Магнитный парус - Magnetic sail

А магнитный парус или же магсейл предлагаемый метод двигательная установка космического корабля который будет использовать статическое магнитное поле для отклонения заряженные частицы излученный солнце как плазма ветер, и таким образом передать импульс для ускорения космического корабля.^[1]^[2] Магнитный парус мог также наносить удар прямо по планетам и солнечным лучам. магнитосферы.

История

Магнитный парус был предложен Дана Эндрюс и Роберт Зубрин работал в сотрудничестве в 1988 году. В то время Эндрюс работал над концепцией использования магнитного ковша для сбора ионов, чтобы обеспечить топливо для ядерно-электрического ионный привод космический корабль, что позволяет ему работать так же, как и ПВРД Bussard, но без необходимости протон-протонный синтез пропульсивный 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

В магсейл действует, создавая сопротивление местной среде (магнитному полю планеты, солнечному ветру или межзвездному ветру), тем самым позволяя космическому кораблю, разогнанному до очень высоких скоростей с помощью других средств, таких как термоядерная ракета или управляемый лазером световой парус, замедляться - даже от релятивистские скорости - без использования бортового топлива. Таким образом, это может уменьшить дельта-V двигательная установка, необходимая для межзвездной миссии, в два раза. Эта способность - самая необычная особенность магсейла и, возможно, самая важная в долгосрочной перспективе.

В типичных конструкциях магнитных парусов магнитное поле создается петлей сверхпроводящий провод. Поскольку петли проводников с током имеют тенденцию выталкиваться наружу к круглой форме под действием собственного магнитного поля, парус можно было развернуть, просто размотав проводник и пропустив через него ток.

Пример солнечного ветра

В Солнечный ветер представляет собой непрерывный поток плазмы, истекающий наружу от Солнца: около орбиты Земли он содержит несколько миллионов протоны и электроны на кубический метр и скорость потока от 400 до 600 км / с (от 250 до 370 миль / с). Магнитный парус вводит в этот плазменный поток магнитное поле, которое может отклонять частицы от их первоначальной траектории: затем импульс частиц передается парусу, что приводит к возникновению тяги в парусе. Одно из преимуществ магнитных или солнечных парусов перед реактивными двигателями (химическими или ионными) заключается в том, что реактивная масса не исчерпывается и не переносится на корабле.

Для паруса в солнечном ветре Австралия вдали от Солнца напряженность поля, необходимая для сопротивления динамическое давление солнечного ветра составляет 50 нТл. Зубрин Предлагаемая 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 ограничена ограничениями прочности материала и составляет примерно 40 тонн (44 тонны), и она будет генерировать 70 Н (16 фунтов_ж) 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 / м² (0,0014 фунта / кв. Фут), что дает тягу 0,01 МПа (1,5×10⁻⁹ psi) 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 компонентов конструкции.

В солнечный а магнитные паруса имеют тягу, которая уменьшается как квадрат расстояния от Солнца.

Когда близко к планете с сильным магнитосфера Такие как земной шар или газовый гигант магнитный парус может генерировать большую тягу, взаимодействуя с магнитосферой, а не с солнечным ветром, и поэтому может быть более эффективным.

Мини-магнитосферный плазменный движитель (М2П2)

Чтобы уменьшить размер и вес магнит магнитного паруса, возможно надуть магнитное поле с использованием плазмы так же, как плазма вокруг Земли растягивает магнитное поле Земли в магнитосфера. В этом подходе называется мини-магнитосферный плазменный двигатель (M2P2) токи, проходящие через плазму, увеличивают и частично заменяют токи в катушке. Ожидается, что это будет особенно полезно вдали от Солнца, где увеличенный эффективный размер паруса M2P2 компенсирует пониженное динамическое давление солнечного ветра. Оригинал НАСА дизайн^[4] предлагает космический аппарат, содержащий электромагнит в форме банки, в который впрыскивается плазма. В плазма Давление растягивает магнитное поле и раздувает плазменный пузырь вокруг космического корабля. Затем плазма создает вокруг космического корабля своего рода миниатюрную магнитосферу, аналогичную магнитосфера что окружает Землю. Протоны и электроны, составляющие Солнечный ветер отклоняются этой магнитосферой, и реакция ускоряет космический корабль. Тяга устройства M2P2 будет до 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 эффективную удельный импульс который представляет собой количество газа, потребляемого на 1 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 в пределах гелиопауза 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 над тем, можно ли эффективно передать импульс солнечного ветра космическому аппарату^[6].

Расширение магнитного поля с помощью инжектируемой плазмы было успешно протестировано в большой вакуумной камере на земной шар, но развитие тяги не входило в эксперимент. А с приводом от луча вариант, MagBeam,^[7] также находится в стадии разработки.

Режимы работы

Магнитный парус на ветру заряженных частиц. Парус создает магнитное поле, представленное красными стрелками, которое отклоняет частицы влево. Сила на парусе противоположная.

В плазменном ветру

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 количество тяги, создаваемой магнитным парусом, уменьшается пропорционально квадрату его расстояния от Солнца как поток плотность заряженных частиц уменьшается. Солнечная погода также оказывает большое влияние на парус. Возможно, что плазменное извержение от сильной солнечной вспышки могло 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

Магнитный парус в пространственно изменяющемся магнитном поле. Поскольку вертикальное внешнее поле B_доб сильнее с одной стороны, чем с другой, сила, направленная влево на левой стороне кольца, меньше, чем сила, направленная вправо на правой стороне кольца, а результирующая сила на парусе - справа.

Внутри планетарной магнитосферы магнитный парус может столкнуться с магнитным полем планеты, особенно в орбита который проходит над магнитными полюсами планеты аналогично электродинамический трос.

Диапазон маневров, доступных магнитному парусу внутри магнитосферы планеты, более ограничен, чем в плазменном ветре. Как и в случае с более привычными 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 каким-либо другим способом.

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

Эта ограниченная маневренность по-прежнему весьма полезна. Изменяя напряженность поля магнитного паруса на протяжении его орбиты, магнитный парус может дать себе "перигей удар "поднимает высоту орбиты апогей.

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 самых известных высокотемпературных сверхпроводников.

Межзвездные путешествия

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 ионизации и циклотронное излучение будет исходить от кинетической энергии космического корабля, замедляя космический корабль. Циклотронное излучение от ускорения частиц было бы легко обнаруживаемым воем в радиочастоты. 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 пределы гелиопауза 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. Магсайл был впервые предложен для этой цели в 1988 г. Роберт Зубрин и Дана Эндрюс, предшествовавшего другим применениям, и произошла от концепции ПВРД Bussard который использовал магнитный совок для сбора межзвездный материал. Совсем недавно комбинация магнитного паруса и электрический парус был предложен Перакисом и Хайном.^[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 также можно использовать с силовая установка с лучевым приводом, используя мощную ускоритель частиц стрелять пучком заряженных частиц по космическому кораблю.^[9] Магсайл отклонил бы этот луч, передавая импульс транспортному средству. Это обеспечит гораздо большее ускорение, чем солнечный парус, управляемый лазер, но пучок 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

Магнитный парус межзвездного корабля должен тормозить от протонов межзвездная среда. Плотность ${displaystyle n_ {p}}$ протонов очень мало, порядка 0,3 атома на кубический сантиметр для Местное межзвездное облако, который достигает расстояния 30 световых лет от солнце, и порядка ${displaystyle n_ {p} приблизительно 0,05, / {mbox {cm}} ^ {3}}$ для окружающихМестный пузырь. А ударная волна в пределе малых плотностей плазмы можно пренебречь. Космический корабль общей массой ${displaystyle m_ {tot}}$ затем меняет свою скорость ${displaystyle v}$ через

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

куда ${displaystyle m_ {p}}$ это протон масса и ${displaystyle A (v)}$ эффективная площадь отражения.^[10]Число протонов, отражаемых за секунду, равно ${displaystyle A (v) n_ {p} v}$ , причем каждый сталкивающийся протон передает импульс ${displaystyle 2m_ {p} v}$ к кораблю. консервированный.

Эффективная площадь отражения

Эффективная площадь отражения ${displaystyle A (v)}$ должен быть определен численно путем оценки траекторий столкновения протонов в магнитном поле, создаваемом сверхпроводящей петлей. Немецкий физик Клавдий Гро обнаружили, что эффективная площадь отражения для магнитного паруса в осевой конфигурации может быть аппроксимирована с высокой точностью с помощью.^[10]

{displaystyle A (v) = 0,081pi R ^ {2} left [log left ({frac {cI} {vI_ {c}}} ight) ight] ^ {3},}

куда ${displaystyle pi R ^ {2}}$ площадь, ограниченная токоведущей петлей, ${displaystyle c}$ то скорость света, ${displaystyle I}$ ток через петлю и ${displaystyle I_ {c} = 1,55cdot 10 ^ {6}, {mbox {Ampere}}}$ критический ток. Протоны вообще не отражаются, если ${displaystyle v> c (I / I_ {c})}$ .

Явное решение

Аналитическое выражение для эффективной площади отражения ${displaystyle A (v)}$ позволяет явное решение уравнения движения ${displaystyle m_ {tot} {dot {v}} = - 2A (v) n_ {p} m_ {p} v ^ {2}}$ В результате скорость падает до нуля на расстоянии ${displaystyle x_ {max}}$ . Минимизация тормозного пути ${displaystyle x_ {max}}$ для данной массы ${displaystyle m_ {tot}}$ ремесла, который можно найти

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

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

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

как функция расстояния ${displaystyle xin [0, x_ {max}]}$ путешествовал, с

{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}}}} ight)}

время ${displaystyle t = t (x)}$ необходимо крейсерское расстояние ${displaystyle x}$ . Время ${displaystyle t (x o x_ {max})}$ нужно было остановиться, поэтому расходится.

Профили миссий

Используя аналитический результат для ${displaystyle v (x)}$ и допустимая нагрузка по току современных покрытых сверхпроводящие провода,^[11] можно оценить массу, необходимую для магнитного паруса.

Для высокоскоростной миссии в Альфа Центавра, с ${displaystyle v_ {0} = c / 10}$ , можно найти ${displaystyle Rapprox 1600, {mbox {km}}}$ и ${displaystyle m_ {tot} около 1500, {mbox {tons}}}$ . Эти требования намного превышают спецификации проектируемых систем запуска, таких как Инициатива Breakthrough Starshot.
Для миссии на низкой скорости TRAPPIST-1, с ${displaystyle v_ {0} = c / 300approx 1000, {mbox {km / s}}}$ , получается ${displaystyle Rapprox 50, {mbox {km}}}$ и ${displaystyle m_ {tot} примерно 1,5, {mbox {tons}}}$ . Эти требования полностью соответствуют спецификациям проектируемых систем запуска.^[12]

Долгосрочные миссии, такие как миссии, направленные на то, чтобы предложить земной жизни альтернативные пути эволюции, например как предусмотрено Проект Genesis, поэтому может пассивно тормозить с помощью магнитных парусов.^[13]

Вымышленное использование в популярной культуре

Магнитные паруса стали популярными троп во многих произведениях научная фантастика Хотя солнечный парус более популярны:

Предок магсейла, Магнитный совок Bussard, впервые появился в научной фантастике в Пол Андерсон рассказ 1967 года Пережить вечность, за которым последовал роман Тау Зеро в 1970 г.
Магсейл выступает как важнейший сюжетный ход в Детский час, а Man-Kzin Wars роман Джерри Пурнель и С.М. Стирлинг (1991).
Это также занимает видное место в научно-фантастических романах Майкл Флинн, особенно в Обломки Звездной Реки (2003); эта книга - рассказ о последнем полете корабля с магнитным парусом, когда термоядерные ракеты на основе Фарнсворт-Хирш Фузор стали предпочтительной технологией.

Хотя это понятие не упоминается как «магнитный парус», оно было использовано в романе. Встреча с тибром к Базз Олдрин и Джон Барнс как тормозной механизм для замедления звездолетов с релятивистской скорости.

Смотрите также

Электрический парус
Электродинамический трос взаимодействует с магнитосферой аналогично магсилу
MagBeam (Плазменный двигатель с магнитным пучком) - вариант мини-магнитосферный плазменный двигатель (M2P2).
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)

внешняя ссылка

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)

九州大学大学院 - 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 - 惑星間航行システム開発に向けチスケー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)

[1] Д. Г. Эндрюс и Р. Зубрин, "Магнитные паруса и межзвездные путешествия", статья IAF-88-553, 1988 г.

[2] Р. Зубрин. (1999) Выход в космос: создание космической цивилизации. Нью-Йорк: Джереми П. Тарчер / Патнэм. ISBN 0-87477-975-8.

[05ja026_full-3] а ^б «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2009-02-27. Получено 2009-02-27.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)

[4] Мини-магнитосферное плазменное движение: использование энергии солнечного ветра для движения космического корабля, Журнал геофизических исследований, том 105, A9, страницы 21 067–21 077 2000

[5] ДВИЖЕНИЕ ПАРУСА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА, Журнал космических технологий и науки, том 20, страницы 1–16, 2004 г.

[6] [1]

[7] "MagBeam". earthweb.ess.washington.edu.

[8] Перакис, Н., и Хайн, А. М. (2016). Сочетание магнитных и электрических парусов для межзвездного замедления. препринт arXiv arXiv: 1603.03015.

[9] Дж. Лэндис, "Межзвездный полет на пучке частиц", Acta Astronautica. Том 55, No. 11, 931-934 (декабрь 2004 г.).

[gros2017-10] а ^б К. Гро, Универсальное масштабное соотношение для магнитных парусов: торможение импульса в пределе разреженных межзвездных сред, Journal of Physics Communication (2017).

[11] X. Обрадорс и Т. Пуиг, Покрытые проводники для питанияприложения: проблемы материалов, Наука о сверхпроводникахи технологии, 27 044003, (2014).

[12] Н. Кулькарни, П. Любин и К. Чжан, Релятивистский космический аппарат, приводимый в движение направленной энергией, arXiv: 1710.10732.

[13] Джеймс Ромеро, «Должны ли мы сеять жизнь в космосе с помощью кораблей с лазерным приводом?», Новый ученый, 13 ноября (2017).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]