы.

2. Масса М_К равна 10⁶ тонн; первоначальная масса покоя пучка (пучков) М_ПНО равна 100 граммам; частицы, циркулирующие в кольцах, - протоны; релятивистский фактор пучка ( ) равен 10⁹.

Характеристическая скорость (v_x) будет равна в данном случае 28506,787 километрам в секунду, что вполне достаточно для проведения исследований космического пространства в радиусе примерно 1-10 тысяч астрономических единиц от Солнца.

3. Масса М_К равна 10⁷ тонн; первоначальная масса покоя пучка (пучков) М_ПНО равна 10 килограммам; частицы, циркулирующие в кольцах, - протоны; релятивистский фактор пучка ( ) равен 10⁹.

Характеристическая скорость (v_x) будет равна в данном случае 180 тысячам километров в секунду, а фактор замедления течения времени _зв равен 1,25, что вполне достаточно для проведения исследований звездных систем, расположенных на расстояниях до 20-30 световых лет от Солнца.

4. Масса М_К равна 10⁷ тонн; первоначальная масса покоя пучка (пучков) М_ПНО равна 100 килограммам; частицы, циркулирующие в кольцах, - протоны; релятивистский фактор пучка ( ) равен 109.

Характеристическая скорость (v_x) будет равна в данном случае 295081,9672 километрам в секунду, а фактор замедления течения времени _зв равен 5,5454, что вполне достаточно для проведения исследований звездных систем, расположенных на расстояниях до 200-300 световых лет от Солнца.

5. Масса М _К равна 10⁸ тонн; первоначальная масса покоя пучка (пучков) М_ПНО равна 1000 килограммам; частицы, циркулирующие в кольцах, - протоны; релятивистский фактор пучка (у) равен 10⁹.

Характеристическая скорость (v_x) будет равна в данном случае 295081,9672 километрам в секунду, а фактор замедления течения времени _зв равен 5,5454, что вполне достаточно для проведения исследований звездных систем, расположенных на расстояниях до 200-300 световых лет от Солнца. Массы полезных нагрузок будут составлять во всех рассмотренных случаях величины, равные 5-15 процентам от общей массы конструкции М_К, то есть быть равными от нескольких сотен тонн в первом из рассмотренных выше вариантов реализации предлагаемого объекта, до примерно 10 миллионов тонн - в пятом из рассмотренных вариантов. Очевидно, что подавляющая часть от общей массы всей в целом конструкции М_К будет приходиться на массу фокусирующе-отклоняющей системы. Степень ее совершенства и определяет все рассмотренные выше главные характеристики предложенного технического решения.

Для оценки величины потерь энергии от паразитного синхротронного излучения, возникающего не в устройствах 6 и 8, а в сверхпроводниковых фокусирующе-отклоняющих магнитах 3, следует использовать формулу (17.8), приведенную в книге «Синхротронное излучение и его применение» (авторы И.М.Тернов и др.; издательство Московского Государственного Университета; 1985 год; стр.203)

где: dE - потери энергии частицей в виде синхротронного излучения за один ее оборот; е - электрический заряд частицы; R - радиус накопительного кольца (в метрах); Е - энергия частицы; m₀ - масса покоя частицы; с - скорость света; - релятивистский фактор пучка.

Для удобства использования эту формулу следует представить в виде, позволяющем вычислять указанные потери за один год (dЕ_год)

Так, при R=100 километров=10⁵ метров; Е=10¹⁸ эВ ( =10⁹) и при использовании в качестве «рабочего тела» протонов величина dЕ_год=16146,4 кэВ, что на много порядков меньше величины Е.

Принципиально важным отличием предлагаемого технического решения от прототипа является введение в его состав кольцевых ФОС с циркулирующими внутри них высокоэнергичными заряженными частицами и устройств для регулируемого (управляемого) выведения (для создания тяги) в процессах разгона или торможения либо части самого пучка, либо специально генерируемого «двигательного» синхротронного излучения. Это, в комплексе, позволяет реализовать высокоэффективный движитель, позволяющий обеспечить достижение даже околосветовых скоростей (релятивистских, приближающихся к скорости света) и обеспечить достижение заявленной цели - увеличения эффективности использования рабочего тела, создающего тягу, которая становится равной практически 100 процентам.

Предлагаемая совокупность существенных признаков позволяет обеспечить реализацию также следующих качественно важных свойств и характеристик: достижение высокой (в принципе почти стопроцентной) эффективности использования рабочего тела (в данном случае пучков заряженных частиц); достижение релятивистских скоростей; достижение максимально возможного (то есть предельного, теоретически возможного) удельного импульса тяги; возможность перемещения к выбранным пунктам назначения значительных масс полезных нагрузок, достигающих, в принципе, величин в десятки и сотни тысяч тонн (по массе).

Важным достоинством предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом является тот факт, что практически никакого опасного воздействия от циркулирующих в накопительных кольцах высокоэнергичных заряженных частиц на объекты, расположенные внутри колец (где и должны размещаться все составляющие части полезной нагрузки), не будет.